水文地质结构系统的基本原理及其应用

水文地质结构系统的基本原理及其应用

摘要：近些年来，随着我国经济、科学技术、建筑行业的发展，我国的工程建

设越来越多，工程建设的过程中因为人的不当行为、工程的某些要求，对工程建

设周边的地下水资源的破坏比较严重，随着工程建筑的不断增多，对地下水资源

的破坏在不断的加重，而水文地质条件对环境的效应有一定的影响，而对水文地

质结构系统的基本原理研究可以解决一些环境问题，所以研究水文地质结构系统

的原理和应用具有十分重要的现实意义。

关键词：水文地质；结构系统；基本原理；应用

1水文地质学发展简史

水文地质学的发展经历了萌芽、奠基、形成和发展四个阶段。5700年的浙江

余姚河姆渡古文化遗址水井，约3000年前中西亚及北非的干旱地带出现的坎儿

井（Biswas，1970；Todd等，2005），表明人类从远古时代就开了地下水的利用，代表了水文地质学的萌芽。欧洲工业革命时期，由于工业的快速发展，需水量大

大增加，人们对井的出水有了量的需求。1856年，法国水利工程师达西

（H.Darcy），通过室内水通过沙的控制性实验，得出线性渗透定律，即著名的达

西定律，奠定了水文地质学的基础。法国人裘布依（A.Dupuit）、美国人泰斯（C.V.Theis）都先后加入到地下水的定量计算中，并且将其推到了一个新的高度。该阶段人们已经通过实践得到了水文地质相关的基本理论，并且将其应用到了地

下水的研究之中，为水文地质学的发展奠定了好的基础。第一次世界大战之后，

合理开发、科学管理与保护地下水资源，越来越受到人们重视。20世纪40～60

年代，雅克布（C.E.Jacob）及汉图什（M.S.Hantush）等论述了孔隙承压含水层的

越流现象，“含水层思维”受到冲击，逐渐产生含水系统的概念。随后英国的博尔

顿（N.S.Boulton）和美国的纽曼（Neuman）分别导出了潜水完整井非稳定流方程。至此，水文地质学已经完成了从找水型向资源型的转变，各方面理论研究已经构

建了较完备的结构框架，水文地质学的发展已经初步成型。第二次世界大战以后，随着生产力与科学技术的迅速发展，世界人口急剧增长，消费需求也急剧升高，

因而人类开始大规模改造自然环境，大量消耗了包括地下水在内的各种资源，破

坏了环境，打破了生态平衡，进而导致了生态环境的急剧恶化，如土地荒漠化、

土壤盐碱化、地面沉降、水土流失等。保护生态环境刻不容缓，水文地质工作者

开始寻求新的发展模式，水文地质学开始进入了以生态环境为研究核心的阶段，

期间面临的问题错综复杂，以及在全球信息化大的背景下，原有的思维模式、概念、理论以及方法已经难以满足发展需求。加拿大的托特提出了地下水流动系统

理论，为水文地质学的发展开拓了新的发展前景。新技术、新理论的不断引入，

使得水文地质学越来越系统，概念越来越完善，技术越来越成熟，分支学科的划

分也越来越明确，其发展也越来越迅速，至此，水文地质学进入了新的发展时期。从水文地质学发展的四个阶段我们可以清晰地看出，其是一门与生活实践密不可

分的学科。水文地质学的发展贯穿于人类文明的发展之中。

2水文地质结构系统的基本思想

结构系统的概念是系统理论中基本概念的扩展。系统科学强调从系统的结构

与功能的观点出发去研究整个客观世界，这也是水文地质结构系统理论的出发点。

由不同等级、不同形态、不同成因(建造)、经受不同改造作用、具有不同结构和水力学性质的水文地质综合体的有机组合所构成的、具有控水功能、并且不断

运动演化的有机整体，这就是水文地质结构系统的定义。这里，结构系统既指各

水文地质体间的不同形式的相互组合，又包括水文地质体自身的结构。即，从宏

观的隔水层(体)和透水层(体)的组合到微观的颗粒和空隙的组合，正是这些不同层次、不同级别、不同类型的结构，构成了地下水赋存、运动的场所和通道，控制

着地下水系的分布、赋存和运移。也就是说，水文地质结构系统控制地下水系。

水文地质结构系统研究的主要目的在于建立一个简明、直观、形象的能反映

地下水系统四维特征的水文地质结构系统的模型，从而为进一步建立水文地质数

学模型提供科学的依据。

3水文地质结构系统的具体应用

3.1水文地质概况分析

某市位移金沙江流域的下游，沧澜江的北部，该市的境内水系分布错综复杂，水的储量十分丰富。该市区域内的河流段为金沙江流段，全长104千米，南北水

流的落差有近400米，水流十分湍急，在每年的4月到10月的多雨季节，金沙

江流段水势上涨，需要做好防洪工作。该市的金沙江流段水流的平均流量是

17.6m3/s。因为水流比较湍急，水比较浑浊，金沙江水中含有砂石土壤，该市已

经修建了4处大型的水库，其中两处用于水利发电，含有两处用于水利灌溉。该

市的地表水资源也是十分丰富，地表的径流量都是因为多雨季节降雨形成的，该

市的全年径流深度为560毫米到587毫米，从而计算出该市的年平均产水量在15.34亿立方米。该市的西北地区的地下水在地势低的地方，慢慢形成地下河道，暗流。上文中分析了地下岩层中储存的水量十分丰富，主要是因为碳酸盐和硅酸

盐被酸性水质腐蚀溶解在水中，岩层的岩石之间形成天然的溶洞，地下水储存在

溶洞中，地下水的水质主要是岩溶性水，经过专家的检测地下水的PH值，发现PH值在9左右，地下水显示弱碱性。

3.2对地下水文地质研究的方法

对地下水研究有三种方法，分布是时空结构分析法、模型化法、综合分析法

及反分析法、地质构造分析及地下水分析结合法等，下面做较细致的介绍。时空

结构分析法：要想深入了解地下水的运输能力，需要对水文的地质、形象、地貌、地理等情况，需要地下水的水文地质结构系统又系统的研究，水文地质结构系统

的系统结构是重点，时空是水文地质结构系统的灵魂。对水文地质结构系统进行

研究不仅要注重对地下水的客观整体性进行研究，而且还要重点关注抽象的形式化。模型化方法：该地区的地下水环境污染现在虽然近年来得到一些改善，但是

地下水体污染还是比较严重，对地下水资源的开采缺乏科学合理性，导致地下水

开采过度，对周边的水体环境造成了很大的影响，归根结底是因为对水文地质结

构系统的了解不够，不知道如何利用水文地质结构系统知识对地下水的水文地质

进行勘察，合理开采水资源。模型化法是研究水文地质结构系统的常用方法，模

型化可以实现水文系统的定量化。建立地下水系统数学模型的基础,它力图简明、

形象、直观地表征地下水系的控制机制,地下水的分布、赋存和运动的规律。地质

构造分析和地下水分析结合法：地质构造的分析是非常关键的基础研究，构造控

水是我们的基本观点之一。在具体研究中,既要重视地质构造规律及其对地下水的

控制作用研究,又要重视利用地下水分析等各种手段获得的多方面的参数和信息来

评价水文地质结构的类型、状态和地下水流动特征,双管齐下,正、反演结合。

结语

本文对水文地质结构系统的基本原理和应用做了简单的分析，希望能给大家

提供一些参考和帮助。

参考文献