第九章地下水流系统

第九章地下水流系统本章内容9.1地下水系统的概念9.2地下水含水系统9.3地下水流动系统9.4流动系统的物理模拟结果9.5Toth流动系统的新图解9.1地下水系统的概念源于：系统论——上世纪四十年代由贝塔朗菲提出，系统工程在解决复杂问题中取得了重大成功（航天计划中的载人飞船，飞月计划等）。地下水系统理论发展于20世纪80年代。在荷兰召开了首届关于地下水系统的国际学术讨论会（50个国家的200多名代表参加）83年底荷兰水文地质学家Engelen来华进行了讲座，“地下水系统”（河北水文所、北京水文公司和地质大学联合举行）概念提出。90年代起：在中国水文地质学界得以迅速广泛的应用、研究与完善（地矿部陈梦熊院士、长春地院的林学钰院士和地质大学地下水小组等）。9.1.1系统与系统方法系统：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体。相互作用、相互依赖→不是各部分或零部件的简单堆积整体→功能大于局部（要素）之和。系统方法：用系统思想去分析与研究问题的方法称之为系统方法。系统思想：就是把研究对象看做一个有机整体，从整体角度去考察、分析和处理问题的方法。系统目标→系统整体功能的最优化（不是局部的）9.1.2地下水系统1.地下水系统是个广义的泛指概念（1）地下水含水系统Groundwateraquifersystem（2）地下水流动系统Groundwaterflowsystem地下水含水系统是指由隔水层或相对隔水岩层圈闭的、具有统一水力联系的含水岩系。地下水流动系统是指从源到汇的流面群构成的、具有统一时空演变过程的地下水体。2.地下水含水系统与地下水流动系统的比较A.两者的共同点：突破了把单个含水层作为功能单元的传统，力求以系统的观点去考察、分析与处理地下水体。地下水含水系统—潜水地下水含水系统—承压水地下水流动系统B地下水系统的比较—两者的不同点9.1.2地下水系统—两者的关系C、两者的关系①通常，一个大的含水系统可以包含若干个流动系统；②两者都可以进一步划分为子系统—参照下图：两者的关系图。分层次的：子系统是不同的、大的系统是一致的；流动系统在人为流动影响下，规模、数量均会发生变化，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。地下含水系统与流动系统的关系流动系统：在人为流动影响下，规模、数量均会发生变化，但其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。9.2地下水含水系统一、地下水含水系统的概念地下水含水系统—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系。二、不同类型的含水系统松散沉积物；基岩——裂隙岩层、岩溶地层；松散沉积物基岩——裂隙岩层基岩——岩溶地层9.3地下水流动系统9.3.1地下水流动系统（ＧＦＳ）概念地下水流动系统——是指从源到汇的流面群构成的具有统一时空演变过程的地下水体。早在１９４０年，Ｈｕｂｂｅｒｔ正确地画出了河间地块流网；１９６３年，Ｊ．Ｔｏｔｈ用数学模型做了复杂盆地的潜水流网；以拉普拉斯方程为基础的数学解，二维稳定流动复杂地形条件：正弦函数＋直线方程—地形线代替水头值（势分布）画出理想盆地的流动系统模拟图，图９—７.理想盆地流动系统图解局部流动系统—？个；中间流动系统—？个；局域流动系统—？个。ＧＦＳ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→时间因素。（２）控制地下水流动的是“势”—地形，不是地质条件，Ｔｏｔｈ认为：从水力学角度看，地下水体的天然单元是地形盆地，而不是地质盆地。驱动水流的势来自区域地形高处，水从地形高处向地形低处运动。9.3.2GFS的水动力特征GFS的水动力特征高势区（势源）—地形高处：地下水由上至下运动；低势区（势汇）—地形低处：地下水由低向上运动。垂向运动中：由上至下，势能除克服摩擦消耗部分能量外，势能→亚能转化；由下至上，部分储存的压能释放转化为势能；垂向运动的存在：传统的“承压”现象在潜水中也可以出现；流动方向的多样性：由上至下，由下至上，水平运动。流动特征的伴生现象——生态、环境的关系。区域地下水流动及其伴生标志水动力特征：高势区（势源）—地形高处：地下水由上至下运动；低势区（势汇）—地形低处：地下水由下至上运动。流动特征的伴生现象——生态、环境的关系。9.3.3GFS的水化学特征GFS的水化学特征地下水流动系统的水利特征决定了水化学特征。在流动系统中，水质取决于空间某点：（1）入渗补给；（2）流程—流经长度；（3）流速；（4）流动过程中物质补充及迁移性；（5）流程中经受的水化学作用。局部：流程短，流速快（交替快），TDS低，水型简单；区域：流程长，流速慢（交替迟缓），TDS高，水型复杂。垂直与水平分带性水化学积聚区：相汇处→圈闭带，相背处→准滞流带。矿化度，水型与水学形成作用方式，与水力特征相关一致。地下水流动系统中的水质演变局部：流程短，流速快（交替快），TDS低，水型简单区域：流程长，流速慢（交替迟缓），TDS高，水型复杂垂直：由地表向深部的变化水平分带性：沿水流方向上的变化根据地下水化学场，可以回溯历史上的地下水流动系统。任一点的水质取决于下列因素：输入水质、流程、流速、流程上遇到的位置及其可迁移性、流程上经受的各种水化学作用。地下水化学成分主要来自流动过程中对流经岩土的融滤。地下水流动系统的不同部位，由于流速与流程对水质的控制作用，显示出很好的水化学分带。地形复杂同时出现局部、中间、区域流动系统时，以垂直分带为主。地形变化简单区域则呈水平分带。同一含水层或含水系统的水，可用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。地下水流动系统的不同部位，发生的主要化学作用不同。局部流动系统及中间与区域流动系统的浅部属氧化环境，中间系统及局部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。不同流动系统的汇合处，将发生混合作用。区域地下水流动及其伴生标志水化学积聚区：相汇处→圈闭带；相背处→准滞流带9.3.4GFS的水温特征GFS的水温特征地温分布曲线受水流作用的影响上升水流产生正增温下降水流产生负增温地下水流动系统的水温度特征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。这样使原本水平分布的等温线发生变化。补给区下降且间距变大；排泄区上抬，且间隔变小。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。地下水流动系统的总结地下水流动系统理论其实质是以地下水流网为工具，以势场介质场的分析为基础，将渗流场、水化学场、温度场统一于新的地下水流动系统概念框架之中。将传统认为互不相关联的地下水各方面的表现联系在一起，纳入到一个有序的地下水空间与实践连续变化的结构之中，有助于人们从整体上把握地下水质与水量特征、地下水系统与环境之间的联系。这一分析方法叫做地下水系统方法。地下水流动系统图（见下页）9.4流动系统的物理模拟结果-2007一个地形复杂地区，发育多级流动系统，室内物理模拟结果。从实验中证实了Toth流动系统的存在与划分9.5Toth流动系统的新图解-1990年9.6不同介质中的地下水流系统主要有三种：岩溶水流系统、孔隙水流系统和裂隙水流系统。1、岩溶水流系统主要发育于可溶性岩层中，初期渗透性不大，主要为小的独立的局部水流系统。随着岩溶发育，势汇较强的岩溶水系统溯源袭夺，最终形成统一的区域性岩溶水流系统。主要分布在我国南北方的岩溶地区，大多受到抵制构造的控制，它以岩溶含水系统边界为其边界。岩溶水流系统大多受构造控制，所以研究简单。故作为地下水流系统初期研究的主要对象。9.6不同介质中的地下水流系统2、孔隙水流系统孔隙水流系统的研究最为复杂，不但要获取岩层的渗透性、水位、水化学信息、地理演变和分析，还要进行环境同位素相对定年和数学模拟等手段，所以孔隙水的研究还有大量的工作要做。复杂的原因是：（1）缺乏明显的系统边界；（2）介质场空间变化复杂；（3）地貌及微地貌影响下的势场变化复杂；（4）各级次含水系统与水流系统具有复杂的交错关系；（5）经历长期地质及自然地理演变，后期发育的水流系统的影响叠加于前期水流系统之上，重塑演变过程十分复杂；（6）大多受人为活动的强烈影响。9.6不同介质中的地下水流系统3、裂隙水流系统我国裂隙基岩很广，但是研究成果较少。这是因为裂隙介质的不均匀性和非连续性导致的。裂隙水流系统的特点：（1）浅部风化-卸荷裂隙带的局部水流系统；（2）中部构造裂隙带中间水流系统；（3）深部构造裂隙带的区域水流系统。同时。氯离子含量也是局部系统低，中间系统略高，区域系统高，还有TDS很高。思考题一个地形复杂地区，是否发育多级流动系统，主要取决于哪些因素？看右图，理解控制地下水流动系统的因素。小结地下水系统包括地下水含水系统和地下水流动系统。地下水含水系统是指隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩层。含水系统往往由若干含水层和相对隔水层组成，然而其中的相对隔水层并不影响含水系统的地下水呈现统一的水力联系。地下水流动系统是指由源到汇的流面群构成的，具有统一时空演变过程的地下水体。