第八章 地下水系统
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。
第八章地下水系统与地下水径流
五、地下径流模数
输送到排泄区后，水分蒸发消耗，盐分就地积聚。长期循环，使补给 区的水土淡化离盐，排泄区地下水盐化，土壤发生盐渍化。
3）基岩地区：承压水属于渗入—径流型循环。 其地下水径流强度与构造的规模和构造的开启性有关。
赋存水的地质构造规模愈小，后期构造与侵蚀破坏愈强烈（构造 的开启性好），补给愈丰富，含水层透水性愈好，则径流愈强烈，水 的矿化度愈低。
4）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。
注意：含水系统虽然是由隔水或相对隔水岩层圈闭，但通常含水系 统总有某些向环境开放的边界，以接受补给与进行排泄。除极少数构 造封闭的含水系统。开放边界不仅出现于表面，而且也存在于地下。
不同类型的含水系统 1-基岩隔水层 2-基岩透水层 3-松散沉积物相对隔水层 4-松散沉积物透水层
1-隔水层 2-透水层 3-地下水位 4-等水头线 5-流线 6-地表水
2.径流系统 1）地下水的径流模式复杂多样：受地形控制的地下水水头分布在一个大的径流
系统中，可以发育多个层次不同的径流系统。
a.局部流动系统：由局部地形高差产生的浅而小的流动系统； b.大规模区域流动系统：由区域地势控制的深而大的流动系统； c.中间流动系统：规模介于上述两者之间的流动系统。
7.系统的激励和响应：环境对系统的作用称之为激励，系统在接受激励 后对环境的反作用称之为响应。
8.环境的输入（激励）经过系统的变换而产生对环境的输出（响应）， 这种变换取决于系统的结构。 例如： 1）在同等降水条件下，不同的地下水系统，由于其岩层、构造、地 貌乃至分布范围大小不同，泉流量的变化各不相同。 2）在不同的地下水系统中，以同种方式开采同样数量的地下水，地 下水位的降低也有很大差别。 因此，一方面，分析系统输入与输出（激励与响应）的对应关系 有助于了解系统结构。另方面，对系统结构的了解有助于我们预测激 励—响应关系。
水文地质学基础课件中国地质大学武汉08地下水系统
– 区域：流程长，流速慢（交替迟缓），M高，水型复杂
水文地质学基础 9
8.3 地下水流动系统 Groundwater flow system (GFS)
传统忽视地下水垂向运动
裘布依假定
水文地质学基础
10
河间地块流网
Hubbert 1940
水文地质学基础
11
J.Toth(1963)用数学模型做了复杂盆地的潜水流网
局部GFS 中间GFS 流线
子系统边界
4
水文地质学基础
两者的关系：
①通常情况下，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
分层次的：子系统是不同的、大的系统是一致的。
流动系统在人为影响下，规模、数量均会发生变化，
但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。
水文地质学基础
5
在一个含水系统中，可以具有若干个不同规模 的流动系统。
水文地质学基础 6
I II
水文地质学基础
7
水文地质学基础
8
8.2 地下水含水系统
含水系统的发育主要受到地质构造的控制。 松散沉积物构成的含水系统发育于近代构造沉降的堆积盆地 之中，其边界通常为不透水坚硬基岩。含水系统仅有相对隔水层 ，并包含若干由相对隔水层分隔开的含水层。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 。 基岩构成的含水系统总是发育于一定的地质构造（褶皱或断 层）之中。固结良好的基岩包含有厚而稳定泥质岩层，构成隔水 层。 含水系统并非全部边界隔水→总有边界向环境开放 含水系统在概念上是含水层的扩大，关于含水层的许多概念均 可应用于含水系统
境发生相互作用
水文地质学课件 08地下水系统
8.1 系统概述一、系统概念的提出贝塔朗菲（1901～1972），美籍奥地利生物学家，一般系统论和理论生物学创始人，50年代提出抗体系统论以及生物学和物理学中的系统论，并倡导系统、整体和计算机数学建模方法和把生物看作开放系统研究的概念，奠基了生态系统、器官系统等层次的系统生物学研究。
系统论系统概念系统思想与方法系统思想与方法的核心是：把研究的对象看成一个有机整体（系统），并从整体的角度去考察、分析与处理事物。
二、系统相关概念（钱学森，1978年）系统结构：系统内部各要素相互联系和作用的方式便是系统的结构。
系统方法认为：不应当将系统理解为各组成部分（要素）的简单集合，而应将其理解为诸要素以一定规则组织起来并共同行动的整体。
系统：由相互作用和相互依赖（联系）的若干组成部分结合而成的具有特定功能的（有机）整体。
系统的概念所涉及的范围广泛1+1=21+1＞21+1＜2三、系统与环境一个系统不仅内部各个要素间存在相互作用，而且整个系统与外部环境之间还存在相互作用，即系统接受环境的物质、能量、信息的输入，然后经过系统变换，再向环境输出物质、能量和信息。
即系统与环境间存在物质、能量、信息的交换。
环境对系统的作用称之为激励；系统在接受激励后对环境的反作用称之为响应；环境的输入（激励）经过系统的变换而产生对环境的输出（响应），这种变换取决于系统的结构：S=f（I，O）（INPUT，OUTPUT）在此提供了一种研究系统内部结构的方法，即通过输入、输出研究系统内部结构例如，在同等降水条件下，不同的地下水系统，由于其岩层、构造、地貌乃至分布范围大小不同，泉流量的变化各不相同。
系统分析的意义：一方面，分析系统输入与输出（激励与响应）的对应关系有助于了解系统结构；另一方面，对系统结构的了解有助于我们预测“激励——响应”关系。
再如，在不同的地下水系统中，以同种方式开采同样数量的地下水，地下水位的降低也有很大差别。
HS W ∆⋅⋅=μ四、系统分类1）按照自然属性：自然系统和人工系统2）按照物质属性：实体系统和概念系统3）按照运动属性：静态系统和动态系统4）按照系统与环境的关系：开放系统和封闭系统5）按照反馈的属性系统的输出反过来影响系统的输入时，称该系统具有“反馈”。
8.水文地质学基础-地下水流系统解析
局部水流系统—5个；中间水流系统—1个；区域水流系统—1 个
稳定二维流模拟——稳定降水，3个定高程的汇(排泄)，多级水流系统
8.5地下水含水系统与地下水流动系统的比较
（1）整体性（系统性）：二者都属于地下水系统。 含水系统的整体性体现于它具有统一的水力联系，存在于同一
含水系统中的水是个统一的整体，在含水系统中的任何一部分 加入（补给）或排出（排泄）水量，其影响均将波及整个含水 层系统。含水系统是一个独立而统一的水均衡单元，是一个三 维系统；可用于研究水量乃至盐量和热量的均衡，边界属于地 质零通量边界，为隔水边界，是不变的。
国内使用“地下水系统”术语相当普遍。但是不同使用者赋予的 内涵不尽相同。因此，比较合适的做法是，尽可能采用定义明确的 “地下水含水系统”及“地下水流系统”这两个术语。
8.2地下水系统的概念
地下水系统是地下水含水系统和地下水流动系统的统一。 地下水含水系统是指由隔水或相对隔水边界圈闭的、由含水层和 相对隔水层组合而成的、内部具有统一水力联系的赋存地下水的 岩系。 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。
8.4地下水流动系统
介质场中地下水流动系统发育规 律：两种或更多个的地下水流动系 统时，它们所占据的空间大小取决 于两个因素： ① 势能梯度（I），等于源汇的势 差除以源汇的水平距离，I越大，其 地下水所占据的空间亦大； ② 介质渗透系数(K)，渗透性好， 发育于其中的流动系统所占据的空 间就大。
8.4地下水流动系统
8.4地下水流动系统
（2）水化学特征：在地下水流动系统中任意一点的水质取决于： ①输入水质； ②流程； ③流速； ④流程上遇到的物质及其可迁移性； ⑤流程上经受的各种水化学作用。
地下水基础—第八章 地下水系统
8.1 地下水系统
8.1.2 地下水系统的涵义
地下水系统之所以用“系统”一词来刻画，是因为除了它 本身所特有的物质表现形式外，它还具有广义“系统”的全部 属性和特征，而且可以采用系统思想加以考察，采用各种具体 的系统分析方法描述、分析和处理。
目前，地下水系统的定义有多种，具有代表性的有：
>>美国地调所水资源处的拉夫尔•C•海斯认为：地下水系统是指 从潜水面到岩石裂隙带底面的这一部分地壳，即作为地下水赋存 和运动的场所，由含水层（地下水运动的通道）和围闭层（阻碍 地下水运动）所组成。
第八章 地下水系统
8.1 地下水系统 8.2 地下水含水系统 8.3 地下水流动系统 8.4 地下水含水系统与地下水流动系统的比较
8.1 地下水系统
系统论在20世纪40年代由贝塔朗菲提出，在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后，系统思 想与系统方法广泛地渗入到各学科领域，当然也渗入到水文 地质领域。
地下水系统的形成、发展以至消亡的过程是受环境 支配的。在一定自然环境中形成的地下水系统，必有与 环境的作用相适应的结构以及受环境的输入输出作用而 表现出一定的活动和行为。
要研究地下水系统，首先要区分哪些是系统的内部要素， 哪些是地下水系统的外部要素——环境要素。地下水系统内 部和外部环境之间的界限，即称为边界。
有时，地下水系统与环境的关系十分密切，构成系统 的各个组成部分都可以接受大气降水或地表水的补给，从 空间上，不易将系统划分为补、径、排三个子系统。但从 功能和作用而言，仍是三个子系统构成的。
>>在研究工作中，又常将地下水系统划分为地下水含水 系统和地下水流动系统。
根据含水介质的不同，将地下水系统划分为岩溶水子 系统、裂隙水子系统、孔隙水子系统；
地质大水文地质学基础讲义08地下水系统
第八章地下水系统8．1 系统概念本世纪40年代贝塔朗菲（Ludwig von Bertalanffy ）提出一般系统论以来，特别是本世纪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。
简单地说，系统思想与方法的核心是把所研究的对象看作一个有机的整体（系统），并从整体的角度去考察、分析与处理事物。
不同的人对系统所下的定义各有侧重。
目前国内比较普遍接受的定义是：系统乃是“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” 〔钱学森等，1978〕。
系统方法认为，不应当将系统理解为各组成部分(要素)的简单集合，而应将其理解为诸要素以一定规则组织起来并共同行动的整体。
系统内部各要素相互联系和作用的方式便是系统的结构。
因此，我们也可以将系统理解为“有结构的集合”。
以分析为主的近代自然科学长期以来采用的方法是：将所研究的事物精细地分析为各个互不关联的独立部分，分别加以研究，把各部分研究结果之和，作为对所研究事物整体的认识。
这样做实质上是将研究对象当作诸要素简单累加而成的集合，而没有将其如实地看成一个有机整体。
一个系统，不仅内部诸要素存在着相互作用，而且还与外部环境发生相互作用。
系统接受环境的物质、能量或信息的输入，经过系统的变换，再向环境产生物质、能量或信息的输出（图8—1）。
图8—1 系统的输入与输出 环境对系统的作用也称之为激励，系统在接受激励后对环境的反作用称之为响应（图8—2）。
图8—2 系统的激励和响应环境的输入（激励）经过系统的变换而产生对环境的输出（响应），这种变换取决于系统的结构。
例如，在同等降水条件下，不同的地下水系统，由于其岩层、构造、地貌乃至分布范围大小不同，泉流量的变化各不相同。
再如，在不同的地下水系统中，以同种方式开采同样数量的地下水，地下水位的降低也有很大差别。
因此，一方面，分析系统输入与输出（激励与响应）的对应关系有助于了解系统结构。
第八章 地下水系统
单一含水层（b） 多个含水层（c \d) 构造封闭含水层（e)
8.2 地下水流动系统（GFS）
概念——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
以拉普拉斯方程为基础的数学解，二维 稳定流动
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年底荷兰水文与地质学家
G.B.Engelen来华进行了讲学，
“地下水系统” 。
8.2 地下水含水系统
地下水含水系统概念（p84~85）
地下水含水系统——是指有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
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
广大范围内的地下水存在 着水力联系→时间因素
低处运动
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
流动方向的多样性：由上至
下，由下至上，水平运动
垂向运动中？？？：
特点：
由隔水、相对隔水岩层
圈团
与流动系统边界交叠 受地质结构控制，稳定
具有统一水力联系 具有级次性
•不同类型的含水系统-（图8-5）
松散沉积物(a):边界为水透 水坚硬基岩，含水层之间 有天窗、越流，内部水力 联系程度不同。
基岩含水系统：发育于一 定地质构造内，厚而稳定 的泥质岩层构成隔水层。
第八章地下水系统
第八章地下水系统第一节系统的概念一、系统的提出一般系统论，是二十世纪40年代贝塔朗菲（Ludwig von Bertalanffy）提出来的。
二十世纪特别是本世纪50—60年代在应用系统工程解决复杂问题取得重大成功。
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”〔钱学森等，1978〕相互作用，相互依赖→不是各部分或零部件的简单堆集，整体→其功能大于局部（要素）之和，Integral ＞∑elements。
二、系统与系统方法系统方法：用系统思想去分析与研究问题方法称之。
系统思想：就是把研究对象看作一个有机整体，从整体角度去考察、分析与处理问题的方法。
系统目标：追求系统整体功能的最优化（不是局部的）。
一个系统，不仅内部诸要素存在着相互作用，而且与外部环境发生相互作用。
以系统为对象，系统接受或向环境产生的物质能量或信息—称为输入与输出（图8-1）。
以系统为作用对象，环境对系统的作用与系统对环境的反作用称为激励与响应（图8-2）。
图8—1 系统的输入与输出图8—2 系统的激励和响应第二节地下水系统的概念一、地下水系统概念的产生随着开采地下水规模的增长，人们遇到的水文地质问题也越来越复杂，如：采水井群使周边地下水下降，影响波及的含水层以外范围，“越流”的发生。
研究盆地地下水，往往是若干个含水层连同其间的弱透水层，出现了“含水层系统”、“含水系统”等术语；同时地下水资源概念出现。
大规模开发利用地下水，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。
从地下水的研究历史看，人们的视野在不断开扩，从一口井附近小范围的含水层，扩展到整个含水层，随后又扩展到地下含水系统与地下水流动系统，最终看到了地下水系统只是其中一个组成部分的环境生态系统。
换句话说，人们心目中的研究对象是一个愈来愈复杂的系统。
同时1983年，在荷兰召开了首届关于地下水系统的国际学术讨论会，与会有50个国家的200多名代表。
第八章_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
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 “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） 大规模开发利用地下水，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。 一口井附近小范围的含水层
扩展到整个含水层
地下含水系统与地下水资源
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。换句话说， 人们心目中的研究对象是一个愈来愈复杂的系统。
第八章 地下水系统--- 8.2地下水系统概念 二、地下水系统的概念
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，归纳起来可划分为二大类：地下水含水系统和地下水流动系
第八章 地下水系统--- 8.3地下水含水系统
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之中， 或是褶皱，或是断层，更多的情况下两者兼而有之。固 结良好的基岩往往包含有厚而稳定的泥质岩层，构成隔 水层。 基岩含水系统的类型： 一个独立的含水层就构成一个含水系统（图8-5b）。 数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时 （图8-5d）。此时，含水系统各部分的水力联系不同。 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）。 极少数构造封闭的含水系统（图8-5e）
分；重点掌握地下水流动系统的层次性；学习利用地 下水流动系统图分析问题的方法。
8.1 8.2 8.3 8.4
系统的概念 地下水系统 地下含水系统 地下水流动系统
第八章 地下水系统
第八章地下水系统第一节系统的概念一、系统的提出一般系统论，是二十世纪40年代贝塔朗菲（Ludwig von Bertalanffy）提出来的。
二十世纪特别是本世纪50—60年代在应用系统工程解决复杂问题取得重大成功。
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”〔钱学森等，1978〕相互作用，相互依赖→不是各部分或零部件的简单堆集，整体→其功能大于局部（要素）之和，Integral ＞∑elements。
二、系统与系统方法系统方法：用系统思想去分析与研究问题方法称之。
系统思想：就是把研究对象看作一个有机整体，从整体角度去考察、分析与处理问题的方法。
系统目标：追求系统整体功能的最优化（不是局部的）。
一个系统，不仅内部诸要素存在着相互作用，而且与外部环境发生相互作用。
以系统为对象，系统接受或向环境产生的物质能量或信息—称为输入与输出（图8-1）。
以系统为作用对象，环境对系统的作用与系统对环境的反作用称为激励与响应（图8-2）。
图8—1 系统的输入与输出图8—2 系统的激励和响应第二节地下水系统的概念一、地下水系统概念的产生随着开采地下水规模的增长，人们遇到的水文地质问题也越来越复杂，如：采水井群使周边地下水下降，影响波及的含水层以外范围，“越流”的发生。
研究盆地地下水，往往是若干个含水层连同其间的弱透水层，出现了“含水层系统”、“含水系统”等术语；同时地下水资源概念出现。
大规模开发利用地下水，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。
从地下水的研究历史看，人们的视野在不断开扩，从一口井附近小范围的含水层，扩展到整个含水层，随后又扩展到地下含水系统与地下水流动系统，最终看到了地下水系统只是其中一个组成部分的环境生态系统。
换句话说，人们心目中的研究对象是一个愈来愈复杂的系统。
同时1983年，在荷兰召开了首届关于地下水系统的国际学术讨论会，与会有50个国家的200多名代表。
8-地下水系统解析教学教材
Company Logo
8.3 地下水流动系统
8.3.1 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 ， 赫 伯 特 （ Hubbert ） 正 确 地 画 出 了 河间地块流网。
❖A图只考虑水平运动； ❖B还考虑垂直运动。
潜水与承压含水层—含水系统
a b c
河间地块流网与流动系统
系统的比较
（2）两者的不同点 含水系统
流动系统
▪ 根本不同— 一个是静态系统
一个是动态系统
▪ 分类依据 根据储水构造划分
根据水的流动特征
—以介质场为依据
—以渗流场为依据
▪ 系统发育史 共同的地质演变历史 共同的地下水演变历史
—地层形成史一致
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?
本章内容
第八章 地下水系统
（二）地下水流动系统的水化学特征
地下水流动系统的水力特征（水力条件）决定了水化 学特征。根据地下水化学场，可以回溯历史上的地下水流 动系统。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，等。 地下水化学成分主要来自流动过程中对流经岩土的溶 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。 （图8-14）：
第八章 地下水系统--- 8.4地下水流动系统
一、地下水流动系统概念的形成
（1）早期流网的特点（图8-6a）：忽视地下水的垂向运 动，把地下水流动看作平面二维的运动。只画河间地块 流网的一部分如（图8—6a）。 （2）Hubbert河间地块流网：在1940年，M K Hubbert正 确地画出了河间地块流网（图8-6b），并指出，排泄区 的流线指向地下水面，为上升水流；补给区，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。
系统的可变性
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）两者的关系
通常，一个大的含水系统可以包含若干个流动系统（图8-3，A，B） 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 （图8-3，A，B与I、II的关系） 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。
第八章 地下水系统--- 8.3地下水含水系统 地下水含水系统
地下水系统解读
二、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 Groundwater aquifer system （2）地下水流动系统 Groundwater flow system
?地下水含水系统 是指有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
?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
Discharge area
Unconfined aquifer
Confined aquifers
Wells Confining beds Flow lines
Water table
Days
Years Decades
Centuries Millennia
Groundwater Flow System
? 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时间连续演变 的结构之中，有助于人们从整体上把握地下 水质与量 特征、地下水系统与环境之间联系
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
区域地下水流动及其伴生标志
第三节 地下水流动系统
四、GFS 的水温度特征
地温分布曲线受 水流作用影响 ?上升水流产生正增温 ?下降水流产生负增温
? 地下水流动系统的总结
--→这一分析方法叫做 地下水系统方法
地下水流动系统图
第七章结束
地下水含水系统流动系统图片欣赏 含水系统 Aquifer System
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（图8-3，A，B与I、II的关系） ➢ 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。 （图8-4）
第八章 地下水系统
主要内容：了解地下水系统相关概念的形成，掌握地下 水含水系统与流动系统的概念、划分方法与两者的关系， 流动系统划分意义；掌握地下水流动系统的渗流场特征， 了解流动系统的化学场与温度场的特征；学习利用地下 水流动系统理论分析地下水流的特征方法。
重难点：掌握地下水含水系统与流动系统的概念和划分； 重点掌握地下水流动系统的层次性；学习利用地下水流 动系统图分析问题的方法。
.
图8—3 地下水含水系统与地下水流动系统
1 —隔水基底；2—相对隔水层（弱透水层）；3—透水层；4—地下水位； 5—流线；6—子含水系统边界；7—流动系统边界；8—子系统代号；9— 子流动系统代号， 、 分别为B流动系统的区域的中间的与局部的子 流动系统
.
图8—4 人为影响下地下水流动系统与含水层系统的关系
.
图8—8 层状非均质介质中的地下水流动系统 〔Freeze and Witherspoon， 1967〕
1—等水头线；2—流线（.图中K为渗透系数相对值）
第八章 地下水系统--- 8.4地下水流动系统
二、地下水流动系统理论
也称托特地下水流动系统理论（(Groundwater Flow Systems，以下缩写为GFS），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： ➢ 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。 ➢ 控制地下水流动的是“势”（地形），而不是地质条 件。
1—隔水基底；2—相对隔水层（弱透水层）；3—透水层；4—地下水开采中 心；5—地下水位；6—流线；7—子含水层系统界线；8—子含水层系统代号
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，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。
耐盐，水植物 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
.
图8—12 地下水流动系统的控制因素
1—隔水层；2—渗透性较差的透水层；3—渗透性较好的透水层；4—地 下水位；5—流线（图上略去降水如渗）
.
图8—12 地下水流动系统的控制因素
1—隔水层；2—渗透性较差的透水层；3—渗透性较好的透水层； 4—地下水位；5—流线. （图上略去降水如渗）
图8—12 地下水流动系统的控制因素 1—隔水层；2—渗透性较差的透水层；3—渗透性较好的透水
层；4—地下水位；5—流线（图上略去降水如渗）
.
（二）地下水流动系统的水化学特征
地下水流动系统的水力特征（水力条件）决定了水化 学特征。根据地下水化学场，可以回溯历史上的地下水流 动系统。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，等。
➢
1980年，托特提出了“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(图8—9)，并将其应用于
分析油气的迁移与积聚。
➢
1986年，英格伦（G．B．Engelen）分析了形成地下水
流动系统的物理机制，建立了一套着重于解决水质问题的地
下水流动系统的概念与方法（Engelen，1986）。
部环境发生相互作用。
以系统为对象，系统接受或向环境产生的物质能量或信息—称为输 入与输出（图8-1）。
以系统为作用对象，环境对系统的作用与系统对环境的反作用称 为激励与响应（图8-2）。
.
第八章 地下水系统--- 8.1系统概念
图8—1 系统的输入与输出 图8—2 系统的激励和响应
.
第八章 地下水系统--- 8.2地下水系统概念
.
第八章 地下水系统--- 8.3地下水含水系统
地下水含水系统
含水系统的发育主要受到地质构造的控制。 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。 含水系统分类：松散沉积物与坚硬基岩中含水系统
图8—5 不同类型的含水系统 1—基岩隔水层；2—基岩透水层；3—松散沉积物相对隔水层；4—松散沉积物透水层；
.
第八章 地下水系统--- 8.4地下水流动系统
一、地下水流动系统概念的形成
（1）早期流网的特点（图8-6a）：忽视地下水的垂向运 动，把地下水流动看作平面二维的运动。只画河间地块 流网的一部分如（图8—6a）。 （2）Hubbert河间地块流网：在1940年，M K Hubbert正 确地画出了河间地块流网（图8-6b），并指出，排泄区 的流线指向地下水面，为上升水流；补给区，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。
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，归纳起来可划分为二大类：地下水含水系统和地下水流动系统。
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系。 ➢ 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。 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。
.
三、地下水含水系统与地下水流动系统的比较
（2）两者的区别
根本不同 分类依据
统一性
含水系统
静态系统
根据储水构造划分的， 以介质场为依据 统一的或潜在统一的水力 联系
边界性质
隔水与相对隔水的地质边 界，地质零通量
系统发育史
共同的地质演变历史， 地层形成史一致
流动系统
动态系统 根据水的流动特征， 以渗流场为依据
.
三、地下水含水系统与地下水流动系统的比较
含水系统与流动系统是内涵不同的两类地下水系统， 但也有其共同之点。 （1）两者的共同点 ➢ 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 →以地下水流作为研究实体 ➢ 力求以系统的观点去考察、分析与处理地下水体
➢ 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。
.
第八章 地下水系统--- 8.3地下水含水系统
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之中， 或是褶皱，或是断层，更多的情况下两者兼而有之。固结 良好的基岩往往包含有厚而稳定的泥质岩层，构成隔水层。 基岩含水系统的类型： ➢ 一个独立的含水层就构成一个含水系统（图8-5b）。 ➢ 数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时（图 8-5d）。此时，含水系统各部分的水力联系不同。 ➢ 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）。 ➢ 极少数构造封闭的含水系统（图8-5e）
.
图8—10 地质控制（a）与地形控制（b）的自流井〔弗里泽等，1987〕
.
流动系统发育的规模与数目的控制因素（自选）
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。 流量流速与伴生现象： 补给区：水分不足区，水位埋深大，大多含盐量低，耐旱 植物 排泄区：水分过剩区，沼泽化，湿地，泉，盐分累积，
相互作用，相互依赖→不是各部分或零部件的简单堆集， 整 体→其功能大于局部（要素）之和，
Integral ＞ ∑elements。
.
第八章 地下水系统--- 8.1系统概念
二、系统与系统方法
系统方法：用系统思想去分析与研究问题的方法。 系统思想：就是把研究对象看作一个有机整体，从整体角度
去考察、分析与处理问题的方法。 一个系统，不仅内部诸要素存在着相互作用，而且与外
.
图8—7 均质各向同性潜水盆地中的理论流动系统〔Tóth，1963〕 1—不同级别流动系统的分界；2—同一级别流动系统的分界；3—流线
；4—局部流动系统；5—中间流动系统；6—区域流动系统
.
➢ 随后，弗里泽（R．A．Freeze）及威瑟斯庞 （P．A．Witherspoon）利用数值解得出了层状非均质介质 中的地下水流动系统（图8—8）。迄今已出现了许多数值模 拟地下水流动的程序，可以应用模拟二维及三维各向异性非 均质介质中的稳定与非稳定流动。
.
第八章 地下水系统--- 8.1系统概念
一、系统的提出
一般系统论，是二十世纪40年代贝塔朗菲（Ludwig von Bertalanffy）提出来的。
二十世纪特别是本世纪50—60年代在应用系统工程解决复杂问 题取得重大成功。
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〔钱学森等，1978〕
5—导水层；6—地下水位；7—地下水.流向，箭头愈大，表示径流愈强；8—泉
第八章 地下水系统--- 8.3地下水含水系统
二、松散含水系统
➢ 松散沉积物构成的含水系统发育于近代构造沉降的堆 积盆地之中，其边界通常为不透水的坚硬基岩（图85a）。
➢ 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（图8-5a）。
.
P39 图4-3 c
图8—6 河间地块流网图 （a）传统概念的河间地块流网；（b）赫伯特的河间地块流网 1—隔水层；2—透水层；3—地下水位；4—等水头线；5—流线；6—地表水