第二章水資源系統的要素及及特征

第二章水資源系統的要素及及特征2023/9/151第1頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

系統論于20世紀40年代提出，50-60年代應用系統工程解決復雜問題。目前，系統思想與系統方法廣泛地滲透到各學科領域。隨著社會的進步和經濟的發(fā)展，水資源的利用程度越來越高，規(guī)模越來越大，結構越來越復雜，只用傳統的、常規(guī)的方法難于完美地解決如此龐大而復雜的問題，因而，將系統思想、概念、理論與方法應用于水資源系統的研究和實踐，就構成了水資源系統分析。

第2頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

講授內容●第一節(jié)系統的概念●第二節(jié)水資源系統的構成與變化●第三節(jié)地表水資源系統●第四節(jié)地下水資源系統第3頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

第一節(jié)系統的概念

一系統的定義及其結構要素二系統的類別三系統的特性第4頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

簡單的說，系統思想與方法的核心是把所有研究的對象看作一個有機的整體（系統），并從整體的角度去考察、分析和處理事物。第5頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月一系統的定義及其結構要素

關于系統的定義，比較通用的提法為：凡是在一定環(huán)境下，為實現某一目標，有若干相互聯系、相互制約、相互作用的因素（部分）而組成的具有特定功能的集合體，稱為系統。系統方法認為，不應當將系統理解為各組成部分（要素）的簡單集合，而應將其理解為諸要素以一定規(guī)則組織起來，并共同行動的整體系統,內部各要素相互聯系和作用的方式便是系統的結構。因此，我們也可以將系統理解為“有結構的集合”。

第6頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

任何一個系統均包括兩部分：第7頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月系統與環(huán)境的界限稱為系統邊界。系統的相互聯系、相互制約、相互作用的組成部分，稱為系統結構。環(huán)境對系統的作用是系統輸入，系統對環(huán)境的作用是系統輸出；在動態(tài)條件下，輸出可反作用于輸入，即為反饋。把輸入轉換為輸出就是系統的功能。系統狀態(tài)隨時間的變化稱為系統行為。

第8頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

在工程體系中的系統，可描述為：在給定時間內，使物質（原料、能量、信息）的輸入與物質（產品、能量、效益）的輸出相互聯系起來，在一定環(huán)境條件下，具有一定功能的任何結構、裝置、設計方案和運行程序的有機體，均稱為系統。而且這個系統本身是它所從屬的一個大系統的組成部分（子系統），即為系統的相對性。

第9頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

以分析為主的近代自然科學長期以來采用的方法是，將所研究的事物精細地分為各個互不聯系的獨立部分、分別加以研究，把各部分研究結果之和作為對所研究事物整體的認識。這樣做,實質上是將研究對象當作諸要素簡單累加而成的集合，而沒有將其如實地看成一個有機整體。第10頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

一個系統，不僅內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。系統接受環(huán)境的物質、能量或信息的輸入，經過系統的變換，再向環(huán)境產生物質、能量或信息的輸出

系統的輸入與輸出

第11頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月環(huán)境對系統的作用也稱之為激勵，系統在接受激勵后對環(huán)境的反作用稱之為響應

系統的激勵和響應

第12頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月在同等降水條件下，不同的地下水系統，由于其巖層、構造、地貌乃至分布范圍大小不同,泉流量的變化各不相同。在不同的地下水系統中，以同種方式開采同樣數量的地下水,地下水位的降低也有很大差別。分析系統輸入與輸出（激勵與響應）的對應關系有助于了解系統結構；對系統結構的了解有助于我們預測激勵-響應關系。

第13頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月二系統的類別

在自然界和人類社會中，系統是普遍存在的。從不同的角度，可將系統分成不同的類別，可分為三類：第14頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月1.自然系統

自然系統是由自然物質組成的系統，如生物系統、生態(tài)系統、水文系統等。第15頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2.人工系統

人工系統是為達到人類需求的目的人為建立起來的系統，如水利、交通等。第16頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月3.自然-人工復合系統

由人工系統與自然系統組合起來的復合系統。它既有自然系統的特征，有具備人工系統的特性，如航天導航系統等。第17頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月三系統的特性第18頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月1.集合性

系統由兩個或兩個以上可以相互區(qū)分的要素（或子系統）組成。一個系統常常是由若干子系統有機結合起來，子系統又是由更小的系統構成，形成一個多層次結構。第19頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2.關聯性

組成系統的各部分之間及系統與環(huán)境之間相互聯系、相互制約、相互作用，即為系統的關聯性。第20頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月3.目的性

系統的目的性是指系統都均有特定的功能，即既定的目的。第21頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月4.整體性

系統的整體性是因為系統的各個組成部分構成了一個有機整體。各構成要素的獨立功能及其相互間的有機聯系，只能在一定的協調關系下統一與系統整體之中。脫離了整體性，各構成要素的功能及要素間的作用就失去意義

第22頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月5.不確定性

系統的不確定性是因為系統中某些不能用確定性方法描述其狀態(tài)構成要素。其組成部分的活動或者由于人們的認識尚未完全掌握其規(guī)律，或者由于活動帶有一定的隨機性，而只能用統計手段反應其活動狀態(tài)和進程，這就使系統具有不確定性。

第23頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月6.環(huán)境適應性任何系統都存在于一定的環(huán)境之中，必定與外部環(huán)境發(fā)生物質的能量的和信息的交換，以適應外部環(huán)境的變化，這就構成系統的環(huán)境適應性。

第24頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

第二節(jié)水資源系統的構成與變化一水資源系統的構成二水資源系統的影響因素第25頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月一、水資源系統的構成

將系統思想、概念、理論與方法應用于水資源系統的研究與實踐，就構成了水資源系統分析。地表水資源和地下水資源是人類開發(fā)利用的主要對象，也是迄今為止唯一可實施人為控制、水量分配調度和科學管理的水資源形式。所以，在供水工程學中主要側重于地表水資源和地下水資源，把具有相互聯系的這兩類水資源視為一個有機整體——水資源系統，進行綜合評價、水量開發(fā)利用調度和科學管理。第26頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

水資源系統結構框圖第27頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

考慮到地表水、地下水的運動方式、賦存條件差異明顯，且以不同的結構形式組成各自的實體系統（地表水系統、地下水系統），而且無論地表水系統還是地下水系統，可供開發(fā)利用的水與不能列入資源范疇的水總是共處于同一河系或滲流場之中，兩者之間在水量、水質上有著不可分割的關系。因此，在進行適量評價和制定開采方案之前，必須分別查明地表水系統和地下水系統的結構特性、系統與外界環(huán)境的物能交換關系，即查明地表水、地下水的分布特征及補給、徑流、排泄規(guī)律。

第28頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月二水資源系統的影響因素1.自然條件下水資源的變化2.人類活動對水資源質與量的影響3.水資源自然系統與人工系統的協調發(fā)展第29頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月1.自然條件下水資源的變化

水資源的質與量及其分布狀況是自然歷史發(fā)展的產物，它們既有歷史繼承性的一面，又有不斷變化發(fā)展新生性的一面。地史學、地貌學、古水文地質及古氣候的研究成果證明了水文循環(huán)是個不斷演化的過程，而且也提供了追溯宏觀演化軌跡的重要線索和有力證據，為研究水資源自然變化打下了基礎。

第30頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月古氣候的研究表明，第四紀全球氣候變化的基本特征是：地球高緯度地區(qū)是冰期與間冰期的交替；中低緯度地區(qū)則是干旱期與濕潤器的交替。由于這種交替變化，不同地區(qū)的降水、蒸發(fā)都有明顯的差異。除受全球氣候變化的影響外，自晚新世開始到上新世-更新世強烈隆升的青藏高原對我國氣候的變化、地形地貌的再造、生態(tài)的演替以及水文循環(huán)的重組都具有極深遠的影響，直接關系到我國水資源的分布格局和今后長期的演化趨勢。第31頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

氣候、地質、植被的演化最終形成了現今的水資源分布狀況，其標志為：我國的四大水文循環(huán)系統的形成（太平洋水文循環(huán)系統、印度洋水文循環(huán)系統、北冰洋水文循環(huán)系統和鄂霍次克海水文循環(huán)系統）；黃河、長江等幾條東西向大河在最近100萬年間相繼貫通入大海，確定了我國以及流域的分布格局；新構造運動促使了地形的分異，山地、盆地、平原（高原）稱為三大階梯中次一級的地貌單元，它們的組合使地表水、地下水分布埋藏形態(tài)多樣化。第32頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

作為自然系統的一個局部或過程片段，水資源中小時空尺度的變化總是伴隨自然條件的宏觀改變，以十分活躍的方式表現出來。有資料表明，受氣候變化的影響，近百年來我國西北的山地冰川有進有退，總的趨勢是退縮。第33頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2.人類活動對水資源質與量的影響

人類活動直接影響著水資源的數量、質量及時空分布。人類活動對水資源影響的方式可分為兩種：一種是對水資源的間接干預，即通過環(huán)境的變化影響水資源系統的輸入輸出過程；另一種是以改變水資源系統結構方式直接干擾，改變水資源的自然狀態(tài)。第34頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月人類活動的間接干預可發(fā)生在全球性的宏觀層次上，也可僅限于區(qū)域上。人類活動在全球性宏觀層次上的間接干預，如人工廢氣排放導致的溫室效應；過度采伐及墾殖使水土流失加劇、沙漠化日趨嚴重等。這些問題相互關聯相互影響，可能引起全球變暖、大氣環(huán)流受到干擾、氣候異常，從而使一些國家和地區(qū)降水過多出現洪澇災害，而另一些國家和地區(qū)連年干旱、水資源匱乏，甚至會因生態(tài)退化導致區(qū)域水文循環(huán)過程的永久性變異。人類活動在區(qū)域層次上的間接干預，主要是指那些規(guī)模較小、僅限于小區(qū)域內的各種人為活動，如封山育林小流域治理、都市建設等。第36頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

開發(fā)利用水資源是人類對水資源時空分布干預的直接方式。修建水庫就是把天然河流的線狀源變?yōu)槊鏍钤?，引水渠系則完全是人工的線源或網狀的源以及開采地下水必然使自然系統的結構以及物能傳輸過程發(fā)生改變，形成新的水文情勢。

第38頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

例如，攔截地表水有可能使下游河段過水量減少，甚至干枯，導致河流對地下水補給量的銳減，區(qū)域地下水位降低，如海水量減少。從地表水體引水或跨流域調水，會加大地表水的分支流程，使水的周轉期延長，水流的分散性增強，有可能影響到地表水的更新周期和運動節(jié)律，形成新的水量、鹽分的收支關系。第39頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

地下水的開發(fā)利用也產生類似的問題，不同的是，地下水是以“場”的方式存在的，地下水滲流場和水化學場的人為變異一般較緩慢，延遲效應卻更為突出，而且抽水井的位置、開采強度和抽水歷時過程對滲流場、水化學場最終形態(tài)的塑造是關鍵性的。

第40頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

總之，水既是一種自然資源，又是重要的環(huán)境要素。水資源系統的變化會影響環(huán)境，而環(huán)境的變化又導致水資源系統的變異。正因為兩者具有相互依存互為因果的聯系，人類任何不適當的活動都將使雙方受到損害。尤其是水資源開發(fā)利用策略的失誤，不僅水資源的質、量及其時空分布朝著背離人們愿望的方向發(fā)展，而且還可能通過環(huán)境的反饋給水資源的長遠利用留下難以逆轉的苦果。這方面的范例在國內外屢見不鮮。第41頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月3.水資源自然系統與人工系統的協調發(fā)展

人類面臨水資源短缺的嚴峻挑戰(zhàn)，為了生存環(huán)境并持續(xù)發(fā)展，應尋找一條能使水資源開發(fā)利用得以持續(xù)的道路。由于水資源具有特定的本質，其時空變化既有一定的因果性、周期性，又帶有一定的隨機不確定性，對其未來的估計只能是大概的，不可能準確無誤地進行預測、評價。此外，水還兼有資源與環(huán)境的二重性，即可開發(fā)利用為人類造福，又會因開發(fā)利用導致水資源自身的變化和環(huán)境的變異，給水資源的永續(xù)利用和人類生存條件帶來不利影響。

第42頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月在水資源永續(xù)利用的問題上，人們始終面對幾個基本矛盾：水資源的有限性與用水量不斷增長、供不應求的矛盾；水資源的開發(fā)利用與環(huán)境保護的矛盾；水資源系統供水功能時變性與人們對其穩(wěn)定性的期望之間矛盾。

第43頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

學者們提出，應當注意開發(fā)中的平衡技術，使水資源開發(fā)產生的環(huán)境負效應與預計取得的社會效益相平衡。為保證這種平衡的實現，應遵循三個不受損害的原則：供飲用的地下水源和土地生產力得到保護的原則；保護生物多樣性不受干擾的原則；可更新的淡水資源不過量開發(fā)的原則。第44頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

我國水資源問題的要害是人工系統與自然系統關系的失調，避免導致人工-自然復合系統的功能障礙，就必須正確地分析兩個系統的耦合關系，通過對人工系統結構的調整已順應自然系統演化規(guī)律，使人為活動與水資源、水環(huán)境彼此適應，達成和諧、協調的新關系。第45頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)地表水資源系統

一地表水系統的組成要素及結構

二

地表水資源的時空分布

第46頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月一地表水系統的組成要素及結構

1.地表水系統的組成要素

2.地表水系統的結構

3.地表水系統的形態(tài)結構特征第47頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

地表水資源系統是水資源系統的一個子系統，因其自身結構、環(huán)境等因素的不同，而其在整個水資源系統有其獨有的特點。第48頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月1.地表水系統的組成要素

地表水系統由水體和流域組合而成。河流、湖泊是分布最廣泛、也是最常見的地表水體。大多數情況下，湖泊與河流相通。湖泊可以是河流的源頭、中轉站或排泄場所，兩者在空間上組成網絡狀的水系。河流、湖泊中的水，除部分來自地下水的排泄外，絕大部分來自大氣降水。受地形和地表巖土透水能力的控制，大氣降水轉化的地表水徑流量也因地而異。第49頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

地形高低起伏形成若干低地，低地被較高的山脊和坡脊環(huán)繞，這些山脊和坡脊稱為分水嶺或分水線。在平原區(qū)，地表面的輕微凸起也可相連成分水線。

陸地表面被長短不一、高低錯落的不同等級分水線分割成大大小小的匯水區(qū)域——流域。域內的地形、坡面形態(tài)、地表巖性、植被覆蓋程度是流域的組成要素。除降水的影響外，它們的空間組合決定了河谷、河道、洼地的形態(tài)分布以及地表水的產流情況。第50頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2.地表水系統的結構

地表水系統的結構指地表水體與流域的空間形態(tài)及其相互作用聯系的方式。在地表水系統中，地表水與流域始終保持著相互依存的共生關系。這種關系表現在地表水流在輸送流域產流的同時，通過侵蝕、搬運、堆積作用改造著流域，使河道溝谷的坡降、寬度、長度不斷變化，坡面形態(tài)改觀，甚至會因溯源侵蝕過度發(fā)展，造成河流襲奪，擴大流域的范圍。第51頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月3.地表水系統的形態(tài)結構特征

（1）河道的分支性

河流分干流和支流，流入干流的支流稱一級支流，流入一級支流的支流稱二級支流，以此類推。不同級別的支流和干流匯合，形成水系或河網。水系的分支特征常用分叉系數和河網密度（drainagedensity）表征。一般來說，分叉系數越大的流域，河網密度也越大。第52頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第53頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）流域的嵌套性

任何一級支流都有相應的匯水流域。河流的分支級別與流域級別是一致的。

一個大的流域包含著若干個中等流域，而每個中等流域又包含眾多小流域。我們把不同級別流域疊置、嵌套的結構現象稱為嵌套性。第54頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）水流運動的單向性

地表水的運動嚴格受地形的控制，呈現出由高處向低處的流動。雨季時，當降水強度超過地表巖土的滲透能力時，會產生地面徑流。這種超滲產流沿坡向進入溝谷、河道，再從低級別支流向高級別支流傳遞，匯入干流。最終由干流的下游出口排出。旱季時，河道的水量主要由地下水的排泄量維持，基本沒有坡面產流，水流仍保持由低級別支流向高級別支流的單向運動。

第55頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）河槽的多變性

河槽（河床），是河谷中經常有水流的部分。山區(qū)河谷的形成受地殼運動和水流侵蝕的作用，發(fā)育過程一般以下切為主。斷面呈“V”形或“U”形，斷面狹窄，切割深，河床寬深比一般小于100：1，在峽谷段甚至小于（10：1）～（20：1）。河流的平面形態(tài)常見巨石突起，岸線及不規(guī)則，急變卡口眾多，開闊段與峽谷段相間出現。河床縱坡面坡度很大，形態(tài)不規(guī)則，急灘深槽上下交錯，河道中常出現臺階，形成瀑布。平原河流的河槽主要是受水流側向侵蝕作用，其平面形態(tài)常分為順直型、彎曲型、分汊型、游蕩型河段，平原型河流河床縱坡平緩，水面比降一般為0.01%~0.1%。第56頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月資料:渭河流域黃土分布面積廣泛，植被覆蓋條件差，夏季多暴雨，因此，水土流失嚴重，每年有大量泥沙沖入河床，致使渭河成為一條多沙性河流。根據歷史記載，秦朝和西漢時期，渭河水量充沛，河流航道通暢，船舶可直達咸陽和長安。東漢以后，渭河流域氣候趨于寒冷，自然植被遭受破壞，黃土區(qū)水土流失加重，航道阻塞，下游曲流相當發(fā)育。到隋王朝建立不久，因渭水泥沙經常使航道阻塞停滯，水路運輸困難重重，于開皇四年（公元584年），重開漕渠，自大興城（今西安）西引渭水，東至潼關入河?？梢姰敃r泥沙淤積問題比較突出。唐朝時期（公元670～741年）泥沙問題略有改善，漕運改用水陸交替使用，但困難仍然存在。天寶元年（742年），由于渭水淤積，韋堅又重開漕渠，取名廣運渠。太和元年（公元827年）和開成元年（公元838年）還幾次修過廣運渠。以上歷史資料，說明公元初年，尤其到五世紀，渭河下游沙苑以東是曲流發(fā)育、流淺沙深，河道隨環(huán)境和水沙條件的變化淤積時輕時重的狀況。第57頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第58頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月44年來長江干流江蘇段河道平均沖淤速率變化注:資料來自《長江干流江蘇段44年來河道沖淤變化的時空特征》地理學報地62卷第11期第59頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月長江干流江蘇段河道沖淤的時空變化第60頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月二地表水資源的時空分布

（一）地表水量的空間分布特點

（二）地表水在時間上分布特點第61頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月地表水系統是開放系統，與外界有著物質和能量的交換關系。大氣降水和地下水的輸入是其物質輸入的主要方式。地表水系統的結構對系統內部水量起著再分配的作用。它們的共同作用決定了地表水的時空分布特點。第62頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）地表水量的時空分布特點1.空間分布不均勻

降水與地表水產流的關系極為密切，一個地區(qū)降水的多寡直接影響著當地地表水資源的豐富程度。第63頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第64頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月東南沿海各省份是我國降水量最大的地區(qū)，也是徑流深和產水模數最大的地區(qū)；區(qū)內河流十分發(fā)育，河網密度一般超過12.7km/km2。我國中部地區(qū)降水中等，徑流模數和產水模數比全國平均值略高，處于中等偏上的水平。秦嶺-桐柏山-大別山以南及武陵山-雪峰山以東，河網密度多在0.5km/km2。西北地區(qū)是我國降水量最少的地域，產水模數遠遠低于全國的平均值，河網密度幾乎小于0.1km/km2。第65頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月地表水在空間上分布不均勻的特點不僅在全國范圍內表現出來，而且在一個流域中，諸如長江流域、黃河流域乃至更小的流域中都表現得十分突出。這主要是由地表巖土滲透型、坡度的陡緩及組合形態(tài)、植被覆蓋度和植物種類甚至迎風或背風的坡向等局部條件的差異所致。地表水主要集中在河道與湖泊中，不是以“場”的形式遍布空間。第66頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月除在降水的短暫時間內，坡面可以有薄層水流，大部分時間河間地卻無地表水。只有采用人工集水或挖渠引水的工程方可解決供水問題。在降水不足以形成明顯坡面產流的旱季，地表水的水量主要是由地下水的排泄量提供。河流、湖泊是流域里地勢最低的地方，在一定條件下，它們可以成為地下水的排泄基準面，為地下水補給地表水創(chuàng)造條件。第67頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于各流域河湖的高程不一，有可能地下水的排泄基準面位于河流的下游。在這種情況下，上游流域不僅得不到地下水補給，河流、湖泊反而成為地下水的補給源。有些小流域有常年性水流，有些小流域在旱季無地表水，或出現某一河段有水而某些河段無水的現象。在山區(qū)和內陸河流域，這種情況十分常見。

第68頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月由于地表水系統結構具有河道分支性和流域嵌套性的特點，所以河流的級別越高，納入的低級別支流數目越多，匯流區(qū)的范圍也越大，相應的斷面流量就大，表現出水量疊加的特點。應該指出，河流斷面的過水量是該段面以上各小流域產流總量。從水資源共享的道理上講，下游過水量應屬整個流域，不應僅屬于下游地區(qū)。

第69頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2.地表水在時間上的分布特點

降水在時間上分布不均勻是造成地表水水量變化顯著的主要原因之一。受季風氣候的影響，我國大部分地區(qū)都有雨季、旱季之分。雨季地表水流量大，一般會占全年地表徑流總量的70%～80%。旱季地表水流量銳減，一般僅占全年地表水總量的10%～20%，有的地區(qū)甚至小于5%。受多年降水量不均的影響，我國許多河流還存在連續(xù)多年少水與連續(xù)多年豐水的現象。少水期一般可持續(xù)10年左右，較平水年減少水量60%~70%，甚至100%。第70頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

在天然流域中，坡面面積占流域面積的比例遠遠超過河床與水體，可達80%～90%，地表水量主要靠大氣降水轉化的坡面漫流提供。粗糙的地面、滲透能力強的表土、平緩的坡度和茂盛的植被，均可延緩漫流形成。由于河水流量集中，流速快，河床狹窄，河流在空間上的調蓄能力不強。因此，從整體上說，地表水系統的水量調節(jié)功能不強，汛期河水洶涌，非汛期水量較小且相對平穩(wěn)。

第71頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

當地表水與地下水存在季節(jié)性的互補關系時，地表水的流量級差可以較小。例如，雨季地表水補給地下水，旱季地下水補給地表水，地表水的宏觀動態(tài)將相對平緩。此時，地表水系統水量的調節(jié)是通過地表水系統與地下水系統的水量耦合關系來實現的。地表水系統是不斷發(fā)展和演化的。所謂發(fā)展演化主要是指水系和下墊面形態(tài)的宏觀變化。在天然條件下，這種變化較為緩慢往往在數十年或數百年的時間里才可顯現出來。當研究的時間尺度較小時，可將地表水系統視為宏觀穩(wěn)定。第72頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月地表水量在空間上具有相對恒定的分布格局。相對穩(wěn)定的季節(jié)變化、降水均值、產流條件和流域面積，使每條河流的多年平均徑流量都維持在某一特定水平，并具有年與多年的波動周期，每個流域也具有徑流深，產流模數等相應的特征值。地表水的空間分布格局會因人為活動的干預在較短的時間內發(fā)生改變。第73頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

（二）地表水質的時空分布特點

地表水的天然水質包括水中的化學組分和水流攜帶的不溶性物質，主要是河流泥沙。我國有1/3的國土面積處于干旱半干旱地區(qū)，植被覆蓋率較低，多山地丘陵，且暴雨頻發(fā)，水土流失現象較突出，河水的泥沙含量普遍較高。黃河和長江的年輸沙量在世界大河中列為泥沙含量的前五名；尤其是黃河的產沙量居世界之首，尤其是黃河中游的各分支流域，土壤侵蝕模數可達到5000～20000t/(km2·a)。

河流泥沙量有年內和年際變化，集中程度比徑流量更顯著。

第74頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

地表水中化學組分也具有明顯的地域分布特點，且與降水、流域下墊面的物質成分、地表水和地下水的關系緊密相關。地表水的礦化度、硬度及酸堿度在區(qū)域上顯示出由我國東南向西北遞增的總趨勢。浙江南部、福建北部和臺灣諸河礦化度均低于50mg/L；西北的某些河水礦化度高于1000mg/L，其他地區(qū)則介于300~1000mg/L之間?；春蛹扒貛X以南諸河總硬度往往低于85mg/L，屬軟水分布區(qū)；河北平原、鄂爾多斯高原、黃土高原和西北各內陸盆地，河水的總硬度超過250mg/L，為極硬水分布區(qū)；其余各地的河水總硬度介于兩者之間。河水的酸堿度（pH值），以東南沿海和東北地區(qū)最低，西北地區(qū)最高，全國范圍內的多年平均值在6.5~8.5之間。第75頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月地表水中的化學組分主要來自表層土壤風化母巖中的鹽分以及生物活動形成的有機質，它們通過地表產流和徑流過程帶入地下水體中。在地下水排泄的河段，地下水中的化學組分會隨水量的排出進入地表水。由于流域內各地段巖性不同，水巖相互作用的條件、作用的充分程度有別，生物活動和地下水補排條件不一，各支流，甚至不同河段的水質也會有明顯差異。地表水水質在時間上的分布特點主要表現為季節(jié)性和年際間的變化規(guī)律。第76頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月降水作為地表水的主要補給源，對地表水水質的影響是顯而易見的。干旱季節(jié)的雨水含鹽量較高，雨季雨水含鹽量較低。如華北平原，旱季雨水含鹽量一般在40mg/L以上，雨季則15~30mg/L。受其影響，雨季河水的礦化度相對較低。長年性河流旱季的水量主要由地下水提供，河水的水質在相當大的程度上取決于地下水的水質。此外，蒸發(fā)作用、土壤及沿河生物作用的活躍程度也對地表水水質的動態(tài)產生影響。

第77頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月結論：地表水水量和水質的時空變化規(guī)律取決于大氣降水、地表水系統的結構特征及地表水系統與地下水水量、水質的交換關系。第78頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)地下水資源系統

一地下水系統的組成要素及結構

二地下水系統與地下水流動系統

三地下水資源的分布特征

第79頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月一地下水系統的組成要素及結構

1.地下水系統的組成要素2.地下水系統的結構

第80頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

地下水主要是指賦存與巖石空隙中水，包括重力水、毛細水和結合水。重力水在巖石圈淺部分布最為普遍，數量最多，并以水流的形式在巖石中運動著。它是人類生活與生產供水的取用對象。這里所討論的水資源主要是指重力水。地下水以系統的形式分布在自然界中，但系統結構和水流的運動方式與地表水有著很大差別。

第81頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月1.地下水系統的組成要素

地下水系統的組成要素有：

一是：有賦存與巖石空隙中并不斷運動著的水；二是：具有空隙的巖層。（注：地表水—水體、流域）

第82頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月根據埋藏條件，地下水可劃分為淺水和承壓水。從成因的角度地下水又可區(qū)分為滲入水、沉積水和內生水。地下水還可按巖層空隙的形態(tài)分為孔隙水、裂隙水和巖溶水。第83頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

滲入水是現代大氣降水和地表水下滲補給形成的地下水，大部分位于陸地的淺部，具有水交替活躍、積極、運動速度較快的特點。

沉積水是沉積過程中與沉積物同時保存下來的地下水，它可被滲入水驅替、排出，但速度緩慢。在沉積過程中，隨著上覆堆積物的厚度不斷增大，下部沉積水也會因地層骨架壓密固結而被擠入上部含水層中，所以，這類水又稱埋藏水。內生水是地球深部地質作用（如巖漿分異）等原因形成的地下水，對這類水的形成規(guī)律和分布特點目前研究得還不夠深入。第84頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月地下水不能離開巖層而獨立存在，它的賦存形式與運動狀態(tài)都與巖層的空隙特征有著極為緊密的聯系。因此，空隙巖層被稱為介質，并成為地下水系統不可或缺的組成部分。第85頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月介質的空隙有孔隙、裂隙、溶穴三種基本形態(tài)。他們以一定的組合方式存在于巖石中，如只發(fā)育孔隙的松散堆積物被稱為多孔介質。原生空隙與裂隙組合的固結巖石稱雙重介質，而在碳酸鹽巖中還可有孔隙、裂隙、溶穴并存的情況。

第86頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于地層的巖性與空隙的種類、發(fā)育程度有一定的內在聯系，可以根據巖性大略鑒別哪些為透水（含水）巖層，哪些是隔水巖層。

必須注意：通常所講的透水層或隔水層均是相對的概念，任何一種巖石都不可能是絕對不透水的，所謂的隔水層只不過是透水能力較差而已。第87頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月在地下水系統中，含水介質與隔水介質并非都是以連續(xù)穩(wěn)定的層狀形態(tài)分布的，即使是沉積巖，也存在“同時異相”的問題，這一點在松散的陸相堆積物中表現得尤為突出。

除巖層本身的性狀外，構造運動對介質的空隙發(fā)育程度及其展布方向起到一定的控制改造作用，如褶皺、斷裂等。第88頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月嘉峪關東西盆地斷層第89頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月結論：

地下水系統中的空隙分布格局是極其復雜的，地下水系統內部的水流運動特征，水量及水質的分布規(guī)律也因地而異，不可能依據某種通用的標準進行調查研究，而是具體條件具體分析，查明地下水分布埋藏特征和補、徑、排規(guī)律，深入地研究地下水系統的結構才是問題的關鍵。第90頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2.地下水系統的結構

地下水系統的結構可以分為兩類，即硬結構和軟結構。第91頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

硬結構

是指介質的空隙特征及其空間分布格局。它與地層的成因、巖相分布、巖性、地質構造及地貌特征有直接的關系。之所以把介質的機構稱為硬結構，是因為與地下水水量、水質的時空變化相比，他們顯得更為穩(wěn)定、固化。

第92頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

軟結構

是指地下水的運動形式、水量與水質的時空分布格局及不同子系統間水量、水質的交換關系。由于地下水具有動態(tài)變化，且在人類活動的干擾下，地下水的補給、徑流、排泄特征以及各種水量交換關系會發(fā)生改變，顯得較“軟”，故稱軟結構。

第93頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月地下水系統中的兩種結構是密不可分的，無論是研究地下水系統的水量、含鹽量、熱量均衡和時空變化規(guī)律，還是評價地下水資源、制定開發(fā)利用方案，都需將兩者一并考慮。但由于研究的目的不同，在實際工作中有時會側重硬結構的分析，而有時候又會側重軟結構的分析。第94頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月二地下水含水系統與地下水流動系統

地下水系統有兩種類型，即地下水含水系統和地下水流動系統。第95頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第96頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月1.地下水含水系統

（1）地下水含水系統定義

由邊界圈圍的、具有統一水力聯系的含水地質體。一個含水系統往往有含水介質和相對的隔水介質組成，它既包括飽水帶又包括非飽水帶。由該定義可以看出，所謂地下水含水系統，嚴格地說，應稱為地下水匯水含水系統。第97頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）含水系統的結構地下水含水系統在概念上更側重于介質的透水性和不同介質的空間組合形態(tài)，即硬結構。這對于闡明地下水的分布埋藏特征和補給、徑流、排泄的宏觀規(guī)律方便、直觀，易于被人們理解。第98頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月根據不同的地質背景條件，地下水含水系統又可分為基巖含水系統和松散堆積物含水系統。基巖含水系統由固結成巖的地層組成，巖層的透（含）水性主要取決于構造裂隙的發(fā)育程度。原生空隙除少數巖漿巖外，一般水文地質意義不大。第99頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

脆性層狀巖層（如灰?guī)r、白云巖、砂巖），張性裂隙發(fā)育，且連通性好，常稱為良好的含水介質。柔性巖層（如頁巖、泥巖），裂隙雖密集，但裂隙寬度小且切穿性差，仍保留相對隔水的特性。塊狀巖石（巖漿巖、變質巖），構造裂隙發(fā)育，隙間距大且不均勻，可能出現若干互不連通的裂隙系統，各系統之間無明顯水力聯系，形成所謂脈狀裂隙水。第100頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月在基巖含水系統中，含水介質的分布,埋藏條件與地層的層序、構造關系密切。在一定的條件下，某一含水巖層具有獨立的補、徑、排過程，可成為獨立的含水系統。而在大多數情況下，各巖層通過裂隙斷裂相互溝通，共同參與地下水的補、徑、排的活動。由于裂隙巖溶發(fā)育程度不一，開放程度的差異，不同巖層或在統一巖層的不同地段上會存在相對富水和相對貧水的區(qū)別以及水交替快捷、活躍和相對滯緩的分帶現象。第101頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第102頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）含水系統的邊界基巖含水系統是相對獨立的含水地質體，因而，系統邊界的確認是系統分析的又一重要內容?；鶐r含水系統的邊界應包括東、西、南、北、上、下六個界面，由于系統的總體性狀很復雜，邊界數目或多或少，不一定都呈六面體。第103頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

邊界的性質主要分為相對隔水的或透水的。基巖的頂面是上部邊界，當透水巖層出露地表或直接與含水的松散堆積物接觸時，該邊界面是透水邊界。若相對隔水巖層處在同樣位置上，則為相對隔水邊界。基巖含水系統的邊界類型如圖2-10所示。第104頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第105頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

松散堆積物含水系統大都發(fā)育在新生代構造沉降盆地或沉降帶中。堆積物的厚度、巖性分布與地形地貌關系密切。由于形成的時代新，構造活動的影響微弱，未經歷成巖階段，介質中的空隙（如卵礫石、砂礫石、中粗砂等）具有良好的導水和儲水特性，常常構成良好的含水介質。第106頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

松散堆積物含水系統的內部結構十分復雜，卵礫石和砂礫石廣泛分布在大型沖洪積扇的進山前地帶，形成的時代可跨越整個第四紀，各代之間沒有明顯的巖性分界面，總厚度大，水力聯系密切。從介質的總體形態(tài)上來看，它是一個統一的含水體。在某一垂向剖面上，含水介質和相對隔水的介質往往呈現出似層非層，似透鏡體又非透鏡體的組合特點。第107頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第108頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

處于構造沉降盆地的松散堆積物含水系統，通常被盆地側緣和底部的基巖圍限。若基巖相對隔水，這些邊界則為相對隔水邊界。當邊界面為基巖含水層與松散堆積物含水層的界面時，邊界為透水的。松散堆積物含水系統的頂部邊界是地表面。該邊界是地下水系統與大氣、地表水系統進行物能交換的界面。

第109頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第110頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第111頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月一個完整的松散堆積物含水系統往往具有很大的規(guī)模，而實際研究區(qū)的范圍可能要小得多。因此，松散堆積物含水系統的內部結構十分復雜，而地下水流動系統的概念為處理這類問題提供了理論和分析方法。第112頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2.地下水流動系統

地下水流動系統是只有源到匯的流面群構成的，具有統一時空演變過程的地下水統一體。地下水流動系統的概念是以地下水系統的軟結構的認識為基礎的。第113頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

地下水流動系統的分析，可以用定性和半定量的方法，也可用定量計算的方法。定性和半定量的方法是利用野外勘察獲取的水頭等值線圖、水壓-深度曲線圖以及測高曲線等，通過對壓力增量的分析或利用具有代表性的水化學資料來推斷，這種方法適用于區(qū)域大、資料點少的情況。定量計算的方法主要是通過數值模擬得出的網流圖（見冰溝例子）來分析，這種方法需要的資料較多，研究結果也更精確。第114頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

地下水從補給區(qū)向排泄區(qū)的運動，由連接源與匯的流面反映出來。流面有方向，而長度不一，流面群有疏有密，根據這些特點可以判斷地下水質點的運移方向、徑流途徑和強度。源與匯等級的差別，區(qū)域的源對應于區(qū)域的補給區(qū)，局部的源對應于局部的補給區(qū)。第115頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

匯，包括天然的地下水滲出帶、泉和人工抽水的井，也有相應的等級差別。在一個軟結構復雜的地下水系統中，存在著由不同流面群外包面圈閉的局部流動子系統、中間流動子系統和區(qū)域流動子系統。區(qū)域流動系統中嵌套著中間流通系統，中間流動系統由嵌套局部流動系統，從而表現出地下水系統軟架構的嵌套（層次）特點。第116頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月由于流面是一種沒有水流穿越的界面，各級源匯間最長的流面及流面群的外包面就是各級子系統的不透水邊界。具有相同等級的不同子系統也按外包面來劃分自己的流場范圍。地下水流動系統的研究對認識地下水的補、徑、排過程，水量、水質的分布及其動態(tài)變化有著十分重要的實用價值，而在確定地下水系統的內邊界時也是一種有效的方法。第117頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月三地下水資源的分布特征

1.地下水分布的地域性

2.地下水在系統中的分帶性3.地下水的動態(tài)變化

第118頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月地下水資源以系統的形式埋藏、分布。作為開放系統，其數量和質量既與氣候、水文地質條件有密切聯系，表現出地域性的分區(qū)特點，又在地下水系統的結構控制下，具有明顯的分帶性。第119頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月(一）地下水分布的地域性

降水作為地下水的重要補給來源，其數量多寡直接影響地下水資源的數量。我國年降水量分布不均，總的特點是東南部濕潤多雨，向西北內陸逐步遞減。因此區(qū)域地下水的補給模數也具有大體相同的分區(qū)特點。由于地形和地質條件不同，各地地下水類型和水量分布狀況相差較大第120頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月氣候類型年降水量/mm區(qū)域地下水補給模數/[104m3/(km2·a)]十分濕潤區(qū)＞160030~50（巖溶發(fā)育區(qū)）濕潤區(qū)800~160020~25半濕潤區(qū)400~8005~156半干旱-干旱區(qū)＜400~2001.9~6.9我國降水分布及區(qū)域地下水補給模數

第121頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月1.我國孔隙水的分布

我國孔隙水以昆侖山-秦嶺-淮河一線為界，分為南北兩個大區(qū)。北區(qū)多發(fā)育大型的新生代構造盆地，這些盆地面積巨大，松散沉積物厚，蘊藏豐富的地下水，是我國孔隙水的主要分布區(qū)。其中，西部各內陸盆地如塔里木盆地、柴達木盆地的四周高山區(qū)常年積雪，降水量偏多，盆地邊緣的沙礫石層往往具有良好的地下水補給源，而且蓄水和徑流條件甚佳，水質較好，為理想的取水地段。盆地中部氣候干旱，介質顆粒較細，地下水埋藏較淺，積鹽明顯，淺層水礦化度高。第122頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月降水量總體上偏小，使這些盆地的產水模數一般為（5～7）×104m3/（km2·a），是諸盆地中水資源最貧乏的地區(qū)。我國中東部的構造盆地分布有黃淮海平原、松遼平原、長江三角洲平原等，地域廣闊，降水量較多，地下水蘊藏量豐富，區(qū)域地下水產水模數大于全國平原區(qū)的產水模數[9.4×104m3/（km2·a）]。第123頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2.我國巖溶水的分布

我國巖溶水的分布，以長江為界大體分為兩個大區(qū)。在南方，巖溶水主要賦存在晚古生代和早中生代的碳酸鹽巖地層中。該區(qū)地質構造多為短軸緊密褶皺，降水充沛，植被茂密，巖溶化強烈且分異明顯，碳酸鹽巖底層的含水層極不均勻。地下水往往集中在溶洞和暗河管道中，并以小型構造為單元形成相對獨立的巖溶水系統，地下水的補給模數可高達（30~50）×104m3/（km2·a）；但在地表巖溶發(fā)育的地區(qū)，往往因降水和地表水的嚴重漏失而成為缺水地區(qū)。

第124頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月在北方，巖溶水主要分布在早古生代寒武紀和奧陶紀的碳酸鹽巖中，巖溶化程度較南方低，含水介質兼有巖溶和裂隙的雙重結構，呈溶隙網絡狀，連通性好，整個網絡系統具有密切的水力聯系，可形成統一的流場。在大的構造控制下，巖溶水系統的規(guī)模巨大，水量豐富，動態(tài)穩(wěn)定，使許多城市和大型企業(yè)供水的開發(fā)對象。第125頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月3.我國基巖裂隙水的分布基巖裂隙水在我國分布面積大，大部分賦存于巖漿巖的淺表層和砂巖之中，除在構造破碎強烈的地帶可見到豐富的地下水外，一般含水層稍差，水量不十分豐富。第126頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）地下水在系統中的分帶性

現以洪積扇為例來討論地下水在系統中的分帶性。

第127頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

第128頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月流動系統中水流的運動特征和水化學垂向變化與分帶特點表現得更為突出、直觀。由圖2-12可以看出，地下水量與水化學組分的空間分布具有以下特點：第129頁，課件共143頁，創(chuàng)