1、2022-6-102OUTLINE 系统的概念简介 地下水系统的概念 产生 概念的形成 含水系统与流动系统 地下水含水系统 地下水流动系统 由来 流动系统2022-6-103系统概念简介系统的思想和方法的本质是把研究对象看作一个有机的整体（即系统），并从整体的角度去考察、分析和处理相关问题。钱学森（1978）定义：系统是相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体。不应将系统理解为各组成要素的简单集合，而应该理解为诸要素以一定的规则组织起来，并共同行动的整体。系统内各要素相互联系和作用的方式称为系统的结构。系统与外界的相互作用：系统接受外界的物质、能量或其他信息的输入，经过系统
2、内部的相互作用与变换，再向外界释放物质、能量或其他信息。外界环境对系统的作用称为激励，系统接受激励后对环境的反应称为响应。响应的方式取决于系统内部的结构，即系统内部各要素的相互作用。2022-6-104 地下水系统概念的产生是水文地质学发展的必然地下水系统概念的产生是水文地质学发展的必然。 早期“找水”的水文地质学，只关心水井周围小范围含水层的情况，认为地下水取之不尽，地下水运动是稳定流； 以井群大规模开采地下水时期，不得不以整个含水层作为研究对象，认识到地下水运动属于非稳定流，但仍认为地下水的运动仅仅限于含水层内部，即所谓“含水层思维”； 当发现抽出的水量远远大于含水层所能供给的水量时，认识
3、到越流的存在，有了弱透水层的概念，此时的水文地质学才将若干个含水层和其间的弱透水层合在一起看作一个整体、一个单元，即一个系统。同时出现了“地下水资源”的概念。 地下水开采不仅会造成水资源的枯竭，还会引起一系列环境生态问题，地下水系统是更高一级系统的一个子系统。地下水系统概念的产生2022-6-105 地下水系统的不同概念 地下水含水系统：即指由隔水层或相对隔水层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系。 地下水流动系统：即指由源到汇的流面群构成的，具有统一时空演变过程的地下水体。 地下水系统既包含地下水含水系统，也包括地下水流动系统，二者从不同的角度出发，去揭示地下水赋存与运动的系统性、整体性。 统
4、一水力联系？ Please thinking, imaging 统一时空演变过程？Do you understand the expressions? 什么是流面群？Do you know it?地下水系统的概念2022-6-106两系统的共同之处：两者均摆脱了“含水层思维”，不再以含水层作为基本的功能单元和研究对象。含水系统超越了单个含水层，而是将若干个具有水力联系的含水层、相对隔水层组成的整体作为所研究的对象；流动系统突破了传统的地质边界的制约，而将具有统一时空演变过程的地下水流作为研究的对象与实体。无论含水系统，还是流动系统，都是具有层级的，任一个含水系统或流动系统都可以包含不同层级的子
5、系统，同时本身又是上一级系统的子系统。两系统的不同之处：含水系统的整体性体现在系统内部具有统一的水力联系，含水系统的圈化主要着眼于由隔水层或相对隔水层组成的含水“容器”，其边界属于或可看作地质零通量边界，是不可变的。流动系统的整体性表现在具有统一的水流，沿着水流，即流线的方向，系统内部发生有规律的变化，呈现统一的时空有序结构。系统以流面为边界，流面属于水力零通量边界，但是可变的。含水系统可看作是三维系统，流动系统属于四维系统。控制含水系统的是地质构造；控制流动系统发育的是系统的势场。地下水含水系统与流动系统的比较2022-6-107含水系统与流动系统的层级性：含水系统与流动系统的层级性及变化流
6、动系统在人为影响下会发生很大变化，但不会突破地质边界。2022-6-108含水系统发育主要受地质结构控制，是不是属于一个系统要看含水层/体之间存不存在水力联系。发育于松散沉积物中含水系统 发育于堆积盆地中的松散沉积物含水系统以不透水基岩为边界，内部以粘性土层作为相对隔水层将系统分割为次一级的子系统。 系统内不同含水层之间通过天窗或越流发生水力联系。 同一系统内，各部分的水力联系的程度不同。发育于基岩中含水系统 发育于一定的地质构造之中，一般系统内包含褶皱和/或断层。 有时一个含水层就构成一个独立的含水系统；或者一个含水层构成一个以上的含水系统；或者由于导水断层的连通，几个含水层构成一个含水系统
7、。核心是看是否具有水力联系！地下水含水系统2022-6-109松散沉积物中、基岩中的含水系统含水系统一般不是封闭的，通常以某种方式向外界开放，或地表，或地下不同含水系统的邻接。地下水含水系统2022-6-1010地下水流动系统地下水流动系统概念由来 传统水文地质学存在一个根深蒂固的概念：地地下水不存在垂直运动，下水不存在垂直运动，把地下水运动看作平面把地下水运动看作平面二维流。二维流。 1940年Hubbert 第一个明确提出地下水存在垂直运动。 对比两张河间地块流网图。2022-6-1011地下水流动系统地下水流动系统概念由来1963年Toth的工作：利用解析解绘制了均匀各向同性潜水盆地中理
8、论上的地下水流动系统，包含局部、中间和区域的三个层级的流动系统。地下水流动系统概念由来Freeze & Witherspoon 利用数值模拟得出层状非均质中地下水流动系统。1980年Toth提出“重力穿层流动”的概念。以及Engelen分析地下水流动系统的物理机制，建立了一套用于解决水质问题的地下水流动系统的概念和方法。2022-6-1012地下水流动系统 地下水流动系统实质上是以地下水流网为工具，以势场和介质场的分析为基础，将渗流场、化学场与温度场统一于一个新的地下水流动系统概念的框架之中。这样就将本来认为互不相关联的地下水各个方面的表现联系在一起，纳入一个易于被理解和接受的地下水空间与时间
9、连续演变的有序结构之中，有助于人们从整体上把握地下水各部分之间以及系统与环境之间相互联系的完整图景（张人权，1990）。2022-6-1013地下水流动系统的特征水动力特征： 对地下水来讲，驱动地下水运动的主要能量是重力势能；地下水的重力势能来源于地下水的补给，大气降水或地表水在补给地下水的同时，将重力势能储存于地下水。 即使入渗条件相同，不同地形部位重力势能的累积也有所不同。地势低洼之处，通常是低势区（势汇），地势高处，地下水水位随着补给而抬升，重力势能不断累积，构成势源。因此，是地形控制着重力势能的分布。 在流动的水体中，各地的水头一般并不相等。势源处流线下降，沿着流线方向，愈来愈多的势能
10、消耗于粘滞摩擦，因此，在垂直断面上自上而下水头越来越低，且都小于静水压力；在势汇处，流线上升，垂直向上水头自下而上由高到低，且都大于静水压力；中间地带，流线呈水平延伸，垂直断面各点水头均相等，且等于静水压力。 2022-6-1014地下水流动系统的特征水动力特征（续）： 为什么地下水可以由低处流向高处？ Engelens Explanation: 势能包括位能和变形能（或称为压势能包括位能和变形能（或称为压能），地下水在作向下运动时，除了消耗部分势能克服摩阻力外，能），地下水在作向下运动时，除了消耗部分势能克服摩阻力外，还有一部分势能以变形能的形式储存起来，在作上升运动时，则还有一部分势能以变
11、形能的形式储存起来，在作上升运动时，则又经过水的体积膨胀，将变形能释放出来以做功。又经过水的体积膨胀，将变形能释放出来以做功。 潜水是否承压？可否在潜水层中打出自流井？ 一般认为承压水才是一般认为承压水才是“承压承压”的，潜水不承受高出静水压力以上的压力。的，潜水不承受高出静水压力以上的压力。但流动系统的水动力特征看，在（潜水）流动系统的上升区，潜水同样但流动系统的水动力特征看，在（潜水）流动系统的上升区，潜水同样是是“承压承压”的，水头可以高出静水压力，只要地形合适，同样可以打出的，水头可以高出静水压力，只要地形合适，同样可以打出自流井。自流井。2022-6-1015地下水流动系统的特征水动
12、力特征（续）： 潜水盆地中多级次地下水流动系统的发育机制： 直观地可看出两个局部流动系统ab和ac。 区域流动系统bc的形成条件：ab与ac流线上的水头不高于bc上的水头，而且含水层足够厚。2022-6-1016地下水流动系统的特征水动力特征（续）： 同一介质场中地下水流动系统的发育规律： 流动系统所占空间与两个因素有关：1）势能梯度；2）介质的渗透性。 是否发育区域流动系统，还与含水层厚度有关。2022-6-1017地下水流动系统的特征水化学特征： 地下水流动系统任一点的水质取决于：1）输入系统的水质；2）流程；3）流速；4）流程上所遇到的物质及其迁移性；5）流程上所经历的各种水化学作用。
13、由第6章水化学知识可知：地下水的化学成分主要来源于流程上对流经岩土的溶滤，地下水在岩层中滞留时间越长，从周围岩土溶滤获得的化学组分就越多。 局部流动系统，流程短，流速快，地下水化学成分就比较简单，矿化度比较低； 区域流动系统的水，流程长，流速慢，成份复杂，矿化度高。 补给区流程短，矿化度不高；排泄区矿化度则比较高。2022-6-1018地下水流动系统的特征 水化学特征（续）： 由于流速与流程对水质的控制作用，在地下水流动系统中的不同部位，显示出很好的水化学分带性。 在地形复杂地区，同时存在局部、中间和区域流动系统的情况下，以垂直分带为主； 地形变化简单，只出现区域流动系统时，则以水平分带为主。
14、2022-6-1019地下水流动系统的特征水化学特征（续）： 传统水文地质学认为同一含水层中水质是比较均匀的，甚至认为可以根据水质来判断地下水是否属于同一含水层。这种认识对不对？ 同一含水层中的水可以分属于不同的流动系统，或者属于不同级次的流动系统，水动力特征和水化学特征可能很不相同。2022-6-1020地下水流动系统的特征水化学特征（续）： 相同介质场中，不同流动系统，或同一流动系统不同级次系统界限两侧的水质可能发生突变。Why? Understand? 在地下水流动系统的不同部位，发生的主要化学作用也可能不同。2022-6-1021地下水流动系统的特征水温度特征：地壳等温线以下，地温（水
15、温）通常是上低下高，呈水平分布。由于地下水流动系统的存在，补给区的下降水流受入渗水的影响，地温偏低；排泄区因上升水流受到深部热的影响，地温偏高。地下水流动系统中，补给区水温下降，梯度变小；排泄区上抬，间隔变小，梯度变大。但在地壳浅部但在地壳浅部（人类工程所影（人类工程所影响的有限范围响的有限范围内），这些差异内），这些差异可以忽略不计！可以忽略不计！2022-6-1022复习思考题地下水系统概念的形成过程；地下水系统、含水系统、流动系统的概念；地下水含水系统与流动系统的异同；地下水流动系统的水动力特征；地下水流动系统的水化学特征；潜水含水层中地下水为什么会做垂直上升运动？潜水含水层内可以打出自流井吗？为什么？归纳总结，请回答：传统水文地质学在对地下水的认识上与地下水系统的观点的主要区别是什么？2022-6-1023Any questions?徐徐 超超c_Tel:8621-65987079
