水文地质学基础第八章

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1、水文地质学基础Fundamentals of Hydrogeology.第八章第八章 地下水系地下水系统8.1 8.1 系系统概念概念8.2 8.2 地下水系地下水系统的概念的概念8.3 8.3 地下水含水系地下水含水系统8.4 8.4 地下水流地下水流动系系统. .提出提出：2020世世纪4040年代年代贝塔朗菲提出塔朗菲提出一般系一般系统论应用用：2020世世纪50-6050-60年年代代应用用系系统工工程程解解决决复复杂问题取取得得重重大大成成功功以以来来，系系统思思想想与与系系统方方法法广广泛泛地地渗透到各学科渗透到各学科领域。域。系系统思想与方法的核心：思想与方法的核心： 把把所所研

2、研究究的的对象象看看作作一一个个有有机机的的整整体体 ( (系系统) )，并从整体的角度去考察、分析与，并从整体的角度去考察、分析与处理事物。理事物。8.1 系系统概念概念. .系系统的定的定义: : a.系系统 “由相互作用和相互依由相互作用和相互依赖的若干的若干组成部分成部分结合而成的具有特定功能的整体合而成的具有特定功能的整体”。 b.b.系系统方法方法认为：不：不应将系将系统理解理解为各各组成部成部分分( (要素要素) )的的简单集合集合, ,而而应将其理解将其理解为诸要素要素以一定以一定规则组织起来并共同行起来并共同行动的的整体整体。. .c.c.系系统的的结构构 ：系系统内部各要素

3、相互内部各要素相互联系和作用系和作用的方式的方式系系统的的结构构d.d.近代自然科学近代自然科学长期以来采用的方法期以来采用的方法: : 将将所所研研究究的的事事物物精精细地地分分析析为各各个个互互不不关关联的的独独立立部部分分，分分别加加以以研研究究，把把各各部部分分研研究究结果果之之和和，作作为对所所研研究究事事物物整整体体的的认识。 实质是是将将研研究究对象象当当作作诸要要素素简单累累加加而而成成的的集集合合，而而没没有有将将其其看看成成一一个个有有机机整体整体。 . .一一个个系系统，不不仅内内部部诸要要素素存存在在着着相相互互作作用用，而且而且还与外部与外部环境境发生相互作用生相互作

4、用。 系系统接接受受环境境的的物物质、能能量量或或信信息息的的输入入，经过系系统的的变换，再再向向环境境产生生物物质、能量或信息的能量或信息的输出出 。系系系系 统统输入输出（物质、能量、信息）（物质、能量、信息）. .激励与响激励与响应的概念：的概念： 环境境对系系统的作用称的作用称为激励激励，系，系统在接在接受激励后受激励后对环境的反作用称境的反作用称为响响应。 环境的境的输入入( (激励激励) )经过系系统的的变换而而产生生对环境的境的输出出( (响响应) )，该变换取决于系取决于系统的的结构。构。系系统激励激励响响应. .结论： 分析系分析系统输入与入与输出出( (激励与响激励与响应)

5、 )的的对应关系有助于了解系关系有助于了解系统结构。构。 对系系统结构的了解有助于构的了解有助于预测激励激励 响响应关系。关系。. .8.2 地下水系地下水系统的概念的概念一、地下水系一、地下水系统概念的概念的产生生“地下水系地下水系统”的出的出现： 系系统思想与方法的渗入；思想与方法的渗入；水文地水文地质学学发展的展的必必然然产物物。 初初期期 解解决决“找找水水”问题，只只注注意意井井附附近近小小范范围内含水内含水层的状况。的状况。 发展展 开开采采规模模增增长，须将将整整个个含含水水层作作为研究研究对象。象。. .研研究究地地下下水水时，必必须将将若若干干个个含含水水层与与其其间的的弱弱

6、透透水水层合合在在一一起起看看作作一一个个完完整整的的单元元（系系统），便便出出现了了“含含水水层系系统”、“含含水水系系统”等等，同同时，也形成了，也形成了地下水地下水资源源的概念。的概念。 近年来出近年来出现的与水文地的与水文地质学有关的学有关的问题： 地地下下水水资源源枯枯竭竭、地地面面沉沉降降、海海水水入入侵侵、淡淡水水咸咸化化、地地下下水水污染染、土土壤壤沙沙化化、植植被被衰衰退退一一系列与地下水有关的系列与地下水有关的环境生境生态问题。. .二、地下水系二、地下水系统的概念的概念地下水系地下水系统的的组成要素：成要素： 有有赋存于岩石存于岩石空隙中并不断运空隙中并不断运动着的水着的

7、水； 具有具有空隙的岩空隙的岩层。地下水系地下水系统包括：包括： 地下水含水系地下水含水系统 地下水流地下水流动系系统. .地下水系地下水系统的的结构分构分类: : 硬硬结构构： 指指介介质的的空隙特征空隙特征及其及其空空间分布格局分布格局。 因因为地地层、分布、岩性、地、分布、岩性、地质构造及地貌特征构造及地貌特征是是稳定、固化不定、固化不变的的硬硬结构构。 软结构构： 指地下水的指地下水的运运动形式形式、水量与水、水量与水质的的时空分布空分布格局格局及不同子系及不同子系统间水量水水量水质的的交交换关系关系。 因地下水的因地下水的补给、径流、排泄特征以及各种水、径流、排泄特征以及各种水量交量

8、交换关系会关系会发生改生改变，显得得较“软”软结构。构。. .地下水含水系地下水含水系统： 由由隔水隔水或或相相对隔水隔水岩岩层圈圈闭的的，具有具有统一一水力水力联系的含水岩系系的含水岩系。. .地下水含水系地下水含水系统的分的分类： 基岩基岩含水系含水系统 松散堆松散堆积物物含水系含水系统. .地下水流地下水流动系系统： 由由源源到到汇的的流面群流面群构成构成的，的，具有具有统一一时空演空演变过程的地下水体程的地下水体。地下水的源地下水的源汇运运动： 补给区区 源；源； 排泄区排泄区 汇。 地下水从补给区向排泄区的运动，由连接源与汇的流面反映出来。. .三、地下水含水系三、地下水含水系统与流

9、与流动系系统的比的比较 含水系含水系统地下水系地下水系统 流流动系系统两者从不同角度出发,揭示了地下水赋存与运动的系系统性性(整体性)。. .含水系含水系统整体性的体整体性的体现：它具有它具有统一的水力一的水力联系，系，该系系统作作为一个整体一个整体对外界的激励作出响外界的激励作出响应。 含水系含水系统是一个独立而是一个独立而统一的水均衡一的水均衡单元，可用于研究水量乃至元，可用于研究水量乃至盐量与量与热量的均衡。量的均衡。. .含水系含水系统的圈划：的圈划： 主要着眼于包主要着眼于包含水的容器含水的容器，通常以，通常以隔水或相隔水或相对隔水的岩隔水的岩层作作为系系统边界，界，它的它的边界属地

10、界属地质零通量面零通量面( (或准零通量面或准零通量面) )，系系统的的边界是不界是不变的的。. .基岩含水系基岩含水系统：基岩含水系基岩含水系统组成成： 由固结成岩的地层组成，岩层的透(含)水性主要取决于构造裂隙的发育程度。基岩含水系基岩含水系统是相是相对独立的含水地独立的含水地质体。体。基岩含水系基岩含水系统的的边界：界： 应包括东、西、南、北、上、下六个界面、西、南、北、上、下六个界面。因系统的总体形状很复杂，不一定都呈六面体，边界数目或多或少。 边界的性界的性质：相对隔水的或弱透水的。. .松散堆松散堆积物含水系物含水系统：发育部位：育部位：新生代构造沉降盆地或沉降带中。堆积物介质中的

11、空隙以孔隙为主。空隙直径较大的介质如卵砾石、砂砾石、中粗砂等具有良好的导水和储水的特性，常常构成良好的含水介质。松散堆松散堆积物含水系物含水系统的的边界：界： 顶部边界地表面。该边界是地下水系统与大气、地表水系统进行物能交换的界面。 底部边界基底. . .地下水流地下水流动系系统整体性的体整体性的体现： 具有具有统一的水流一的水流，沿着水流方向，沿着水流方向，盐量、量、热量与水量量与水量发生生规律的演律的演变，呈呈现统一的一的时空有序空有序结构构。 流流动系系统以流面以流面为边界界，属于，属于水力零通量面水力零通量面边界界，边界是可界是可变的的。. .嵌套嵌套( (层次次) )性性：在一个软结

12、构稍复杂的地下水系统中，存在着由不同流面群外包面圈由不同流面群外包面圈闭的的局部流局部流动子系子系统、中中间流流动子系子系统、区域流区域流动子系子系统。区域流动系统中嵌套着嵌套着中间流动系统，中间流动系统又嵌套又嵌套局部流动系统，从而表现出地下水系统软结构的嵌套(层次)特点。. .级次性次性 含水系统与流动系统都具有级次性次性,任一含水系统或流动系统都可能包含不同级次的子系子系统。图3：一沉积盆地,构成一个含水系含水系统。. .该图显示：示： 含水系含水系统分分为两个子系两个子系统、； 沉沉积盆地盆地发育有两个流育有两个流动系系统A A、B B；图中看出：中看出： 同一空同一空间，含水系，含水

13、系统与流与流动系系统的的边界是界是相互交叠相互交叠的；的； 两个流两个流动系系统均穿越了两均穿越了两个子含水系个子含水系统； 在流在流动系系统B B中，区域流中，区域流动系系统的流的流线穿越两个子含水系穿越两个子含水系统，局部与中，局部与中间流流动系系统的的发育限于上部的子含水系育限于上部的子含水系统之之中中 。 . .比比较：图4 4与与图3 3同一个沉同一个沉积盆地，盆地，但流但流动系系统在人在人为影响下会影响下会发生很大生很大变化。化。 人工开采影响下人工开采影响下, ,整个含整个含水系水系统中形成了中形成了一个新的流一个新的流线指向盆地中心的指向盆地中心的辐辏式地式地下水流下水流动系系

14、统, ,原来的流原来的流动系系统全都消失了。全都消失了。 显然然, ,由于由于强烈的烈的势场变化化, ,流流线普遍穿越了相普遍穿越了相对隔水隔水层。但无。但无论人人为影响加影响加强到到什么程度什么程度, ,不会超越大的含水不会超越大的含水系系统边界。界。. .从以上的从以上的讨论可看出：可看出： 控制含水系控制含水系统发育的育的，主要是，主要是地地质结构构( (沉沉积、构造、地、构造、地质发展史展史) )； 控制地下水流控制地下水流动系系统发育的育的主要是主要是水水势场。 在天然条件下，自然地理因素（地形、水文、气候）控制着势场，因而是控制流动系统的主要因素。 . . 8.3 地下水含水系地下

15、水含水系统 含水系统发育主要受到地质结构的控制，故松散沉积物构成的含水系统与坚硬基岩构成的含水系统有一系列不同的特征。松散沉积物含水系统的特征坚硬基岩含水系统的特征. .松散沉松散沉积物含水系物含水系统的特征的特征发育于育于近代构造沉降的堆积盆地之中；边界界通常为不透水的坚硬基岩。含水系统内部一般不存在完全隔水的岩层,仅有相对隔水层,并包含若干由相对隔水层分隔开的含水层。含水层间既可通过“天窗”,也可通过相对隔水层越流产生广泛的水力联系。但在同一含水系统中各部分的水力联系程度有所不同。. .例如：例如：山前洪山前洪积平原平原 多由粗颗粒的卵砾石构成,极少粘性土层,水力联系较好。远离沉积物源区的

16、冲积湖积平原,粘性土层比例较大,水力联系减弱。且愈往深部,水流途径愈长,需要穿越的粘性土层愈多,水力联系更为减弱(图5a5a）。. .坚硬基岩含水系硬基岩含水系统的特征的特征发育于育于一定的地质构造之中，褶皱或断层，或两者兼有之。基岩往往包含有厚而稳定的泥质岩层，构成隔水层。. .a.一个独立的含水层就构成一个含水系统(图b b)。. . b.岩相变化导致隔水层尖灭( (图c c)，或导水断层使若干含水层发生联系时(图d d)，则数个含水层构成一个含水系统。 这种情况下，含水系统各部分的水力联系是不同的。另一方面，同一个含水层由于构造原因也可构成一个以上的含水系统(图b b、c c)。. .含

17、水系统是由隔水或相对隔水岩层圈闭的，并不是说它的全部边界都是隔水或相对隔水的。除了极少数构造封闭的含水系统(图e e)外，通常含水系统总有某些向环境开放的边界，以接受补给与进行排泄。 例例如如：不同地质结构的含水系统以透水边界邻接是常见的。虽然这时相邻含水系统之间水力联系相当密切，但因两者水的赋存与运动规律不同，仍有必要区分为不同的含水系统 (图中中a a、c c)。. .8.4 地下水流地下水流动系系统一、地下水流一、地下水流动系系统的由来的由来长期以来,水文地质学忽忽视地下水的垂向运地下水的垂向运动,把地下水流动看作平面二维的运动。如河间地块流网。. .第一个明确指出地下水存在垂直运第一个

18、明确指出地下水存在垂直运动的是赫伯特。的是赫伯特。如如图一：河一：河间地地块流网流网图赫伯特赫伯特指出：排泄区的流排泄区的流线指向地下水面，指向地下水面，为上升上升水流；水流；补给区的流区的流线离开地下水面，呈下降水流离开地下水面，呈下降水流；只有在两者之只有在两者之间的的过渡渡带流流线才是水平才是水平的。的。 . .地下水流地下水流动看作平面二看作平面二维的运的运动地下水存在垂直运地下水存在垂直运动. .传统的画法（平面二的画法（平面二维）：）：回避了地下分水岭两侧流线向对立方向水平流动的矛盾而只表示了河间地块的一侧；同时，为了避免流线在排泄区上抬，有意使河谷谷底切穿隔水底板，且保持较高的河

19、水位。 实际上地下水总是由源到汇运动的，而源汇通常在含水层的上方，源汇处地下水流线垂向分布是合理的。. .1963年，托特托特以独特的形以独特的形式式发展了赫伯特的理展了赫伯特的理论： 在严格的假定条件下，利用解析解绘制了均质各向同性潜水盆地中理论的地下水流动系统。 新的新的结论： 在在均均质各向同性潜水盆各向同性潜水盆地地中出中出现了了三个不同三个不同级次次的流的流动系系统，局部的、中，局部的、中间的、区域的的、区域的。. .弗里弗里泽及威瑟斯及威瑟斯庞利用数值解得出了层状非均质介质中的地下水流动系。目前已出现了许多数值模拟地下水流动的程序,可以模拟二维、三维各向异性非均质介质的稳定与非稳定

20、流动。. .1980年,托特又托特又提出了提出了“重力穿重力穿层流流动”的概念,将流动系统理论全面推广到非均质介质场,并应用于分析油气的迁移与积聚。. .英英格格伦：分析了形成地下水流动系统的物理机制，建立了一套解决水质问题的地下水流动系统的概念与方法。与与传统的水文地的水文地质分析方法相比分析方法相比较： 地下水流动系统的分析方法更为程序化程序化，更为周密周密，从定性分析到定量模从定性分析到定量模拟联系比较密切。故以地下水系统理论为基本框架，融合传统水文地质分析方法，发展形成现代水文地质学。 . .二、地下水流二、地下水流动系系统地下水流地下水流动系系统理理论的的实质： 是以以地下水流网地下

21、水流网为工具工具，以势场及介介质场的分析为基础，将渗流渗流场、化学化学场、温度温度场统一于新的地下水流动系统概念框架之中。地下水流地下水流动系系统理理论的作用的作用：将本来似乎互不关联的地下水各方面的表现联系在一起，纳入一个易于被人们所理解的地下水空间与时间连续演变的有序结构之中，有助于从整体上把握地下水各个部分间及与环境间联系的完整图景。. .1.1.地下水流地下水流动系系统的水的水动力特征力特征驱动地下水运动的主要能量重力势能；重力势能来源于地下水的补给，即大气降水、地表水转化成地下水时，便将相应的重力势能加诸于地下水。. .地面入渗条件相同地面入渗条件相同时，不同地形部位重力，不同地形部

22、位重力势能的能的积累累仍有不同：仍有不同： 地形低洼地形低洼处地下水面达到或接近地表，地下水位地下水面达到或接近地表，地下水位的抬升增加地下水排泄（的抬升增加地下水排泄（转化化为大气水与地表水），大气水与地表水），阻止地下水位不断抬升。故地形低洼阻止地下水位不断抬升。故地形低洼处通常是通常是低低势区区势汇； 地形高地形高处，地下水位持，地下水位持续抬升，重力抬升，重力势能能积累，累，构成构成势源源。 因此，通常情况下因此，通常情况下地形控制着重力地形控制着重力势能的分布能的分布。. .流流动水体中的水水体中的水头特征：特征： 在静止在静止的水体中,各处的水头相等。 在流在流动的水体中，势源源处

23、流线下降，在垂直断面上自上而下水头愈来愈低，任一点的水头均小于静水压力。反之,在在势汇处,流线上升,垂向上水头自下而上由高而低,任一点的水头均大于静水压力。在中中间地地带，流线呈水平延伸，垂直断面各点水头均相等，等于静静水水压力力。. . .传统观点点认为：只有承压水才具有超过静水压力的水头,故只有在承压含水系统中,在一定的构造控制下才能打出自流井(图10a）。上面的上面的讨论可知：可知：潜水,在其上升水流部分同样是“承压”的,水头可以高出静力压力,若有合适的地形条件,同样可形成自流井(图l0b)。. .潜水盆地中多潜水盆地中多级次地下次地下水流水流动系系统： 存在存在a a、b b、c c三

24、个三个势的源的源汇。由于高度上。由于高度上abc,abc,因此因此a a是源是源,b,b、c c是是汇, ,存在存在abab、acac两个两个流流动系系统。 产生生bcbc流流动系系统的的一个必要条件一个必要条件在在bcbc的流的流动途径上途径上,ab,ab、acac两个系两个系统的水的水头均低于均低于bc,bc,否否则bcbc就不成立。就不成立。. .同一介同一介质场中地下水流中地下水流动系系统的的发育育规律律：同一介同一介质场中存在两个或更多的地下水流中存在两个或更多的地下水流动系系统时, ,它它们所占据的空所占据的空间大小取决于以下大小取决于以下两个因素两个因素: : (a)(a)势能梯

25、度能梯度(I),(I),等于源等于源汇的的势差除以源差除以源汇的的水平距离。水平距离。势能梯度愈大的流能梯度愈大的流动系系统占据的空占据的空间也愈大也愈大, ,反之亦然反之亦然; ; (b)(b)介介质渗透性渗透性(K),(K),透水性愈好透水性愈好, ,发育于其中育于其中的流的流动系系统所占据的空所占据的空间也愈大。也愈大。. .a-a-表示在透水性均一的介表示在透水性均一的介质场中中势能梯度相等能梯度相等的两个地下水流的两个地下水流动系系统在空在空间上平分秋色。上平分秋色。b-b-表示在均一介表示在均一介质场中中势能梯度能梯度较大的流大的流动系系统占据占据较大范大范围。. .c-c-表示两

26、个表示两个势能梯度相等的流能梯度相等的流动系系统发育于不均育于不均一介一介质场中，中，发育于透水性育于透水性较好的介好的介质中的流中的流动系系统占据了占据了较大空大空间。d-d-表明，在与表明，在与b b其它条件相同，但降低了隔水底其它条件相同，但降低了隔水底板后出板后出现了区域流了区域流动系系统。区域流。区域流动系系统与局部与局部流流动系系统的的发育状况取决于两者的育状况取决于两者的势能梯度。能梯度。. .e-e-当区域性地形坡度当区域性地形坡度不大而局部地形起伏不大而局部地形起伏大大时只只发育局部育局部流流动系系统。f-f-当局部地形起伏当局部地形起伏较小小时既既发育局部育局部流流动系系统

27、，也，也发育区育区域流域流动系系统。g-g-当地形条件不当地形条件不变，介介质场的透水性良好的透水性良好时只只发育区域系育区域系统. . 在各在各级流流动系系统中，中，补给区区的水量通的水量通过中中间区区输向向排泄区排泄区。因此，以。因此，以中中间区区为标准，准，补给区区是水分不足区，地表水稀少，地下水埋藏深度大，是水分不足区，地表水稀少，地下水埋藏深度大，土壤含水量低，多分布土壤含水量低，多分布耐旱植物耐旱植物；排泄区排泄区是水分是水分过剩区，地下水埋深浅，土壤含水量高，多沼剩区，地下水埋深浅，土壤含水量高，多沼泽、湿地与泉，多湿地与泉，多喜水植物喜水植物。在。在干旱区干旱区则出出现盐渍地，

28、地，多分布耐多分布耐盐植物。在岩植物。在岩层透水性特透水性特别良好的岩溶良好的岩溶发育区，育区，这种水分分布不均匀种水分分布不均匀现象尤象尤为突出。突出。. .2.2.地下水流地下水流动系系统的水化学特征的水化学特征地地下下水水流流动系系统中中，呈呈现地地下下水水化化学学成成分分时空空演演变的有序性的有序性。 水量与地下水流水量与地下水流动的信息都的信息都间接地体接地体现在在地下地下水水化学水水化学上。上。 所以，根据地下水的水化学所以，根据地下水的水化学场，可以回溯，可以回溯历史史上的地下水流上的地下水流动系系统。 . .地下水流地下水流动系系统中任一点的水中任一点的水质取决于下列因素取决于

29、下列因素(a)(a)输入水入水质；(b)(b)流程；流程；(c)(c)流速；流速；(d)(d)流程上遇到的物流程上遇到的物质及其可迁移性；及其可迁移性；(e)(e)流程上流程上经受的各种水化学作用。受的各种水化学作用。. .同一含水同一含水层或含水系或含水系统的水的水, ,可分属于不同的可分属于不同的流流动系系统或不同或不同级次流次流动系系统；水动力特征、水化学特征也不相同。同一含水同一含水层的两个泉：的两个泉： a泉水由局部流动系统补给,矿化度很低； b泉由区域流动系统补给,矿化度相当高。. .在在同同一一介介质场中中，不不同同流流动系系统以以及及同同一一流流动系系统不不同同级次次系系统的的

30、界界线两两侧，地地下下水水水水质有有可可能能发生生突突变。因为界线两侧的水来自不同地方，流经的岩层不同，流程长短与流速快慢也各不相同。不同流动系统水流相向处水动力圈闭带与相背分流处准滞流带，恰好是流束膨胀，流速迟缓之处，有利于各种溶解物、悬浮物、乳状物质、胶体物质在此积聚。. .地下水流地下水流动系系统的不同部位的不同部位, ,发生的主要化学作用生的主要化学作用. .溶滤作用存在于整个流程；局部流动系统、中间流动系统、区域流动系统的浅浅部属氧化部属氧化环境境,中中间系系统及局部系及局部系统的深部属的深部属还原原环境境(容易发生脱硫酸作用)；上升水流处因减压将产生脱碳酸作用；粘性土分布部位易发生阳离子交替吸附作用。不同流动系统的汇合处,将发生混合作用；在干旱条件下,排泄区将发生浓缩作用。尤其是区域地下水流动系统的排泄区,是地下水质处于多种作用影响下的复杂变化地段。. .3.3.地下水流地下水流动系系统的水温度特征的水温度特征在来自地壳深部大地热流的影响下，年常温带以下的等温线通常上低下高，呈水平分布。补给区区的下降水流受入渗水的影响，地温偏低。排泄区排泄区因上升水流带来深部热影响，地温偏高。等等温温线发生生变化化：补给区的下降，且间距变大；排泄区上抬，且间隔变小没有地热异常的地区，根据地下水温度的分布，可以判定地下水流动系统。 . . .