8第九章 地下水系统
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补给区，水位埋深大，水分不足——耐旱植物; 补给区，水位埋深大，水分不足 耐旱植物; 耐旱植物 排泄区，水位埋深小，水分过剩——沼泽、湿地 、泉， 喜水 、耐 沼泽、 喜水、 排泄区 ，水位埋深小，水分过剩 沼泽 湿地、 盐植物。 盐植物。
GFS的水化学特征 的水化学特征
地下水的化学及同位素特征，是水流的“化石” 地下水的化学及同位素特征，是水流的“化石”，是重塑历史及地质历 史时期地下水流的依据； 史时期地下水流的依据； 在地下水流系统，化学组分及同位素组分呈现时空演变的有序图景， 在地下水流系统，化学组分及同位素组分呈现时空演变的有序图景，因 获取不同部位较为详细的水化学资料，结合其他信息， 此，获取不同部位较为详细的水化学资料，结合其他信息，是构建地下 水流系统的重要依据。 水流系统的重要依据。 沿流线始终保持恒定，如稳定同位素氘和氧、惰性气体含量及比例； 沿流线始终保持恒定，如稳定同位素氘和氧、惰性气体含量及比例； 沿流线不断衰减， 沿流线不断衰减，如放射性同位素14C； 沿流程发生规律性演变，如氯离子、TDS沿程增加。 沿流程发生规律性演变，如氯离子、TDS沿程增加。 沿程增加 水流系统水化学特征 局部：流程短，流速快（交替快） 局部：流程短，流速快（交替快），M低，水型简单 区域：流程长，流速慢（交替迟缓） 区域：流程长，流速慢（交替迟缓），M高，水型复杂 垂直与水平分带性 水化学积聚区： 水动力圈闭带， 水化学积聚区：相汇处 → 水动力圈闭带，相背处 → 准滞流带 地下水流系统的不同部位，发生的主要化学作用不同。 地下水流系统的不同部位，发生的主要化学作用不同。
A
B
A
B
9.2 地下水流系统及其特征 (Groundwater Flow System)
地下水流系统概念 地下水流系统的划分 GFS的水动力特征 的水动力特征 GFS的水化学特征 的水化学特征 GFS的水温度特征 的水温度特征 地下水流系统物理模拟 小结
地下水流系统(GFS)概念 概念 地下水流系统
——这一分析方法叫做地下水系统分析方法。 这一分析方法叫做地下水系统分析方法。 这一分析方法叫做地下水系统分析方法
水流特点： 水流特点： 源区—地下水流由上向下运动 源区 地下水流由上向下运动 ，流速减小； 流速减小； 汇区—地下水流由下向上运动 汇区 地下水流由下向上运动 流速增大； ，流速增大； 中间径流区—地下水流近于 水 中间径流区 地下水流近于(水 地下水流近于 平行运动。 平)平行运动。 平行运动
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 稳定降水， 个定高程的汇 排泄)， 个定高程的汇(排泄 稳定二维流模拟 稳定降水
实习 地下水流系统的模拟演示 地下水流系统的模拟演示
一、FLOWNETD模拟程序简介 一、FLOWNETD模拟程序简介 FLOWNETD 二、模拟操作基本步骤 三、主要内容 简单盆地（均质、非均质场） 复杂盆地（均质、非均质场）
水流系统的级次性及特征
多源系统中易产生多级多个地下水流动系统； 多源系统中易产生多级多个地下水流动系统； 局部流动系统流速快，水循环交替快; 局部流动系统流速快，水循环交替快; 区域流动系统流速慢，水循环交替慢。 区域流动系统流速慢，水循环交替慢。
地下水流系统的伴生现象——生态、环境的关系。 生态、环境的关系。 地下水流系统的伴生现象 生态
地下水含水系统与地下水流系统之间的区别 地下水含水系统 根本不同 分类依据
静态系统（含水系统） 静态系统（含水系统） 根据储水构造划分 —以介质场为依据 以介质场为依据 —地层形成史一致 地层形成史一致
地下水流动系统
动态系统（流动系统） 动态系统（流动系统） 根据水的流动特征划分 —以渗流场为依据 以渗流场为依据 共同的地下水演变历史 —地下水的补给、径流统一 地下水的补给、 地下水的补给 流面（分水线） 流面（分水线）构成水力边界 —水力零通量面 水力零通量面 边界可变，系统规模、 边界可变，系统规模、数目变 —是可干扰的动态系统 是可干扰的动态系统 水、盐、热量具有统一的时空 演变
第9章 地下水流系统 （Groundwater system)
9.1 地下水系统的概念 9.2 地下水流动系统及其特征
9.1
地下水系统的概念
系统与系统方法
系统： 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）。 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； 相互作用，相互依赖→不是各部分或零部件的简单堆集； 整体功能大于局部 要素）之和。 大于局部（ 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方法。 系统方法：用系统思想去分析与研究问题方法。 系统思想的核心：就是把研究对象看作一个有机整体， 系统思想的核心：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。 去考察、 体角度去考察、分析与处理问题的方法。 系统思想追求的目标→系统整体功能的最优化（不是局部的）
地下水流系统的划分
局部GFS 局部GFS
中间GFS 中间GFS
区域GFS 区域GFS
GFS的水动力特征 的水动力特征
高势区（势源） 高势区（势源）
地形高处，补给区，地下水由上至下运动，势能向压能转化； 地形高处，补给区，地下水由上至下运动，势能向压能转化；
低势区（势汇） 低势区（势汇）
地形低处，排泄区，地下水由下向上运动，压能释放转化为势能。 地形低处，排泄区，地下水由下向上运动，压能释放转化为势能。
输入
系统
输出
地下水系统
地下水含水系统（ 地下水含水系统（Groundwater aquifer system/ Groundwater bearing system） ） 是指有隔水或相对隔水岩层圈闭的， 是指有隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的赋存 地下水的岩系 岩系。 地下水的岩系。 地下水流系统（ 地下水流系统（Groundwater flow system） ） 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 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。 水体。 地下水含水系统与地下水流系统的比较 共同点 突破了把单个含水层作为基本功能单元的传统 system≠aquifer） system≠aquifer）； 力求以系统的观点去考察、分析与处理地下水体。 力求以系统的观点去考察、分析与处理地下水体。
系统的输入与输出，激励与响应 系统的输入与输出，
一个系统，不仅内部诸要素存在着相互作用，而且与外部 内部诸要素存在着相互作用 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 发生相互作用； 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、 以系统为对象，系统接受或向环境产生的物质、能量或信 称为系统的输入 息——称为系统的输入与输出； 称为系统的输入与输出； 以系统为作用对象， 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。 称为激励 作用 称为激励与响应。 物质 能量 信息 物质 能量 信息
局部水流系统 矿化度低
矿化度沿程增加
区域水流系统 矿化度高
Baidu Nhomakorabea
同一含水层不同水流系统水化学特征
区域水流系统 矿化度高 局部水流系统 矿化度低
GFS的水温度特征 的水温度特征
上升水流产生正增温 上升水流产生正增温 下降水流产生负增温 下降水流产生负增温
20℃ ℃ 20℃ ℃ 22℃ ℃ 22℃ ℃
20℃ ℃ 20℃ ℃ 22℃ ℃ 22℃ ℃
多级水流系统物理模拟
仪器简介 蠕动泵读数（转换） 蠕动泵读数（转换）: =读数 读数( (ml/转 流量 Q =读数(转/min) * 转换参数 (ml/转) , 单位: 单位: ml/min
水动力圈 闭带
准滞留带
水化学分带
地形简单，只出现区域水流系统，以水平分带为主； 地形简单，只出现区域水流系统，以水平分带为主； 地形复杂，局部、中间、区域水流系统同时出现，以垂直 地形复杂，局部、中间、区域水流系统同时出现， 分带为主。 分带为主。
HCO3-
HCO3SO42Cl-
SO42-
Cl-
不同水流系统水化学特征
地下含水系统与地下水流系统之间的联系 两者都可以进一步划分为子系统——层次性； 层次性； 两者都可以进一步划分为子系统 层次性 一个大的地下水含水系统可以包容多个流动系统， 一个大的地下水含水系统可以包容多个流动系统 ， 而一个大的流动系统可以穿越多个含水系统——交 而一个大的流动系统可以穿越多个含水系统 交 叉性。 叉性。 子系统不同， 大的系统是一致的。 子系统不同 ， 大的系统是一致的 。 在人为因素影响 流动系统的规模、 数量均会发生变化， 下 ， 流动系统的规模 、 数量均会发生变化 ， 但变化 受到大的含水系统边界的制约， 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——一致性。 一致性。 含水系统边界 一致性
地下水流动系统是指由源到汇的流面群构成的， 地下水流动系统是指由源到汇的流面群构成的，具有 是指由源到汇的流面群构成的 统一时空演变过程的地下水体。 统一时空演变过程的地下水体。 GFS理论的两个前提 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范围来考察问题， 从较长的时间尺度与较大的空间范围来考察问题，广 大范围内的地下水都存在着水力联系→时间因素。 大范围内的地下水都存在着水力联系→时间因素。 控制地下水流动的是“ 地形） 控制地下水流动的是“势”（地形），而不是地质条 件。
小结
地下水流系统理论实质是以 地下水流网为工具 地下水流系统理论 实质是以地下水流网 为工具 ， 以 势场 、 介质场 分析 实质 是以地下水流网为工具， 势场、介质场分析 为基础， 渗流场、水化学场、温度场统一于新的地下水流动系统概 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。 念框架之中。 地下水流动系统理论将传统认为互不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， 有序的地下水空间与时间连续演变的结构之中 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 有助于人们从 整体上把握地下水质与量特征以及地下水系统与环境之 整体上 把握地下水质与量特征以及地下水系统与环境之 间联系。 间联系。 地下水流系统特征： 演变—消亡的完整过程 地下水流系统特征：（1）完整性：从形成 演变 消亡的完整过程； ）完整性：从形成—演变 消亡的完整过程； （ 2）四维性 ： 是统一的时空变化水体 ； （ 3）有序性 ： 水流的物理 、 ） 四维性：是统一的时空变化水体； ） 有序性：水流的物理、 化学、温度和生物场的整体统一有序； 化学、温度和生物场的整体统一有序；（4）可变性：受外部环境影响， ）可变性：受外部环境影响， 地下水流系统可以发生变化。 地下水流系统可以发生变化。
蠕动泵参数(ml/转): 转 蠕动泵参数 上游泵： 上游泵：2.601 中游泵： 中游泵：2.555 下游泵： 下游泵：2.411 函数转化： 函数转化： Q=2.559*转数 转数
改进的砂槽多级水流系统
砂槽模拟直观多级水流系统
局部水流系统—5个；中间水流系统—1个；区域水流系统 个 中间水流系统 局部水流系统 个 区域水流系统—1个 个
系统发育史 共同的地质演变历史 边界性质
隔水与相对隔水的地质边界 —地质上的零通量面 地质上的零通量面 —不变的静态系统 不变的静态系统 具有统一或潜在统一的水 力联系
系统可变性 边界固定不变 统一性 研究意义
有助于从整体上研究水量、 有助于研究水量、水质、 有助于从整体上研究水量、 有助于研究水量、水质、水温 尤其是水质） 的时空演变 （尤其是水质） 盐量、 盐量、热量的均衡
GFS的水化学特征 的水化学特征
地下水的化学及同位素特征，是水流的“化石” 地下水的化学及同位素特征，是水流的“化石”，是重塑历史及地质历 史时期地下水流的依据； 史时期地下水流的依据； 在地下水流系统，化学组分及同位素组分呈现时空演变的有序图景， 在地下水流系统，化学组分及同位素组分呈现时空演变的有序图景，因 获取不同部位较为详细的水化学资料，结合其他信息， 此，获取不同部位较为详细的水化学资料，结合其他信息，是构建地下 水流系统的重要依据。 水流系统的重要依据。 沿流线始终保持恒定，如稳定同位素氘和氧、惰性气体含量及比例； 沿流线始终保持恒定，如稳定同位素氘和氧、惰性气体含量及比例； 沿流线不断衰减， 沿流线不断衰减，如放射性同位素14C； 沿流程发生规律性演变，如氯离子、TDS沿程增加。 沿流程发生规律性演变，如氯离子、TDS沿程增加。 沿程增加 水流系统水化学特征 局部：流程短，流速快（交替快） 局部：流程短，流速快（交替快），M低，水型简单 区域：流程长，流速慢（交替迟缓） 区域：流程长，流速慢（交替迟缓），M高，水型复杂 垂直与水平分带性 水化学积聚区： 水动力圈闭带， 水化学积聚区：相汇处 → 水动力圈闭带，相背处 → 准滞流带 地下水流系统的不同部位，发生的主要化学作用不同。 地下水流系统的不同部位，发生的主要化学作用不同。
A
B
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9.2 地下水流系统及其特征 (Groundwater Flow System)
地下水流系统概念 地下水流系统的划分 GFS的水动力特征 的水动力特征 GFS的水化学特征 的水化学特征 GFS的水温度特征 的水温度特征 地下水流系统物理模拟 小结
地下水流系统(GFS)概念 概念 地下水流系统
——这一分析方法叫做地下水系统分析方法。 这一分析方法叫做地下水系统分析方法。 这一分析方法叫做地下水系统分析方法
水流特点： 水流特点： 源区—地下水流由上向下运动 源区 地下水流由上向下运动 ，流速减小； 流速减小； 汇区—地下水流由下向上运动 汇区 地下水流由下向上运动 流速增大； ，流速增大； 中间径流区—地下水流近于 水 中间径流区 地下水流近于(水 地下水流近于 平行运动。 平)平行运动。 平行运动
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 稳定降水， 个定高程的汇 排泄)， 个定高程的汇(排泄 稳定二维流模拟 稳定降水
实习 地下水流系统的模拟演示 地下水流系统的模拟演示
一、FLOWNETD模拟程序简介 一、FLOWNETD模拟程序简介 FLOWNETD 二、模拟操作基本步骤 三、主要内容 简单盆地（均质、非均质场） 复杂盆地（均质、非均质场）
水流系统的级次性及特征
多源系统中易产生多级多个地下水流动系统； 多源系统中易产生多级多个地下水流动系统； 局部流动系统流速快，水循环交替快; 局部流动系统流速快，水循环交替快; 区域流动系统流速慢，水循环交替慢。 区域流动系统流速慢，水循环交替慢。
地下水流系统的伴生现象——生态、环境的关系。 生态、环境的关系。 地下水流系统的伴生现象 生态
地下水含水系统与地下水流系统之间的区别 地下水含水系统 根本不同 分类依据
静态系统（含水系统） 静态系统（含水系统） 根据储水构造划分 —以介质场为依据 以介质场为依据 —地层形成史一致 地层形成史一致
地下水流动系统
动态系统（流动系统） 动态系统（流动系统） 根据水的流动特征划分 —以渗流场为依据 以渗流场为依据 共同的地下水演变历史 —地下水的补给、径流统一 地下水的补给、 地下水的补给 流面（分水线） 流面（分水线）构成水力边界 —水力零通量面 水力零通量面 边界可变，系统规模、 边界可变，系统规模、数目变 —是可干扰的动态系统 是可干扰的动态系统 水、盐、热量具有统一的时空 演变
第9章 地下水流系统 （Groundwater system)
9.1 地下水系统的概念 9.2 地下水流动系统及其特征
9.1
地下水系统的概念
系统与系统方法
系统： 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）。 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； 相互作用，相互依赖→不是各部分或零部件的简单堆集； 整体功能大于局部 要素）之和。 大于局部（ 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方法。 系统方法：用系统思想去分析与研究问题方法。 系统思想的核心：就是把研究对象看作一个有机整体， 系统思想的核心：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。 去考察、 体角度去考察、分析与处理问题的方法。 系统思想追求的目标→系统整体功能的最优化（不是局部的）
地下水流系统的划分
局部GFS 局部GFS
中间GFS 中间GFS
区域GFS 区域GFS
GFS的水动力特征 的水动力特征
高势区（势源） 高势区（势源）
地形高处，补给区，地下水由上至下运动，势能向压能转化； 地形高处，补给区，地下水由上至下运动，势能向压能转化；
低势区（势汇） 低势区（势汇）
地形低处，排泄区，地下水由下向上运动，压能释放转化为势能。 地形低处，排泄区，地下水由下向上运动，压能释放转化为势能。
输入
系统
输出
地下水系统
地下水含水系统（ 地下水含水系统（Groundwater aquifer system/ Groundwater bearing system） ） 是指有隔水或相对隔水岩层圈闭的， 是指有隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的赋存 地下水的岩系 岩系。 地下水的岩系。 地下水流系统（ 地下水流系统（Groundwater flow system） ） 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 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。 水体。 地下水含水系统与地下水流系统的比较 共同点 突破了把单个含水层作为基本功能单元的传统 system≠aquifer） system≠aquifer）； 力求以系统的观点去考察、分析与处理地下水体。 力求以系统的观点去考察、分析与处理地下水体。
系统的输入与输出，激励与响应 系统的输入与输出，
一个系统，不仅内部诸要素存在着相互作用，而且与外部 内部诸要素存在着相互作用 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 发生相互作用； 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、 以系统为对象，系统接受或向环境产生的物质、能量或信 称为系统的输入 息——称为系统的输入与输出； 称为系统的输入与输出； 以系统为作用对象， 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。 称为激励 作用 称为激励与响应。 物质 能量 信息 物质 能量 信息
局部水流系统 矿化度低
矿化度沿程增加
区域水流系统 矿化度高
Baidu Nhomakorabea
同一含水层不同水流系统水化学特征
区域水流系统 矿化度高 局部水流系统 矿化度低
GFS的水温度特征 的水温度特征
上升水流产生正增温 上升水流产生正增温 下降水流产生负增温 下降水流产生负增温
20℃ ℃ 20℃ ℃ 22℃ ℃ 22℃ ℃
20℃ ℃ 20℃ ℃ 22℃ ℃ 22℃ ℃
多级水流系统物理模拟
仪器简介 蠕动泵读数（转换） 蠕动泵读数（转换）: =读数 读数( (ml/转 流量 Q =读数(转/min) * 转换参数 (ml/转) , 单位: 单位: ml/min
水动力圈 闭带
准滞留带
水化学分带
地形简单，只出现区域水流系统，以水平分带为主； 地形简单，只出现区域水流系统，以水平分带为主； 地形复杂，局部、中间、区域水流系统同时出现，以垂直 地形复杂，局部、中间、区域水流系统同时出现， 分带为主。 分带为主。
HCO3-
HCO3SO42Cl-
SO42-
Cl-
不同水流系统水化学特征
地下含水系统与地下水流系统之间的联系 两者都可以进一步划分为子系统——层次性； 层次性； 两者都可以进一步划分为子系统 层次性 一个大的地下水含水系统可以包容多个流动系统， 一个大的地下水含水系统可以包容多个流动系统 ， 而一个大的流动系统可以穿越多个含水系统——交 而一个大的流动系统可以穿越多个含水系统 交 叉性。 叉性。 子系统不同， 大的系统是一致的。 子系统不同 ， 大的系统是一致的 。 在人为因素影响 流动系统的规模、 数量均会发生变化， 下 ， 流动系统的规模 、 数量均会发生变化 ， 但变化 受到大的含水系统边界的制约， 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——一致性。 一致性。 含水系统边界 一致性
地下水流动系统是指由源到汇的流面群构成的， 地下水流动系统是指由源到汇的流面群构成的，具有 是指由源到汇的流面群构成的 统一时空演变过程的地下水体。 统一时空演变过程的地下水体。 GFS理论的两个前提 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范围来考察问题， 从较长的时间尺度与较大的空间范围来考察问题，广 大范围内的地下水都存在着水力联系→时间因素。 大范围内的地下水都存在着水力联系→时间因素。 控制地下水流动的是“ 地形） 控制地下水流动的是“势”（地形），而不是地质条 件。
小结
地下水流系统理论实质是以 地下水流网为工具 地下水流系统理论 实质是以地下水流网 为工具 ， 以 势场 、 介质场 分析 实质 是以地下水流网为工具， 势场、介质场分析 为基础， 渗流场、水化学场、温度场统一于新的地下水流动系统概 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。 念框架之中。 地下水流动系统理论将传统认为互不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， 有序的地下水空间与时间连续演变的结构之中 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 有助于人们从 整体上把握地下水质与量特征以及地下水系统与环境之 整体上 把握地下水质与量特征以及地下水系统与环境之 间联系。 间联系。 地下水流系统特征： 演变—消亡的完整过程 地下水流系统特征：（1）完整性：从形成 演变 消亡的完整过程； ）完整性：从形成—演变 消亡的完整过程； （ 2）四维性 ： 是统一的时空变化水体 ； （ 3）有序性 ： 水流的物理 、 ） 四维性：是统一的时空变化水体； ） 有序性：水流的物理、 化学、温度和生物场的整体统一有序； 化学、温度和生物场的整体统一有序；（4）可变性：受外部环境影响， ）可变性：受外部环境影响， 地下水流系统可以发生变化。 地下水流系统可以发生变化。
蠕动泵参数(ml/转): 转 蠕动泵参数 上游泵： 上游泵：2.601 中游泵： 中游泵：2.555 下游泵： 下游泵：2.411 函数转化： 函数转化： Q=2.559*转数 转数
改进的砂槽多级水流系统
砂槽模拟直观多级水流系统
局部水流系统—5个；中间水流系统—1个；区域水流系统 个 中间水流系统 局部水流系统 个 区域水流系统—1个 个
系统发育史 共同的地质演变历史 边界性质
隔水与相对隔水的地质边界 —地质上的零通量面 地质上的零通量面 —不变的静态系统 不变的静态系统 具有统一或潜在统一的水 力联系
系统可变性 边界固定不变 统一性 研究意义
有助于从整体上研究水量、 有助于研究水量、水质、 有助于从整体上研究水量、 有助于研究水量、水质、水温 尤其是水质） 的时空演变 （尤其是水质） 盐量、 盐量、热量的均衡