第9章 地下水系統(tǒng)

第9章地下水流系統(tǒng)第1節(jié)地下水系統(tǒng)概念第2節(jié)地下水含水系統(tǒng)第3節(jié)地下水流動(dòng)系統(tǒng)第1節(jié)地下水系統(tǒng)的概念路德維?！ゑT·貝塔朗菲（LudwingvonBertalanffy）加拿大籍奧地利理論生物學(xué)家

——1924～1928年多次發(fā)表文章闡述系統(tǒng)論的思想。強(qiáng)調(diào)生物學(xué)中有機(jī)體概念，主張把有機(jī)體當(dāng)作一個(gè)整體或系統(tǒng)來(lái)考慮，認(rèn)為生物學(xué)的主要任務(wù)應(yīng)當(dāng)是發(fā)現(xiàn)生物系統(tǒng)中一切層次上的組織原理。

——1937年，提出了一般系統(tǒng)論原理。1949年發(fā)表《關(guān)于一般系統(tǒng)論》，1950年發(fā)表《物理學(xué)和生物學(xué)中的開(kāi)放系統(tǒng)理論》。1955年出版專著《一般系統(tǒng)論》。一、系統(tǒng)的提出貝塔朗菲

——系統(tǒng)是處于一定相互聯(lián)系中的與環(huán)境發(fā)生關(guān)系的各組成成分的總體。

——為相互作用的諸要素的復(fù)合體哲學(xué)意義上的系統(tǒng)概念：

——是指相互聯(lián)系、相互作用的若干要素或部分結(jié)合在一起并具有特定功能、達(dá)到同一目的的有機(jī)整體。

提出一般系統(tǒng)論以來(lái)，特別是20世紀(jì)50~60年代應(yīng)用系統(tǒng)工程解決復(fù)雜問(wèn)題取得重大成功以來(lái)，系統(tǒng)思想與系統(tǒng)方法廣泛地滲透到各學(xué)科領(lǐng)域。對(duì)于地下水研究也如此——認(rèn)識(shí)與研究局部→整體錢學(xué)森（1978）把極其復(fù)雜的研制對(duì)象稱為系統(tǒng)，即由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合成具有特定功能的有機(jī)整體，而且這個(gè)系統(tǒng)本身又是它們從屬的更大系統(tǒng)的組成部分。—輸入：任何對(duì)系統(tǒng)施加的物質(zhì)、能量或信息—輸出：由系統(tǒng)的輸入而產(chǎn)生的響應(yīng)—系統(tǒng)實(shí)體：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)—環(huán)境：相對(duì)于系統(tǒng)之外的其他系統(tǒng)二、系統(tǒng)的組成三、地下水系統(tǒng)概念產(chǎn)生系統(tǒng)的思想與方法→滲入到水文地質(zhì)領(lǐng)域→地下水系統(tǒng)從地下水的研究歷史看找水，確定井位，以打出水量足夠大的井一口井附近小范圍的含水層隨著開(kāi)采地下水規(guī)模的增長(zhǎng)，采水井群，使周邊地下水下降，影響波及的含水層范圍隨時(shí)間延續(xù)不斷擴(kuò)展地下水?dāng)U展到整個(gè)含水層“越流”的發(fā)生，若干個(gè)含水層連同其間的弱透水層（相對(duì)隔水層）看做一個(gè)單元（系統(tǒng)）地下含水系統(tǒng)與地下水資源大規(guī)模開(kāi)發(fā)地下水，導(dǎo)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(guān)的環(huán)境生態(tài)問(wèn)題地下水流動(dòng)系統(tǒng)地下水系統(tǒng)只是其中一個(gè)組成部分的環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)。人們心目中的研究對(duì)象是一個(gè)愈來(lái)愈復(fù)雜的系統(tǒng)三、地下水系統(tǒng)概念產(chǎn)生地下水系統(tǒng)是個(gè)廣義的泛指概念，不同學(xué)者從不同研究角度給出了各種定義，歸納起來(lái)可分為二大類：

地下水含水系統(tǒng)和地下水流動(dòng)系統(tǒng)1、地下水含水系統(tǒng)：是指由隔水或相對(duì)隔水巖層圈閉的，具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的含水巖統(tǒng)。一個(gè)含水系統(tǒng)往往由若干含水層和相對(duì)隔水層（弱透水層）組成。含水系統(tǒng)中的地下水呈現(xiàn)統(tǒng)一水力聯(lián)系。2、地下水流動(dòng)系統(tǒng)：是指由源到匯的流面群構(gòu)成，具有統(tǒng)一時(shí)空演變過(guò)程的地下水體。3、地下水含水系統(tǒng)和地下水流動(dòng)系統(tǒng)比較（1）共同點(diǎn)

①突破了把單個(gè)含水層作為功能單元的傳統(tǒng)觀點(diǎn)

system≠aquifer

單個(gè)含水層→包含若干含水層與相對(duì)隔水層的整體地質(zhì)邊界→以地下水流動(dòng)作為研究實(shí)體②力求以系統(tǒng)的觀點(diǎn)去考察、分析與處理地下水體3、地下水含水系統(tǒng)和地下水流動(dòng)系統(tǒng)比較（2）兩者的區(qū)別含水系統(tǒng)流動(dòng)系統(tǒng)根本不同靜態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分類依據(jù)根據(jù)儲(chǔ)水構(gòu)造劃分的，以介質(zhì)場(chǎng)為依據(jù)根據(jù)水的流動(dòng)特征，以滲流場(chǎng)為依據(jù)統(tǒng)一性統(tǒng)一的或潛在統(tǒng)一的水力聯(lián)系水量、鹽、熱量等在時(shí)空演變上是統(tǒng)一的邊界性質(zhì)隔水與相對(duì)隔水的地質(zhì)邊界，地質(zhì)零通量流面（分水線）構(gòu)成的水力邊界，水力零通量面系統(tǒng)發(fā)育史共同的地質(zhì)演變歷史，地層形成史一致共同的地下水演變歷史，水的補(bǔ)給徑流統(tǒng)一系統(tǒng)的可變性邊界固定不變，系統(tǒng)規(guī)模數(shù)量不變的靜態(tài)系統(tǒng)邊界可變，系統(tǒng)規(guī)模數(shù)目可變，易受干擾的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)研究意義：含水系統(tǒng)有助于從整體上研究水量、鹽量、熱量的均衡；流動(dòng)系統(tǒng)有助于研究水量、水質(zhì)、水溫的時(shí)空演變（尤其是水質(zhì)）（3）兩者關(guān)系

①一個(gè)大的含水系統(tǒng)可以包含若干個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)（A、B）

②兩者都可以進(jìn)一步劃分為子系統(tǒng)，子系統(tǒng)層次上，兩者可以重疊（A、B與Ⅰ、Ⅱ的關(guān)系）ABⅠⅡBLBLBiBr（3）兩者關(guān)系

③流動(dòng)系統(tǒng)在人為活動(dòng)影響下，其規(guī)模、數(shù)量均會(huì)發(fā)生變化，變化受到大的含水系統(tǒng)邊界的制約，通常不會(huì)越出大的含水系統(tǒng)邊界。

控制含水系統(tǒng)發(fā)育的，

主要是地質(zhì)結(jié)構(gòu)（沉積、構(gòu)造、地質(zhì)發(fā)展史），而控制地下水流動(dòng)系統(tǒng)發(fā)育的，主要是水勢(shì)場(chǎng)。在天然條件下，自然地理因素（地形、水文、氣候）控制著勢(shì)場(chǎng)，因而是控制流動(dòng)系統(tǒng)的主要因素。第2節(jié)地下水含水系統(tǒng)地下水含水系統(tǒng)：是指由隔水或相對(duì)隔水巖層圈閉的，具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的含水巖統(tǒng)。（1）含水系統(tǒng)的發(fā)育主要受到地質(zhì)構(gòu)造的控制。（2）含水系統(tǒng)在概念上是含水層的擴(kuò)大，因此，關(guān)于含水層的許多概念均可應(yīng)用于含水系統(tǒng)。（3）含水系統(tǒng)分類：松散沉積物與堅(jiān)硬基巖含水系統(tǒng)一、地下水含水系統(tǒng)二、松散沉積物含水系統(tǒng)

1、松散沉積物構(gòu)成的含水系統(tǒng)發(fā)育于近代沉降的堆積盆地中，其邊界通常為不透水的堅(jiān)硬基巖（圖8-5a）。

2、含水系統(tǒng)內(nèi)部一般不存在完全隔水的巖層，僅有粘土、亞粘土層等構(gòu)成的相對(duì)隔水層，并包含若干由相對(duì)隔水層分隔開(kāi)的含水層。

3、含水層之間既可以通過(guò)“天窗”，也可以通過(guò)相對(duì)隔水層越流產(chǎn)生廣泛的水力聯(lián)系。三、基巖含水系統(tǒng)

基巖構(gòu)成的含水系統(tǒng)總是發(fā)育于一定的地質(zhì)構(gòu)造中，或是褶皺、斷層，更多的情況下兩者兼而有之。固結(jié)良好的基巖往往包含厚而穩(wěn)定的泥質(zhì)巖層，構(gòu)成隔水層?；鶐r含水系統(tǒng)類型：

1、一個(gè)獨(dú)立的含水層構(gòu)成一個(gè)含水系統(tǒng)（圖8-5b）。

2、多個(gè)含水層構(gòu)成一個(gè)含水系統(tǒng)，巖相變化導(dǎo)致隔水層尖滅（圖8-5c），或者導(dǎo)水?dāng)鄬邮谷舾珊畬影l(fā)生聯(lián)系（圖8-5d）。含水系統(tǒng)各部分的水力聯(lián)系不同。

3、同一個(gè)含水層由于構(gòu)造原因也可以構(gòu)成一個(gè)以上的含水系統(tǒng)（圖8-5b、c）。

4、極少數(shù)構(gòu)造封閉的含水系統(tǒng)（圖8-5e）。第3節(jié)地下水流系統(tǒng)一、概述1、地下水流動(dòng)系統(tǒng)的由來(lái)（1）早期流網(wǎng)的特點(diǎn)：認(rèn)為地下水流動(dòng)是近似的平面二維流動(dòng)。忽視無(wú)壓含水層水的垂向運(yùn)動(dòng)，尤其是無(wú)壓地下水的上升運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上，只畫河間地塊流網(wǎng)的一部分如

（圖8-6a）。這是錯(cuò)誤的第3節(jié)地下水流系統(tǒng)一、概述1、地下水流動(dòng)系統(tǒng)的由來(lái)（2）1940年郝伯特（M.K.Hubbert）河間地塊流網(wǎng)：排泄區(qū)的流線是指向地下水面的，為上升水流；補(bǔ)給區(qū)的流線離開(kāi)地下水面，呈下降水流；只有在兩者之間的過(guò)渡帶，流線才是水平的。第一個(gè)明確指出無(wú)壓地下水存在垂直運(yùn)動(dòng)

1、地下水流動(dòng)系統(tǒng)的由來(lái)（3）1963年托特（J.Toth）復(fù)雜盆地流網(wǎng)：發(fā)展了郝伯特理論。他發(fā)現(xiàn)：在均質(zhì)各向同性潛水盆地中出現(xiàn)三個(gè)不同級(jí)次的流動(dòng)系統(tǒng)：局部的、中間的和區(qū)域的。地形復(fù)雜均質(zhì)各向同性潛水盆地中的多級(jí)次水流系統(tǒng)區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)中間流動(dòng)系統(tǒng)局部流動(dòng)系統(tǒng)

1、地下水流動(dòng)系統(tǒng)的由來(lái)（4）弗里澤（R.A.Freeze）和威瑟斯龐（P.A.Witherspoon）利用數(shù)值解得到層狀非均質(zhì)介質(zhì)中地下水流動(dòng)系統(tǒng)。（a）（b）流線等水頭線

（5）1980年托特（J.Toth）提出“重力穿層流動(dòng)”的概念

將流動(dòng)系統(tǒng)理論全面推廣到非均質(zhì)介質(zhì)場(chǎng)，并將其應(yīng)用于分析油氣的遷移與積聚。

（6）1986年英格倫（G.B.Engelen）建立了一套著重于解決水文地質(zhì)問(wèn)題的地下水流動(dòng)系統(tǒng)概念與方法——數(shù)學(xué)模擬、地下水位及水化學(xué)資料地下水流的地質(zhì)營(yíng)力作用：水文學(xué)及水力學(xué)化學(xué)及礦物學(xué)植被巖土體力學(xué)地貌學(xué)輸運(yùn)及積聚作用2、地下水流動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)

是以地下水流網(wǎng)為工具，以水勢(shì)場(chǎng)及水質(zhì)場(chǎng)為分析基礎(chǔ)，將滲流場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)與溫度場(chǎng)統(tǒng)一于新的地下水流動(dòng)系統(tǒng)概念框架之中。將本來(lái)似乎互不關(guān)聯(lián)的地下水各方面的表現(xiàn)聯(lián)系在一起，納入一個(gè)易于被人們所理解的地下水空間與時(shí)間連續(xù)演變的有序結(jié)構(gòu)之中，有助于人們從整體上把握地下水各個(gè)部分之間以及它與環(huán)境之間聯(lián)系。3、地下水流動(dòng)理論

也稱托特地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論（以下縮寫為GFS—groundwaterflowsystem），在托特文章中被稱為“廣義水力理論”“重力穿層地下水流動(dòng)理論”或“區(qū)域地下水流動(dòng)理論”。

托特理論的兩個(gè)前提：

（1）區(qū)域水力連續(xù)性：從較長(zhǎng)的時(shí)間尺度與較大的空間尺度來(lái)考察問(wèn)題，廣大范圍內(nèi)的地下水存在著水力聯(lián)系。

（2）控制地下水流動(dòng)的是“勢(shì)”（地形），而不是地質(zhì)條件。二、水動(dòng)力特征

1、高勢(shì)區(qū)（勢(shì)源）—地形高處：地下水由上至下運(yùn)動(dòng)2、低勢(shì)區(qū)（勢(shì)匯）—地形低處：地下水由低向上運(yùn)動(dòng)3、垂向運(yùn)動(dòng)中

（1）由上至下：勢(shì)能除克服摩擦消耗部分能量外，勢(shì)能→壓力能；

（2）由下至上：部分儲(chǔ)存的壓力能釋放轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。

垂向運(yùn)動(dòng)的存在：說(shuō)明傳統(tǒng)的“承壓”現(xiàn)象在潛水中也可以出現(xiàn)。

4、流動(dòng)方向的多樣性：存在水流由上至下、由下至上和水平運(yùn)動(dòng)。

5、流動(dòng)系統(tǒng)的多級(jí)性：多源、匯的流動(dòng)系統(tǒng)，易產(chǎn)生多級(jí)多個(gè)地下水流動(dòng)系統(tǒng)；“局部的、區(qū)域的、中間的”的系統(tǒng)共同出現(xiàn)，或出現(xiàn)兩級(jí)系統(tǒng)等。

ab、ac——局部流動(dòng)系統(tǒng)；bc——區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)

ab、ac流線上的水頭不高于bc

流線

6、流量流速與伴生現(xiàn)象

（1）補(bǔ)給區(qū)：水分不足區(qū)，水位埋深大，大多含鹽量低，耐旱植物；（2）排泄區(qū)：水分過(guò)剩區(qū)，沼澤化、濕地、泉，鹽分累積，耐鹽，水植物；（3）流速（水交替）：局部系統(tǒng)，淺層流動(dòng)系統(tǒng)逕流快交替；

深部區(qū)域系統(tǒng)，逕流慢，交替退緩。

7、流動(dòng)系統(tǒng)發(fā)育的規(guī)模與數(shù)目的控制因素（自學(xué)）

與介質(zhì)場(chǎng)的滲透性（K）、系統(tǒng)中源匯的勢(shì)差（地形起伏）、系統(tǒng)的幾何尺寸等有關(guān)。

a表示在透水性均一的介質(zhì)場(chǎng)中勢(shì)能梯度相等的兩個(gè)地下水流動(dòng)系統(tǒng)在空間上平分秋色。b表示在均一介質(zhì)場(chǎng)中勢(shì)能梯度較大的流動(dòng)系統(tǒng)占據(jù)較大范圍。c表示兩個(gè)勢(shì)能梯度相等的流動(dòng)系統(tǒng)發(fā)育于不均一介質(zhì)場(chǎng)中，發(fā)育于透水性較好的介質(zhì)中的流動(dòng)系統(tǒng)占據(jù)了較大空間。d則表明，在與b其它條件相同，但降低了隔水底板后出現(xiàn)了區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)。區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)與局部流動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)育狀況也取決于兩者的勢(shì)能梯度。e表示區(qū)域性地形坡度不大而局部地形起伏大時(shí)，只發(fā)育局部流動(dòng)系統(tǒng)。f表示局部地形起伏較小時(shí)，既發(fā)育局部流動(dòng)系統(tǒng)，也發(fā)育區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)。g如果地形條件不變，介質(zhì)場(chǎng)的透水性良好時(shí)，則只發(fā)育區(qū)域系統(tǒng)。

1、水化學(xué)特征影響因素地下水流動(dòng)系統(tǒng)的水力特征（水力條件）決定了水化學(xué)特征，在流動(dòng)系統(tǒng)中，水化學(xué)特征與以下因素有關(guān)：①入滲補(bǔ)給；②流程—流徑長(zhǎng)度；③流速；④流動(dòng)過(guò)程中物質(zhì)補(bǔ)充及遷移；⑤流程中經(jīng)受的水化學(xué)作用。

三、水化學(xué)特征

2、水化學(xué)特征（1）局部系統(tǒng)：流程短，流速快（交替快），礦化度（TDS）低，水型比較簡(jiǎn)單；（2）區(qū)域系統(tǒng)：流程長(zhǎng)，流速慢（交替遲緩），礦化度（TDS）高，水型比較復(fù)雜；（3）在水流相匯處（動(dòng)力圈閉帶）水與相背處（準(zhǔn)滯留帶）：水流發(fā)生變化，常成為水化學(xué)積聚區(qū)或圈閉帶。（水流流束膨脹，流速遲緩之處，有利于各種溶解物、懸浮物、乳狀物質(zhì)、膠體物質(zhì)在此積聚）

三、水化學(xué)特征

（4）流動(dòng)系統(tǒng)中水的礦化度、水型與水學(xué)形成作用方式，與水動(dòng)力特征一致。

同一含水層或含水系統(tǒng)的水，可以分屬于不同的流動(dòng)系統(tǒng)或不同級(jí)次流動(dòng)系統(tǒng)，水動(dòng)力特征不同，水化學(xué)特征自然也不相同。來(lái)自