水文地質學基礎-地下水流系統

地下水科學與工程教研室水文地質學基礎

FundamentalsofHydrogeology第八章地下水系統8.1

系統概念8.2

地下水系統的概念

8.2.1地下水系統概念的產生8.2.2地下水系統的概念8.3

地下水含水系統8.4

地下水流動系統

8.4.1概念的由來8.4.2地下水流動系統8.5地下水含水系統與地下水流動系統的比較8.6小結12/23/202328.1系統概念

系統（system）是由相互作用和相互依賴的若干個組成部分按一定規(guī)則結合而成的具有特定功能的整體。12/23/20233

找水，確定井位以打出水量足夠大的井

隨著開采地下水規(guī)模的增長，采水井群使周邊地下水下降，影響波及的含水層范圍隨時間延續(xù)不斷擴展從地下水的研究歷史看一口井附近小范圍的含水層擴展到整個含水層地下含水系統與地下水資源地下水系統只是其中一個組成部分的環(huán)境生態(tài)系統。換句話說，人們心目中的研究對象是一個愈來愈復雜的系統?！霸搅鳌钡陌l(fā)生：若干個含水層連同其間的弱透水層（相對隔水層）看做一個單元（系統）大規(guī)模開發(fā)利用地下水，導致地面沉降、海水入侵、淡水咸化、土壤沙化、植被衰退等一系列與地下水有關的環(huán)境生態(tài)問題。地下水流動系統8.2.1地下水系統概念的產生地下水系統理論發(fā)展于20世紀80年代在荷蘭召開了首屆關于地下水系統的國際學術討論會（50個國家的200多名代表參加）

83年底荷蘭水文與地質學家G.B.Engelen來華進行了講學，“地下水系統”（在中國地質大學、河北正定水文所、北京水文地質公司）。

90年代起：在中國水文地質學界得以迅速廣泛的應用、研究與完善（地礦部陳夢熊院士，長春地院的林學鈺院士，中國地質大學的地下水系統小組等）8.2.1地下水系統概念的產生8.2地下水系統的概念8.2.2地下水系統的概念

據陳夢熊院士（1987），地下水系統是受各種天然、人為因素所控制，具有不同等級的互有聯系、互相影響，在時空分布上具有四維性質和各自物理、化學、水動力特征的、不斷運動演化的若干獨立單元的統一體。國內使用“地下水系統”術語相當普遍。但是不同使用者賦予的內涵不盡相同。因此，比較合適的做法是，盡可能采用定義明確的“地下水含水系統”及“地下水流系統”這兩個術語。

12/23/20236地下水系統是地下水含水系統和地下水流動系統的統一。地下水含水系統是指由隔水或相對隔水邊界圈閉的、由含水層和相對隔水層組合而成的、內部具有統一水力聯系的賦存地下水的巖系。地下水流動系統是指由源到匯的流面群構成的、具有統一時空演變過程的地下水體。

8.2地下水系統的概念8.3地下水含水系統主要受地質結構的控制。在松散沉積物與堅硬基巖中的含水系統有一系列不同的特征。含水系統在概念上是含水層系統的擴大。地下水含水系統的特點：1具有統一的水力聯系2含水系統有子系統3控制含水系統發(fā)育的是地質結構4含水系統并不是完全封閉的，可能與外界有水力聯系12/23/202388.4地下水流動系統8.4.1概念的由來:J.Toth（1963）繪制了均質各向同性潛水盆地中的地下水流動系統，包括局部、中間和區(qū)域流動系統，強調了水的垂直運動。子系統邊界流線中間GFS區(qū)域GFS局部GFS子系統邊界12/23/202398.4地下水流動系統地下水流動系統的特點：1具有統一的水流，沿著水流動方向，水量、鹽量和熱量發(fā)生有規(guī)律的演變2流動系統的流面為邊界，邊界是可變的3流動系統包含有不同的子系統4控制其發(fā)育的是水勢場12/23/2023108.4地下水流動系統8.4.2地下水流動系統地下水流動系統理論，實質上是以地下水流網為工具，以勢場及介質場的分析為基礎，將滲流場、化學場和溫度場統一于新的地下水流動系統概念框架之中。（1）水動力特征：地下水在流動中必須消耗機械能以克服粘滯性摩擦，主要驅動力是重力勢能（源于地下水的補給），地形低洼處通常為低勢區(qū)----勢匯，地勢高處為勢源。由地形控制的勢能叫地形能。靜止水體中各處的水頭相等，而在流動的水體中，沿流線方向，水頭越來越低。12/23/2023118.4地下水流動系統介質場中地下水流動系統發(fā)育規(guī)律：兩種或更多個的地下水流動系統時，它們所占據的空間大小取決于兩個因素：①勢能梯度（I），等于源匯的勢差除以源匯的水平距離，I越大，其地下水所占據的空間亦大；②介質滲透系數(K)，滲透性好，發(fā)育于其中的流動系統所占據的空間就大。12/23/2023128.4地下水流動系統12/23/2023138.4地下水流動系統（2）水化學特征：在地下水流動系統中任意一點的水質取決于：①輸入水質；

②流程；③流速；④流程上遇到的物質及其可遷移性；⑤流程上經受的各種水化學作用。12/23/2023148.4地下水流動系統地下水流動系統中，水化學存在垂直分帶和水平分帶。水化學積聚區(qū)：相匯處→水動力圈閉相背處→準滯流帶地形復雜，同時出現局部、中間、區(qū)域流動系統。地形簡單，只出現區(qū)域流動系統。(水動力條件形成的油氣圈閉)12/23/2023158.4地下水流動系統不同部位發(fā)生的主要化學作用不同：①溶濾作用存在于整個流程；②局部系統、中間及區(qū)域系統的淺部屬于氧化環(huán)境，深部屬于還原環(huán)境；③上升水流處因減壓將產生脫碳酸作用；④粘性土易發(fā)生陽離子交替吸附作用；⑤不同系統的匯合處，發(fā)生混合作用；⑥干旱半干旱地區(qū)的排泄區(qū)，發(fā)生蒸發(fā)濃縮作用；系統的排泄區(qū)是地下水水質復雜變化的地段。12/23/2023168.4地下水流動系統（3）水溫度特征：垂向上年常溫帶以下地溫的等值線通常是上低下高。

上升水流產生正增溫下降水流產生負增溫22℃22℃20℃20℃22℃22℃20℃20℃12/23/2023178.4地下水流動系統砂槽模擬直觀多級水流系統

穩(wěn)定二維流模擬——穩(wěn)定降水，3個定高程的匯(排泄)，多級水流系統局部水流系統—5個；中間水流系統—1個；區(qū)域水流系統—1個8.5地下水含水系統與地下水流動系統的比較（1）整體性（系統性）：二者都屬于地下水系統。

含水系統的整體性體現于它具有統一的水力聯系，存在于同一含水系統中的水是個統一的整體，在含水系統中的任何一部分加入（補給）或排出（排泄）水量，其影響均將波及整個含水層系統。含水系統是一個獨立而統一的水均衡單元，是一個三維系統；可用于研究水量乃至鹽量和熱量的均衡，邊界屬于地質零通量邊界，為隔水邊界，是不變的。

地下水流動系統的整體性體現于它具有統一的水流。沿著水流方向，鹽量、熱量和水量發(fā)生有規(guī)律的演變，呈現統一的時空有序結構，為四維時空系統；它以流面為邊界，邊界屬于水力零通量邊界，是可變的。12/23/202319含水系統與流動系統的關系12/23/202320（2）級次性：兩者均有級次性，可分為區(qū)域、中間和局部的流動系統。（3）控制因素：控制含水系統發(fā)育的，主要是地質結構；控制地下水流動系統發(fā)育的，主要是水勢場，由自然地理因素控制。在人為影響下會發(fā)生很大變化。I-平原北部地下水系統；II-平原中部地下水系統；III-平原南部地下水系統圖3.1地下水系統劃分圖（據淺層地下水流場）

研究意義：含水系統有助于從整體上研究水量、鹽量、熱量的均衡；流動系統有助于研究水量、水質、水溫的時空演變（尤其是水質）12/23/202321含水系統流動系統根本不同靜態(tài)系統動態(tài)系統分類依據根據儲水構造劃分的，以介質場為依據根據水的流動特征，以滲流場為依據統一性統一的或潛在統一的水力聯系水量、鹽、熱量在時空演變上是統一的邊界性質隔水與相對隔水的地質邊界，地質零通量流面（分水線）構成的水力邊界，水力零通量面系統發(fā)育史共同的地質演變歷史，地層形成史一致共同的地下水演變歷史，水的補給徑流統一系統的可變性邊界固定不變，系統規(guī)模數量不變的靜態(tài)系統邊界可變，系統規(guī)模數目可變，易受干擾的動態(tài)系統地下水含水系統與地下水流動系統的比較含水層系統研究：采用遙感解釋→地質調查→地球物理勘探→水文地質鉆探→含水層巖性結構研究→巖相古地理研究→含水介質孔隙度研究→三維地質建模等方法，重點研究含水介質的形成條件及空間分布規(guī)律。

水流系統研究：采用地下水滲流場、水化學場、溫度場和同位素研究方法，以地下水流網分析為手段，揭示不同深度地下水運移規(guī)律。

在上述研究的基礎上，提出鄂爾多斯白堊系盆地地下水系統劃分方案。一、研究方法鄂爾多斯白堊系盆地地下水系統地下水含水層系統劃分白堊系盆地含水層系統北部沙漠高原單一結構含水層亞系統南部黃土高原多層結構含水層亞系統淺層含水巖組中層含水巖組深層含水巖組新生界含水巖組羅漢洞含水巖組環(huán)河含水巖組洛河含水巖組

以盆地中部白于山北麓為界，劃分為南北兩個含水層亞系統

北部具有潛水盆地的特征；南部為典型的承壓水盆地。劃分出強富水含水層、中等富水含水層和弱富水含水層

白堊系含水層、隔水層劃分標準表項目巖性巖相孔隙度物探測井解譯抽水試驗滲透系數k（m./d）單位涌水量q(m3/m.d)含水層強富水含水層主要為沙漠、河流相砂巖、沖積扇相含礫砂巖＞25含水k>0.25q>50中等富水含水層主要為河流相砂巖、沙漠相砂巖15－25含水0.125<k<0.2515<q<50弱富水含水層河流相砂巖、湖相砂巖及砂夾泥巖10－15弱含水0.025<k<0.1255<q<15隔水層湖相泥巖及泥巖夾粉砂巖、河流相泥巖、洪積扇相含礫砂巖＜10極弱含水k<0.025q＜52004年中層地下水流場圖塔布烏素－無定河地下水流系統剖面

首先在識別控制白堊系地下水流動的主要因素，重點揭示地表分水嶺、地形地貌條件和排泄基準面對水流系統的控制作用，綜合分析區(qū)域地下水流系統的發(fā)育規(guī)律。

4、地下水水流系統研究2004年中層地下水流場圖

不同級別的地表分水嶺和水文系統制著地下水的徑流方向。盆地北部受四十里梁和新召地地表分水嶺的控制，地下水分別向無定河