第八章_地下水系统
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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
8.4.1地下水流动系统的水动力特征
8.4.2地下水流动系统的水化学特征 8.4.3地下水流动系统的水温度特征
第八章 地下水系统 8.1系统概念
局部系统：流程短，流速快（交替快），矿化度（TDS） 低，水型比较简单； 区域系统：流程长，流速慢（交替迟缓），矿化度 （TDS）高，水型比较复杂；
同一含水层或含水系统的水，可用分属于不同的流动 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。（图8-13）
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。
（图8-4）
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。
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。
地下水流动系统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 架中。将本来似乎互不关联的地下水各方面的 表现联系在一起，纳入地下水空间与时间连续
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
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）。 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 一.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； 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
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
（3）托特（J．Tóth）复杂盆地流网：1963年，加拿大 学者用数学模型做了复杂盆地的潜水流网。在严格的假 定条件下，托特利用解析解绘制了均质各向同性潜水盆 地中理论的地下水流动系统（图8—7）。他得出的结论 出人意料：在均质各向同性潜水盆地中居然出现了三个 不同级次的流动系统，局部的、中间的及区域的。
演变的有序结构之中，有助于从整体上把握地
下水各个部分之间以及它与环境之间的联系。
（一）水动力特征 基于前述2个前提的托特地下水流动系统理论（图8-9），分析水动力特征：
wenku.baidu.com
图8-9 区域地下水流动及其伴生标志（据Toth,1980）
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 垂向运动中：由上至下：势能除克服摩擦消耗部分能量 外，势能→压能转化； 由下至上：部分储存的压能释放转化为势能。 垂向运动的存在：说明传统的“承压”现象在潜水中也可 以出现 。（图8-10b） 流动方向的多样性：存在水流由上至下、由下至上和水 平运动 流动系统的多级性：多源、汇的流动系统，易产生多 级多个地下水流动系统；“局部的，区域的，中间的”的 系统共同出现，或出现两级系统等。
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
三、地下水含水系统与地下水流动系统的比较
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。 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）。
（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）：
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
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）
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，
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”。
系统发育史
共同的地质演变历史， 地层形成史一致
边界固定不变，系统规模 数量不变的静态系统
共同的地下水演变历史， 水的补给径流统一
边界可变，系统规模数目可变， 易受干扰的动态系统
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
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。
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 部环境发生相互作用。
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
一、地下水系统概念的产生
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
（2）两者的区别
含水系统
根本不同 分类依据 静态系统 根据储水构造划分的， 以介质场为依据 统一性 边界性质 统一的或潜在统一的水力 联系 隔水与相对隔水的地质边 界，地质零通量
流动系统
动态系统 根据水的流动特征， 以渗流场为依据 水量、盐、热量 在时空演变上是统一的 流面（分水线）构成的水力边界， 水力零通量面
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
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
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
8.4.1地下水流动系统的水动力特征
8.4.2地下水流动系统的水化学特征 8.4.3地下水流动系统的水温度特征
第八章 地下水系统 8.1系统概念
局部系统：流程短，流速快（交替快），矿化度（TDS） 低，水型比较简单； 区域系统：流程长，流速慢（交替迟缓），矿化度 （TDS）高，水型比较复杂；
同一含水层或含水系统的水，可用分属于不同的流动 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。（图8-13）
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。
（图8-4）
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。
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。
地下水流动系统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 架中。将本来似乎互不关联的地下水各方面的 表现联系在一起，纳入地下水空间与时间连续
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
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）。 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 一.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； 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
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
（3）托特（J．Tóth）复杂盆地流网：1963年，加拿大 学者用数学模型做了复杂盆地的潜水流网。在严格的假 定条件下，托特利用解析解绘制了均质各向同性潜水盆 地中理论的地下水流动系统（图8—7）。他得出的结论 出人意料：在均质各向同性潜水盆地中居然出现了三个 不同级次的流动系统，局部的、中间的及区域的。
演变的有序结构之中，有助于从整体上把握地
下水各个部分之间以及它与环境之间的联系。
（一）水动力特征 基于前述2个前提的托特地下水流动系统理论（图8-9），分析水动力特征：
wenku.baidu.com
图8-9 区域地下水流动及其伴生标志（据Toth,1980）
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 垂向运动中：由上至下：势能除克服摩擦消耗部分能量 外，势能→压能转化； 由下至上：部分储存的压能释放转化为势能。 垂向运动的存在：说明传统的“承压”现象在潜水中也可 以出现 。（图8-10b） 流动方向的多样性：存在水流由上至下、由下至上和水 平运动 流动系统的多级性：多源、汇的流动系统，易产生多 级多个地下水流动系统；“局部的，区域的，中间的”的 系统共同出现，或出现两级系统等。
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
三、地下水含水系统与地下水流动系统的比较
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。 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）。
（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）：
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
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）
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，
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”。
系统发育史
共同的地质演变历史， 地层形成史一致
边界固定不变，系统规模 数量不变的静态系统
共同的地下水演变历史， 水的补给径流统一
边界可变，系统规模数目可变， 易受干扰的动态系统
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
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。
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 部环境发生相互作用。
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
一、地下水系统概念的产生
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
（2）两者的区别
含水系统
根本不同 分类依据 静态系统 根据储水构造划分的， 以介质场为依据 统一性 边界性质 统一的或潜在统一的水力 联系 隔水与相对隔水的地质边 界，地质零通量
流动系统
动态系统 根据水的流动特征， 以渗流场为依据 水量、盐、热量 在时空演变上是统一的 流面（分水线）构成的水力边界， 水力零通量面
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
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