水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)-地下水流系統(tǒng)

地下水科學(xué)與工程教研室水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)

FundamentalsofHydrogeology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

8.2.1地下水系統(tǒng)概念的產(chǎn)生8.2.2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)

8.4.1概念的由來8.4.2地下水流動(dòng)系統(tǒng)8.5地下水含水系統(tǒng)與地下水流動(dòng)系統(tǒng)的比較8.6小結(jié)12/23/202328.1系統(tǒng)概念

系統(tǒng)（system）是由相互作用和相互依賴的若干個(gè)組成部分按一定規(guī)則結(jié)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(shí)間延續(xù)不斷擴(kuò)展從地下水的研究歷史看一口井附近小范圍的含水層擴(kuò)展到整個(gè)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(gè)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(duì)象是一個(gè)愈來愈復(fù)雜的系統(tǒng)。“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)）大規(guī)模開發(fā)利用地下水，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)問題。地下水流動(dòng)系統(tǒng)8.2.1地下水系統(tǒng)概念的產(chǎn)生地下水系統(tǒng)理論發(fā)展于20世紀(jì)80年代在荷蘭召開了首屆關(guān)于地下水系統(tǒng)的國際學(xué)術(shù)討論會(huì)（50個(gè)國家的200多名代表參加）

83年底荷蘭水文與地質(zhì)學(xué)家G.B.Engelen來華進(jìn)行了講學(xué)，“地下水系統(tǒng)”（在中國地質(zhì)大學(xué)、河北正定水文所、北京水文地質(zhì)公司）。

90年代起：在中國水文地質(zhì)學(xué)界得以迅速廣泛的應(yīng)用、研究與完善（地礦部陳夢熊院士，長春地院的林學(xué)鈺院士，中國地質(zhì)大學(xué)的地下水系統(tǒng)小組等）8.2.1地下水系統(tǒng)概念的產(chǎn)生8.2地下水系統(tǒng)的概念8.2.2地下水系統(tǒng)的概念

據(jù)陳夢熊院士（1987），地下水系統(tǒng)是受各種天然、人為因素所控制，具有不同等級(jí)的互有聯(lián)系、互相影響，在時(shí)空分布上具有四維性質(zhì)和各自物理、化學(xué)、水動(dòng)力特征的、不斷運(yùn)動(dòng)演化的若干獨(dú)立單元的統(tǒng)一體。國內(nèi)使用“地下水系統(tǒng)”術(shù)語相當(dāng)普遍。但是不同使用者賦予的內(nèi)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(tǒng)”及“地下水流系統(tǒng)”這兩個(gè)術(shù)語。

12/23/20236地下水系統(tǒng)是地下水含水系統(tǒng)和地下水流動(dòng)系統(tǒng)的統(tǒng)一。地下水含水系統(tǒng)是指由隔水或相對(duì)隔水邊界圈閉的、由含水層和相對(duì)隔水層組合而成的、內(nèi)部具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的賦存地下水的巖系。地下水流動(dòng)系統(tǒng)是指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。

8.2地下水系統(tǒng)的概念8.3地下水含水系統(tǒng)主要受地質(zhì)結(jié)構(gòu)的控制。在松散沉積物與堅(jiān)硬基巖中的含水系統(tǒng)有一系列不同的特征。含水系統(tǒng)在概念上是含水層系統(tǒng)的擴(kuò)大。地下水含水系統(tǒng)的特點(diǎn)：1具有統(tǒng)一的水力聯(lián)系2含水系統(tǒng)有子系統(tǒng)3控制含水系統(tǒng)發(fā)育的是地質(zhì)結(jié)構(gòu)4含水系統(tǒng)并不是完全封閉的，可能與外界有水力聯(lián)系12/23/202388.4地下水流動(dòng)系統(tǒng)8.4.1概念的由來:J.Toth（1963）繪制了均質(zhì)各向同性潛水盆地中的地下水流動(dòng)系統(tǒng)，包括局部、中間和區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)了水的垂直運(yùn)動(dòng)。子系統(tǒng)邊界流線中間GFS區(qū)域GFS局部GFS子系統(tǒng)邊界12/23/202398.4地下水流動(dòng)系統(tǒng)地下水流動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)：1具有統(tǒng)一的水流，沿著水流動(dòng)方向，水量、鹽量和熱量發(fā)生有規(guī)律的演變2流動(dòng)系統(tǒng)的流面為邊界，邊界是可變的3流動(dòng)系統(tǒng)包含有不同的子系統(tǒng)4控制其發(fā)育的是水勢場12/23/2023108.4地下水流動(dòng)系統(tǒng)8.4.2地下水流動(dòng)系統(tǒng)地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論，實(shí)質(zhì)上是以地下水流網(wǎng)為工具，以勢場及介質(zhì)場的分析為基礎(chǔ)，將滲流場、化學(xué)場和溫度場統(tǒng)一于新的地下水流動(dòng)系統(tǒng)概念框架之中。（1）水動(dòng)力特征：地下水在流動(dòng)中必須消耗機(jī)械能以克服粘滯性摩擦，主要驅(qū)動(dòng)力是重力勢能（源于地下水的補(bǔ)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(dòng)的水體中，沿流線方向，水頭越來越低。12/23/2023118.4地下水流動(dòng)系統(tǒng)介質(zhì)場中地下水流動(dòng)系統(tǒng)發(fā)育規(guī)律：兩種或更多個(gè)的地下水流動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，它們所占據(jù)的空間大小取決于兩個(gè)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(jù)的空間亦大；②介質(zhì)滲透系數(shù)(K)，滲透性好，發(fā)育于其中的流動(dòng)系統(tǒng)所占據(jù)的空間就大。12/23/2023128.4地下水流動(dòng)系統(tǒng)12/23/2023138.4地下水流動(dòng)系統(tǒng)（2）水化學(xué)特征：在地下水流動(dòng)系統(tǒng)中任意一點(diǎn)的水質(zhì)取決于：①輸入水質(zhì)；

②流程；③流速；④流程上遇到的物質(zhì)及其可遷移性；⑤流程上經(jīng)受的各種水化學(xué)作用。12/23/2023148.4地下水流動(dòng)系統(tǒng)地下水流動(dòng)系統(tǒng)中，水化學(xué)存在垂直分帶和水平分帶。水化學(xué)積聚區(qū)：相匯處→水動(dòng)力圈閉相背處→準(zhǔn)滯流帶地形復(fù)雜，同時(shí)出現(xiàn)局部、中間、區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)。地形簡單，只出現(xiàn)區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)。(水動(dòng)力條件形成的油氣圈閉)12/23/2023158.4地下水流動(dòng)系統(tǒng)不同部位發(fā)生的主要化學(xué)作用不同：①溶濾作用存在于整個(gè)流程；②局部系統(tǒng)、中間及區(qū)域系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)的排泄區(qū)是地下水水質(zhì)復(fù)雜變化的地段。12/23/2023168.4地下水流動(dòng)系統(tǒng)（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(chǎn)生正增溫下降水流產(chǎn)生負(fù)增溫22℃22℃20℃20℃22℃22℃20℃20℃12/23/2023178.4地下水流動(dòng)系統(tǒng)砂槽模擬直觀多級(jí)水流系統(tǒng)

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

含水系統(tǒng)的整體性體現(xiàn)于它具有統(tǒng)一的水力聯(lián)系，存在于同一含水系統(tǒng)中的水是個(gè)統(tǒng)一的整體，在含水系統(tǒng)中的任何一部分加入（補(bǔ)給）或排出（排泄）水量，其影響均將波及整個(gè)含水層系統(tǒng)。含水系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立而統(tǒng)一的水均衡單元，是一個(gè)三維系統(tǒng)；可用于研究水量乃至鹽量和熱量的均衡，邊界屬于地質(zhì)零通量邊界，為隔水邊界，是不變的。

地下水流動(dòng)系統(tǒng)的整體性體現(xiàn)于它具有統(tǒng)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(xiàn)統(tǒng)一的時(shí)空有序結(jié)構(gòu)，為四維時(shí)空系統(tǒng)；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(tǒng)與流動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)系12/23/202320（2）級(jí)次性：兩者均有級(jí)次性，可分為區(qū)域、中間和局部的流動(dòng)系統(tǒng)。（3）控制因素：控制含水系統(tǒng)發(fā)育的，主要是地質(zhì)結(jié)構(gòu)；控制地下水流動(dòng)系統(tǒng)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(huì)發(fā)生很大變化。I-平原北部地下水系統(tǒng)；II-平原中部地下水系統(tǒng)；III-平原南部地下水系統(tǒng)圖3.1地下水系統(tǒng)劃分圖（據(jù)淺層地下水流場）

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)）12/23/202321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)場為依據(jù)根據(jù)水的流動(dòng)特征，以滲流場為依據(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)地下水含水系統(tǒng)與地下水流動(dòng)系統(tǒng)的比較含水層系統(tǒng)研究：采用遙感解釋→地質(zhì)調(diào)查→地球物理勘探→水文地質(zhì)鉆探→含水層巖性結(jié)構(gòu)研究→巖相古地理研究→含水介質(zhì)孔隙度研究→三維地質(zhì)建模等方法，重點(diǎn)研究含水介質(zhì)的形成條件及空間分布規(guī)律。

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

在上述研究的基礎(chǔ)上，提出鄂爾多斯白堊系盆地地下水系統(tǒng)劃分方案。一、研究方法鄂爾多斯白堊系盆地地下水系統(tǒng)地下水含水層系統(tǒng)劃分白堊系盆地含水層系統(tǒng)北部沙漠高原單一結(jié)構(gòu)含水層亞系統(tǒng)南部黃土高原多層結(jié)構(gòu)含水層亞系統(tǒng)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(gè)含水層亞系統(tǒng)

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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)表項(xiàng)目巖性巖相孔隙度物探測井解譯抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)k（m./d）單位涌水量q(m3/m.d)含水層強(qiáng)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(tǒng)剖面

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

4、地下水水流系統(tǒng)研究2004年中層地下水流場圖

不同級(jí)別的地表分水嶺和水文系統(tǒng)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