第九章地下水流系統(tǒng)課件

第九章地下水流系統(tǒng)本章內(nèi)容9.1地下水系統(tǒng)的概念9.2地下水含水系統(tǒng)9.3地下水流動(dòng)系統(tǒng)9.4流動(dòng)系統(tǒng)的物理模擬結(jié)果9.5Toth流動(dòng)系統(tǒng)的新圖解第九章地下水流系統(tǒng)本章內(nèi)容19.1地下水系統(tǒng)的概念源于：系統(tǒng)論——上世紀(jì)四十年代由貝塔朗菲提出，系統(tǒng)工程在解決復(fù)雜問(wèn)題中取得了重大成功（航天計(jì)劃中的載人飛船，飛月計(jì)劃等）。地下水系統(tǒng)理論發(fā)展于20世紀(jì)80年代。在荷蘭召開(kāi)了首屆關(guān)于地下水系統(tǒng)的國(guó)際學(xué)術(shù)討論會(huì)（50個(gè)國(guó)家的200多名代表參加）83年底荷蘭水文地質(zhì)學(xué)家Engelen來(lái)華進(jìn)行了講座，“地下水系統(tǒng)”（河北水文所、北京水文公司和地質(zhì)大學(xué)聯(lián)合舉行）概念提出。90年代起：在中國(guó)水文地質(zhì)學(xué)界得以迅速?gòu)V泛的應(yīng)用、研究與完善（地礦部陳夢(mèng)熊院士、長(zhǎng)春地院的林學(xué)鈺院士和地質(zhì)大學(xué)地下水小組等）。9.1地下水系統(tǒng)的概念源于：系統(tǒng)論——上世紀(jì)四十年代由貝塔29.1.1系統(tǒng)與系統(tǒng)方法系統(tǒng)：由相互作用和相互依賴(lài)的若干組成部分結(jié)合而成的具有特定功能的整體。相互作用、相互依賴(lài)→不是各部分或零部件的簡(jiǎn)單堆積整體→功能大于局部（要素）之和。系統(tǒng)方法：用系統(tǒng)思想去分析與研究問(wèn)題的方法稱(chēng)之為系統(tǒng)方法。系統(tǒng)思想：就是把研究對(duì)象看做一個(gè)有機(jī)整體，從整體角度去考察、分析和處理問(wèn)題的方法。系統(tǒng)目標(biāo)→系統(tǒng)整體功能的最優(yōu)化（不是局部的）9.1.1系統(tǒng)與系統(tǒng)方法系統(tǒng)：由相互作用和相互依賴(lài)39.1.2地下水系統(tǒng)1.地下水系統(tǒng)是個(gè)廣義的泛指概念（1）地下水含水系統(tǒng)Groundwateraquifersystem（2）地下水流動(dòng)系統(tǒng)Groundwaterflowsystem

地下水含水系統(tǒng)是指由隔水層或相對(duì)隔水巖層圈閉的、具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的含水巖系。

地下水流動(dòng)系統(tǒng)是指從源到匯的流面群構(gòu)成的、具有統(tǒng)一時(shí)空演變過(guò)程的地下水體。2.地下水含水系統(tǒng)與地下水流動(dòng)系統(tǒng)的比較

A.兩者的共同點(diǎn)：突破了把單個(gè)含水層作為功能單元的傳統(tǒng)，力求以系統(tǒng)的觀點(diǎn)去考察、分析與處理地下水體。9.1.2地下水系統(tǒng)1.地下水系統(tǒng)是個(gè)廣義的泛指概念4地下水含水系統(tǒng)—潛水地下水含水系統(tǒng)—潛水5地下水含水系統(tǒng)—承壓水地下水含水系統(tǒng)—承壓水6地下水流動(dòng)系統(tǒng)地下水流動(dòng)系統(tǒng)7B地下水系統(tǒng)的比較—兩者的不同點(diǎn)B地下水系統(tǒng)的比較—兩者的不同點(diǎn)89.1.2地下水系統(tǒng)—兩者的關(guān)系C、兩者的關(guān)系

①通常，一個(gè)大的含水系統(tǒng)可以包含若干個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)；

②兩者都可以進(jìn)一步劃分為子系統(tǒng)—參照下圖：兩者的關(guān)系圖。分層次的：子系統(tǒng)是不同的、大的系統(tǒng)是一致的；流動(dòng)系統(tǒng)在人為流動(dòng)影響下，規(guī)模、數(shù)量均會(huì)發(fā)生變化，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。9.1.2地下水系統(tǒng)—兩者的關(guān)系C、兩者的關(guān)系9地下含水系統(tǒng)與流動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)系流動(dòng)系統(tǒng)：在人為流動(dòng)影響下，規(guī)模、數(shù)量均會(huì)發(fā)生變化，但其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。地下含水系統(tǒng)與流動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)系流動(dòng)系統(tǒng)：在人為流動(dòng)影響109.2地下水含水系統(tǒng)一、地下水含水系統(tǒng)的概念地下水含水系統(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)系的含水巖系。二、不同類(lèi)型的含水系統(tǒng)松散沉積物；基巖——裂隙巖層、巖溶地層；9.2地下水含水系統(tǒng)一、地下水含水系統(tǒng)的概念11松散沉積物松散沉積物12基巖——裂隙巖層基巖——裂隙巖層13基巖——巖溶地層

基巖——巖溶地層

149.3地下水流動(dòng)系統(tǒng)9.3.1地下水流動(dòng)系統(tǒng)（ＧＦＳ）概念地下水流動(dòng)系統(tǒng)——是指從源到匯的流面群構(gòu)成的具有統(tǒng)一時(shí)空演變過(guò)程的地下水體。早在１９４０年，Ｈｕｂｂｅｒｔ正確地畫(huà)出了河間地塊流網(wǎng)；１９６３年，Ｊ．Ｔｏｔｈ用數(shù)學(xué)模型做了復(fù)雜盆地的潛水流網(wǎng)；以拉普拉斯方程為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)解，二維穩(wěn)定流動(dòng)復(fù)雜地形條件：正弦函數(shù)＋直線方程—地形線代替水頭值（勢(shì)分布）畫(huà)出理想盆地的流動(dòng)系統(tǒng)模擬圖，圖９—７.9.3地下水流動(dòng)系統(tǒng)9.3.1地下水流動(dòng)系統(tǒng)（ＧＦＳ）15理想盆地流動(dòng)系統(tǒng)圖解局部流動(dòng)系統(tǒng)—？個(gè)；中間流動(dòng)系統(tǒng)—？個(gè)；局域流動(dòng)系統(tǒng)—？個(gè)。理想盆地流動(dòng)系統(tǒng)圖解局部流動(dòng)系統(tǒng)—？個(gè)；中間流動(dòng)系統(tǒng)—？個(gè)；16ＧＦＳ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→時(shí)間因素。（２）控制地下水流動(dòng)的是“勢(shì)”—地形，不是地質(zhì)條件，Ｔｏｔｈ認(rèn)為：從水力學(xué)角度看，地下水體的天然單元是地形盆地，而不是地質(zhì)盆地。驅(qū)動(dòng)水流的勢(shì)來(lái)自區(qū)域地形高處，水從地形高處向地形低處運(yùn)動(dòng)。ＧＦＳ理論的兩個(gè)前提（１）區(qū)域水力連續(xù)性179.3.2GFS的水動(dòng)力特征GFS的水動(dòng)力特征高勢(shì)區(qū)（勢(shì)源）—地形高處：地下水由上至下運(yùn)動(dòng)；低勢(shì)區(qū)（勢(shì)匯）—地形低處：地下水由低向上運(yùn)動(dòng)。垂向運(yùn)動(dòng)中：由上至下，勢(shì)能除克服摩擦消耗部分能量外，勢(shì)能→亞能轉(zhuǎn)化；由下至上，部分儲(chǔ)存的壓能釋放轉(zhuǎn)化為勢(shì)能；垂向運(yùn)動(dòng)的存在：傳統(tǒng)的“承壓”現(xiàn)象在潛水中也可以出現(xiàn)；流動(dòng)方向的多樣性：由上至下，由下至上，水平運(yùn)動(dòng)。流動(dòng)特征的伴生現(xiàn)象——生態(tài)、環(huán)境的關(guān)系。9.3.2GFS的水動(dòng)力特征GFS的水動(dòng)力特征18區(qū)域地下水流動(dòng)及其伴生標(biāo)志水動(dòng)力特征：高勢(shì)區(qū)（勢(shì)源）—地形高處：地下水由上至下運(yùn)動(dòng)；低勢(shì)區(qū)（勢(shì)匯）—地形低處：地下水由下至上運(yùn)動(dòng)。流動(dòng)特征的伴生現(xiàn)象——生態(tài)、環(huán)境的關(guān)系。區(qū)域地下水流動(dòng)及其伴生標(biāo)志水動(dòng)力特征：高勢(shì)區(qū)（勢(shì)源）—地形高199.3.3GFS的水化學(xué)特征GFS的水化學(xué)特征地下水流動(dòng)系統(tǒng)的水利特征決定了水化學(xué)特征。在流動(dòng)系統(tǒng)中，水質(zhì)取決于空間某點(diǎn)：（1）入滲補(bǔ)給；（2）流程—流經(jīng)長(zhǎng)度；（3）流速；（4）流動(dòng)過(guò)程中物質(zhì)補(bǔ)充及遷移性；（5）流程中經(jīng)受的水化學(xué)作用。局部：流程短，流速快（交替快），TDS低，水型簡(jiǎn)單；區(qū)域：流程長(zhǎng)，流速慢（交替遲緩），TDS高，水型復(fù)雜。垂直與水平分帶性水化學(xué)積聚區(qū)：相匯處→圈閉帶，相背處→準(zhǔn)滯流帶。礦化度，水型與水學(xué)形成作用方式，與水力特征相關(guān)一致。9.3.3GFS的水化學(xué)特征GFS的水化學(xué)特征20地下水流動(dòng)系統(tǒng)中的水質(zhì)演變局部：流程短，流速快（交替快），TDS低，水型簡(jiǎn)單區(qū)域：流程長(zhǎng)，流速慢（交替遲緩），TDS高，水型復(fù)雜垂直：由地表向深部的變化水平分帶性：沿水流方向上的變化地下水流動(dòng)系統(tǒng)中的水質(zhì)演變局部：流程短，流速快（交替快），T21根據(jù)地下水化學(xué)場(chǎng)，可以回溯歷史上的地下水流動(dòng)系統(tǒng)。任一點(diǎn)的水質(zhì)取決于下列因素：輸入水質(zhì)、流程、流速、流程上遇到的位置及其可遷移性、流程上經(jīng)受的各種水化學(xué)作用。地下水化學(xué)成分主要來(lái)自流動(dòng)過(guò)程中對(duì)流經(jīng)巖土的融濾。地下水流動(dòng)系統(tǒng)的不同部位，由于流速與流程對(duì)水質(zhì)的控制作用，顯示出很好的水化學(xué)分帶。地形復(fù)雜同時(shí)出現(xiàn)局部、中間、區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，以垂直分帶為主。地形變化簡(jiǎn)單區(qū)域則呈水平分帶。同一含水層或含水系統(tǒng)的水，可用分屬于不同的流動(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。地下水流動(dòng)系統(tǒng)的不同部位，發(fā)生的主要化學(xué)作用不同。局部流動(dòng)系統(tǒng)及中間與區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)的淺部屬氧化環(huán)境，中間系統(tǒng)及局部系統(tǒng)的深部屬還原環(huán)境。上升水流處因減壓將產(chǎn)生脫碳酸作用。粘性土分布部位易發(fā)生陽(yáng)離子交替吸附作用。不同流動(dòng)系統(tǒng)的匯合處，將發(fā)生混合作用。根據(jù)地下水化學(xué)場(chǎng)，可以回溯歷史上的地下水流22區(qū)域地下水流動(dòng)及其伴生標(biāo)志水化學(xué)積聚區(qū)：相匯處→圈閉帶；相背處→準(zhǔn)滯流帶區(qū)域地下水流動(dòng)及其伴生標(biāo)志水化學(xué)積聚區(qū)：相匯處→圈閉帶；相背239.3.4GFS的水溫特征

GFS的水溫特征地溫分布曲線受水流作用的影響上升水流產(chǎn)生正增溫下降水流產(chǎn)生負(fù)增溫9.3.4GFS的水溫特征GFS的水溫特征24地下水流動(dòng)系統(tǒng)的水溫度特征由于地下水流動(dòng)系統(tǒng)的存在，補(bǔ)給區(qū)的下降水流受入滲水的影響，地溫偏低。排泄區(qū)因上升水流帶來(lái)深部熱影響，地溫偏高。這樣使原本水平分布的等溫線發(fā)生變化。補(bǔ)給區(qū)下降且間距變大；排泄區(qū)上抬，且間隔變小。沒(méi)有地?zé)岙惓５牡貐^(qū)，根據(jù)地下水溫度的分布，可以判定地下水流動(dòng)系統(tǒng)。地下水流動(dòng)系統(tǒng)的水溫度特征25地下水流動(dòng)系統(tǒng)的總結(jié)地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論其實(shí)質(zhì)是以地下水流網(wǎng)為工具，以勢(shì)場(chǎng)介質(zhì)場(chǎng)的分析為基礎(chǔ)，將滲流場(chǎng)、水化學(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。將傳統(tǒng)認(rèn)為互不相關(guān)聯(lián)的地下水各方面的表現(xiàn)聯(lián)系在一起，納入到一個(gè)有序的地下水空間與實(shí)踐連續(xù)變化的結(jié)構(gòu)之中，有助于人們從整體上把握地下水質(zhì)與水量特征、地下水系統(tǒng)與環(huán)境之間的聯(lián)系。這一分析方法叫做地下水系統(tǒng)方法。

地下水流動(dòng)系統(tǒng)圖（見(jiàn)下頁(yè)）地下水流動(dòng)系統(tǒng)的總結(jié)地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論其實(shí)質(zhì)是以地下水流網(wǎng)為269.4流動(dòng)系統(tǒng)的物理模擬結(jié)果-2007一個(gè)地形復(fù)雜地區(qū)，發(fā)育多級(jí)流動(dòng)系統(tǒng)，室內(nèi)物理模擬結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了Toth流動(dòng)系統(tǒng)的存在與劃分9.4流動(dòng)系統(tǒng)的物理模擬結(jié)果-2007一個(gè)地形復(fù)雜地區(qū)，發(fā)279.5Toth流動(dòng)系統(tǒng)的新圖解-1990年9.5Toth流動(dòng)系統(tǒng)的新圖解-1990年289.6不同介質(zhì)中的地下水流系統(tǒng)主要有三種：巖溶水流系統(tǒng)、孔隙水流系統(tǒng)和裂隙水流系統(tǒng)。1、巖溶水流系統(tǒng)主要發(fā)育于可溶性巖層中，初期滲透性不大，主要為小的獨(dú)立的局部水流系統(tǒng)。隨著巖溶發(fā)育，勢(shì)匯較強(qiáng)的巖溶水系統(tǒng)溯源襲奪，最終形成統(tǒng)一的區(qū)域性巖溶水流系統(tǒng)。主要分布在我國(guó)南北方的巖溶地區(qū)，大多受到抵制構(gòu)造的控制，它以巖溶含水系統(tǒng)邊界為其邊界。巖溶水流系統(tǒng)大多受構(gòu)造控制，所以研究簡(jiǎn)單。故作為地下水流系統(tǒng)初期研究的主要對(duì)象。9.6不同介質(zhì)中的地下水流系統(tǒng)主要有三種：巖溶水流系統(tǒng)、孔299.6不同介質(zhì)中的地下水流系統(tǒng)2、孔隙水流系統(tǒng)孔隙水流系統(tǒng)的研究最為復(fù)雜，不但要獲取巖層的滲透性、水位、水化學(xué)信息、地理演變和分析，還要進(jìn)行環(huán)境同位素相對(duì)定年和數(shù)學(xué)模擬等手段，所以孔隙水的研究還有大量的工作要做。復(fù)雜的原因是：（1）缺乏明顯的系統(tǒng)邊界；（2）介質(zhì)場(chǎng)空間變化復(fù)雜；（3）地貌及微地貌影響下的勢(shì)場(chǎng)變化復(fù)雜；（4）各級(jí)次含水系統(tǒng)與水流系統(tǒng)具有復(fù)雜的交錯(cuò)關(guān)系；（5）經(jīng)歷長(zhǎng)期地質(zhì)及自然地理演變，后期發(fā)育的水流系統(tǒng)的影響疊加于前期水流系統(tǒng)之上，重塑演變過(guò)程十分復(fù)雜；（6）大多受人為活動(dòng)的強(qiáng)烈影響。9.6不同介質(zhì)中的地下水流系統(tǒng)2、孔隙水流系統(tǒng)309.6不同介質(zhì)中的地下水流系統(tǒng)3、裂隙水流系統(tǒng)我國(guó)裂隙基巖很廣，但是研究成果較少。這是因?yàn)榱严督橘|(zhì)的不均勻性和非連續(xù)性導(dǎo)致的。裂隙水流系統(tǒng)的特點(diǎn)：（1）淺部風(fēng)化-卸荷裂隙帶的局部水流系統(tǒng)；（2）中部構(gòu)造裂隙帶中間水流系統(tǒng)；（3）深部構(gòu)造裂隙帶的區(qū)域水流系統(tǒng)。同時(shí)。氯離子含量也是局部系統(tǒng)低，中間系統(tǒng)略高，區(qū)域系統(tǒng)高，還有TDS很高。9.6不同介質(zhì)中的地下水流系統(tǒng)3、裂隙水流系統(tǒng)31思考題一個(gè)地形復(fù)雜地區(qū)，是否發(fā)育多級(jí)流動(dòng)系統(tǒng)，主要取決于哪些因素？看右圖，理解控制地