水资源系统的要素及及特征.ppt

2020 3 27 1 第二章水资源系统的要素及特征 2020 3 27 2 系统论于20世纪40年代提出 50 60年代应用系统工程解决复杂问题 目前 系统思想与系统方法广泛地渗透到各学科领域 随着社会的进步和经济的发展 水资源的利用程度越来越高 规模越来越大 结构越来越复杂 只用传统的 常规的方法难于完美地解决如此庞大而复杂的问题 因而 将系统思想 概念 理论与方法应用于水资源系统的研究和实践 就构成了水资源系统分析 2020 3 27 3 讲授内容 第一节系统的概念 第二节水资源系统的构成与变化 第三节地表水资源系统 第四节地下水资源系统 2020 3 27 4 第一节系统的概念一系统的定义及其结构要素二系统的类别三系统的特性 2020 3 27 5 简单的说 系统思想与方法的核心是把所有研究的对象看作一个有机的整体 系统 并从整体的角度去考察 分析和处理事物 一系统的定义及其结构要素关于系统的定义 比较通用的提法为 凡是在一定环境下 为实现某一目标 有若干相互联系 相互制约 相互作用的因素 部分 而组成的具有特定功能的集合体 称为系统 系统方法认为 不应当将系统理解为各组成部分 要素 的简单集合 而应将其理解为诸要素以一定规则组织起来 并共同行动的整体系统 内部各要素相互联系和作用的方式便是系统的结构 因此 我们也可以将系统理解为 有结构的集合 2020 3 27 7 任何一个系统均包括两部分 2020 3 27 8 系统与环境的界限称为系统边界 系统的相互联系 相互制约 相互作用的组成部分 称为系统结构 环境对系统的作用是系统输入 系统对环境的作用是系统输出 在动态条件下 输出可反作用于输入 即为反馈 把输入转换为输出就是系统的功能 系统状态随时间的变化称为系统行为 2020 3 27 9 在工程体系中的系统 可描述为 在给定时间内 使物质 原料 能量 信息 的输入与物质 产品 能量 效益 的输出相互联系起来 在一定环境条件下 具有一定功能的任何结构 装置 设计方案和运行程序的有机体 均称为系统 而且这个系统本身是它所从属的一个大系统的组成部分 子系统 即为系统的相对性 2020 3 27 10 以分析为主的近代自然科学长期以来采用的方法是 将所研究的事物精细地分为各个互不联系的独立部分 分别加以研究 把各部分研究结果之和作为对所研究事物整体的认识 这样做 实质上是将研究对象当作诸要素简单累加而成的集合 而没有将其如实地看成一个有机整体 2020 3 27 11 一个系统 不仅内部诸要素存在着相互作用 而且还与外部环境发生相互作用 系统接受环境的物质 能量或信息的输入 经过系统的变换 再向环境产生物质 能量或信息的输出系统的输入与输出 2020 3 27 12 环境对系统的作用也称之为激励 系统在接受激励后对环境的反作用称之为响应系统的激励和响应 2020 3 27 13 在同等降水条件下 不同的地下水系统 由于其岩层 构造 地貌乃至分布范围大小不同 泉流量的变化各不相同 在不同的地下水系统中 以同种方式开采同样数量的地下水 地下水位的降低也有很大差别 分析系统输入与输出 激励与响应 的对应关系有助于了解系统结构 对系统结构的了解有助于我们预测激励 响应关系 2020 3 27 14 二系统的类别在自然界和人类社会中 系统是普遍存在的 从不同的角度 可将系统分成不同的类别 可分为三类 2020 3 27 15 1 自然系统自然系统是由自然物质组成的系统 如生物系统 生态系统 水文系统等 2020 3 27 16 2 人工系统人工系统是为达到人类需求的目的人为建立起来的系统 如水利 交通等 2020 3 27 17 3 自然 人工复合系统由人工系统与自然系统组合起来的复合系统 它既有自然系统的特征 有具备人工系统的特性 如航天导航系统等 2020 3 27 18 三系统的特性 2020 3 27 19 1 集合性系统由两个或两个以上可以相互区分的要素 或子系统 组成 一个系统常常是由若干子系统有机结合起来 子系统又是由更小的系统构成 形成一个多层次结构 2020 3 27 20 2 关联性组成系统的各部分之间及系统与环境之间相互联系 相互制约 相互作用 即为系统的关联性 2020 3 27 21 3 目的性系统的目的性是指系统都均有特定的功能 即既定的目的 2020 3 27 22 4 整体性系统的整体性是因为系统的各个组成部分构成了一个有机整体 各构成要素的独立功能及其相互间的有机联系 只能在一定的协调关系下统一与系统整体之中 脱离了整体性 各构成要素的功能及要素间的作用就失去意义 2020 3 27 23 5 不确定性系统的不确定性是因为系统中某些不能用确定性方法描述其状态构成要素 其组成部分的活动或者由于人们的认识尚未完全掌握其规律 或者由于活动带有一定的随机性 而只能用统计手段反应其活动状态和进程 这就使系统具有不确定性 2020 3 27 24 6 环境适应性任何系统都存在于一定的环境之中 必定与外部环境发生物质的能量的和信息的交换 以适应外部环境的变化 这就构成系统的环境适应性 2020 3 27 25 第二节水资源系统的构成与变化一水资源系统的构成二水资源系统的影响因素 2020 3 27 26 一 水资源系统的构成将系统思想 概念 理论与方法应用于水资源系统的研究与实践 就构成了水资源系统分析 地表水资源和地下水资源是人类开发利用的主要对象 也是迄今为止唯一可实施人为控制 水量分配调度和科学管理的水资源形式 所以 在供水工程学中主要侧重于地表水资源和地下水资源 把具有相互联系的这两类水资源视为一个有机整体 水资源系统 进行综合评价 水量开发利用调度和科学管理 2020 3 27 27 水资源系统结构框图 2020 3 27 28 考虑到地表水 地下水的运动方式 赋存条件差异明显 且以不同的结构形式组成各自的实体系统 地表水系统 地下水系统 而且无论地表水系统还是地下水系统 可供开发利用的水与不能列入资源范畴的水总是共处于同一河系或渗流场之中 两者之间在水量 水质上有着不可分割的关系 因此 在进行适量评价和制定开采方案之前 必须分别查明地表水系统和地下水系统的结构特性 系统与外界环境的物能交换关系 即查明地表水 地下水的分布特征及补给 径流 排泄规律 2020 3 27 29 二水资源系统的影响因素1 自然条件下水资源的变化2 人类活动对水资源质与量的影响3 水资源自然系统与人工系统的协调发展 2020 3 27 30 1 自然条件下水资源的变化水资源的质与量及其分布状况是自然历史发展的产物 它们既有历史继承性的一面 又有不断变化发展新生性的一面 地史学 地貌学 古水文地质及古气候的研究成果证明了水文循环是个不断演化的过程 而且也提供了追溯宏观演化轨迹的重要线索和有力证据 为研究水资源自然变化打下了基础 2020 3 27 31 古气候的研究表明 第四纪全球气候变化的基本特征是 地球高纬度地区是冰期与间冰期的交替 中低纬度地区则是干旱期与湿润器的交替 由于这种交替变化 不同地区的降水 蒸发都有明显的差异 除受全球气候变化的影响外 自晚新世开始到上新世 更新世强烈隆升的青藏高原对我国气候的变化 地形地貌的再造 生态的演替以及水文循环的重组都具有极深远的影响 直接关系到我国水资源的分布格局和今后长期的演化趋势 2020 3 27 32 气候 地质 植被的演化最终形成了现今的水资源分布状况 其标志为 我国的四大水文循环系统的形成 太平洋水文循环系统 印度洋水文循环系统 北冰洋水文循环系统和鄂霍次克海水文循环系统 黄河 长江等几条东西向大河在最近100万年间相继贯通入大海 确定了我国以及流域的分布格局 新构造运动促使了地形的分异 山地 盆地 平原 高原 称为三大阶梯中次一级的地貌单元 它们的组合使地表水 地下水分布埋藏形态多样化 2020 3 27 33 作为自然系统的一个局部或过程片段 水资源中小时空尺度的变化总是伴随自然条件的宏观改变 以十分活跃的方式表现出来 有资料表明 受气候变化的影响 近百年来我国西北的山地冰川有进有退 总的趋势是退缩 2020 3 27 34 2 人类活动对水资源质与量的影响人类活动直接影响着水资源的数量 质量及时空分布 人类活动对水资源影响的方式可分为两种 一种是对水资源的间接干预 即通过环境的变化影响水资源系统的输入输出过程 另一种是以改变水资源系统结构方式直接干扰 改变水资源的自然状态 2020 3 27 35 2020 3 27 36 人类活动的间接干预可发生在全球性的宏观层次上 也可仅限于区域上 人类活动在全球性宏观层次上的间接干预 如人工废气排放导致的温室效应 过度采伐及垦殖使水土流失加剧 沙漠化日趋严重等 这些问题相互关联相互影响 可能引起全球变暖 大气环流受到干扰 气候异常 从而使一些国家和地区降水过多出现洪涝灾害 而另一些国家和地区连年干旱 水资源匮乏 甚至会因生态退化导致区域水文循环过程的永久性变异 人类活动在区域层次上的间接干预 主要是指那些规模较小 仅限于小区域内的各种人为活动 如封山育林小流域治理 都市建设等 2020 3 27 37 2020 3 27 38 开发利用水资源是人类对水资源时空分布干预的直接方式 修建水库就是把天然河流的线状源变为面状源 引水渠系则完全是人工的线源或网状的源以及开采地下水必然使自然系统的结构以及物能传输过程发生改变 形成新的水文情势 2020 3 27 39 例如 拦截地表水有可能使下游河段过水量减少 甚至干枯 导致河流对地下水补给量的锐减 区域地下水位降低 如海水量减少 从地表水体引水或跨流域调水 会加大地表水的分支流程 使水的周转期延长 水流的分散性增强 有可能影响到地表水的更新周期和运动节律 形成新的水量 盐分的收支关系 2020 3 27 40 地下水的开发利用也产生类似的问题 不同的是 地下水是以 场 的方式存在的 地下水渗流场和水化学场的人为变异一般较缓慢 延迟效应却更为突出 而且抽水井的位置 开采强度和抽水历时过程对渗流场 水化学场最终形态的塑造是关键性的 2020 3 27 41 总之 水既是一种自然资源 又是重要的环境要素 水资源系统的变化会影响环境 而环境的变化又导致水资源系统的变异 正因为两者具有相互依存互为因果的联系 人类任何不适当的活动都将使双方受到损害 尤其是水资源开发利用策略的失误 不仅水资源的质 量及其时空分布朝着背离人们愿望的方向发展 而且还可能通过环境的反馈给水资源的长远利用留下难以逆转的苦果 这方面的范例在国内外屡见不鲜 2020 3 27 42 3 水资源自然系统与人工系统的协调发展人类面临水资源短缺的严峻挑战 为了生存环境并持续发展 应寻找一条能使水资源开发利用得以持续的道路 由于水资源具有特定的本质 其时空变化既有一定的因果性 周期性 又带有一定的随机不确定性 对其未来的估计只能是大概的 不可能准确无误地进行预测 评价 此外 水还兼有资源与环境的二重性 即可开发利用为人类造福 又会因开发利用导致水资源自身的变化和环境的变异 给水资源的永续利用和人类生存条件带来不利影响 2020 3 27 43 在水资源永续利用的问题上 人们始终面对几个基本矛盾 水资源的有限性与用水量不断增长 供不应求的矛盾 水资源的开发利用与环境保护的矛盾 水资源系统供水功能时变性与人们对其稳定性的期望之间矛盾 2020 3 27 44 学者们提出 应当注意开发中的平衡技术 使水资源开发产生的环境负效应与预计取得的社会效益相平衡 为保证这种平衡的实现 应遵循三个不受损害的原则 供饮用的地下水源和土地生产力得到保护的原则 保护生物多样性不受干扰的原则 可更新的淡水资源不过量开发的原则 2020 3 27 45 我国水资源问题的要害是人工系统与自然系统关系的失调 避免导致人工 自然复合系统的功能障碍 就必须正确地分析两个系统的耦合关系 通过对人工系统结构的调整已顺应自然系统演化规律 使人为活动与水资源 水环境彼此适应 达成和谐 协调的新关系 2020 3 27 46 第三节地表水资源系统一地表水系统的组成要素及结构二地表水资源的时空分布 2020 3 27 47 一地表水系统的组成要素及结构1 地表水系统的组成要素2 地表水系统的结构3 地表水系统的形态结构特征 2020 3 27 48 地表水资源系统是水资源系统的一个子系统 因其自身结构 环境等因素的不同 而其在整个水资源系统有其独有的特点 2020 3 27 49 1 地表水系统的组成要素地表水系统由水体和流域组合而成 河流 湖泊是分布最广泛 也是最常见的地表水体 大多数情况下 湖泊与河流相通 湖泊可以是河流的源头 中转站或排泄场所 两者在空间上组成网络状的水系 河流 湖泊中的水 除部分来自地下水的排泄外 绝大部分来自大气降水 受地形和地表岩土透水能力的控制 大气降水转化的地表水径流量也因地而异 2020 3 27 50 地形高低起伏形成若干低地 低地被较高的山脊和坡脊环绕 这些山脊和坡脊称为分水岭或分水线 在平原区 地表面的轻微凸起也可相连成分水线 陆地表面被长短不一 高低错落的不同等级分水线分割成大大小小的汇水区域 流域 域内的地形 坡面形态 地表岩性 植被覆盖程度是流域的组成要素 除降水的影响外 它们的空间组合决定了河谷 河道 洼地的形态分布以及地表水的产流情况 2020 3 27 51 2 地表水系统的结构地表水系统的结构指地表水体与流域的空间形态及其相互作用联系的方式 在地表水系统中 地表水与流域始终保持着相互依存的共生关系 这种关系表现在地表水流在输送流域产流的同时 通过侵蚀 搬运 堆积作用改造着流域 使河道沟谷的坡降 宽度 长度不断变化 坡面形态改观 甚至会因溯源侵蚀过度发展 造成河流袭夺 扩大流域的范围 2020 3 27 52 3 地表水系统的形态结构特征 1 河道的分支性河流分干流和支流 流入干流的支流称一级支流 流入一级支流的支流称二级支流 以此类推 不同级别的支流和干流汇合 形成水系或河网 水系的分支特征常用分叉系数和河网密度 drainagedensity 表征 一般来说 分叉系数越大的流域 河网密度也越大 2020 3 27 53 2020 3 27 54 2 流域的嵌套性任何一级支流都有相应的汇水流域 河流的分支级别与流域级别是一致的 一个大的流域包含着若干个中等流域 而每个中等流域又包含众多小流域 我们把不同级别流域叠置 嵌套的结构现象称为嵌套性 2020 3 27 55 3 水流运动的单向性地表水的运动严格受地形的控制 呈现出由高处向低处的流动 雨季时 当降水强度超过地表岩土的渗透能力时 会产生地面径流 这种超渗产流沿坡向进入沟谷 河道 再从低级别支流向高级别支流传递 汇入干流 最终由干流的下游出口排出 旱季时 河道的水量主要由地下水的排泄量维持 基本没有坡面产流 水流仍保持由低级别支流向高级别支流的单向运动 2020 3 27 56 4 河槽的多变性河槽 河床 是河谷中经常有水流的部分 山区河谷的形成受地壳运动和水流侵蚀的作用 发育过程一般以下切为主 断面呈 V 形或 U 形 断面狭窄 切割深 河床宽深比一般小于100 1 在峡谷段甚至小于 10 1 20 1 河流的平面形态常见巨石突起 岸线及不规则 急变卡口众多 开阔段与峡谷段相间出现 河床纵坡面坡度很大 形态不规则 急滩深槽上下交错 河道中常出现台阶 形成瀑布 平原河流的河槽主要是受水流侧向侵蚀作用 其平面形态常分为顺直型 弯曲型 分汊型 游荡型河段 平原型河流河床纵坡平缓 水面比降一般为0 01 0 1 2020 3 27 57 资料 渭河流域黄土分布面积广泛 植被覆盖条件差 夏季多暴雨 因此 水土流失严重 每年有大量泥沙冲入河床 致使渭河成为一条多沙性河流 根据历史记载 秦朝和西汉时期 渭河水量充沛 河流航道通畅 船舶可直达咸阳和长安 东汉以后 渭河流域气候趋于寒冷 自然植被遭受破坏 黄土区水土流失加重 航道阻塞 下游曲流相当发育 到隋王朝建立不久 因渭水泥沙经常使航道阻塞停滞 水路运输困难重重 于开皇四年 公元584年 重开漕渠 自大兴城 今西安 西引渭水 东至潼关入河 可见当时泥沙淤积问题比较突出 唐朝时期 公元670 741年 泥沙问题略有改善 漕运改用水陆交替使用 但困难仍然存在 天宝元年 742年 由于渭水淤积 韦坚又重开漕渠 取名广运渠 太和元年 公元827年 和开成元年 公元838年 还几次修过广运渠 以上历史资料 说明公元初年 尤其到五世纪 渭河下游沙苑以东是曲流发育 流浅沙深 河道随环境和水沙条件的变化淤积时轻时重的状况 2020 3 27 58 2020 3 27 59 44年来长江干流江苏段河道平均冲淤速率变化注 资料来自 长江干流江苏段44年来河道冲淤变化的时空特征 地理学报地62卷第11期 2020 3 27 60 长江干流江苏段河道冲淤的时空变化 2020 3 27 61 二地表水资源的时空分布 一 地表水量的空间分布特点 二 地表水在时间上分布特点 2020 3 27 62 地表水系统是开放系统 与外界有着物质和能量的交换关系 大气降水和地下水的输入是其物质输入的主要方式 地表水系统的结构对系统内部水量起着再分配的作用 它们的共同作用决定了地表水的时空分布特点 2020 3 27 63 一 地表水量的时空分布特点1 空间分布不均匀降水与地表水产流的关系极为密切 一个地区降水的多寡直接影响着当地地表水资源的丰富程度 2020 3 27 64 2020 3 27 65 东南沿海各省份是我国降水量最大的地区 也是径流深和产水模数最大的地区 区内河流十分发育 河网密度一般超过12 7km km2 我国中部地区降水中等 径流模数和产水模数比全国平均值略高 处于中等偏上的水平 秦岭 桐柏山 大别山以南及武陵山 雪峰山以东 河网密度多在0 5km km2 西北地区是我国降水量最少的地域 产水模数远远低于全国的平均值 河网密度几乎小于0 1km km2 2020 3 27 66 地表水在空间上分布不均匀的特点不仅在全国范围内表现出来 而且在一个流域中 诸如长江流域 黄河流域乃至更小的流域中都表现得十分突出 这主要是由地表岩土渗透型 坡度的陡缓及组合形态 植被覆盖度和植物种类甚至迎风或背风的坡向等局部条件的差异所致 地表水主要集中在河道与湖泊中 不是以 场 的形式遍布空间 2020 3 27 67 除在降水的短暂时间内 坡面可以有薄层水流 大部分时间河间地却无地表水 只有采用人工集水或挖渠引水的工程方可解决供水问题 在降水不足以形成明显坡面产流的旱季 地表水的水量主要是由地下水的排泄量提供 河流 湖泊是流域里地势最低的地方 在一定条件下 它们可以成为地下水的排泄基准面 为地下水补给地表水创造条件 2020 3 27 68 由于各流域河湖的高程不一 有可能地下水的排泄基准面位于河流的下游 在这种情况下 上游流域不仅得不到地下水补给 河流 湖泊反而成为地下水的补给源 有些小流域有常年性水流 有些小流域在旱季无地表水 或出现某一河段有水而某些河段无水的现象 在山区和内陆河流域 这种情况十分常见 2020 3 27 69 由于地表水系统结构具有河道分支性和流域嵌套性的特点 所以河流的级别越高 纳入的低级别支流数目越多 汇流区的范围也越大 相应的断面流量就大 表现出水量叠加的特点 应该指出 河流断面的过水量是该段面以上各小流域产流总量 从水资源共享的道理上讲 下游过水量应属整个流域 不应仅属于下游地区 2020 3 27 70 2 地表水在时间上的分布特点降水在时间上分布不均匀是造成地表水水量变化显著的主要原因之一 受季风气候的影响 我国大部分地区都有雨季 旱季之分 雨季地表水流量大 一般会占全年地表径流总量的70 80 旱季地表水流量锐减 一般仅占全年地表水总量的10 20 有的地区甚至小于5 受多年降水量不均的影响 我国许多河流还存在连续多年少水与连续多年丰水的现象 少水期一般可持续10年左右 较平水年减少水量60 70 甚至100 2020 3 27 71 在天然流域中 坡面面积占流域面积的比例远远超过河床与水体 可达80 90 地表水量主要靠大气降水转化的坡面漫流提供 粗糙的地面 渗透能力强的表土 平缓的坡度和茂盛的植被 均可延缓漫流形成 由于河水流量集中 流速快 河床狭窄 河流在空间上的调蓄能力不强 因此 从整体上说 地表水系统的水量调节功能不强 汛期河水汹涌 非汛期水量较小且相对平稳 2020 3 27 72 当地表水与地下水存在季节性的互补关系时 地表水的流量级差可以较小 例如 雨季地表水补给地下水 旱季地下水补给地表水 地表水的宏观动态将相对平缓 此时 地表水系统水量的调节是通过地表水系统与地下水系统的水量耦合关系来实现的 地表水系统是不断发展和演化的 所谓发展演化主要是指水系和下垫面形态的宏观变化 在天然条件下 这种变化较为缓慢往往在数十年或数百年的时间里才可显现出来 当研究的时间尺度较小时 可将地表水系统视为宏观稳定 2020 3 27 73 地表水量在空间上具有相对恒定的分布格局 相对稳定的季节变化 降水均值 产流条件和流域面积 使每条河流的多年平均径流量都维持在某一特定水平 并具有年与多年的波动周期 每个流域也具有径流深 产流模数等相应的特征值 地表水的空间分布格局会因人为活动的干预在较短的时间内发生改变 2020 3 27 74 二 地表水质的时空分布特点地表水的天然水质包括水中的化学组分和水流携带的不溶性物质 主要是河流泥沙 我国有1 3的国土面积处于干旱半干旱地区 植被覆盖率较低 多山地丘陵 且暴雨频发 水土流失现象较突出 河水的泥沙含量普遍较高 黄河和长江的年输沙量在世界大河中列为泥沙含量的前五名 尤其是黄河的产沙量居世界之首 尤其是黄河中游的各分支流域 土壤侵蚀模数可达到5000 20000t km2 a 河流泥沙量有年内和年际变化 集中程度比径流量更显著 2020 3 27 75 地表水中化学组分也具有明显的地域分布特点 且与降水 流域下垫面的物质成分 地表水和地下水的关系紧密相关 地表水的矿化度 硬度及酸碱度在区域上显示出由我国东南向西北递增的总趋势 浙江南部 福建北部和台湾诸河矿化度均低于50mg L 西北的某些河水矿化度高于1000mg L 其他地区则介于300 1000mg L之间 淮河及秦岭以南诸河总硬度往往低于85mg L 属软水分布区 河北平原 鄂尔多斯高原 黄土高原和西北各内陆盆地 河水的总硬度超过250mg L 为极硬水分布区 其余各地的河水总硬度介于两者之间 河水的酸碱度 pH值 以东南沿海和东北地区最低 西北地区最高 全国范围内的多年平均值在6 5 8 5之间 2020 3 27 76 地表水中的化学组分主要来自表层土壤风化母岩中的盐分以及生物活动形成的有机质 它们通过地表产流和径流过程带入地下水体中 在地下水排泄的河段 地下水中的化学组分会随水量的排出进入地表水 由于流域内各地段岩性不同 水岩相互作用的条件 作用的充分程度有别 生物活动和地下水补排条件不一 各支流 甚至不同河段的水质也会有明显差异 地表水水质在时间上的分布特点主要表现为季节性和年际间的变化规律 2020 3 27 77 降水作为地表水的主要补给源 对地表水水质的影响是显而易见的 干旱季节的雨水含盐量较高 雨季雨水含盐量较低 如华北平原 旱季雨水含盐量一般在40mg L以上 雨季则15 30mg L 受其影响 雨季河水的矿化度相对较低 长年性河流旱季的水量主要由地下水提供 河水的水质在相当大的程度上取决于地下水的水质 此外 蒸发作用 土壤及沿河生物作用的活跃程度也对地表水水质的动态产生影响 2020 3 27 78 结论 地表水水量和水质的时空变化规律取决于大气降水 地表水系统的结构特征及地表水系统与地下水水量 水质的交换关系 2020 3 27 79 第四节地下水资源系统一地下水系统的组成要素及结构二地下水系统与地下水流动系统三地下水资源的分布特征 2020 3 27 80 一地下水系统的组成要素及结构1 地下水系统的组成要素2 地下水系统的结构 2020 3 27 81 地下水主要是指赋存与岩石空隙中水 包括重力水 毛细水和结合水 重力水在岩石圈浅部分布最为普遍 数量最多 并以水流的形式在岩石中运动着 它是人类生活与生产供水的取用对象 这里所讨论的水资源主要是指重力水 地下水以系统的形式分布在自然界中 但系统结构和水流的运动方式与地表水有着很大差别 2020 3 27 82 1 地下水系统的组成要素地下水系统的组成要素有 一是 有赋存与岩石空隙中并不断运动着的水 二是 具有空隙的岩层 注 地表水 水体 流域 2020 3 27 83 根据埋藏条件 地下水可划分为浅水和承压水 从成因的角度地下水又可区分为渗入水 沉积水和内生水 地下水还可按岩层空隙的形态分为孔隙水 裂隙水和岩溶水 2020 3 27 84 渗入水是现代大气降水和地表水下渗补给形成的地下水 大部分位于陆地的浅部 具有水交替活跃 积极 运动速度较快的特点 沉积水是沉积过程中与沉积物同时保存下来的地下水 它可被渗入水驱替 排出 但速度缓慢 在沉积过程中 随着上覆堆积物的厚度不断增大 下部沉积水也会因地层骨架压密固结而被挤入上部含水层中 所以 这类水又称埋藏水 内生水是地球深部地质作用 如岩浆分异 等原因形成的地下水 对这类水的形成规律和分布特点目前研究得还不够深入 2020 3 27 85 地下水不能离开岩层而独立存在 它的赋存形式与运动状态都与岩层的空隙特征有着极为紧密的联系 因此 空隙岩层被称为介质 并成为地下水系统不可或缺的组成部分 2020 3 27 86 介质的空隙有孔隙 裂隙 溶穴三种基本形态 他们以一定的组合方式存在于岩石中 如只发育孔隙的松散堆积物被称为多孔介质 原生空隙与裂隙组合的固结岩石称双重介质 而在碳酸盐岩中还可有孔隙 裂隙 溶穴并存的情况 2020 3 27 87 由于地层的岩性与空隙的种类 发育程度有一定的内在联系 可以根据岩性大略鉴别哪些为透水 含水 岩层 哪些是隔水岩层 必须注意 通常所讲的透水层或隔水层均是相对的概念 任何一种岩石都不可能是绝对不透水的 所谓的隔水层只不过是透水能力较差而已 2020 3 27 88 在地下水系统中 含水介质与隔水介质并非都是以连续稳定的层状形态分布的 即使是沉积岩 也存在 同时异相 的问题 这一点在松散的陆相堆积物中表现得尤为突出 除岩层本身的性状外 构造运动对介质的空隙发育程度及其展布方向起到一定的控制改造作用 如褶皱 断裂等 2020 3 27 89 嘉峪关东西盆地断层 2020 3 27 90 结论 地下水系统中的空隙分布格局是极其复杂的 地下水系统内部的水流运动特征 水量及水质的分布规律也因地而异 不可能依据某种通用的标准进行调查研究 而是具体条件具体分析 查明地下水分布埋藏特征和补 径 排规律 深入地研究地下水系统的结构才是问题的关键 2020 3 27 91 2 地下水系统的结构地下水系统的结构可以分为两类 即硬结构和软结构 2020 3 27 92 硬结构是指介质的空隙特征及其空间分布格局 它与地层的成因 岩相分布 岩性 地质构造及地貌特征有直接的关系 之所以把介质的机构称为硬结构 是因为与地下水水量 水质的时空变化相比 他们显得更为稳定 固化 2020 3 27 93 软结构是指地下水的运动形式 水量与水质的时空分布格局及不同子系统间水量 水质的交换关系 由于地下水具有动态变化 且在人类活动的干扰下 地下水的补给 径流 排泄特征以及各种水量交换关系会发生改变 显得较 软 故称软结构 2020 3 27 94 地下水系统中的两种结构是密不可分的 无论是研究地下水系统的水量 含盐量 热量均衡和时空变化规律 还是评价地下水资源 制定开发利用方案 都需将两者一并考虑 但由于研究的目的不同 在实际工作中有时会侧重硬结构的分析 而有时候又会侧重软结构的分析 2020 3 27 95 二地下水含水系统与地下水流动系统地下水系统有两种类型 即地下水含水系统和地下水流动系统 2020 3 27 96 2020 3 27 97 1 地下水含水系统 1 地下水含水系统定义由边界圈围的 具有统一水力联系的含水地质体 一个含水系统往往有含水介质和相对的隔水介质组成 它既包括饱水带又包括非饱水带 由该定义可以看出 所谓地下水含水系统 严格地说 应称为地下水汇水含水系统 2020 3 27 98 2 含水系统的结构地下水含水系统在概念上更侧重于介质的透水性和不同介质的空间组合形态 即硬结构 这对于阐明地下水的分布埋藏特征和补给 径流 排泄的宏观规律方便 直观 易于被人们理解 2020 3 27 99 根据不同的地质背景条件 地下水含水系统又可分为基岩含水系统和松散堆积物含水系统 基岩含水系统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 原生空隙除少数岩浆岩外 一般水文地质意义不大 2020 3 27 100 脆性层状岩层 如灰岩 白云岩 砂岩 张性裂隙发育 且连通性好 常称为良好的含水介质 柔性岩层 如页岩 泥岩 裂隙虽密集 但裂隙宽度小且切穿性差 仍保留相对隔水的特性 块状岩石 岩浆岩 变质岩 构造裂隙发育 隙间距大且不均匀 可能出现若干互不连通的裂隙系统 各系统之间无明显水力联系 形成所谓脉状裂隙水 2020 3 27 101 在基岩含水系统中 含水介质的分布 埋藏条件与地层的层序 构造关系密切 在一定的条件下 某一含水岩层具有独立的补 径 排过程 可成为独立的含水系统 而在大多数情况下 各岩层通过裂隙断裂相互沟通 共同参与地下水的补 径 排的活动 由于裂隙岩溶发育程度不一 开放程度的差异 不同岩层或在统一岩层的不同地段上会存在相对富水和相对贫水的区别以及水交替快捷 活跃和相对滞缓的分带现象 2020 3 27 102 2020 3 27 103 3 含水系统的边界基岩含水系统是相对独立的含水地质体 因而 系统边界的确认是系统分析的又一重要内容 基岩含水系统的边界应包括东 西 南 北 上 下六个界面 由于系统的总体性状很复杂 边界数目或多或少 不一定都呈六面体 2020 3 27 104 边界的性质主要分为相对隔水的或透水的 基岩的顶面是上部边界 当透水岩层出露地表或直接与含水的松散堆积物接触时 该边界面是透水边界 若相对隔水岩层处在同样位置上 则为相对隔水边界 基岩含水系统的边界类型如图2 10所示 2020 3 27 105 2020 3 27 106 松散堆积物含水系统大都发育在新生代构造沉降盆地或沉降带中 堆积物的厚度 岩性分布与地形地貌关系密切 由于形成的时代新 构造活动的影响微弱 未经历成岩阶段 介质中的空隙 如卵砾石 砂砾石 中粗砂等 具有良好的导水和储水特性 常常构成良好的含水介质 2020 3 27 107 松散堆积物含水系统的内部结构十分复杂 卵砾石和砂砾石广泛分布在大型冲洪积扇的进山前地带 形成的时代可跨越整个第四纪 各代之间没有明显的岩性分界面 总厚度大 水力联系密切 从介质的总体形态上来看 它是一个统一的含水体 在某一垂向剖面上 含水介质和相对隔水的介质往往呈现出似层非层 似透镜体又非透镜体的组合特点 2020 3 27 108 2020 3 27 109 处于构造沉降盆地的松散堆积物含水系统 通常被盆地侧缘和底部的基岩围限 若基岩相对隔水 这些边界则为相对隔水边界 当边界面为基岩含水层与松散堆积物含水层的界面时 边界为透水的 松散堆积物含水系统的顶部边界是地表面 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 2020 3 27 110 2020 3 27 111 2020 3 27 112 一个完整的松散堆积物含水系统往往具有很大的规模 而实际研究区的范围可能要小得多 因此 松散堆积物含水系统的内部结构十分复杂 而地下水流动系统的概念为处理这类问题提供了理论和分析方法 2020 3 27 113 2 地下水流动系统地下水流动系统是只有源到汇的流面群构成的 具有统一时空演变过程的地下水统一体 地下水流动系统的概念是以地下水系统的软结构的认识为基础的 2020 3 27 114 地下水流动系统的分析 可以用定性和半定量的方法 也可用定量计算的方法 定性和半定量的方法是利用野外勘察获取的水头等值线图 水压 深度曲线图以及测高曲线等 通过对压力增量的分析或利用具有代表性的水化学资料来推断 这种方法适用于区域大 资料点少的情况 定量计算的方法主要是通过数值模拟得出的网流图 见冰沟例子 来分析 这种方法需要的资料较多 研究结果也更精确 2020 3 27 115 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 流面有方向 而长度不一 流面群有疏有密 根据这些特点可以判断地下水质点的运移方向 径流途径和强度 源与汇等级的差别 区域的源对应于区域的补给区 局部的源对应于局部的补给区 2020 3 27 116 汇 包括天然的地下水渗出带 泉和人工抽水的井 也有相应的等级差别 在一个软结构复杂的地下水系统中 存在着由不同流面群外包面圈闭的局部流动子系统 中间流动子系统和区域流动子系统 区域流动系统中嵌套着中间流通系统 中间流动系统由嵌套局部流动系统 从而表现出地下水系统软架构的嵌套 层次 特点 2020 3 27 117 由于流面是一种没有水流穿越的界面 各级源汇间最长的流面及流面群的外包面就是各级子系统的不透水边界 具有相同等级的不同子系统也按外包面来划分自己的流场范围 地下水流动系统的研究对认识地下水的补 径 排过程 水量 水质的分布及其动态变化有着十分重要的实用价值 而在确定地下水系统的内边界时也是一种有效的方法 2020 3 27 118 三地下水资源的分布特征1 地下水分布的地域性2 地下水在系统中的分带性3 地下水的动态变化 2020 3 27 119 地下水资源以系统的形式埋藏 分布 作为开放系统 其数量和质量既与气候 水文地质条件有密切联系 表现出地域性的分区特点 又在地下水系统的结构控制下 具有明显的分带性 2020 3 27 120 一 地下水分布的地域性降水作为地下水的重要补给来源 其数量多寡直接影响地下水资源的数量 我国年降水量分布不均 总的特点是东南部湿润多雨 向西北内陆逐步递减 因此区域地下水的补给模数也具有大体相同的分区特点 由于地形和地质条件不同 各地地下水类型和水量分布状况相差较大 2020 3 27 121 我国降水分布及区域地下水补给模数 2020 3 27 122 1 我国孔隙水的分布我国孔隙水以昆仑山 秦岭 淮河一线为界 分为南北两个大区 北区多发育大型的新生代构造盆地 这些盆地面积巨大 松散沉积物厚 蕴藏丰富的地下水 是我国孔隙水的主要分布区 其中 西部各内陆盆地如塔里木盆地 柴达木盆地的四周高山区常年积雪 降水量偏多 盆地边缘的沙砾石层往往具有良好的地下水补给源 而且蓄水和径流条件甚佳 水质较好 为理想的取水地段 盆地中部气候干旱 介质颗粒较细 地下水埋藏较浅 积盐明显 浅层水矿化度高 2020 3 27 123 降水量总体上偏小 使这些盆地的产水模数一般为 5 7 104m3 km2 a 是诸盆地中水资源最贫乏的地区 我国中东部的构造盆地分布有黄淮海平原 松辽平原 长江三角洲平原等 地域广阔 降水量较多 地下水蕴藏量丰富 区域地下水产水模数大于全国平原区的产水模数 9 4 104m3 km2 a 2020 3 27 124 2 我国岩溶水的分布我国岩溶水的分布 以长江为界大体分为两个大区 在南方 岩溶水主要赋存在晚古生代和早中生代的碳酸盐岩地层中 该区地质构造多为短轴紧密褶皱 降水充沛 植被茂密 岩溶化强烈且分异明显 碳酸盐岩底层的含水层极不均匀 地下水往往集中在溶洞和暗河管道中 并以小型构造为单元形成相对独立的岩溶水系统 地下水的补给模数可高达 30 50 104m3 km2 a 但在地表岩溶发育的地区 往往因降水和地表水的严重漏失而成为缺水地区 2020 3 27 125 在北方 岩溶水主要分布在早古生代寒武纪和奥陶纪的碳酸盐岩中 岩溶化程度较南方低 含水介质兼有岩溶和裂隙的双重结构 呈溶隙网络状 连通性好 整个网络系统具有密切的水力联系 可形成统一的流场 在大的构造控制下 岩溶水系统的规模巨大 水量丰富 动态稳定 使许多城市和大型企业供水的开发对象 2020 3 27 126 3 我国基岩裂隙水的分布基岩裂隙水在我国分布面积大 大部分赋存于岩浆岩的浅表层和砂岩之中 除在构造破碎强烈的地带可见到丰富的地下水外 一般含水层稍差 水量不十分丰富 2020 3 27 127 二 地下水在系统中的分带性现以洪积扇为例来讨论地下水在系统中的分带性 2020 3 27 128 2020 3 27 129 流动系统中水流的运动特征和水化学垂向变化与分带特点表现得更为突出 直观 由图2 12可以看出 地下水量与水化学组分的空间分布具有以下特点 2020 3 2