水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第八章

1、.,水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ),fundamentals of hydrogeology,.,第八章 地下水系統(tǒng),8.1 系統(tǒng)概念 8.2 地下水系統(tǒng)的概念 8.3 地下水含水系統(tǒng) 8.4 地下水流動(dòng)系統(tǒng),.,提出：20世紀(jì)40年代貝塔朗菲提出一般系統(tǒng)論 應(yīng)用：20世紀(jì)50-60年代應(yīng)用系統(tǒng)工程解決復(fù)雜問題取得重大成功以來，系統(tǒng)思想與系統(tǒng)方法廣泛地滲透到各學(xué)科領(lǐng)域。 系統(tǒng)思想與方法的核心： 把所研究的對(duì)象看作一個(gè)有機(jī)的整體 (系統(tǒng))，并從整體的角度去考察、分析與處理事物。,8.1 系統(tǒng)概念,.,系統(tǒng)的定義: a.系統(tǒng) “由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合而成的具有特定功能的整體”。 b.系統(tǒng)方法認(rèn)為：

2、不應(yīng)將系統(tǒng)理解為各組成部分(要素)的簡(jiǎn)單集合,而應(yīng)將其理解為諸要素以一定規(guī)則組織起來并共同行動(dòng)的整體。,.,c.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ：系統(tǒng)內(nèi)部各要素相互聯(lián)系和作用的方式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) d.近代自然科學(xué)長(zhǎng)期以來采用的方法: 將所研究的事物精細(xì)地分析為各個(gè)互不關(guān)聯(lián)的獨(dú)立部分，分別加以研究，把各部分研究結(jié)果之和，作為對(duì)所研究事物整體的認(rèn)識(shí)。 實(shí)質(zhì)是將研究對(duì)象當(dāng)作諸要素簡(jiǎn)單累加而成的集合，而沒有將其看成一個(gè)有機(jī)整體。,.,一個(gè)系統(tǒng)，不僅內(nèi)部諸要素存在著相互作用，而且還與外部環(huán)境發(fā)生相互作用。 系統(tǒng)接受環(huán)境的物質(zhì)、能量或信息的輸入，經(jīng)過系統(tǒng)的變換，再向環(huán)境產(chǎn)生物質(zhì)、能量或信息的輸出 。,系 統(tǒng),輸入,輸出,（物質(zhì)、

3、能量、信息）,（物質(zhì)、能量、信息）,.,激勵(lì)與響應(yīng)的概念： 環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的作用稱為激勵(lì)，系統(tǒng)在接受激勵(lì)后對(duì)環(huán)境的反作用稱為響應(yīng)。 環(huán)境的輸入(激勵(lì))經(jīng)過系統(tǒng)的變換而產(chǎn)生對(duì)環(huán)境的輸出(響應(yīng))，該變換取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。,系統(tǒng),激勵(lì),響應(yīng),.,結(jié)論： 分析系統(tǒng)輸入與輸出(激勵(lì)與響應(yīng))的對(duì)應(yīng)關(guān)系有助于了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的了解有助于預(yù)測(cè)激勵(lì) 響應(yīng)關(guān)系。,.,8.2 地下水系統(tǒng)的概念,一、地下水系統(tǒng)概念的產(chǎn)生 “地下水系統(tǒng)”的出現(xiàn)： 系統(tǒng)思想與方法的滲入；水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的必然產(chǎn)物。 初期 解決“找水”問題，只注意井附近小范圍內(nèi)含水層的狀況。 發(fā)展 開采規(guī)模增長(zhǎng)，須將整個(gè)含水層作為研究對(duì)象。,.,研究

4、地下水時(shí)，必須將若干個(gè)含水層與其間的弱透水層合在一起看作一個(gè)完整的單元（系統(tǒng)），便出現(xiàn)了“含水層系統(tǒng)”、“含水系統(tǒng)”等，同時(shí)，也形成了地下水資源的概念。 近年來出現(xiàn)的與水文地質(zhì)學(xué)有關(guān)的問題： 地下水資源枯竭、地面沉降、海水入侵、淡水咸化、地下水污染、土壤沙化、植被衰退一系列與地下水有關(guān)的環(huán)境生態(tài)問題。,.,二、地下水系統(tǒng)的概念 地下水系統(tǒng)的組成要素： 有賦存于巖石空隙中并不斷運(yùn)動(dòng)著的水； 具有空隙的巖層。 地下水系統(tǒng)包括： 地下水含水系統(tǒng) 地下水流動(dòng)系統(tǒng),.,地下水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類: 硬結(jié)構(gòu)： 指介質(zhì)的空隙特征及其空間分布格局。 因?yàn)榈貙?、分布、巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地貌特征是穩(wěn)定、固化不變的硬結(jié)構(gòu)。

5、 軟結(jié)構(gòu)： 指地下水的運(yùn)動(dòng)形式、水量與水質(zhì)的時(shí)空分布格局及不同子系統(tǒng)間水量水質(zhì)的交換關(guān)系。 因地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄特征以及各種水量交換關(guān)系會(huì)發(fā)生改變，顯得較“軟”軟結(jié)構(gòu)。,.,地下水含水系統(tǒng)： 由隔水或相對(duì)隔水巖層圈閉的，具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的含水巖系。,.,地下水含水系統(tǒng)的分類： 基巖含水系統(tǒng) 松散堆積物含水系統(tǒng),.,地下水流動(dòng)系統(tǒng)： 由源到匯的流面群構(gòu)成的，具有統(tǒng)一時(shí)空演變過程的地下水體。 地下水的源匯運(yùn)動(dòng)： 補(bǔ)給區(qū) 源； 排泄區(qū) 匯。 地下水從補(bǔ)給區(qū)向排泄區(qū)的運(yùn)動(dòng)，由連接源與匯的流面反映出來。,.,三、地下水含水系統(tǒng)與流動(dòng)系統(tǒng)的比較 含水系統(tǒng) 地下水系統(tǒng) 流動(dòng)系統(tǒng) 兩者從不同角度出發(fā),揭

6、示了地下水賦存與運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)性(整體性)。,.,含水系統(tǒng)整體性的體現(xiàn)： 它具有統(tǒng)一的水力聯(lián)系，該系統(tǒng)作為一個(gè)整體對(duì)外界的激勵(lì)作出響應(yīng)。 含水系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立而統(tǒng)一的水均衡單元，可用于研究水量乃至鹽量與熱量的均衡。,.,含水系統(tǒng)的圈劃： 主要著眼于包含水的容器，通常以隔水或相對(duì)隔水的巖層作為系統(tǒng)邊界，它的邊界屬地質(zhì)零通量面(或準(zhǔn)零通量面)，系統(tǒng)的邊界是不變的。,.,基巖含水系統(tǒng)：,基巖含水系統(tǒng)組成： 由固結(jié)成巖的地層組成，巖層的透(含)水性主要取決于構(gòu)造裂隙的發(fā)育程度。 基巖含水系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的含水地質(zhì)體。 基巖含水系統(tǒng)的邊界： 應(yīng)包括東、西、南、北、上、下六個(gè)界面。因系統(tǒng)的總體形狀很復(fù)雜，不一定都

7、呈六面體，邊界數(shù)目或多或少。 邊界的性質(zhì)：相對(duì)隔水的或弱透水的。,.,松散堆積物含水系統(tǒng)：,發(fā)育部位：新生代構(gòu)造沉降盆地或沉降帶中。 堆積物介質(zhì)中的空隙以孔隙為主?？障吨睆捷^大的介質(zhì)如卵礫石、砂礫石、中粗砂等具有良好的導(dǎo)水和儲(chǔ)水的特性，常常構(gòu)成良好的含水介質(zhì)。 松散堆積物含水系統(tǒng)的邊界： 頂部邊界地表面。該邊界是地下水系統(tǒng)與大氣、地表水系統(tǒng)進(jìn)行物能交換的界面。 底部邊界基底,.,.,地下水流動(dòng)系統(tǒng)整體性的體現(xiàn)： 具有統(tǒng)一的水流，沿著水流方向，鹽量、熱量與水量發(fā)生規(guī)律的演變，呈現(xiàn)統(tǒng)一的時(shí)空有序結(jié)構(gòu)。 流動(dòng)系統(tǒng)以流面為邊界，屬于水力零通量面邊界，邊界是可變的。,.,嵌套(層次)性： 在一個(gè)軟結(jié)構(gòu)稍

8、復(fù)雜的地下水系統(tǒng)中，存在著由不同流面群外包面圈閉的局部流動(dòng)子系統(tǒng)、中間流動(dòng)子系統(tǒng)、區(qū)域流動(dòng)子系統(tǒng)。 區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)中嵌套著中間流動(dòng)系統(tǒng)，中間流動(dòng)系統(tǒng)又嵌套局部流動(dòng)系統(tǒng)，從而表現(xiàn)出地下水系統(tǒng)軟結(jié)構(gòu)的嵌套(層次)特點(diǎn)。,.,級(jí)次性 含水系統(tǒng)與流動(dòng)系統(tǒng)都具有級(jí)次性,任一含水系統(tǒng)或流動(dòng)系統(tǒng)都可能包含不同級(jí)次的子系統(tǒng)。 圖3：一沉積盆地,構(gòu)成一個(gè)含水系統(tǒng)。,.,該圖顯示： 含水系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)、； 沉積盆地發(fā)育有兩個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)a、b； 圖中看出： 同一空間，含水系統(tǒng)與流動(dòng)系統(tǒng)的邊界是相互交疊的； 兩個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)均穿越了兩個(gè)子含水系統(tǒng)； 在流動(dòng)系統(tǒng)b中，區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)的流線穿越兩個(gè)子含水系統(tǒng)，局部與中間流動(dòng)系統(tǒng)

9、的發(fā)育限于上部的子含水系統(tǒng)之中 。,.,比較：圖4與圖3同一個(gè)沉積盆地，但流動(dòng)系統(tǒng)在人為影響下會(huì)發(fā)生很大變化。 人工開采影響下,整個(gè)含水系統(tǒng)中形成了一個(gè)新的流線指向盆地中心的輻輳式地下水流動(dòng)系統(tǒng),原來的流動(dòng)系統(tǒng)全都消失了。 顯然,由于強(qiáng)烈的勢(shì)場(chǎng)變化,流線普遍穿越了相對(duì)隔水層。但無論人為影響加強(qiáng)到什么程度,不會(huì)超越大的含水系統(tǒng)邊界。,.,從以上的討論可看出： 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)； 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。,.,8.3 地下水含水系統(tǒng),含水系統(tǒng)發(fā)育主要受

10、到地質(zhì)結(jié)構(gòu)的控制，故松散沉積物構(gòu)成的含水系統(tǒng)與堅(jiān)硬基巖構(gòu)成的含水系統(tǒng)有一系列不同的特征。 松散沉積物含水系統(tǒng)的特征 堅(jiān)硬基巖含水系統(tǒng)的特征,.,松散沉積物含水系統(tǒng)的特征,發(fā)育于近代構(gòu)造沉降的堆積盆地之中； 邊界通常為不透水的堅(jiān)硬基巖。 含水系統(tǒng)內(nèi)部一般不存在完全隔水的巖層,僅有相對(duì)隔水層,并包含若干由相對(duì)隔水層分隔開的含水層。 含水層間既可通過“天窗”,也可通過相對(duì)隔水層越流產(chǎn)生廣泛的水力聯(lián)系。但在同一含水系統(tǒng)中各部分的水力聯(lián)系程度有所不同。,.,例如：山前洪積平原 多由粗顆粒的卵礫石構(gòu)成,極少粘性土層,水力聯(lián)系較好。遠(yuǎn)離沉積物源區(qū)的沖積湖積平原,粘性土層比例較大,水力聯(lián)系減弱。且愈往深部,水

11、流途徑愈長(zhǎng),需要穿越的粘性土層愈多,水力聯(lián)系更為減弱(圖5a）。,.,堅(jiān)硬基巖含水系統(tǒng)的特征,發(fā)育于一定的地質(zhì)構(gòu)造之中，褶皺或斷層，或兩者兼有之。 基巖往往包含有厚而穩(wěn)定的泥質(zhì)巖層，構(gòu)成隔水層。,.,a.一個(gè)獨(dú)立的含水層就構(gòu)成一個(gè)含水系統(tǒng)(圖b)。,.,b.巖相變化導(dǎo)致隔水層尖滅(圖c)，或?qū)當(dāng)鄬邮谷舾珊畬影l(fā)生聯(lián)系時(shí)(圖d)，則數(shù)個(gè)含水層構(gòu)成一個(gè)含水系統(tǒng)。 這種情況下，含水系統(tǒng)各部分的水力聯(lián)系是不同的。另一方面，同一個(gè)含水層由于構(gòu)造原因也可構(gòu)成一個(gè)以上的含水系統(tǒng)(圖b、c)。,.,含水系統(tǒng)是由隔水或相對(duì)隔水巖層圈閉的，并不是說它的全部邊界都是隔水或相對(duì)隔水的。除了極少數(shù)構(gòu)造封閉的含水系統(tǒng)(

12、圖e)外，通常含水系統(tǒng)總有某些向環(huán)境開放的邊界，以接受補(bǔ)給與進(jìn)行排泄。 例如：不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的含水系統(tǒng)以透水邊界鄰接是常見的。雖然這時(shí)相鄰含水系統(tǒng)之間水力聯(lián)系相當(dāng)密切，但因兩者水的賦存與運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同，仍有必要區(qū)分為不同的含水系統(tǒng) (圖中a、c)。,.,8.4 地下水流動(dòng)系統(tǒng),一、地下水流動(dòng)系統(tǒng)的由來 長(zhǎng)期以來,水文地質(zhì)學(xué)忽視地下水的垂向運(yùn)動(dòng),把地下水流動(dòng)看作平面二維的運(yùn)動(dòng)。如河間地塊流網(wǎng)。,.,第一個(gè)明確指出地下水存在垂直運(yùn)動(dòng)的是赫伯特。如圖一：河間地塊流網(wǎng)圖 赫伯特指出：排泄區(qū)的流線指向地下水面，為上升水流；補(bǔ)給區(qū)的流線離開地下水面，呈下降水流；只有在兩者之間的過渡帶流線才是水平的。,.,地下

13、水流動(dòng)看作平面二維的運(yùn)動(dòng),地下水存在垂直運(yùn)動(dòng),.,傳統(tǒng)的畫法（平面二維）：回避了地下分水嶺兩側(cè)流線向?qū)α⒎较蛩搅鲃?dòng)的矛盾而只表示了河間地塊的一側(cè)；同時(shí)，為了避免流線在排泄區(qū)上抬，有意使河谷谷底切穿隔水底板，且保持較高的河水位。 實(shí)際上地下水總是由源到匯運(yùn)動(dòng)的，而源匯通常在含水層的上方，源匯處地下水流線垂向分布是合理的。,.,1963年，托特以獨(dú)特的形式發(fā)展了赫伯特的理論： 在嚴(yán)格的假定條件下，利用解析解繪制了均質(zhì)各向同性潛水盆地中理論的地下水流動(dòng)系統(tǒng)。 新的結(jié)論： 在均質(zhì)各向同性潛水盆地中出現(xiàn)了三個(gè)不同級(jí)次的流動(dòng)系統(tǒng)，局部的、中間的、區(qū)域的。,.,弗里澤及威瑟斯龐利用數(shù)值解得出了層狀非均質(zhì)介

14、質(zhì)中的地下水流動(dòng)系。 目前已出現(xiàn)了許多數(shù)值模擬地下水流動(dòng)的程序,可以模擬二維、三維各向異性非均質(zhì)介質(zhì)的穩(wěn)定與非穩(wěn)定流動(dòng)。,.,1980年,托特又提出了“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),并應(yīng)用于分析油氣的遷移與積聚。,.,英格倫：分析了形成地下水流動(dòng)系統(tǒng)的物理機(jī)制，建立了一套解決水質(zhì)問題的地下水流動(dòng)系統(tǒng)的概念與方法。 與傳統(tǒng)的水文地質(zhì)分析方法相比較： 地下水流動(dòng)系統(tǒng)的分析方法更為程序化，更為周密，從定性分析到定量模擬聯(lián)系比較密切。故以地下水系統(tǒng)理論為基本框架，融合傳統(tǒng)水文地質(zhì)分析方法，發(fā)展形成現(xiàn)代水文地質(zhì)學(xué)。,.,二、地下水流動(dòng)系統(tǒng) 地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論的實(shí)質(zhì)： 是以地

15、下水流網(wǎng)為工具，以勢(shì)場(chǎng)及介質(zhì)場(chǎng)的分析為基礎(chǔ)，將滲流場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、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。 地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論的作用：將本來似乎互不關(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，有助于從整體上把握地下水各個(gè)部分間及與環(huán)境間聯(lián)系的完整圖景。,.,1.地下水流動(dòng)系統(tǒng)的水動(dòng)力特征,驅(qū)動(dòng)地下水運(yùn)動(dòng)的主要能量重力勢(shì)能； 重力勢(shì)能來源于地下水的補(bǔ)給，即大氣降水、地表水轉(zhuǎn)化成地下水時(shí)，便將相應(yīng)的重力勢(shì)能加諸于地下水。,.,地面入滲條件相同時(shí)，不同地形部位重力勢(shì)能的積累仍有不同： 地形低洼處地下水面達(dá)到或接近地表，地下水位的抬升增加地下水

16、排泄（轉(zhuǎn)化為大氣水與地表水），阻止地下水位不斷抬升。故地形低洼處通常是低勢(shì)區(qū)勢(shì)匯； 地形高處，地下水位持續(xù)抬升，重力勢(shì)能積累，構(gòu)成勢(shì)源。 因此，通常情況下地形控制著重力勢(shì)能的分布。,.,流動(dòng)水體中的水頭特征： 在靜止的水體中,各處的水頭相等。 在流動(dòng)的水體中，勢(shì)源處流線下降，在垂直斷面上自上而下水頭愈來愈低，任一點(diǎn)的水頭均小于靜水壓力。反之,在勢(shì)匯處,流線上升,垂向上水頭自下而上由高而低,任一點(diǎn)的水頭均大于靜水壓力。在中間地帶，流線呈水平延伸，垂直斷面各點(diǎn)水頭均相等，等于靜水壓力。,.,.,傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為：只有承壓水才具有超過靜水壓力的水頭,故只有在承壓含水系統(tǒng)中,在一定的構(gòu)造控制下才能打出自流

17、井(圖10a）。 上面的討論可知：潛水,在其上升水流部分同樣是“承壓”的,水頭可以高出靜力壓力,若有合適的地形條件,同樣可形成自流井(圖l0b)。,.,潛水盆地中多級(jí)次地下水流動(dòng)系統(tǒng)： 存在a、b、c三個(gè)勢(shì)的源匯。由于高度上abc,因此a是源,b、c是匯,存在ab、ac兩個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)。 產(chǎn)生bc流動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)必要條件在bc的流動(dòng)途徑上,ab、ac兩個(gè)系統(tǒng)的水頭均低于bc,否則bc就不成立。,.,同一介質(zhì)場(chǎng)中地下水流動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)育規(guī)律： 同一介質(zhì)場(chǎng)中存在兩個(gè)或更多的地下水流動(dòng)系統(tǒng)時(shí),它們所占據(jù)的空間大小取決于以下兩個(gè)因素: (a)勢(shì)能梯度(i),等于源匯的勢(shì)差除以源匯的水平距離。勢(shì)能梯度愈大的流動(dòng)系

18、統(tǒng)占據(jù)的空間也愈大,反之亦然; (b)介質(zhì)滲透性(k),透水性愈好,發(fā)育于其中的流動(dòng)系統(tǒng)所占據(jù)的空間也愈大。,.,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-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)育狀況取決于兩者的勢(shì)能梯度。,.,e-當(dāng)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-當(dāng)局部地形起伏較小時(shí)既發(fā)育局部流

19、動(dòng)系統(tǒng)，也發(fā)育區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)。 g-當(dāng)?shù)匦螚l件不變，介質(zhì)場(chǎng)的透水性良好時(shí)只發(fā)育區(qū)域系統(tǒng),.,在各級(jí)流動(dòng)系統(tǒng)中，補(bǔ)給區(qū)的水量通過中間區(qū)輸向排泄區(qū)。因此，以中間區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)給區(qū)是水分不足區(qū)，地表水稀少，地下水埋藏深度大，土壤含水量低，多分布耐旱植物；排泄區(qū)是水分過剩區(qū)，地下水埋深淺，土壤含水量高，多沼澤、濕地與泉，多喜水植物。在干旱區(qū)則出現(xiàn)鹽漬地，多分布耐鹽植物。在巖層透水性特別良好的巖溶發(fā)育區(qū)，這種水分分布不均勻現(xiàn)象尤為突出。,.,2.地下水流動(dòng)系統(tǒng)的水化學(xué)特征 地下水流動(dòng)系統(tǒng)中，呈現(xiàn)地下水化學(xué)成分時(shí)空演變的有序性。 水量與地下水流動(dòng)的信息都間接地體現(xiàn)在地下水水化學(xué)上。 所以，根據(jù)地下水的水化學(xué)場(chǎng)，可以回溯歷史上的地下水流動(dòng)系統(tǒng)。,.,地下水流動(dòng)系統(tǒng)中任一點(diǎn)的水質(zhì)取決于下列因素 (a)輸入水質(zhì)； (b)流程； (c)流速； (d)流程上遇到的物質(zhì)及其可遷移性； (e)流程上經(jīng)受的各種水化學(xué)作用。,.,同一