9 八章地下水系统

第八章地下水系统
一、系统的概念
1.系统，按著名科学家钱学森的说法是：相互作用和相互依赖的若干部分结合而成的具有特定功能的整体。

如，一个完整健康的人就是一个极其复杂的系统，它由管呼吸的部分（呼吸分系统）、管血液循环的部分（循环分系统），管消化、运动、思维的等各部分组成，各个部分相互作用相互依赖，少哪一部分都不行，都不是一个完整的人。

人是一个完整的大系统，某一部分则是一个子系统，如消化系统。

各个部分相互配合，才能学习、工作、生活、生存，才具有特定的功能，才是一个完整的人。

地下水主要是由含水介质和流动的水组合而成，各种各样的含水介质和大、小规模不同的水流，通过一定的结构组合在一起，具备着补给—径流——排泄功能。

所以地下水以及含水介质、隔水地层等也构成一个系统，称为地下水系统。

不同的系统具有不同的特征，具有相对的独立性。

不然就分不出这个系统那个系统了。

但这种相对独立并非绝缘，它必然与外界发生联系，要接受环境物质、能量、信息，我们把这个过程叫做“输入”。

输入的物质、能量、信息，通过系统内部的转换处理，再向环境物质、能量、信息。

环境对系统的作用，是通过输入来完成的，这种环境对系统的输入作用也称为“激励”。

系统受到激励以后，由于它本身特有的结构、功能，会通过系统内部的变换以输出的形式作用于环境，这种系统对环境的作用称为“响应”。

环境对系统的输入（激励），经过系统的变换而产生对环境的输出（响应）。

变换是系统特定功能的体现，是对输入（激励）的应对，输出（响应）是系统变换的结果。

系统对环境激励的应对变换情况，取决于系统的结构。

所谓系统的结构，是指系统内部各要素之间相互联系的方式和相互作用的方式。

系统的结构不同，对相同的输入（激励）会产生不同的输出（响应）效果。

例如，两个在相同环境里生活、工作的人，其衣、食、住、行等情况相同，但也会由于构成这两人的结构不同，而对环境所产生的输出（响应）也会不一样。

再如，相同的气候条件，相同的降雨条件，在不同的地下水系统，由于其岩性、结构、构造、地貌、分布范围以及包气带特征等要素的不同，所产生的泉水流量、地下水水位变化各不一样。

因此，在不同的地下水系统中，以相同的方式和相同的强度开采地下水，也会由于各地下水系统结构不同，它们之间的水位降低存在很大差异。

系统的特征（共同特征）：
①整体性：系统具有整体性，一个系统是一个整体。

对这个系统的某一要素的激励，都表现为对整个系统的激励，整个系统都要作出响应。

“牵一发而动全身”就是这个道理。

如：走路崴了脚，疼得全身冒汗，眼泪都流出来了，不会走路不会干活了。

一家人任何时候任何原因花了钱，都表现为这个家庭存款的减少。

一个家就是社会的一个小系统。

相应的，一个地下水系统任何一个部位失去水量，都是这个系统水量的减少，因为一
个地下水系统的各个部分都是联系在一起的。

②级次性：一个系统由若干个小系统组成。

如：人是有头、手、腿、躯干等组成。

把人看作是一个完整的大系统，则某一器官就是一个小系统，也叫子系统。

地表水系统是由干流和大小不同级次的水道组合而成的水系网络。

地下水系统也是由若干小的系统构成。

③开放性：一个系统不能静止、孤立存在，一定要求外界发生联系，受外界的激励，对激励要产生响应。

效果不能接受环境的激励，其结构功能就发挥不出来，不能对环境产生输出（响应），就不能称其为系统了。

④相对独立性：各系统之间，之所以能够区分，是因为他们之间的结构（要素之间的联系和作用方式）不同，都有其本身的特征和特定的功能，否则就不能区分。

这个人不是那个人，是因为每个人的长相、体质、内部器官都不一样，功能也就不会相同，对环境的输入的响应也就不一样了，所以在社会上的位置，能力，贡献即响应不会完全一样。

由于构成整个地下水系统的岩性、构造、地地貌、植被……状况不同而能够区分，并且它们对环境的激励也必然产生不同的响应。

二、地下水系统概念的产生
系统思想＋水文地质学原理→→→→地下水系统
1、初期（凿井取水阶段）
找一个合适的部位，打一口深入到含水层的井，装上个水泵，抽出水来，够用就行了。

此时在井孔周围产生一个地下水降落漏斗，由于抽水量较小，井周围的水位不随时间而变化了，稳定了，就行了。

２、大强度开采地下水阶段
随着社会经济工程活动规模的扩大，需水量增大，再象以前那样找个地方打口井装上泵抽水不行了，水不够用了。

人们便以井群形式大强度集中开采地下水，来满足大量用水的需要。

以井群形式大强度集中开采地下水。

以定流量抽水，发现抽水所形成的降落漏斗总在不断扩大，波及整个含水层，随着抽水的继续水位总在不断下降，人门便认识到地下水运动是非稳定的，研究地下水必须立足于整个含水层。

在一个含水层的某个部位抽水，整个含水层都要为之提供水源供应。

３、“越流”出现和地下水系统的产生
当人们把抽水研究的目光放大到整个含水层后，仍然有些问题没法解决。

如，在一个含水层中大强度抽及地下水，所取出的水量远远大于该含水层所提供的水量。

水从哪里来呢？经分析认为，含水层上、下的所谓隔水层并非“铁板一块”，只是相对弱透水罢了。

只要存在足够大的水位差（水压差），也是可以透水的，会将上下相邻含水层中的水输送过来，补给因抽水而降低了水位的含水层，从而“越流”的概念出现。

并且，所谓隔水层自身也能释出相当可观的水量。

这就打破了隔水层完全隔水含水层完全独立的观点。

要对地下水做深刻的研究，必须把若干含水层以及含水层之间的隔水层（弱透水层）一起看做一个完整的单元，于是出现了“含水层系统”、“含水系统”等术语。

与此同时，由于建设之需大规模开采地下水，破坏了地质历史中所建立的天然平衡。

旧的天然平衡被打破了，新的平衡就要建立。

但有些地方，由于开采强度过大，地下水平衡无法建立，平衡不了，主要表现为地下水水位持续下降。

因此出现了相应的许多环境问题：地下水资源枯竭、地面沉降、淡水咸化、土壤干化沙化、沼泽疏干、植被衰退等。

因此，地下水环境问题、地下水资源的概念也同期形成。

４、地下水动力场及水化学场
水文地质学发展的前期，比较注重与解决水量问题，注意解释水量现象。

近些年来地下水水质问题变的越来越引人注目了，海水入侵、咸水侵入淡水含水层、地下水污染等问题，都是水质问题。

实质都是水中盐份或化学成分的形成与分布问题。

由于这些组分的运移都是以水做为载体的，随着水流状态的变化而变化，为了表征地下水流动状态而应运出现了“地下水流动系统”的概念。

三、地下水系统的定义
显然：水文地质学原理＋系统论——>地下水系统
由于地下水研究的前期，比较注重水量方面的原因，所以把地下水系统赋予“地下水含水系统”的内涵；后来地下水水质的问题变的越来越引人注意了，海水入侵、咸水侵入淡水含水层、地下水污染等问题，都是水质方面的问题。

其实质都是地下水中的盐份或化学组份的分布问题。

这些化学组分都是随着地下水运动而分布的。

水流到哪里，做为盐类的载体水中的化学物质就被携带到哪里。

所以，为表征地下水运动状态的“地下水流动系统”的概念应运而生。

本教材认为：地下水系统包括地下水含水系统和地下水流动系统两部分。

地下水含水系统——由隔水或相对隔水岩层圈围的具有统一水力联系的含水岩系。

地下水流动系统——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流。

（流面——若干状态相同的流线所构成的面）
四、地下水含水系统与地下水流动系统的异同
１、共同之处
①整体性：研究中，二者都突破了单个含水层的范围。

不再仅仅根据含水层作为基本的功能单元进行研究。

含水系统将包含着若干个含水层和相对隔水层的全体做为研究对象。

流动系统摆脱了地质边界的制约以实际的地下水流场做为研究实体。

②系统性：二者都看到了地下水按系统分布按系统运动的特点，都力求用系统的思想方法去考察
分析与处理地下水问题。

含水系统的系统性体现在整个含水系统中的地下水具有统一的水力联系，即一个含水系统是一个整体，某一部分的输入或输出（如补给或排泄水量），其影响都将波及整个含水系统，表现为整个系统的水量的收入或支出。

就是说含水系统作为一个整体对外界的激励作出响应。

流动系统的系统性体现在整个含水系统中的地下水具有统一的水流，沿水流方向，盐量、热量、流量发生有规律的演变。

③级次性：地下水含水系统和地下水流动系统都有级次性，它们都可能包含若干个子系统。

如：Ｐ84图8—3为由隔水基底限制的沉积盆地地下水系统。

以隔水层为边界，该含水系统分出2个子系统；以分流线为界，该地下水流动系统可分出A、B两个子系统，其中子系统B又包含：B1—局部流系统、Bi—中间流系统、Br—区域流系统。

④有限开放性：地下水含水系统和地下水流动系统都不是完全封闭的，都要与外界发生联系，接受外界的激励，并作出响应。

至少其上部边界是开启的，可接受大气降水补给而获得水量；亦可被太阳热蒸发而失去水量。

作为响应，地下水系统中的水位也随之升降。

⑤相对独立性：一个地下水含水系统，通常以隔水性能较好的基岩作为边界而上部开启，阻断了它与周围含水系统的联系。

即由地质结构控制着含水系统的发育和分布，具有“盛水容器”之含义。

地下水流动系统是以地下水流的流面为边界，边界两侧没有水量交换，相当于零通量边界，表现出相对的独立性。

２、不同之处
①内涵不同：含水系统是一个含水岩系有点盛水容器的意思，是静止的。

流动系统以流面群来刻画，是一个流动的水体，是动的。

②边界状态不同：含水系统的边界是隔水或相对隔水的岩层，边界是不变的，边界是空间三维系统。

流动系统的边界是流面，是可变的，是个时空四维系统。

二者的边界可以重合，也可以交切。

③控制其分布的因素不同：控制含水系统边界的是地质结构，即地层岩性、地质构造、等。

控制流动系统边界的是水势场，水势场受自然地理、地形、水文、气候等因素影响。

④规模不同：含水系统与流动系统合称地下水系统。

一个含水系统可以包含若干流动系统，流动系统的发育范围不会超过含水系统的边界。

五、地下水含水系统
1、松散层区的地下水含水系统
地下水系统主要分布于近代沉积盆地之中，边界多为不透水的基岩。

系统内部不存在完全隔水的岩层，只有相对隔水的黏土或亚黏土层以及被它们隔开的若干含水层。

各含水层之间可以通过“天窗”或弱透水层的“越流”而发生统一的水力联系。

但是，在同一含水系统中，各部分的水力联系程度有所不同。

如，山前冲洪积平原的上部边界地带多由粗颗粒物质组成，细粒物质较少，水力联系较好。

向盆地中心，随着远离物源区沉积物颗粒变细，黏性土层比例增大，水力联系减弱。

并且，越往深部水流途径越长，需要穿越的黏土层越多，水力联系越弱。

２、基岩区地下水含水系统
基岩区地下水含水系统主要受地质构造控制，发育在褶皱、断层部位。

固结良好的厚而
稳定的泥质岩层构成隔水层，与那些含水的裂隙发育的岩层一起构成地下水含水系统。

基岩区的含水系统规模一般比松散沉积区要小，但含水系统的发育特征比较复杂：
有时一个含水层就构成一个含水系统；
有时一条断层会将几个含水层沟通使它们发生水力联系而成为一个含水系系统；
另一方面，同一含水层会由于构造原因（断层、褶皱）分出一个以上的含水系统。

因此，划分、判断和圈定含水系统时，应利用各种途径搞清含水层之间的水力联系，抓住同一个含水系统具有“统一的水力联系”，这一条。

（两个含水系统之间无水力联系）但是，有些情况下要特殊对待。

如，不同地质结构的含水层以透水边界接触，二者水力联系密切，由于二者地下水含水介质及赋存、运动规律相差较大，故划为两个含水系统是合理的。

六、地下水流动系统（以流网作为工具进行研究）
1、概念的由来
①长期以来，水文地质学把地下水流动看作平面二维流运动，而忽视了地下水的垂向运动。

所以图解时不得不将渗流场的排泄区画成深入到流场地板的河谷。

②1940年赫伯特经研究指出，地下水有垂向运动：在排泄区，流线是指向地下水面的，为上升水流；在补给区，流线是离开地下水面的，为下降水流；在补给区与排泄区之间，流线才是水平的。

并画出了河间地块流网图（后被证明是正确的）。

③1963年，托特以解析解绘制了各向同性的潜水盆地的地下水理论流动系统。

得出结论是：在均质各向同性的潜水盆地中，出现了三个不同级次的流动系统，既局部流系统；中间流系统；区域流系统。

自托特之后，不少学者根据托特结论，用数值解研究了非均质含水系统问题，并成功的用于生产实践，但尚未从实质上突破托特思想。

２、地下水流动系统的特征
显然，地下水流动系统理论，是以地下水流网为工具，以势场及介质场的分析为基础，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。

⑴地下水流动系统的水动力特征
水往低处流，主要是靠地球重力作用的影响。

地下水能在空隙介质中流动，是因为受到地球重力的驱动，从高势区向低势区运动。

地下水在流动中，必须要克服水的粘滞性摩檫（水质点与介质表面的摩檫和不同速度的流层中水质点间的摩檫）。

我们将由地球重力作用驱使地
下水运动的能量称为重力势能。

地下水的重力势能，在大气降水、地表水转为地下水的时候，就自然而然的具有了这种能量。

重力势能的大小由其所处的地形地势的高低决定，它们成正比关系。

在地形高处，由于大气降水或地表水补给，会不断抬高或维持一个高水位，使地下水势能不断积累，构成高势区，叫势源区。

地形低洼处，由于地下水可能在此处转为地表水或被蒸发排泄，地下水位不能抬高，通常是低势区，叫势汇区。

因此，通常情况下，地形的高低控制着重力势能的分布。

所以托特将重力势称为地形势。

从定义出发，水头是水流中某点处的位能（Z）、压能（P/Υ）、动能（ɑυ2 /2g）之和。

即：静水中某点水头 H = Z + P/Υ + ɑυ2 /2g
由于地下水在介质中运动速度较慢，ɑυ2 /2g很小，可略其不记，所以近似认为：
H = Z + P/Υ
因此，在静止的水体中各处的水头相等（静水水面高程）。

而在流动的水体中则不然：势源处流线下降，在流线方向上由于机械能消耗于粘滞性摩擦而逐渐降低。

因此，在垂直断面上自上而下水头越来越低，且任一点的水头值都小于静水压力。

势汇处，流线上升，在垂直断面上却是自下而上水头越来越低，且任一点的水头值都高于静水压力。

在中间地带，流线呈水平延伸，垂直剖面上（流线的垂线上）各点的水头相等，并且正好等于静水压力。

所以，在潜水含水层中，只要有合适的地形条件，也可以打出自流水。

1986年，英格伦对该现象作了如下解释：
势能包括位能与变形能（压能）两部分。

（变形能不是水压，是指由于水向下流动而对水产生的压缩能）。

地下水向下流动时，除释放势能（消耗势能）以克服粘滞性摩擦外，还有一部分势能通过压缩水的体积而储存起来。

而在作上升运动时，这部分压能又通过膨胀将储存的势能释放而作功，使水向上流动。

地下水在作水平流动时，由于上游总比下游水头高一些，势能也通过水体积膨胀而释放作功。

由上述讨论可知，潜水体的势汇区，水也承压。

至此，可见“承压性”并非承压水的专用特征（但肯定是重要特征），区别二者的主要标志不是承压不承压，它们的根本区别在于含
水层的顶部是否承压。

顶部承压的为承压含水层，不承压为潜水含水层。

以上讨论的是单源单汇的情况，即一个势源区，一个势汇区。

那么。

对多源多汇情况又是如何呢？
P89 为一个潜水含水系统，隔水底版足够大。

由于在位置高度上 a > b > c 。

所以：a 为源，b、c为汇；b为源c为汇。

因此，该含水系统由两个流动系统构成：a — b、a — c 为局部流系统（Ⅱ级），b — c为区域流系统（Ⅰ级）。

显然，水往低处流，指的是水从高势区向低势区流动。

流动时，以流线构成的流面群实现，流面之间没有水量的交换。

这种流场规模的大小（地下水流动系统的大小）取决于：
①均匀介质场中的势能梯度（正比），即源、汇之间势差除以二者的距离（水力梯度）。

显然，源、汇之间势差越大，流动系统的规模也越大。

②非均匀介质场中的透水性，透水性大的一方流动系统规模越大。

一个流动系统由若干具有统一演变过程的流面构成，最外层的流面为该流动系统的分界面。

不同流动系统之间，地下渗流状态不同。

如局部流动系统a — b与区域流动系统b — c 之间，流动状态相差甚远，在它们的边界两侧流线方向相反的现象如何解释？我们知道，地下水获得补给的同时，便具有了重力势能，在重力势的作用下，由上向下同时由源向汇沿流线运动，离汇点越远，水循环深度越大，水流途径越长，为克服介质阻力消耗的能量越多。

因此，在垂直剖面上，由上到下水流的能量越来越低，流速越来越小。

如果隔水底板埋深足够大，总会有一个位置，那里的流速为零，即支流滞流区。

在往下则是区域流动系统了。

★ P91 图8—2的解释：（只提供地表形态、隔水底版、介质情况，学生自绘流动系统）
a 当隔水底版埋深不大时，均匀介质场中势能梯度相等时，两个地下水流动系统的空间规模相同。

b当隔水底版埋深不大时，均匀介质场中源、汇势能差大的一方流动系统规模较大。

c 非均匀介质场中，两个势能差相等的流动系统，发育在透水性强的介质中的一方规模较大。

d均匀的介质场中，在隔水底版埋深足够大时，会由于两个汇点势能不同而出现区域流动系统。

但在b中，虽然也存在汇点，由于隔水底版埋深不够大而未能发育区域流动系统。

e 区域总的地形坡度不大，而局部起伏较大（局部势差较大），则只发育局部流系统。

（理解：由于局部势差较大，足以影响到隔水底板，抵消或叫掩盖了区域势差的影响，而不能发
育中间流或区域流）。

F 区域总的地形坡度与e相近，而局部起伏较小时，既发育局部流动系统也发育区域流动系统。

g 若地形与F相同，但介质透水性很强，则只发育区域流动系统，而不发育局部流动系统了。

（理解：较小的局部势差由于区域水力联系甚强而被较大的区域势差抵消或掩盖）。

在各级流动系统中，地下水从补给区（势源区）经过中间区流向排泄区（势汇区）。

则补给区地表附近水分不足，地表水缺乏，地下水埋深大，土壤含水量少，适合种植耐旱作物。

排泄区为水分过剩区，地下水埋深小，土壤含水量大，多沼泽、湿地、泉等，喜水植物在这里生长。

在气候干旱地区的地下水排泄区，多耐盐碱的植物。

⑵地下水流动系统的水化学特征
地下水作为化学组分的载体，携带者各种化学物质流动于介质环境中，与介质不断的发生着各种化学作用（7大作用：溶滤作用、阳离子交替吸附作用、浓缩作用、脱碳酸作用、脱硫酸作用、混合作用、人为作用）。

因此，伴随着水流运动的分布，水化学成分呈现相应的时空演变规律。

这种时空变化规律，决定于流动系统的特征和介质的性质与结构。

以流网工具进行地下水渗流场分析，掌握地下水运动的水化学成分的演变规律，对于水文地质工作者来说是十分必要的。

①当不具备水质资料时，可通过自然地理条件与水文地质条件的分析，就可以勾画出地下水流动系统的轮廓，结合地下水质演变规律，对水质进行预测，有目的的进行取样布置；②当拥有的水质资料不完全时，可利用零星的水化学资料，根据地下水流动系统的特点，由已知去推测未知；③根据水化学场现状回溯历史上地下水系统情况。

由上述所知，在地下水系统的不同部位，地下水的流动特征不同，所发生的化学作用也就不同，便形成了相应的（不同的）水质分布。

通过对一个地下水系统进行流网分析，确定出局部流、中间流、区域流系统，便可大略地知道在那个部位所发生的化学作用以及水质的大概情况。

（问题：P93 根据图中的地形、地层剖面，勾绘出局部流系统和区域流徙系统，并将不同的化学作用和矿化度概略的标注在相应的位置）
①地下水流动系统的水化学场特征（水质演变）
地下水流动系统中的不同部位，发生的主要化学作用也不相同。

除了溶滤作用可以在整个流动系统发生以外，局部流动系统、中间流动系统和区域流动系统的浅部，属于氧化
环境，而它们的深部则属于还原环境。

在还原环境里，如果存在有机质，脱硫酸细菌会将
SO
2=还原为H
2
S，则SO
2
=减少，HCO
3
-增加，P H 增大（SO
2
+ C + H
2
O →H
2
S + HCO
3
，该反应的
水溶液系统中，氢离子变成HCO
3
，所以[H+]变小，P H 增大。

）上升水流因减压或升温将发生
脱碳酸作用（Ca+ + HCO
3--→ CaCO
3
+ CO↑）。

粘性土部位易于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。

干旱气候条件下，排泄区还将发生浓缩作用。

排泄区尤其区域地下水流动系统的排泄区，是地下水水质处于多种作用影响下的复杂
变化地段。

显然，地下水流动系统水化学场分布严格受水动力场和介质场分布的控制。

地下水的
矿化度分布，具有：源区低，汇区高；浅部低，深部高；局部流区 < 中间流区 < 区域流区。

注：地下水化学成分的形成作用：
a. 溶滤作用--- 水与岩土相互作用时，岩土中的一部分物质进入到水中并被带走的作用。

b. 脱硫酸作用--- 在还原环境中，脱硫酸菌使硫酸根离子还原为硫化氢的作用。

c.脱碳酸作用--- 由于地下水赋存环境温度的升高或压力的降低而逸出二氧化碳的作用。

d.阳离子交替吸附作用--- 岩土颗粒表面吸附的阳离子与水中的阳离子发生置换的
作用。

（岩土颗粒吸附水中的某些阳离子而将其原来吸附的部分阳离子转到水中去的现象）
e.混合作用--- 两种化学成分不同的水混合后形成另外一种新水的作用。

f. 浓缩作用--- 地下水受到蒸发失去水分而使盐分不断积累的作用。

②控制水化学场分布的因素
地下水流动系统某一点处的水质，取决于下列因素：
a. 输入的原始水质；
b. 流程大小；
c. 流速快慢；
d. 流程上的物质种类及其丰度和溶解度；
e. 流程上经受的水化学作用。

地下水的成分主要来自它流动过程中对流经岩土的溶滤。

一般，在介质中滞留时间越长，从环境介质中溶滤获得的组分量越大，种类越多。