第八章 地下水系統(tǒng)

.,第八章地下水系統(tǒng),主要內容：了解地下水系統(tǒng)相關概念的形成，掌握地下水含水系統(tǒng)與流動系統(tǒng)的概念、劃分方法與兩者的關系，流動系統(tǒng)劃分意義；掌握地下水流動系統(tǒng)的滲流場特征，了解流動系統(tǒng)的化學場與溫度場的特征；學習利用地下水流動系統(tǒng)理論分析地下水流的特征方法。重難點：掌握地下水含水系統(tǒng)與流動系統(tǒng)的概念和劃分；重點掌握地下水流動系統(tǒng)的層次性；學習利用地下水流動系統(tǒng)圖分析問題的方法。,.,一、系統(tǒng)的提出,一般系統(tǒng)論，是二十世紀40年代貝塔朗菲（LudwigvonBertalanffy）提出來的。二十世紀特別是本世紀5060年代在應用系統(tǒng)工程解決復雜問題取得重大成功。系統(tǒng)：由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合而成的具有特定功能的整體錢學森等，1978相互作用，相互依賴不是各部分或零部件的簡單堆集，整體其功能大于局部（要素）之和，Integralelements。,第八章地下水系統(tǒng)-8.1系統(tǒng)概念,.,二、系統(tǒng)與系統(tǒng)方法,系統(tǒng)方法：用系統(tǒng)思想去分析與研究問題的方法。系統(tǒng)思想：就是把研究對象看作一個有機整體，從整體角度去考察、分析與處理問題的方法。一個系統(tǒng)，不僅內部諸要素存在著相互作用，而且與外部環(huán)境發(fā)生相互作用。以系統(tǒng)為對象，系統(tǒng)接受或向環(huán)境產生的物質能量或信息稱為輸入與輸出（圖8-1）。以系統(tǒng)為作用對象，環(huán)境對系統(tǒng)的作用與系統(tǒng)對環(huán)境的反作用稱為激勵與響應（圖8-2）。,第八章地下水系統(tǒng)-8.1系統(tǒng)概念,.,圖81系統(tǒng)的輸入與輸出,圖82系統(tǒng)的激勵和響應,第八章地下水系統(tǒng)-8.1系統(tǒng)概念,.,第八章地下水系統(tǒng)-8.2地下水系統(tǒng)概念,一、地下水系統(tǒng)概念的產生,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(tǒng)與地下水資源,地下水系統(tǒng)只是其中一個組成部分的環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)。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(tǒng)。,“越流”的發(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(tǒng)）,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(tǒng),.,地下水系統(tǒng)是個廣義的泛指概念，不同學者從不同研究角度給出了各種定義，歸納起來可劃分為二大類：地下水含水系統(tǒng)和地下水流動系統(tǒng)。地下水含水系統(tǒng)：是指由隔水或相對隔水巖層圈閉的，具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的含水巖系。一個含水系統(tǒng)往往由若干含水層和相對隔水層（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。地下水流動系統(tǒng)：是指由源到匯的流面群構成的，具有統(tǒng)一時空演變過程的地下水體。,二、地下水系統(tǒng)的概念,第八章地下水系統(tǒng)-8.2地下水系統(tǒng)概念,.,含水系統(tǒng)與流動系統(tǒng)是內涵不同的兩類地下水系統(tǒng)，但也有其共同之點。（1）兩者的共同點突破了把單個含水層作為功能單元的傳統(tǒng)觀點（systemaquifer）單個含水層包含若干含水層與相對隔水層的整體地質邊界以地下水流作為研究實體力求以系統(tǒng)的觀點去考察、分析與處理地下水體,三、地下水含水系統(tǒng)與地下水流動系統(tǒng)的比較,.,三、地下水含水系統(tǒng)與地下水流動系統(tǒng)的比較,（2）兩者的區(qū)別,.,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；流動系統(tǒng)有助于研究水量、水質、水溫的時空演變（尤其是水質）（3）兩者的關系通常，一個大的含水系統(tǒng)可以包含若干個流動系統(tǒng)（圖8-3，A，B）兩者都可以進一步劃分為子系統(tǒng)，子系統(tǒng)層次上，兩者可以重疊（圖8-3，A，B與I、II的關系）流動系統(tǒng)在人為活動影響下，其規(guī)模、數(shù)量均會發(fā)生變化，變化受到大的含水系統(tǒng)邊界的制約，通常不會越出大的含水系統(tǒng)邊界。（圖8-4）,.,圖83地下水含水系統(tǒng)與地下水流動系統(tǒng)1隔水基底；2相對隔水層（弱透水層）；3透水層；4地下水位；5流線；6子含水系統(tǒng)邊界；7流動系統(tǒng)邊界；8子系統(tǒng)代號；9子流動系統(tǒng)代號，、分別為B流動系統(tǒng)的區(qū)域的中間的與局部的子流動系統(tǒng),.,圖84人為影響下地下水流動系統(tǒng)與含水層系統(tǒng)的關系1隔水基底；2相對隔水層（弱透水層）；3透水層；4地下水開采中心；5地下水位；6流線；7子含水層系統(tǒng)界線；8子含水層系統(tǒng)代號,控制含水系統(tǒng)發(fā)育的，主要是地質結構（沉積、構造、地質發(fā)展史），而控制地下水流動系統(tǒng)發(fā)育，主要是水勢場。在天然條件下，自然地理因素（地形、水文、氣候）控制著勢場，因而是控制流動系統(tǒng)的主要因素。,.,含水系統(tǒng)的發(fā)育主要受到地質構造的控制。含水系統(tǒng)在概念上是含水層的擴大，因此，關于含水層的許多概念均可應用于含水系統(tǒng)。含水系統(tǒng)分類：松散沉積物與堅硬基巖中含水系統(tǒng),第八章地下水系統(tǒng)-8.3地下水含水系統(tǒng),地下水含水系統(tǒng),圖85不同類型的含水系統(tǒng)1基巖隔水層；2基巖透水層；3松散沉積物相對隔水層；4松散沉積物透水層；5導水層；6地下水位；7地下水流向，箭頭愈大，表示徑流愈強；8泉,.,松散沉積物構成的含水系統(tǒng)發(fā)育于近代構造沉降的堆積盆地之中，其邊界通常為不透水的堅硬基巖（圖8-5a）。含水系統(tǒng)內部一般不存在完全隔水的巖層，僅有粘土亞粘土層等構成的相對隔水層，并包含若干由相對隔水層分隔開的含水層（圖8-5a）。含水層之間既可以通過“天窗”，也可以通過相對隔水層越流產生廣泛的水力聯(lián)系。,二、松散含水系統(tǒng),第八章地下水系統(tǒng)-8.3地下水含水系統(tǒng),.,三、基巖含水系統(tǒng),基巖構成的含水系統(tǒng)總是發(fā)育于一定的地質構造之中，或是褶皺，或是斷層，更多的情況下兩者兼而有之。固結良好的基巖往往包含有厚而穩(wěn)定的泥質巖層，構成隔水層?；鶐r含水系統(tǒng)的類型：一個獨立的含水層就構成一個含水系統(tǒng)（圖8-5b）。數(shù)個含水層構成一個含水系統(tǒng)，巖相變化導致隔水層尖滅（圖8-5c），或者導水斷層使若干含水層發(fā)生聯(lián)系時（圖8-5d）。此時，含水系統(tǒng)各部分的水力聯(lián)系不同。同一個含水層由于構造原因也可以構成一個以上的含水系統(tǒng)（圖8-5b、c）。極少數(shù)構造封閉的含水系統(tǒng)（圖8-5e）,第八章地下水系統(tǒng)-8.3地下水含水系統(tǒng),.,一、地下水流動系統(tǒng)概念的形成,（1）早期流網的特點（圖8-6a）：忽視地下水的垂向運動，把地下水流動看作平面二維的運動。只畫河間地塊流網的一部分如（圖86a）。（2）Hubbert河間地塊流網：在1940年，MKHubbert正確地畫出了河間地塊流網（圖8-6b），并指出，排泄區(qū)的流線指向地下水面，為上升水流；補給區(qū)，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。,第八章地下水系統(tǒng)-8.4地下水流動系統(tǒng),.,圖86河間地塊流網圖（a）傳統(tǒng)概念的河間地塊流網；（b）赫伯特的河間地塊流網1隔水層；2透水層；3地下水位；4等水頭線；5流線；6地表水,P39圖4-3c,.,（3）托特（JTth）復雜盆地流網：1963年，加拿大學者用數(shù)學模型做了復雜盆地的潛水流網。在嚴格的假定條件下，托特利用解析解繪制了均質各向同性潛水盆地中理論的地下水流動系統(tǒng)（圖87）。他得出的結論出人意料：在均質各向同性潛水盆地中居然出現(xiàn)了三個不同級次的流動系統(tǒng)，局部的、中間的及區(qū)域的。,.,圖87均質各向同性潛水盆地中的理論流動系統(tǒng)Tth，19631不同級別流動系統(tǒng)的分界；2同一級別流動系統(tǒng)的分界；3流線；4局部流動系統(tǒng)；5中間流動系統(tǒng)；6區(qū)域流動系統(tǒng),.,隨后，弗里澤（RAFreeze）及威瑟斯龐（PAWitherspoon）利用數(shù)值解得出了層狀非均質介質中的地下水流動系統(tǒng)（圖88）。迄今已出現(xiàn)了許多數(shù)值模擬地下水流動的程序，可以應用模擬二維及三維各向異性非均質介質中的穩(wěn)定與非穩(wěn)定流動。1980年，托特提出了“重力穿層流動”的概念，將流動系統(tǒng)理論全面推廣到非均質介質場(圖89)，并將其應用于分析油氣的遷移與積聚。1986年，英格倫（GBEngelen）分析了形成地下水流動系統(tǒng)的物理機制，建立了一套著重于解決水質問題的地下水流動系統(tǒng)的概念與方法（Engelen，1986）。,.,圖88層狀非均質介質中的地下水流動系統(tǒng)FreezeandWitherspoon，19671等水頭線；2流線（圖中K為滲透系數(shù)相對值）,.,二、地下水流動系統(tǒng)理論,也稱托特地下水流動系統(tǒng)理論（(GroundwaterFlowSystems，以下縮寫為GFS），在托特文章中被稱為“廣義水力理論”“重力穿層地下水流動理論”或“區(qū)域地下水流動理論”。托特理論的兩個前提：區(qū)域水力連續(xù)性：從較長的時間尺度與較大的空間尺度來考察問題，廣大范圍內的地下水存在著水力聯(lián)系?？刂频叵滤鲃拥氖恰皠荨保ǖ匦危?，而不是地質條件。,第八章地下水系統(tǒng)-8.4地下水流動系統(tǒng),.,地下水流動系統(tǒng)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、化學場與溫度場統(tǒng)一于新的地下水流動系統(tǒng)概念框架中。將本來似乎互不關聯(lián)的地下水各方面的表現(xiàn)聯(lián)系在一起，納入地下水空間與時間連續(xù)演變的有序結構之中，有助于從整體上把握地下水各個部分之間以及它與環(huán)境之間的聯(lián)系。,.,（一）水動力特征基于前述2個前提的托特地下水流動系統(tǒng)理論（圖8-9），分析水動力特征：,圖8-9區(qū)域地下水流動及其伴生標志（據Toth,1980）,.,高勢區(qū)（勢源）地形高處：地下水由上至下運動低勢區(qū)（勢匯）地形低處：地下水由低向上運動垂向運動中：由上至下：勢能除克服摩擦消耗部分能量外，勢能壓能轉化；由下至上：部分儲存的壓能釋放轉化為勢能。垂向運動的存在：說明傳統(tǒng)的“承壓”現(xiàn)象在潛水中也可以出現(xiàn)。（圖8-10b）流動方向的多樣性：存在水流由上至下、由下至上和水平運動流動系統(tǒng)的多級性：多源、匯的流動系統(tǒng)，易產生多級多個地下水流動系統(tǒng)；“局部的，區(qū)域的，中間的”的系統(tǒng)共同出現(xiàn)，或出現(xiàn)兩級系統(tǒng)等。,.,圖810地質控制（a）與地形控制（b）的自流井弗里澤等，1987,.,流動系統(tǒng)發(fā)育的規(guī)模與數(shù)目的控制因素（自選）,與介質場的滲透性（K）、系統(tǒng)中源匯的勢差（地形起伏）、系統(tǒng)的幾何尺寸等有關。流量流速與伴生現(xiàn)象：補給區(qū)：水分不足區(qū)，水位埋深大，大多含鹽量低，耐旱植物排泄區(qū)：水分過剩區(qū)，沼澤化，濕地，泉，鹽分累積，耐鹽，水植物流速（水交替）：局部系統(tǒng)，淺層流動系統(tǒng)逕流快，交替深部區(qū)域系統(tǒng)，逕流慢，交替退緩,.,圖812地下水流動系統(tǒng)的控制因素1隔水層；2滲透性較差的透水層；3滲透性較好的透水層；4地下水位；5流線（圖上略去降水如滲）,.,圖812地下水流動系統(tǒng)的控制因素1隔水層；2滲透性較差的透水層；3滲透性較好的透水層；4地下水位；5流線（圖上略去降水如滲）,.,圖812地下水流動系統(tǒng)的控制因素1隔水層；2滲透性較差的透水層；3滲透性較好的透水層；4地下水位；5流線（圖上略去降水如滲）,.,地下水流動系統(tǒng)的水力特征（水力條件）決定了水化學特征。根據地下水化學場，可以回溯歷史上的地下水流動系統(tǒng)。在流動系統(tǒng)中，水化學特征與以下因素有關：入滲補給；流程流徑長度；流速；流動過程中物質補充及遷移；流程中經受的水化學作用，等。地下水化學成分主要來自流動過程中對流經巖土的溶濾。地下水流動系統(tǒng)的不同部位，由于流速與流程對水質的控制作用，顯示出很好的水化學分帶。地形復雜同時出現(xiàn)局部、中間、區(qū)域流動系統(tǒng)時，以垂直分帶為主。地形變化簡單區(qū)域則呈水平分帶。（圖8-14）：,（二）地下水流動系統(tǒng)的水化學特征,.,.,局部系統(tǒng)：流程短，流速快（交替快），礦化度（TDS）低，水型比較簡單；區(qū)域系統(tǒng)：流程長，流速慢（交替遲緩），礦化度（TDS）高，水型比較復雜；同一含水層或含水系統(tǒng)的水，可用分屬于不同的流動系統(tǒng)或不同級次流動系統(tǒng)，水動力特征不同，水化學特征自然也不相同。（圖8-13）,.,圖813同一含水層種不同流動系統(tǒng)水質不同1隔水層；2透水層；3斷層；4地下水位；5局部流動系統(tǒng)流線；6區(qū)域流動系統(tǒng)流線；7礦化度，1個“+”代表低礦化度，2個“+”代表中等礦化，3個“+”代表高礦化；8淡水泉；9咸水泉,.,在水流相匯流處（水動力圈閉帶）與相背分流處（準滯留帶）：水流發(fā)生變化，常成為水化學積聚區(qū)或圈閉帶地下水流動系統(tǒng)的不同部位，發(fā)生的主要化學作用不同。除了溶濾作用存在于整個流程外，局部流動系統(tǒng)及中間與區(qū)域流動系統(tǒng)的淺部屬氧化環(huán)境，中間系統(tǒng)及區(qū)域系統(tǒng)的深部屬還原環(huán)境。上升水流處因減壓將產生脫碳酸作用。粘性土分布部位易發(fā)生陽離子交替吸附作用。不同流動系統(tǒng)的匯合處，將發(fā)生混合作用。流動系統(tǒng)中水的礦化度、水型與水學形成作用方式，與水動力特征一致。,.,圖814地下水流動系統(tǒng)中的水質演變1隔水層；2透水層；3粘土層；4地下水位；5流線；6氧化、還原帶界線；7泉；8礦化度，1個“+”代表低礦化度，2個“+”代表中等礦化，3個“+”代表高礦化,.,在來自地殼深部大地熱流的影響下，年常溫帶以下的等溫線通常上低下高，呈水平分布。地下水流動系統(tǒng)的存在，地溫的變化：補給區(qū)的下降水流受入滲水的影響，地溫偏低，產生負增溫；排泄區(qū)因上升水流帶來深部熱影響，地溫偏高，產生正增溫。由圖815可見，原本水平分布的等溫線發(fā)生變化。補給區(qū)的下降，且間距變大（地溫梯度變小）。排泄區(qū)上抬，且間隔變?。ǖ販靥荻茸兇螅?。沒有地熱異常的地區(qū)，根據地下水溫度的分布，可以判定地下水流動系統(tǒng)。,（三）地下水流動系統(tǒng)的水溫度特征,.,圖815等溫線與地下水流動系統(tǒng)的關系1隔水底板；2水力零通量面；3大地熱流；4地下水位；5流線；6理想等溫線；7