盆地含水系統(tǒng)與地下水流動(dòng)系統(tǒng)特征

1、盆地含水系統(tǒng)與地下水流動(dòng)系統(tǒng)特征大型盆地是人類相對聚居的地方, 通常蘊(yùn)藏著豐富的能源和礦產(chǎn)資源, 有的還是重要的糧食生產(chǎn)基地。隨著社會(huì)發(fā)展和工農(nóng)業(yè)用水增加, 盆地地下水資源的開發(fā)利用規(guī)模日益加大 , 引發(fā)了一系列地質(zhì)環(huán)境問題, 危及供水安全、糧食安全和重大工程安全。地下水資源的可持續(xù)利用已成為關(guān)系社會(huì)和諧發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。深入認(rèn)識(shí)大型盆地地下水流動(dòng)規(guī)律是合理開發(fā)利用地下水資源的基礎(chǔ), 也是現(xiàn)代水文地質(zhì)學(xué)面臨的挑戰(zhàn)之一。在區(qū)域水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展過程中,T óth (1963)提出了地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論,較好地刻畫了盆地地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄規(guī)律。 該理論基于重力驅(qū)動(dòng)的基本原理 , 利用

2、解析解研究發(fā)現(xiàn) , 盆地中可以發(fā)育局部、 中間和區(qū)域三個(gè)不同級(jí)次的流動(dòng)系統(tǒng) , 各個(gè)系統(tǒng)具有相對獨(dú)立的水動(dòng)力學(xué)和水化學(xué)特征。Freeze 和 Witherspoon (1967)從滲透系數(shù)分布和盆地形狀兩個(gè)方面討論了地下水流動(dòng)系統(tǒng)的影響因素, 進(jìn)一步完善了地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論。Freeze 和Witherspoon (1967)的研究僅考慮了簡單的非均質(zhì)性和各向異性對地下水流動(dòng)系統(tǒng)的影響 , 未對流動(dòng)系統(tǒng)的影響因素開展系統(tǒng)的研究。Tóth (1980)認(rèn)為多個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)的交匯可以形成有利于礦產(chǎn)和油氣聚集的滯流區(qū) , 但對滯流區(qū)的形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)一直停留在定性分析階段。在地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論的

3、實(shí)際應(yīng)用中 , 劃分各個(gè)不同級(jí)次流動(dòng)系統(tǒng)的分布是極為重要的, 雖然 Tóth (1963)給出了某一級(jí)次流動(dòng)系統(tǒng)的定義, 但是對如何精確劃分各個(gè)級(jí)次的地下水流動(dòng)系統(tǒng)一直缺乏既完善又簡便的方法。地下水年齡 ( 或示蹤劑濃度 ) 是分析盆地地下水流動(dòng)系統(tǒng)及校正地下水模型的重要指標(biāo) , 地下水年齡與流動(dòng)系統(tǒng)的水動(dòng)力學(xué)特征的相互關(guān)系至今尚未建立。針對這些問題 , 本文開展了以下理論和實(shí)際研究。在系統(tǒng)總結(jié)前人關(guān)于滲透結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上, 本文將盆地含水系統(tǒng)的非均質(zhì)性總結(jié)為四大類型 , 分別是帶狀、層狀、巖相和壓密非均質(zhì)性 , 其中壓密非均質(zhì)性是最普遍的特征 , 表現(xiàn)為滲透性隨深度衰減。通過分析巖

4、體自重應(yīng)力與滲透性的關(guān)系 , 從理論上分別推導(dǎo)了多孔介質(zhì)和裂隙介質(zhì)滲透性與深度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。對于多孔介質(zhì) , 自重應(yīng)力的增加引起孔隙度的減小, 進(jìn)而造成滲透性的減小 ,根據(jù)自重應(yīng)力與孔隙度、滲透率之間的相互關(guān)系, 本文推導(dǎo)了多孔介質(zhì)滲透率與深度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型 , 并成功解釋了美國Pierre頁巖在不同深度范圍的滲透率實(shí)測數(shù)據(jù)。對于裂隙介質(zhì) , 自重應(yīng)力的增加引起裂隙閉合, 同時(shí)裂隙頻率也隨深度減小 , 兩者共同作用造成滲透性隨深度衰減。根據(jù)自重應(yīng)力與單一裂隙隙寬、導(dǎo)水系數(shù)之間的相互關(guān)系, 推導(dǎo)了單一裂隙導(dǎo)水系數(shù)與深度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型, 此基礎(chǔ)上考慮裂隙頻率與深度關(guān)系, 給出了裂隙巖體滲透率與深

5、度的關(guān)系式, 所得模型合理地解釋了瑞典Stripa花崗巖滲透率與深度的復(fù)雜關(guān)系。根據(jù)裂隙介質(zhì)的模型, 本文提出了一種利用滲透性與深度的非線性關(guān)系估算大尺度巖體裂隙法向剛度和變形模量的方法。研究還發(fā)現(xiàn) , 在多孔介質(zhì)和裂隙介質(zhì)中, 滲透性隨深度衰減的負(fù)指數(shù)公式都是本文推導(dǎo)的模型在簡化條件下的特例。在盆地為均質(zhì)各向同性這一嚴(yán)格的假設(shè)條件下 ,T óth (1963)推導(dǎo)出二維剖面上水頭分布的解析解, 初步分析了地下水流動(dòng)系統(tǒng)的基本特征。本文對 Tóth (1963)的數(shù)學(xué)模型做了改進(jìn) , 推導(dǎo)了具有壓密非均質(zhì)性和各向異性的盆地中二維剖面上水頭和流函數(shù)的解析解, 使得精確分析流動(dòng)

6、系統(tǒng)的水動(dòng)力學(xué)特征、確定駐點(diǎn)位置及其影響因素成為可能。研究表明, 局部流動(dòng)系統(tǒng)可分為順向和逆向兩類 , 駐點(diǎn)可分為局部和區(qū)域兩類。順向局部流動(dòng)系統(tǒng)的流動(dòng)方向與區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)的流動(dòng)方向相同, 而逆向局部流動(dòng)系統(tǒng)的流動(dòng)方向與區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)的流動(dòng)方向相反。局部駐點(diǎn)位于逆向局部流動(dòng)系統(tǒng)下方 , 是四個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)交匯的部位, 可以用于精確劃分不同級(jí)次流動(dòng)系統(tǒng),確定局部和中間流動(dòng)系統(tǒng)的穿透深度。區(qū)域駐點(diǎn)位于區(qū)域最低排泄區(qū)和區(qū)域分水嶺下方的盆地底部, 是兩個(gè)區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生匯聚或者發(fā)散的部位。 壓密非均質(zhì)性和各向異性對地下水流動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)育有重要影響。隨著衰減系數(shù)的增加 , 局部駐點(diǎn)深度增加 , 局部流動(dòng)系統(tǒng)的穿透

7、深度隨之增加 ; 隨著各向異性比的增加 , 局部駐點(diǎn)深度減小 , 局部流動(dòng)系統(tǒng)的穿透深度隨之減小。衰減系數(shù)和各向異性比的增加不改變盆地中補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)的位置分布, 但都會(huì)引起盆地地下水的總補(bǔ)給量減小。利用實(shí)測示蹤劑年齡校正地下水模型 , 是當(dāng)前國際水文地質(zhì)學(xué)研究的前沿與熱點(diǎn)。在數(shù)值模擬計(jì)算中 , 地下水年齡有三種確定方法 , 分別是利用 “活塞流” 模型計(jì)算對流年齡、根據(jù)同位素濃度結(jié)合半衰期計(jì)算濃度模擬年齡和利用地下水年齡控制方程計(jì)算直接模擬年齡。地下水年齡控制方程是基于“年齡質(zhì)量”守恒這一概念獲得的, 利用該方程計(jì)算的直接模擬年齡適合于從理論上分析盆地中的地下水年齡空間分布規(guī)律。 研究發(fā)現(xiàn)

8、, 在各級(jí)次流動(dòng)系統(tǒng)內(nèi) , 從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū) , 地下水年齡有整體上變老的趨勢 ; 局部駐點(diǎn)附近 , 兩個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)的地下水發(fā)生匯聚的部位 , 地下水年齡存在一個(gè)偏大的峰值 ; 盆地下游 , 地下水年齡在垂向上會(huì)發(fā)生突變 , 可作為識(shí)別不同級(jí)次流動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)用指標(biāo) ; 盆地上游 , 區(qū)域補(bǔ)給區(qū)附近 , 當(dāng)局部駐點(diǎn)接近或到達(dá)盆地底部時(shí) , 會(huì)形成全盆地地下水年齡最老的滯流區(qū) , 有利于礦產(chǎn)的形成 ; 壓密非均質(zhì)性是影響盆地中地下水年齡分布的重要因素 , 孔隙度和滲透系數(shù)隨深度的衰減會(huì)顯著影響地下水的模擬年齡。最后 , 選擇鄂爾多斯白堊系盆地典型剖面作為實(shí)例 , 研究了含水系統(tǒng)特征以及地下水流動(dòng)系統(tǒng)的

9、水動(dòng)力學(xué)特征和年齡分布規(guī)律。該剖面上 , 含水系統(tǒng)具有層狀、帶狀、巖相和壓密非均質(zhì)性以及宏觀各向異性特征。在分析含水系統(tǒng)邊界條件和地下水補(bǔ)徑排關(guān)系的基礎(chǔ)上 , 綜合考慮四種類型的非均質(zhì)性以及宏觀各向異性 , 建立了地下水流動(dòng)和年齡分布的剖面數(shù)值模型 ,并用實(shí)測水頭和年齡資料進(jìn)行了模型校正。研究表明 , 四十里梁是區(qū)域性分水嶺,形成東、西兩個(gè)相對獨(dú)立的地下水流動(dòng)系統(tǒng)。在東部 , 含水系統(tǒng)厚度較小 , 局部流動(dòng)系統(tǒng)占優(yōu)勢 , 地下水年齡普遍較小 , 然而 , 在靠近四十里梁的地形低處 , 由于局部駐點(diǎn)接近盆地底部 , 形成了全盆地地下水模擬年齡最老的滯流區(qū) ; 在西部 , 含水系統(tǒng)厚度較大 , 同時(shí)發(fā)育了局部、中間和區(qū)域三個(gè)不同級(jí)次的流動(dòng)系統(tǒng) , 淺部的地下水年齡普遍比較小 , 而深部的地下水年齡較大 , 都思兔河附近的局部駐點(diǎn)位于含水系統(tǒng)的中間部位 , 其下方的滯流區(qū)內(nèi)地下水年齡比周圍區(qū)域老 , 出現(xiàn)局部駐點(diǎn)附近含