第八章地下水系统Word格式文档下载.docx

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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。

会后1983年底，会议的组长荷兰水文与地质学家G.B.Engelen来华进行了“地下水系统”理论的系列讲座（在中国地质大学、河北正定水文所和北京水文地质公司等）。

此后，“地下水系统”这一词汇在中国水文地质学界得以迅速广泛的应用，并开展了相关理论研究（如原地矿部陈梦熊院士、长春地院的林学钰院士和中国地质大学的地下水系统小组等）。

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

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

　力求以系统的观点去考察、分析与处理地下水体

（2）两者的不同比较

　根本不同—一含水系统是静态系统，流动系统是动态系统

　分类依据：

含水系统——根据储水构造划分的，以介质场为依据

流动系统——根据水的流动特征，以渗流场为依据

　系统发育史：

含水系统——具有共同的地质演变历史，地层形成史一致

流动系统——具有共同的地下水演变历史，水的补给径流统一

　边界性质：

含水系统——隔水与相对隔水的地质边界，地质零通量面

流动系统——流面（分水线）构成的水力边界，水力零通量面

　系统的可变性：

含水系统——边界固定不变，系统规模数量不变的静态系统

流动系统——边界可变，系统规模数目可变，易受干扰的动态系统

　统一性：

含水系统——具有统一的或潜在统一的水力联系

流动系统——水量、盐、热量在时空演变上是统一的

　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。

（图8—4）

含水子系统的划分

图8—3　地下水含水系统与地下水流动系统

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

1—隔水基底；

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

第三节　地下水含水系统

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）

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

一、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8-5a）。

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）。

二、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）

第四节　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，MKHubbert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。

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；

6—地表水

（3）托特（J．Tó

th）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。

　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）。

图8—7　均质各向性潜水盆地中的理论流动系统〔Tó

th，1963〕

1—不同级别流动系统的分届；

2—同一级别流动系统的分届；

3—流线；

4—局部流动系统；

5—中间流动系统；

6—区域流动系统

图8—8　层状非均质介质中的地下水流动系统

〔FreezeandWitherspoon，1967〕

1—等水头线；

2—流线（图中K为渗透系数相对值）

二、地下水流动系统理论

也称托特地下水流动系统理论（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。

（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：

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）。

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。

　流动系统发育的规模与数目的控制因素（自选学习内容）

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。

参见电子教材图8-12系列图示，要读懂！

！

　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，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

（二）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，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。

　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；

　具有明显的垂直与水平分带性（图8-14）：

　在水流相汇处与相背处：

水流发生变化，常成为水化学积聚区或圈闭带

　流动系统中水的矿化度、水型与水学形成作用方式，与水动力特征一致。

图8—14　地下水流动系统中的水质演变

3—粘土层；

6—氧化、还原带界线；

7—泉；

8—矿化度，1个“+”代表低矿化度，2个“+”代表中等矿化，3个“+”代表高矿化（注意：

这只是一个概念性示意图，应用适应考虑具体条件。

例如，当有机物质含量丰富时，甚至在浅部既已进入还原环境）

（三）水温特征

在来自地壳深部大地热流的影响下，年常温带以下的等温线通常上低下高，呈水平分布。

地下水流动系统的存在，地温的变化：

　补给区的下降水流受入渗水的影响，地温偏低，产生负增温；

　排泄区因上升水流带来深部热影响，地温偏高，产生正增温。

由图8—15可见，原本水平分布的等温线发生变化。

补给区的下降，且间距变大（地温梯度变小）。

排泄区上抬，且间隔变小（地温梯度变大）。

图8—15　等温线与地下水流动系统的关系（需要补图例）

1—隔水底板；

2—水力零通量面；

3—大地热流；

6—理想等温线；

7—在地下水流动系统影响下改变后的等温线