1、第八章第八章 地下水系统地下水系统（Groundwater system)8.1 地下水系统的概念地下水系统的概念8.2 地下水含水系统地下水含水系统8.3 地下水流动系统地下水流动系统第一节第一节 地下水系统的概念地下水系统的概念l 源于：系统论源于：系统论上世纪上世纪40年由贝塔朗菲提出年由贝塔朗菲提出l 发展于发展于2020世纪世纪8080年代，年代，在荷兰召开了首届关于地下水系统的国际学术讨论会（在荷兰召开了首届关于地下水系统的国际学术讨论会（5050个国个国家的家的200200多名代表参加）多名代表参加）8383年底荷兰水文与地质学家年底荷兰水文与地质学家G.B.EngelenG.B
2、.Engelen来华进行了讲学，来华进行了讲学，“地下水系统地下水系统”（在地质大学、河北正定水文所、北京水文地（在地质大学、河北正定水文所、北京水文地质公司）。质公司）。l 9090年代起：在中国水文地质学界得以迅速广泛的应用、研究年代起：在中国水文地质学界得以迅速广泛的应用、研究与完善（地矿部陈梦熊院士，长春地院的林学钰院士，中国与完善（地矿部陈梦熊院士，长春地院的林学钰院士，中国地质大学的地下水系统小组等）地质大学的地下水系统小组等）一、系统与系统方法一、系统与系统方法l 系统：系统：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的由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
3、体具有特定功能的整体相互作用，相互依赖相互作用，相互依赖不是各部分或零部件的简单堆集不是各部分或零部件的简单堆集整体整体功能大于局部（要素）之和功能大于局部（要素）之和l 系统方法：系统方法：用系统思想去分析与研究问题方法称之用系统思想去分析与研究问题方法称之l 系统思想：系统思想：就是把研究对象看作一个有机整体，从整体角就是把研究对象看作一个有机整体，从整体角度去考察、分析与处理问题的方法度去考察、分析与处理问题的方法l 系统目标系统目标 系统整体功能的最优化（不是局部的）系统整体功能的最优化（不是局部的）二、地下水系统二、地下水系统1、地下水系统、地下水系统是个广义的泛指概念是个广义的泛指
4、概念（1 1）地下水含水系统地下水含水系统 Groundwater aquifer system Groundwater aquifer system（2 2）地下水流动系统地下水流动系统 Groundwater flow systemGroundwater flow system地下水含水系统地下水含水系统是指有隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统是指有隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的一水力联系的含水岩系含水岩系 地下水流动系统地下水流动系统是指从源到汇的流面群构成的，具有统一时是指从源到汇的流面群构成的，具有统一时空演变过程的空演变过程的地下水体地下水体2、地下水含水系统与地下水流
5、动系统的地下水含水系统与地下水流动系统的比较比较a.两者的共同点两者的共同点:突破了把单个含水层作为功能单元的传统突破了把单个含水层作为功能单元的传统力求以力求以系统系统的观点去考察、分析与处理地下水体的观点去考察、分析与处理地下水体b.两者的不同比较两者的不同比较 含水系统含水系统 流动系统流动系统l根本不同根本不同 一个是静态系统 一个是动态系统 分类依据分类依据 根据储水构造划分的根据储水构造划分的 根据水的流动特征根据水的流动特征 以介质场为依据以介质场为依据 以渗流场为依据以渗流场为依据系统发育史系统发育史 共同的地质演变历史共同的地质演变历史 共同的地下水演变历史共同的地下水演变历
6、史 地层形成史一致地层形成史一致 水的补给径流统一水的补给径流统一边界性质边界性质 相对隔水的地质边界相对隔水的地质边界 流面流面(分水线分水线)构成水力边界构成水力边界 地质上的零通量面地质上的零通量面 水力零通量面水力零通量面系统的可变性系统的可变性 边界固定不变边界固定不变 边界可变边界可变,系统规模数目变系统规模数目变 不变不变静态的系统静态的系统 是可干扰的动态系统是可干扰的动态系统统一性统一性 统一的或潜在统一的统一的或潜在统一的 水盐热量时空演变是统一的水盐热量时空演变是统一的 水力联系水力联系研究意义研究意义 有助于从整体上研究有助于从整体上研究 有助于研究水量、水质有助于研究
7、水量、水质 水量盐量、热量的均衡水量盐量、热量的均衡 水温的时空演变水温的时空演变(尤其水质尤其水质)c.两者的关系：两者的关系：通常，一个大的含水系统可以包含若干个流动系统通常，一个大的含水系统可以包含若干个流动系统 两者都可以进一步划分为子系统两者都可以进一步划分为子系统分层次的：子系统是不同、大的系统是一致的分层次的：子系统是不同、大的系统是一致的流动系统在人为流动影响下，规模、数量均会发生变化流动系统在人为流动影响下，规模、数量均会发生变化受到大的含水系统边界的、制约，通常不会越出大的含受到大的含水系统边界的、制约，通常不会越出大的含水系统边界水系统边界III地下含水系统与流动系统的关
8、系地下含水系统与流动系统的关系第三节第三节 地下水流动系统 Groundwater flow systems(GFS)一、地下水流动系统一、地下水流动系统(GFS)概念概念 地下水流动系统地下水流动系统是指从源到汇的流面群构成的，具有统是指从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一时空演变过程的地下水体l早在早在1940年，年，Hubbert正确地画出了河间地块流网正确地画出了河间地块流网l1963年，年，J.Toth 用数学模型做了复杂盆地的潜水流网用数学模型做了复杂盆地的潜水流网以拉普拉斯方程为基础的数学解，二维稳定流动以拉普拉斯方程为基础的数学解，二维稳定流动,复杂地形条件
9、：正弦函数复杂地形条件：正弦函数+直线方程直线方程地形线代替水头值地形线代替水头值（势分布）（势分布）画出理想盆地的流动系统模拟图，画出理想盆地的流动系统模拟图，P87，图图8-7 GFS理论的两个前提：理论的两个前提：（1）区域水力连续性）区域水力连续性从较长的时间尺度与较大的空间尺度来考察问题从较长的时间尺度与较大的空间尺度来考察问题广大范围内的地下水存在着水力联系广大范围内的地下水存在着水力联系时间因素时间因素（2）控制地下水流动的是）控制地下水流动的是“势势”（地形），不是地质条（地形），不是地质条件件Toth认为：认为：从水力学角度看，地下水体的天然单元是地形盆地，而不是从水力学角度
10、看，地下水体的天然单元是地形盆地，而不是地质盆地地质盆地 驱动水流的势来自区域地形高处，水从地形高处向地形低处驱动水流的势来自区域地形高处，水从地形高处向地形低处运动运动子系统边界流线中间GFS区域GFS局部GFS流动系统划分为：流动系统划分为：局部流动系统局部流动系统-4；中间流动系统；中间流动系统-5；区域流动系统；区域流动系统-6；第三节第三节 地下水流动系统二、二、GFS的水动力特征的水动力特征 高势区（势源）高势区（势源）地形高处：地下水由上至下运动地形高处：地下水由上至下运动 低势区（势汇）低势区（势汇）地形低处：地下水由低向上运动地形低处：地下水由低向上运动 垂向运动中：垂向运动
11、中：由上至下，势能除克服摩擦消耗部分能量外，势能由上至下，势能除克服摩擦消耗部分能量外，势能压能转化；压能转化；由下至上，部分储存的压能释放转化为势能由下至上，部分储存的压能释放转化为势能 垂向运动的存在：传统的：传统的“承压承压”现象在潜水中也可以出现现象在潜水中也可以出现 流动方向的多样性：流动方向的多样性：由上至下，由下至上，水平运动 流动特征的伴生现象流动特征的伴生现象-生态、环境的关系生态、环境的关系第三节第三节 地下水流动系统三、三、GFS的水化学特征的水化学特征地下水流动系统的水力特征决定了水化学特征地下水流动系统的水力特征决定了水化学特征在流动系统中，水质取决于空间某点：在流动
12、系统中，水质取决于空间某点：入渗补给；流程入渗补给；流程流径长度；流速；流径长度；流速；流动过程中物流动过程中物质补充及迁移性；流程中经受的水化学作用质补充及迁移性；流程中经受的水化学作用局部：局部：流程短，流速快（交替快），流程短，流速快（交替快），M M低，水型简单低，水型简单区域区域：流程长，流速慢（交替迟缓），：流程长，流速慢（交替迟缓），M M高，水型复杂高，水型复杂垂直与水平分带性垂直与水平分带性水化学积聚区：相汇处水化学积聚区：相汇处 圈闭带，相背处圈闭带，相背处 准滞流带准滞流带矿化度，水型与水学形成作用方式，与水力特征相关一致矿化度，水型与水学形成作用方式，与水力特征相关一致
13、地下水流动系统中的水质演变地下水流动系统中的水质演变区域地下水流动及其伴生标志区域地下水流动及其伴生标志第三节第三节 地下水流动系统四、四、GFS的水温度特征的水温度特征 地温分布曲线受地温分布曲线受 水流作用影响水流作用影响上升水流产生上升水流产生正增温正增温下降水流产生下降水流产生负增温负增温 地下水流动系统的总结地下水流动系统的总结l地下水流动系统理论地下水流动系统理论其实质是以地下水流网为其实质是以地下水流网为工具工具，以势场介质场的分析为基础。以势场介质场的分析为基础。将渗流场、水化学场、将渗流场、水化学场、温度场统一温度场统一于新的地下水流动系统概念框架之中。于新的地下水流动系统概
14、念框架之中。l将传统认为互不相关联的地下水各方面的表现联系在将传统认为互不相关联的地下水各方面的表现联系在一起，纳入到一个有序的地下水空间与时间连续演变一起，纳入到一个有序的地下水空间与时间连续演变的结构之中，有助于人们从整体上把握地下的结构之中，有助于人们从整体上把握地下水质与量水质与量特征、地下水系统与环境之间联系特征、地下水系统与环境之间联系 -这一分析方法叫做这一分析方法叫做地下水系统方法地下水系统方法地下水流动系统图地下水流动系统图 第七章结束第七章结束 地下水含水系统流动系统图片欣赏地下水含水系统流动系统图片欣赏含水系统含水系统 Aquifer System 流动系统流动系统 Gr
15、oundwater Flow System 均质各向性潜水盆地中的理论流动系统均质各向性潜水盆地中的理论流动系统层状非均质介质中的地下水流动系统层状非均质介质中的地下水流动系统Groundwater Flow SystemFlow linesConfining bedsWellsWater tableMillenniaCenturiesDecadesYearsDaysDischargeareaUnconfinedaquifer ConfinedaquifersGroundwater Flow SystemYearsDaysDischargeareaWellsWater tableUnconfi
16、nedaquifer ConfinedaquifersFlow linesConfining bedsGroundwater Flow SystemDecadesYearsDaysDischargeareaWellsWater tableUnconfinedaquifer ConfinedaquifersFlow linesConfining bedsGroundwater Flow SystemCenturiesDecadesYearsDaysDischargeareaUnconfinedaquifer ConfinedaquifersWellsWater tableFlow linesConfining bedsGroundwater Flow SystemUnconfinedaquifer ConfinedaquifersFlow linesConfining bedsMillenniaCenturiesDecadesYearsDaysDischargeareaWellsWater table地下水流动系统中的水质演变地下水流动系统中的水质演变
