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”。

增强原输入作用的反馈称为“正反馈”，削弱原输入作用的反馈称为“负反馈”。

8.2 地下水系统概念它是系统思想与方法渗入水文地质领域的结果；它是水文地质学发展的必然产物；它是自然系统，是水循环系统的子系统，是环境系统的子系统8.2.1 地下水系统概念的产生1）初期（40~50年代左右及以前）：“找水”问题，人们仅注意对井周附近地下水的研究。

2）中期（60~70年代）：对地下水的研究开始转向整个含水层中的地下水。

并以含水层作为研究单元。

3）后期（80~90年代）：井群集中开采，对地下水的影响往往波及到多个含水层及其间的弱透水层，出现了“含水系统”的概念。

后来，为了解决海水入侵以及地下水污染等一系列与溶质运移有关的问题，在此基础上又提出了“地下水流动系统”的概念。

8.2.2 地下水系统的概念地下水含水系统：指由隔水或相对隔水岩层（弱透水层）圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系。

地下水流动系统：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。

含水系统简单的流动系统（A ）区域流动系统（B r ）中间流动系统（B i ）局部流动系统（B 1）流动系统ⅠⅡ复杂的流动系统（B ）级次性1B iB 1B r B A强烈人工开采影响下，整个含水系统中形成了一个新的流线指向盆地中心的辐辏式地下水流动系统，原来的流动系统全都消失了。

由于强烈的势场变化，流线普遍穿越了相对隔水层。

不过，无论人为影响加强到什么程度，新的地下水流动系统的发育范围，不会超越大的含水系统的边界。

8.3 地下水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。

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。

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。

同一含水系统中，各部分的水力联系程度不同。

山前洪积平原多由粗颗粒的卵砾石构成，极少粘性土层，水力联系较好。

远离沉积物源区的冲积湖积平原，粘性土层比例较大，水力联系减弱。

并且，愈往深部，水流途径愈长，需要穿越的粘性土层愈多，水力联系更为减弱。

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。

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。

一个独立的含水层就构成一个含水系统（图b）岩相变化导致隔水层尖灭（图c）导水断层使若干含水层发生联系时（图d），则数个含水层构成一个含水系统。

(含水系统各部分的水力联系不同)另一方面，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b、c）。

8.4 地下水流动系统8.4.1 地下水流动系统的概念的发展传统概念的河间地块流网图8.4 地下水流动系统8.4.1 地下水流动系统的概念的发展传统概念：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。

①回避地下分水岭两侧流线向对立方向水平流动的矛盾而只表示了河间地块的一侧。

②为了避免流线在排泄区上抬，有意使河谷谷底切穿隔水底板（实际上这种情况是很少的例外），且保持较高的河水位。

8.4.1 地下水流动系统的概念的发展 第一个明确指出地下水存在垂直运动——赫伯特（1940年），他指出： 排泄区的流线是指向地下水面的，为上升水流； 在补给区，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。

1963年，托特以独特的形式发展了赫伯特的理论。

传统概念：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。

数值模拟：模拟二维及三维各项异性非均匀介质中的地下水稳定与非稳定流动。

8.4.2 地下水流动系统将水量、水质、水温各方面的表现联系在一起，纳入地下水空间与时间连续演变的有序结构之中，有助于人们从整体上把握地下水各个部分之间以及它与环境之间联系的完整图景。

地下水流网势场及介质场的分析渗流场化学场温度场地下水流动系统工具基础一、地下水流动系统的水力特征（单源单汇）地下水在流动消耗机械能以克服粘滞性摩擦驱动水运动的主要能量：重力势能重力势能来源：地下水的补给（大气降水或地表水的重力势能加诸于地下水）地形低洼处，地下水面达到或接近地表，地下水位的抬升增加地下水排泄（转化为大气水与地表水），从而阻止地下水位不断抬高。

因此，地形低洼处通常是低势区——势汇。

地形高处，地下水位持续抬升，重力势能积累，构成势源。

通常情况下地形控制着重力势能的分布1963年，托特以独特的形式发展了赫伯特的理论。

静止水体中，各处水头相等。

流动水体中：势源处流线下降，沿着流线方向，愈来愈多的机械能消耗于粘滞性摩擦，在垂直断面上自上而下水头愈来愈低，任一点的水头均小于静水压力。

在势汇处，正好相反。

在中间地带，流线呈水平延伸，垂直断面各点水头均相等，并正好等于静水压力。

在非“承压”条件下，地下水可以由低处流向高处？势能包括位能与变形能（压能）两部分。

地下水在向下流动时，除了释放势能以克服粘滞性摩擦外，还将一部分势能以压能形式（通过压缩水的体积）储存起来。

而在作上升运动时，则又通过水的体积膨胀，将以压能形式储存的势能释放出来以作功。

在作水平流动时，由于上游的水头高度总要比下游高一些，因而也是通过水的体积膨胀释放势能的。

即使是潜水，在其上升水流部分同样是“承压”的，水头可以高出静力压力，只要有合适的地形条件，同样可以打成自流井（8—10b）。

从某种意义上说，潜水也是“承压”的。

潜水与承压水不同之处在于含水层顶面是否承压。

承压含水层的顶部是承压的，潜水含水层的顶部不承压（不承受大气压强以外的附加压强）。

一、地下水流动系统的水力特征（多级次）高度：a>b>c两个流动系统：a→b，a→c？？？：b→c同一介质场中地下水流动系统的发育规律，同一介质场中存在两个或更多的地下水流动系统时，它们所占据的空间大小取决于以下两个因素：a）势能梯度（I），等于源汇的势差除以源汇的水平距离。

势能梯度愈大的流动系统占据的空间也愈大，反之亦然；b）介质渗透性（K），透水性愈好，发育于其中的流动系统所占据的空间也愈大。

a ba 表示在透水性均一的介质场中势能梯度相等的两个地下水流动系统在空间上平分秋色。

b 表示在均一介质场中势能梯度较大的流动系统占据较大范围。

c dc 表示两个势能梯度相等的流动系统发育于不均一介质场中，发育于透水性较好的介质中的流动系统占据了较大空间。

d 则表明，在与b其它条件相同，但降低了隔水底板后出现了区域流动系统。

区域流动系统与局部流动系统的发育状况也取决于两者的势能梯度。

ee 表示区域性地形坡度不大而局部地形起伏大时，只发育局部流动系统。

ff 则表示局部地形起伏较小时，既发育局部流动系统，也发育区域流动系统。

g但是，如果地形条件不变，介质场的透水性良好时，则只发育区域系统（图 g ）。

在一些岩溶发育地区，我们所看到的正是如此。

在各级流动系统中，补给区的水量通过中间区输向排泄区因此，以中间区为标准，补给区是水分不足区，地表水稀少，地下水埋藏深度大，土壤含水量低，多分布耐旱植物；排泄区是水分过剩区，地下水埋深浅，土壤含水量高，多沼泽、湿地与泉，多喜水植物。

在干旱区则出现盐渍地，多分布耐盐植物。

在岩层透水性特别良好的岩溶发育区，这种水分分布不均匀现象尤为突出。

二、地下水流动系统的水化学特征当缺乏水质资料，但已了解地质自然地理条件时，可以根据背景条件勾划地下水流动系统的轮廓，对水质进行预测，有目的取样分析。

当水质资料不够完整时，可以利用零星的水化学资料，根据地下水流动系统，由已知推测未知。

水量与地下水流动的信息转瞬即逝，本身是无法保持的，但是这两者都间接地体现在地下水水化学上。

所以，根据地下水的水化学场，我们可以回溯历史上的地下水流动系统。

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。

在地形复杂，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，只出现区域流动系统时，则主要呈水平分带。

传统的水文地质观点：含水层（或含水系统）看作水动力场与水化学场。

其中的水质是比较均一的。

其实，同一含水层或含水系统的水，可以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。

不同流动系统水流相向汇流处——水动力圈闭带与相背分流处——准滞流带，恰好是流束膨胀，流速迟缓之处，有利于各种溶解物、悬浮物、乳状物质、胶体物质在此积聚。

在地下水流动系统的不同部位，发生的主要化学作用也不同（图8—14）。