第9章 地下水系统

第9章地下水流系统第1节地下水系统概念第2节地下水含水系统第3节地下水流动系统第1节地下水系统的概念路德维希·冯·贝塔朗菲（LudwingvonBertalanffy）加拿大籍奥地利理论生物学家——1924～1928年多次发表文章阐述系统论的思想。强调生物学中有机体概念，主张把有机体当作一个整体或系统来考虑，认为生物学的主要任务应当是发现生物系统中一切层次上的组织原理。——1937年，提出了一般系统论原理。1949年发表《关于一般系统论》，1950年发表《物理学和生物学中的开放系统理论》。1955年出版专著《一般系统论》。一、系统的提出贝塔朗菲——系统是处于一定相互联系中的与环境发生关系的各组成成分的总体。——为相互作用的诸要素的复合体哲学意义上的系统概念：——是指相互联系、相互作用的若干要素或部分结合在一起并具有特定功能、达到同一目的的有机整体。提出一般系统论以来，特别是20世纪50~60年代应用系统工程解决复杂问题取得重大成功以来，系统思想与系统方法广泛地渗透到各学科领域。对于地下水研究也如此——认识与研究局部→整体钱学森（1978）把极其复杂的研制对象称为系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成具有特定功能的有机整体，而且这个系统本身又是它们从属的更大系统的组成部分。—输入：任何对系统施加的物质、能量或信息—输出：由系统的输入而产生的响应—系统实体：系统的结构—环境：相对于系统之外的其他系统二、系统的组成三、地下水系统概念产生系统的思想与方法→渗入到水文地质领域→地下水系统从地下水的研究历史看找水，确定井位，以打出水量足够大的井一口井附近小范围的含水层随着开采地下水规模的增长，采水井群，使周边地下水下降，影响波及的含水层范围随时间延续不断扩展地下水扩展到整个含水层“越流”的发生，若干个含水层连同其间的弱透水层（相对隔水层）看做一个单元（系统）地下含水系统与地下水资源大规模开发地下水，导致地面沉降、海水入侵、淡水咸化、土壤沙化、植被衰退等一系列与地下水有关的环境生态问题地下水流动系统地下水系统只是其中一个组成部分的环境生态系统。人们心目中的研究对象是一个愈来愈复杂的系统三、地下水系统概念产生地下水系统是个广义的泛指概念，不同学者从不同研究角度给出了各种定义，归纳起来可分为二大类：地下水含水系统和地下水流动系统1、地下水含水系统：是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩统。一个含水系统往往由若干含水层和相对隔水层（弱透水层）组成。含水系统中的地下水呈现统一水力联系。2、地下水流动系统：是指由源到汇的流面群构成，具有统一时空演变过程的地下水体。3、地下水含水系统和地下水流动系统比较（1）共同点①突破了把单个含水层作为功能单元的传统观点system≠aquifer单个含水层→包含若干含水层与相对隔水层的整体地质边界→以地下水流动作为研究实体②力求以系统的观点去考察、分析与处理地下水体3、地下水含水系统和地下水流动系统比较（2）两者的区别含水系统流动系统根本不同静态系统动态系统分类依据根据储水构造划分的，以介质场为依据根据水的流动特征，以渗流场为依据统一性统一的或潜在统一的水力联系水量、盐、热量等在时空演变上是统一的边界性质隔水与相对隔水的地质边界，地质零通量流面（分水线）构成的水力边界，水力零通量面系统发育史共同的地质演变历史，地层形成史一致共同的地下水演变历史，水的补给径流统一系统的可变性边界固定不变，系统规模数量不变的静态系统边界可变，系统规模数目可变，易受干扰的动态系统研究意义：含水系统有助于从整体上研究水量、盐量、热量的均衡；流动系统有助于研究水量、水质、水温的时空演变（尤其是水质）（3）两者关系①一个大的含水系统可以包含若干个流动系统（A、B）②两者都可以进一步划分为子系统，子系统层次上，两者可以重叠（A、B与Ⅰ、Ⅱ的关系）ABⅠⅡBLBLBiBr（3）两者关系③流动系统在人为活动影响下，其规模、数量均会发生变化，变化受到大的含水系统边界的制约，通常不会越出大的含水系统边界。控制含水系统发育的，主要是地质结构（沉积、构造、地质发展史），而控制地下水流动系统发育的，主要是水势场。在天然条件下，自然地理因素（地形、水文、气候）控制着势场，因而是控制流动系统的主要因素。第2节地下水含水系统地下水含水系统：是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩统。（1）含水系统的发育主要受到地质构造的控制。（2）含水系统在概念上是含水层的扩大，因此，关于含水层的许多概念均可应用于含水系统。（3）含水系统分类：松散沉积物与坚硬基岩含水系统一、地下水含水系统二、松散沉积物含水系统1、松散沉积物构成的含水系统发育于近代沉降的堆积盆地中，其边界通常为不透水的坚硬基岩（图8-5a）。2、含水系统内部一般不存在完全隔水的岩层，仅有粘土、亚粘土层等构成的相对隔水层，并包含若干由相对隔水层分隔开的含水层。3、含水层之间既可以通过“天窗”，也可以通过相对隔水层越流产生广泛的水力联系。三、基岩含水系统基岩构成的含水系统总是发育于一定的地质构造中，或是褶皱、断层，更多的情况下两者兼而有之。固结良好的基岩往往包含厚而稳定的泥质岩层，构成隔水层。基岩含水系统类型：1、一个独立的含水层构成一个含水系统（图8-5b）。2、多个含水层构成一个含水系统，岩相变化导致隔水层尖灭（图8-5c），或者导水断层使若干含水层发生联系（图8-5d）。含水系统各部分的水力联系不同。3、同一个含水层由于构造原因也可以构成一个以上的含水系统（图8-5b、c）。4、极少数构造封闭的含水系统（图8-5e）。第3节地下水流系统一、概述1、地下水流动系统的由来（1）早期流网的特点：认为地下水流动是近似的平面二维流动。忽视无压含水层水的垂向运动，尤其是无压地下水的上升运动。实际上，只画河间地块流网的一部分如（图8-6a）。这是错误的第3节地下水流系统一、概述1、地下水流动系统的由来（2）1940年郝伯特（M.K.Hubbert）河间地块流网：排泄区的流线是指向地下水面的，为上升水流；补给区的流线离开地下水面，呈下降水流；只有在两者之间的过渡带，流线才是水平的。第一个明确指出无压地下水存在垂直运动1、地下水流动系统的由来（3）1963年托特（J.Toth）复杂盆地流网：发展了郝伯特理论。他发现：在均质各向同性潜水盆地中出现三个不同级次的流动系统：局部的、中间的和区域的。地形复杂均质各向同性潜水盆地中的多级次水流系统区域流动系统中间流动系统局部流动系统1、地下水流动系统的由来（4）弗里泽（R.A.Freeze）和威瑟斯庞（P.A.Witherspoon）利用数值解得到层状非均质介质中地下水流动系统。（a）（b）流线等水头线（5）1980年托特（J.Toth）提出“重力穿层流动”的概念将流动系统理论全面推广到非均质介质场，并将其应用于分析油气的迁移与积聚。（6）1986年英格伦（G.B.Engelen）建立了一套着重于解决水文地质问题的地下水流动系统概念与方法——数学模拟、地下水位及水化学资料地下水流的地质营力作用：水文学及水力学化学及矿物学植被岩土体力学地貌学输运及积聚作用2、地下水流动系统的实质是以地下水流网为工具，以水势场及水质场为分析基础，将渗流场、化学场与温度场统一于新的地下水流动系统概念框架之中。将本来似乎互不关联的地下水各方面的表现联系在一起，纳入一个易于被人们所理解的地下水空间与时间连续演变的有序结构之中，有助于人们从整体上把握地下水各个部分之间以及它与环境之间联系。3、地下水流动理论也称托特地下水流动系统理论（以下缩写为GFS—groundwaterflowsystem），在托特文章中被称为“广义水力理论”“重力穿层地下水流动理论”或“区域地下水流动理论”。托特理论的两个前提：（1）区域水力连续性：从较长的时间尺度与较大的空间尺度来考察问题，广大范围内的地下水存在着水力联系。（2）控制地下水流动的是“势”（地形），而不是地质条件。二、水动力特征1、高势区（势源）—地形高处：地下水由上至下运动2、低势区（势汇）—地形低处：地下水由低向上运动3、垂向运动中（1）由上至下：势能除克服摩擦消耗部分能量外，势能→压力能；（2）由下至上：部分储存的压力能释放转化为势能。垂向运动的存在：说明传统的“承压”现象在潜水中也可以出现。4、流动方向的多样性：存在水流由上至下、由下至上和水平运动。5、流动系统的多级性：多源、汇的流动系统，易产生多级多个地下水流动系统；“局部的、区域的、中间的”的系统共同出现，或出现两级系统等。ab、ac——局部流动系统；bc——区域流动系统ab、ac流线上的水头不高于bc流线6、流量流速与伴生现象（1）补给区：水分不足区，水位埋深大，大多含盐量低，耐旱植物；（2）排泄区：水分过剩区，沼泽化、湿地、泉，盐分累积，耐盐，水植物；（3）流速（水交替）：局部系统，浅层流动系统迳流快交替；深部区域系统，迳流慢，交替退缓。7、流动系统发育的规模与数目的控制因素（自学）与介质场的渗透性（K）、系统中源汇的势差（地形起伏）、系统的几何尺寸等有关。a表示在透水性均一的介质场中势能梯度相等的两个地下水流动系统在空间上平分秋色。b表示在均一介质场中势能梯度较大的流动系统占据较大范围。c表示两个势能梯度相等的流动系统发育于不均一介质场中，发育于透水性较好的介质中的流动系统占据了较大空间。d则表明，在与b其它条件相同，但降低了隔水底板后出现了区域流动系统。区域流动系统与局部流动系统的发育状况也取决于两者的势能梯度。e表示区域性地形坡度不大而局部地形起伏大时，只发育局部流动系统。f表示局部地形起伏较小时，既发育局部流动系统，也发育区域流动系统。g如果地形条件不变，介质场的透水性良好时，则只发育区域系统。1、水化学特征影响因素地下水流动系统的水力特征（水力条件）决定了水化学特征，在流动系统中，水化学特征与以下因素有关：①入渗补给；②流程—流径长度；③流速；④流动过程中物质补充及迁移；⑤流程中经受的水化学作用。三、水化学特征2、水化学特征（1）局部系统：流程短，流速快（交替快），矿化度（TDS）低，水型比较简单；（2）区域系统：流程长，流速慢（交替迟缓），矿化度（TDS）高，水型比较复杂；（3）在水流相汇处（动力圈闭带）水与相背处（准滞留带）：水流发生变化，常成为水化学积聚区或圈闭带。（水流流束膨胀，流速迟缓之处，有利于各种溶解物、悬浮物、乳状物质、胶体物质在此积聚）三、水化学特征（4）流动系统中水的矿化度、水型与水学形成作用方式，与水动力特征一致。同一含水层或含水系统的水，可以分属于不同的流动系统或不同级次流动系统，水动力特征不同，水化学特征自然也不相同。来自同一含水层的两个泉。a泉的水由局部流动系统补给，矿化度很低。b泉是由区域流动系统补给，矿化度相当高。ab（5）具有明显的垂直与水平分带性：地形复杂同时出现局部、中间、区域流动系统，以垂直分带为主，地形变化简单区呈水平分带。（局部、中间与区域流动系统浅部属氧化环境；中间系统及区域系统的深部属还原环境。上升水流处因减压将产生脱碳酸作用。粘性土分布部位易发生阳离子交替吸附作用。不同流动系统汇合处，发生混合作用。）1—隔水层；2—透水层；3—粘土层；4—地下水位；5—流线；6—氧化、还原带界线；7—泉；8—矿化度，1个“+”代表低矿化度，2个“+”代表中等矿化，3个“+”代表高矿化四、水温特征地下水流动系统的水温度场特征没有地热异常的地区，根据地下水温度的分布，可以判定地下水流动系统。年常温带以下的等温线通常上低下高，呈水平分布。但由于地下水流动系统的存在，补给区的下降水流受入渗水的影响，地温偏低。排泄区因上升水流带来深部热影响，地温偏高。从而使原本水平分布的等温线发生变化。补给区的下降，且间距变大（地温梯度变小）。排泄区上抬，且间隔变小（地温梯度变大）。等温线与地下水流动系统的关系大地热流