1、,LOGO,貴州大學(xué)水文與水資源工程教研室,Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ),第八章 地下水系統(tǒng) Groundwater system,Company Logo,8.3 地下水流動系統(tǒng),8.2 地下水含水系統(tǒng),本章內(nèi)容,8.1 地下水系統(tǒng)的概念,8.1 地下水系統(tǒng)的概念,源于：系統(tǒng)論上世紀(jì)40年由貝塔朗菲提出 發(fā)展于20世紀(jì)80年代， 在荷蘭召開了首屆關(guān)于地下水系統(tǒng)的國際學(xué)術(shù)討論會（50個國家的200多名代表參加） 83年底荷蘭水文與地質(zhì)學(xué)家G.B.Engelen來華進(jìn)行了講學(xué)，“地下水系統(tǒng)”（在我校、河北正定水文所、北京水文地質(zhì)公司）。 90年代起：在中

2、國水文地質(zhì)學(xué)界得以迅速廣泛的應(yīng)用、研究與完善（地礦部陳夢熊院士，長春地院的林學(xué)鈺院士，中國地質(zhì)大學(xué)的地下水系統(tǒng)小組等）,8.1.1 系統(tǒng)與系統(tǒng)方法,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 相互作用，相互依賴不是各部分或零部件的簡單堆集 整體功能大于局部（要素）之和 系統(tǒng)方法：用系統(tǒng)思想去分析與研究問題方法稱之 系統(tǒng)思想：就是把研究對象看作一個有機整體，從整體角度去考察、分析與處理問題的方法 系統(tǒng)目標(biāo) 系統(tǒng)整體功能的最優(yōu)化（不是局部的）,8.1.2 地下水系統(tǒng),1、地下水系統(tǒng)是個廣義的泛指概念 （1）地下水含水系統(tǒng) Groundwater aquifer syste

3、m （2）地下水流動系統(tǒng) Groundwater flow system 地下水含水系統(tǒng)是指有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 地下水流動系統(tǒng)是指從源到匯的流面群構(gòu)成的，具有統(tǒng)一時空演變過程的地下水體 2、地下水含水系統(tǒng)與地下水流動系統(tǒng)的比較 a.兩者的共同點: 突破了把單個含水層作為功能單元的傳統(tǒng)，力求以系統(tǒng)的觀點去考察、分析與處理地下水體,潛水承壓含水層,流網(wǎng)圖,潛水與承壓含水層含水系統(tǒng),河間地塊流網(wǎng)與流動系統(tǒng),系統(tǒng)的比較,b.兩者的不同比較 含水系統(tǒng) 流動系統(tǒng) 根本不同 一個是靜態(tài)系統(tǒng) 一個是動態(tài)系統(tǒng) 分類依據(jù) 根據(jù)儲水構(gòu)造劃分的 根據(jù)水的流動特征 以介質(zhì)場為依據(jù) 以

4、滲流場為依據(jù) 系統(tǒng)發(fā)育史 共同的地質(zhì)演變歷史 共同的地下水演變歷史 地層形成史一致 水的補給徑流統(tǒng)一 邊界性質(zhì) 相對隔水的地質(zhì)邊界 流面(分水線)水力邊界 地質(zhì)上的零通量面 水力零通量面 系統(tǒng)的可變性 邊界固定不變 邊界可變,系統(tǒng)規(guī)模數(shù)目變 不變靜態(tài)的系統(tǒng) 是可干擾的動態(tài)系統(tǒng) 統(tǒng)一性 統(tǒng)一的或潛在統(tǒng)一的 水鹽熱量時空演變統(tǒng)一的 水力聯(lián)系 研究意義 有助于從整體上研究 有助于研究水量、水質(zhì) 水量鹽量、熱量的均衡 水溫的時空演變(水質(zhì)),8.1.2 地下水系統(tǒng),c. 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) 兩者都可以進(jìn)一步劃分為子系統(tǒng) 分層次的：子系統(tǒng)是不同、大的系統(tǒng)是一致的

5、流動系統(tǒng)在人為流動影響下，規(guī)模、數(shù)量均會發(fā)生變化 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,兩者的關(guān)系,地下含水系統(tǒng)與流動系統(tǒng)的關(guān)系,Company Logo,8.2 地下水含水系統(tǒng),一、地下水含水系統(tǒng)概念（p8485） 地下水含水系統(tǒng)是指有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 二、不同類型的含水系統(tǒng)-（圖8-5） 松散沉積物 基巖裂隙巖層、巖溶地層,Company Logo,8.3 地下水流動系統(tǒng),8.3.1 地下水流動系統(tǒng)（GFS）概念 地下水流動系統(tǒng)是指從源到匯的流面群構(gòu)成的，具有統(tǒng)一時空演變過程的地下水體 早在1940年，Hubbert正確地畫出了河間

6、地塊流網(wǎng) 1963年，J.Toth 用數(shù)學(xué)模型做了復(fù)雜盆地的潛水流網(wǎng) 以拉普拉斯方程為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)解，二維穩(wěn)定流動 復(fù)雜地形條件：正弦函數(shù)+直線方程地形線代替水頭值（勢分布） 畫出理想盆地的流動系統(tǒng)模擬圖，P87，圖8-7,流動系統(tǒng)劃分為：,局部流動系統(tǒng)？個；中間流動系統(tǒng)？個；區(qū)域流動系統(tǒng)？個；,GFS理論的兩個前提：,（1）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)系時間因素 （2）控制地下水流動的是“勢”-地形，不是地質(zhì)條件 Toth認(rèn)為： 從水力學(xué)角度看，地下水體的天然單元是地形盆地，而不是地質(zhì)盆地 驅(qū)動水流的勢來自區(qū)域地形高處，水從地形高處

7、向地形低處運動,8.3.2 GFS的水動力特征,GFS的水動力特征 高勢區(qū)（勢源）地形高處：地下水由上至下運動 低勢區(qū)（勢匯）地形低處：地下水由低向上運動 垂向運動中： 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 垂向運動的存在：傳統(tǒng)的“承壓”現(xiàn)象在潛水中也可以出現(xiàn) 流動方向的多樣性：由上至下，由下至上，水平運動 流動特征的伴生現(xiàn)象-生態(tài)、環(huán)境的關(guān)系,區(qū)域流動系統(tǒng)圖,8.3.3 GFS的水化學(xué)特征,GFS的水化學(xué)特征 地下水流動系統(tǒng)的水力特征決定了水化學(xué)特征 在流動系統(tǒng)中，水質(zhì)取決于空間某點： 入滲補給；流程流徑長度；流速；流動過程中物質(zhì)補充

8、及遷移性；流程中經(jīng)受的水化學(xué)作用 局部：流程短，流速快（交替快），TDS 低，水型簡單 區(qū)域：流程長，流速慢（交替遲緩），TDS 高，水型復(fù)雜 垂直與水平分帶性 水化學(xué)積聚區(qū)：相匯處 圈閉帶，相背處 準(zhǔn)滯流帶 礦化度，水型與水學(xué)形成作用方式，與水力特征相關(guān)一致,區(qū)域流動系統(tǒng)圖,局部：流程短，流速快（交替快），TDS 低，水型簡單 區(qū)域：流程長，流速慢（交替遲緩），TDS 高，水型復(fù)雜 垂直與水平分帶性,地下水流動系統(tǒng)中的水質(zhì)演變,區(qū)域地下水流動及其伴生標(biāo)志,水化學(xué)積聚區(qū)：相匯處 圈閉帶， 相背處 準(zhǔn)滯流帶,8.3.3 GFS的水溫特征,GFS的水溫度特征 地溫分布曲線受 水流作用影響 上升水流

9、產(chǎn)生正增溫 下降水流產(chǎn)生負(fù)增溫,地下水流動系統(tǒng)的總結(jié),地下水流動系統(tǒng)理論其實質(zhì)是以地下水流網(wǎng)為工具，以勢場介質(zhì)場的分析為基礎(chǔ)。將滲流場、水化學(xué)場、溫度場統(tǒng)一于新的地下水流動系統(tǒng)概念框架之中 將傳統(tǒng)認(rèn)為互不相關(guān)聯(lián)的地下水各方面的表現(xiàn)聯(lián)系在一起，納入到一個有序的地下水空間與時間連續(xù)演變的結(jié)構(gòu)之中，有助于人們從整體上把握地下水質(zhì)與量特征、地下水系統(tǒng)與環(huán)境之間聯(lián)系 -這一分析方法叫做地下水系統(tǒng)方法 地下水流動系統(tǒng)圖 第八章結(jié)束,區(qū)域流動系統(tǒng)圖,思考題,一個地形復(fù)雜地區(qū)，是否發(fā)育多級流動系統(tǒng)，主要取決于哪些因素 閱讀圖8-12，理解控制地下水流動系統(tǒng)的因素,LOGO,貴州大學(xué)水文與水資源工程教研室,Fu

10、ndamentals of Hydrogeoloy 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ),第九章 地下水動態(tài)與均衡,Company Logo,本章內(nèi)容,9.1 地下水的動態(tài),9.2 地下水的均衡,Company Logo,9.1 地下水的動態(tài),含水層（含水系統(tǒng)）經(jīng)常與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)、能量與信息的交換，時刻處于變化之中與時間有關(guān) 地下水動態(tài)的概念 在與環(huán)境相互作用下，含水層（含水系統(tǒng)）各要素（如水位、水量、水化學(xué)成分、水溫等）隨時間的變化，稱之。,Company Logo,9.1.1地下水動態(tài)的形成機制,與環(huán)境的相互作用 降水補給地下水系統(tǒng)水位上升 (出現(xiàn)變化） 激勵脈沖式的降水 響應(yīng)波狀信號的信息 地下水水位對外界輸

11、入（降水）響應(yīng)的特點： （1）滯后和延遲現(xiàn)象 （2）有疊加現(xiàn)象 因外界激勵（或輸入）而引起的系統(tǒng)響應(yīng)（或輸出）的變化幅度是含水系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用的結(jié)果 某要素（水位）隨時間的變化程度用穩(wěn)定性來恒量 動態(tài)穩(wěn)定變化幅度小 動態(tài)不穩(wěn)定變化幅度大,地下水動態(tài)曲線,Company Logo,降水補給引起地下水位響應(yīng)滯后-延遲-疊加,Company Logo,河北饒陽地區(qū)地下水位動態(tài)曲線,思考？影響地下水位變化（動態(tài)特征）因素有哪些,Company Logo,9.1.2 地下水動態(tài)的影響因素,1、氣象（氣候）因素決定動態(tài)總輪廓 特點：大面積，普遍產(chǎn)生影響 (主要有降水與蒸發(fā)因素) 氣象因素表現(xiàn)： 降水的年內(nèi)

12、季節(jié)性變化 降水的 多年變化（如11年周期） 降水的 晝夜變化 與此相對應(yīng)，地下水動態(tài)也有這三種周期性變化 晝夜變化 -在許多地區(qū)不明顯 多年變化 -研究周期長 年內(nèi)變化 -最突出,地下水動態(tài)曲線,Company Logo,氣象（氣候）因素,圖93 潛水動態(tài)曲線 （19541955，北京） 虛線為氣溫；蘭色柱狀為降水量；紅色為潛水位；黃色柱狀為蒸發(fā)量,Company Logo,9.1.2 地下水動態(tài)的影響因素,2、水文因素 指地表水體的變化對地下水動態(tài)的影響 從右圖中可以看出什么規(guī)律？ 與地表水體的距離有關(guān) 思考？與潛水比較, 受河水位影響承壓水動態(tài)有何特點？,Company Logo,9.1

13、.2 地下水動態(tài)的影響因素,3、地質(zhì)因素 地質(zhì)因素是間接因素（相當(dāng)于濾波器） 氣候與水文因素決定了一個地區(qū)地下水動態(tài)的總輪廓 地質(zhì)因素起修飾作用，濾波或削峰填谷的作用 潛水位的埋深：埋深的大小，對滯后-延遲時和變幅的影響 包氣帶巖性：K起作用； 飽水帶巖性：K和均起作用 地下水所處的空間部位：補給區(qū)，排泄區(qū)。一般而言，補給區(qū)較排泄區(qū)更不穩(wěn)定 4、人為因素 包括開采、人工回灌、灌溉、庫渠滲漏、污水排放等,巖溶水動態(tài)特征,Company Logo,云南噴水洞地下暗河流量動態(tài)曲線,巖溶水動態(tài),山西廣勝寺巖溶泉流量動態(tài)曲線,Company Logo,9.1.3 地下水天然動態(tài)類型,潛水、承壓水由于排泄

14、方式、交替程度不同，兩者的動態(tài)特征也不同 1、潛水的動態(tài)類型三種類型 蒸發(fā)型 主要出現(xiàn)在干旱半干旱地區(qū)地形切割微弱的平原或盆地。 徑流型 廣泛分布于山區(qū)及山前 弱徑流型 氣候濕潤的平原與盆地，蒸發(fā)排泄有限，徑流排泄為主，但徑流微弱。,Company Logo,9.2 地下水均衡,均衡：某一時間段、某一地段內(nèi)，地下水水量（熱量、鹽量、能量）的收支狀況，稱為地下水均衡 動態(tài)是均衡的外部表現(xiàn) 9.2.1 地下水均衡方程式質(zhì)量守恒定律 均衡區(qū)：均衡計算所選定的區(qū)域（三維的） 均衡期：均衡計算的時間段（一個水文年） 均衡方程式一般表達(dá)形式：A - B = W A收入項； B支出項； W均衡時段內(nèi)，均衡區(qū)

15、的水量變化量 均衡結(jié)果（表現(xiàn)）：正均衡或負(fù)均衡,潛水均衡,Company Logo,地下水均衡圖示,潛水均衡方程式： Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qt - ( Zu+Qd+Wu2 ) = h,Company Logo,地下水均衡圖示,潛水均衡方程式： Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qt - ( Zu+Qd+Wu2 ) = h,Company Logo,潛水均衡方程式,Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qt - ( Zu+Qd+Wu2 ) = h 幾種條件下的潛水均衡方程式： 干旱半干旱平原區(qū)：忽略Zc ；地形切割微弱Qd0； 無越流時Qt =0；徑流滯緩Wu1

16、 Wu2 0； Xf + Yf - Zu =h 多年均衡條件下 ：h =0，則 Xf + Yf = Zu 濕潤山區(qū)潛水均衡 Zu =0 Xf + Yf = Qd 強烈開采區(qū) Xf + Yf = Q開,Company Logo,9.2.2 區(qū)域地下水均衡,堆積平原含水系統(tǒng)地下水均衡模式圖,Company Logo,堆積平原含水系統(tǒng)地下水均衡模式分析,分區(qū)（三段均衡區(qū)）分析：,用含水系統(tǒng)分析，水量均衡方程：,進(jìn)行水均衡研究或計算，切忌避免重復(fù)；否則會人為地夸大地下水的可利用量，造成不可挽回的損失和后果,Company Logo,本章小節(jié),地下水動態(tài)主要是含水系統(tǒng)水量（鹽量、熱量等）收支平衡狀況的綜

17、合表現(xiàn)。 影響地下水動態(tài)的因素有：氣象、水文、地質(zhì)條件和人類活動。 地下水均衡計算，應(yīng)從系統(tǒng)角度遵循質(zhì)量守恒定律來分析。 地下水量均衡方程式的一般表達(dá)式為： 收入項 支出項 = 系統(tǒng)儲存量的變化,Company Logo,思考題,1、一個地區(qū)，如何依據(jù)地下水動態(tài)變化特征，分析地下水均衡狀況（或特點）。 2、強烈人工開采條件下，抽水井的水有哪些來源？潛水均衡方程式將有哪些變化。 -第九章結(jié)束-,貴州大學(xué)水文與水資源工程教研室,第十章 孔隙水 pore water,Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ),Company Logo,本章內(nèi)容,10.1 洪積物中的地下水

18、,10.2 沖積物中的地下水,10.3 黃土高原的地下水,10.4 孔隙含水系統(tǒng)實例分析,湖積物中的地下水參考書中自學(xué),Company Logo,賦存于不同空隙中的地下水特征與地質(zhì)環(huán)境有關(guān) 10.1.1 典型地區(qū)洪積扇(Alluvial fan)的形成 10.1.2 地下水的特征具明顯的分帶性 （由扇頂扇緣（前）的分帶性 10.1.3 地下水賦存條件與特征 從沉積物形成時的水動力條件入手， 分析沉積巖性的變化規(guī)律， 到地下水的賦存條件與特征。,10.1 洪積物中的地下水,Company Logo,10.1.1 典型地區(qū)洪積扇(Alluvial fan)的形成,地形地貌 地形高，陡（扇頂） 地形

19、低緩（扇緣） 水動力條件 水流集中 分散 流速快（高能區(qū)） 慢（低能區(qū)）,Company Logo,典型地區(qū)洪積扇沉積物的分帶性,沉積物粒度 粗（礫，粗砂） 中砂 細(xì) 極細(xì)、粘土 沉積特征 分選 差 中等 好,Company Logo,10.1.2 地下水的特征具明顯的分帶性賦存,透水性（K） 好 差 水位埋深 深 淺 漸深（或承壓） 賦存 （深埋區(qū)） （溢流區(qū)） （下沉區(qū)）,Company Logo,10.1.3 地下水賦存條件與特征補給與排泄,補給 好 差 流動交替 V大，交替快 V小，交替慢 排泄 徑流排泄 蒸發(fā)排泄,Company Logo,10.1.3 地下水賦存條件與特征補給與排泄

20、,補給 好 差 流動交替 V大，交替快 V小，交替慢 排泄 徑流排泄 蒸發(fā)排泄,Company Logo,10.1.3 地下水賦存條件與特征水化學(xué),形成作用 溶濾作用 濃縮作用 礦化度（TDS） 低 中 高 成分與類型 HCO3 SO4 Cl,Company Logo,10.1.3 地下水賦存條件與特征動態(tài)與均衡,動態(tài) 變幅 大 小 均衡 整體、統(tǒng)一的均衡區(qū) 景觀（環(huán)境） 缺水區(qū) 泉，沼澤 鹽漬化區(qū),Company Logo,10.1 松散沉積物地下水賦存條件小結(jié),綜合上述分析： 分析不同沉積物類型的地下水賦存、運動和水化學(xué)特征等（簡稱水文地質(zhì)條件），應(yīng)從沉積物形成時的水動力場到沉積物沉積規(guī)律

21、，再到地下水的分帶性特征來進(jìn)行 掌握分析問題的思路與方法比死記更重要,即： 普通地質(zhì)作用-地質(zhì)地貌-水文地質(zhì)條件 例如： 西北某些新構(gòu)造運動影響的洪積扇 山西霍縣-新構(gòu)造運動結(jié)果有多個溢出帶,Company Logo,西北某些新構(gòu)造運動影響的洪積扇,山前水位埋深 深 淺 深 淺,Company Logo,水化學(xué)分帶的異常：,水化學(xué)分帶的異常： 西北地區(qū)較典型的分帶 HCO3 - SO4 - Cl 華北平原水型分帶 HCO3 - HCO3Cl - Cl 華南地區(qū)水型無分帶 HCO3低礦化度水,Company Logo,10.2 沖積物（fluvial plain）中的地下水,河流沉積物與洪積物相

22、比： 經(jīng)常性水流作用的結(jié)果 河流是線狀或帶狀分布的，橫向與縱向差異大；在沖積平原區(qū)往往發(fā)育有多條河流，呈交織狀、發(fā)生改道且長期作用 沖積平原砂層的幾何形態(tài)特征 沖積物的特征，從垂直河流橫向切剖面來分析（鄭州黃河中下游為例）：,見后頁圖,鄭州剖面,Company Logo,沖積平原中的河道變遷及砂層的幾何形態(tài),A-A，B-B橫切剖面砂層多為小透鏡體 C-C，D-D縱向剖面砂層可以延伸很長。,Company Logo,10.2.1 鄭州黃河中下游剖面水文地質(zhì)剖面,在沖積平原上，古河道與現(xiàn)代河道，地勢最高，沉積顆粒較粗的砂，向外，隨著地勢變低依次堆積亞砂土、亞粘土，在河間洼地的中心部位則堆積粘土。 由地勢較高（堆積粗粒沉積）的現(xiàn)代與近代古河道，到地勢低洼（堆積粘性土）的河間洼地，顯示著良好的微地貌巖性地下水分帶。,Company Logo,10.2.2 古河道河間洼地：地形與巖性,古現(xiàn)代河道 河間洼地 地形 高 低 巖性（粒度） 粗 細(xì),Company Logo,10.2.3 古河道河間