第八章 地下水系統(tǒng)

.,第八章地下水系統(tǒng),主要內(nèi)容：了解地下水系統(tǒng)相關(guān)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(guān)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(xué)場與溫度場的特征；學(xué)習(xí)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(diǎn)：掌握地下水含水系統(tǒng)與流動系統(tǒng)的概念和劃分；重點(diǎn)掌握地下水流動系統(tǒng)的層次性；學(xué)習(xí)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(jì)40年代貝塔朗菲（LudwigvonBertalanffy）提出來的。二十世紀(jì)特別是本世紀(jì)5060年代在應(yīng)用系統(tǒng)工程解決復(fù)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(jié)合而成的具有特定功能的整體錢學(xué)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(jī)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(nèi)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(chǎn)生的物質(zhì)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(yīng)（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(yīng),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(chǎn)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(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(fù)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(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。,地下水流動系統(tǒng),.,地下水系統(tǒng)是個廣義的泛指概念，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(gòu)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(nèi)涵不同的兩類地下水系統(tǒng)，但也有其共同之點(diǎn)。（1）兩者的共同點(diǎn)突破了把單個含水層作為功能單元的傳統(tǒng)觀點(diǎn)（systemaquifer）單個含水層包含若干含水層與相對隔水層的整體地質(zhì)邊界以地下水流作為研究實(shí)體力求以系統(tǒng)的觀點(diǎn)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(zhì)、水溫的時空演變（尤其是水質(zhì)）（3）兩者的關(guān)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(jìn)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(guān)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(guān)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(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(zhì)構(gòu)造的控制。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)。含水系統(tǒng)分類：松散沉積物與堅(jiān)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(dǎo)水層；6地下水位；7地下水流向，箭頭愈大，表示徑流愈強(qiáng)；8泉,.,松散沉積物構(gòu)成的含水系統(tǒng)發(fā)育于近代構(gòu)造沉降的堆積盆地之中，其邊界通常為不透水的堅(jiān)硬基巖（圖8-5a）。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(chǎn)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(gòu)成的含水系統(tǒng)總是發(fā)育于一定的地質(zhì)構(gòu)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(jié)良好的基巖往往包含有厚而穩(wěn)定的泥質(zhì)巖層，構(gòu)成隔水層。基巖含水系統(tǒng)的類型：一個獨(dú)立的含水層就構(gòu)成一個含水系統(tǒng)（圖8-5b）。數(shù)個含水層構(gòu)成一個含水系統(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(gòu)造原因也可以構(gòu)成一個以上的含水系統(tǒng)（圖8-5b、c）。極少數(shù)構(gòu)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(wǎng)的特點(diǎn)（圖8-6a）：忽視地下水的垂向運(yùn)動，把地下水流動看作平面二維的運(yùn)動。只畫河間地塊流網(wǎng)的一部分如（圖86a）。（2）Hubbert河間地塊流網(wǎng)：在1940年，MKHubbert正確地畫出了河間地塊流網(wǎng)（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(bǔ)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(wǎng)圖（a）傳統(tǒng)概念的河間地塊流網(wǎng)；（b）赫伯特的河間地塊流網(wǎng)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(fù)雜盆地流網(wǎng)：1963年，加拿大學(xué)者用數(shù)學(xué)模型做了復(fù)雜盆地的潛水流網(wǎng)。在嚴(yán)格的假定條件下，托特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系統(tǒng)（圖87）。他得出的結(jié)論出人意料：在均質(zhì)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(zhì)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(zhì)介質(zhì)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(yīng)用模擬二維及三維各向異性非均質(zhì)介質(zhì)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(zhì)介質(zhì)場(圖89)，并將其應(yīng)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(jī)制，建立了一套著重于解決水質(zhì)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(zhì)介質(zhì)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(nèi)的地下水存在著水力聯(lián)系。控制地下水流動的是“勢”（地形），而不是地質(zhì)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(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(guān)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(jié)構(gòu)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(biāo)志（據(jù)Toth,1980）,.,高勢區(qū)（勢源）地形高處：地下水由上至下運(yùn)動低勢區(qū)（勢匯）地形低處：地下水由低向上運(yùn)動垂向運(yùn)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(zhuǎn)化；由下至上：部分儲存的壓能釋放轉(zhuǎn)化為勢能。垂向運(yùn)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(yùn)動流動系統(tǒng)的多級性：多源、匯的流動系統(tǒng)，易產(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(guān)。流量流速與伴生現(xiàn)象：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(xué)特征。根據(jù)地下水化學(xué)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(xué)特征與以下因素有關(guān)：入滲補(bǔ)給；流程流徑長度；流速；流動過程中物質(zhì)補(bǔ)充及遷移；流程中經(jīng)受的水化學(xué)作用，等。地下水化學(xué)成分主要來自流動過程中對流經(jīng)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(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(xué)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(fù)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(xué)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(zhì)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(zhǔn)滯留帶）：水流發(fā)生變化，常成為水化學(xué)積聚區(qū)或圈閉帶地下水流動系統(tǒng)的不同部位，發(fā)生的主要化學(xué)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(chǎn)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(xué)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(zhì)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?zé)崃鞯挠绊懴?，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(bǔ)給區(qū)的下降水流受入滲水的影響，地溫偏低，產(chǎn)生負(fù)增溫；排泄區(qū)因上升水流帶來深部熱影響，地溫偏高，產(chǎn)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(bǔ)給區(qū)的下降，且間距變大（地溫梯度變?。?。排泄區(qū)上抬，且間隔變?。ǖ販靥荻茸兇螅?。沒有地?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(guān)系1隔水底板；2水力零通量面；3大地?zé)崃鳎?地下水位；5流線；6理想等溫線；7