水文地质学基础-地下水流系统

地下水科学与工程教研室水文地质学基础

FundamentalsofHydrogeology第八章地下水系统8.1

系统概念8.2

地下水系统的概念

8.2.1地下水系统概念的产生8.2.2地下水系统的概念8.3

地下水含水系统8.4

地下水流动系统

8.4.1概念的由来8.4.2地下水流动系统8.5地下水含水系统与地下水流动系统的比较8.6小结12/23/202328.1系统概念

系统（system）是由相互作用和相互依赖的若干个组成部分按一定规则结合而成的具有特定功能的整体。12/23/20233

找水，确定井位以打出水量足够大的井

随着开采地下水规模的增长，采水井群使周边地下水下降，影响波及的含水层范围随时间延续不断扩展从地下水的研究历史看一口井附近小范围的含水层扩展到整个含水层地下含水系统与地下水资源地下水系统只是其中一个组成部分的环境生态系统。换句话说，人们心目中的研究对象是一个愈来愈复杂的系统。“越流”的发生：若干个含水层连同其间的弱透水层（相对隔水层）看做一个单元（系统）大规模开发利用地下水，导致地面沉降、海水入侵、淡水咸化、土壤沙化、植被衰退等一系列与地下水有关的环境生态问题。地下水流动系统8.2.1地下水系统概念的产生地下水系统理论发展于20世纪80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（50个国家的200多名代表参加）

83年底荷兰水文与地质学家G.B.Engelen来华进行了讲学，“地下水系统”（在中国地质大学、河北正定水文所、北京水文地质公司）。

90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，中国地质大学的地下水系统小组等）8.2.1地下水系统概念的产生8.2地下水系统的概念8.2.2地下水系统的概念

据陈梦熊院士（1987），地下水系统是受各种天然、人为因素所控制，具有不同等级的互有联系、互相影响，在时空分布上具有四维性质和各自物理、化学、水动力特征的、不断运动演化的若干独立单元的统一体。国内使用“地下水系统”术语相当普遍。但是不同使用者赋予的内涵不尽相同。因此，比较合适的做法是，尽可能采用定义明确的“地下水含水系统”及“地下水流系统”这两个术语。

12/23/20236地下水系统是地下水含水系统和地下水流动系统的统一。地下水含水系统是指由隔水或相对隔水边界圈闭的、由含水层和相对隔水层组合而成的、内部具有统一水力联系的赋存地下水的岩系。地下水流动系统是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。

8.2地下水系统的概念8.3地下水含水系统主要受地质结构的控制。在松散沉积物与坚硬基岩中的含水系统有一系列不同的特征。含水系统在概念上是含水层系统的扩大。地下水含水系统的特点：1具有统一的水力联系2含水系统有子系统3控制含水系统发育的是地质结构4含水系统并不是完全封闭的，可能与外界有水力联系12/23/202388.4地下水流动系统8.4.1概念的由来:J.Toth（1963）绘制了均质各向同性潜水盆地中的地下水流动系统，包括局部、中间和区域流动系统，强调了水的垂直运动。子系统边界流线中间GFS区域GFS局部GFS子系统边界12/23/202398.4地下水流动系统地下水流动系统的特点：1具有统一的水流，沿着水流动方向，水量、盐量和热量发生有规律的演变2流动系统的流面为边界，边界是可变的3流动系统包含有不同的子系统4控制其发育的是水势场12/23/2023108.4地下水流动系统8.4.2地下水流动系统地下水流动系统理论，实质上是以地下水流网为工具，以势场及介质场的分析为基础，将渗流场、化学场和温度场统一于新的地下水流动系统概念框架之中。（1）水动力特征：地下水在流动中必须消耗机械能以克服粘滞性摩擦，主要驱动力是重力势能（源于地下水的补给），地形低洼处通常为低势区----势汇，地势高处为势源。由地形控制的势能叫地形能。静止水体中各处的水头相等，而在流动的水体中，沿流线方向，水头越来越低。12/23/2023118.4地下水流动系统介质场中地下水流动系统发育规律：两种或更多个的地下水流动系统时，它们所占据的空间大小取决于两个因素：①势能梯度（I），等于源汇的势差除以源汇的水平距离，I越大，其地下水所占据的空间亦大；②介质渗透系数(K)，渗透性好，发育于其中的流动系统所占据的空间就大。12/23/2023128.4地下水流动系统12/23/2023138.4地下水流动系统（2）水化学特征：在地下水流动系统中任意一点的水质取决于：①输入水质；

②流程；③流速；④流程上遇到的物质及其可迁移性；⑤流程上经受的各种水化学作用。12/23/2023148.4地下水流动系统地下水流动系统中，水化学存在垂直分带和水平分带。水化学积聚区：相汇处→水动力圈闭相背处→准滞流带地形复杂，同时出现局部、中间、区域流动系统。地形简单，只出现区域流动系统。(水动力条件形成的油气圈闭)12/23/2023158.4地下水流动系统不同部位发生的主要化学作用不同：①溶滤作用存在于整个流程；②局部系统、中间及区域系统的浅部属于氧化环境，深部属于还原环境；③上升水流处因减压将产生脱碳酸作用；④粘性土易发生阳离子交替吸附作用；⑤不同系统的汇合处，发生混合作用；⑥干旱半干旱地区的排泄区，发生蒸发浓缩作用；系统的排泄区是地下水水质复杂变化的地段。12/23/2023168.4地下水流动系统（3）水温度特征：垂向上年常温带以下地温的等值线通常是上低下高。

上升水流产生正增温下降水流产生负增温22℃22℃20℃20℃22℃22℃20℃20℃12/23/2023178.4地下水流动系统砂槽模拟直观多级水流系统

稳定二维流模拟——稳定降水，3个定高程的汇(排泄)，多级水流系统局部水流系统—5个；中间水流系统—1个；区域水流系统—1个8.5地下水含水系统与地下水流动系统的比较（1）整体性（系统性）：二者都属于地下水系统。

含水系统的整体性体现于它具有统一的水力联系，存在于同一含水系统中的水是个统一的整体，在含水系统中的任何一部分加入（补给）或排出（排泄）水量，其影响均将波及整个含水层系统。含水系统是一个独立而统一的水均衡单元，是一个三维系统；可用于研究水量乃至盐量和热量的均衡，边界属于地质零通量边界，为隔水边界，是不变的。

地下水流动系统的整体性体现于它具有统一的水流。沿着水流方向，盐量、热量和水量发生有规律的演变，呈现统一的时空有序结构，为四维时空系统；它以流面为边界，边界属于水力零通量边界，是可变的。12/23/202319含水系统与流动系统的关系12/23/202320（2）级次性：两者均有级次性，可分为区域、中间和局部的流动系统。（3）控制因素：控制含水系统发育的，主要是地质结构；控制地下水流动系统发育的，主要是水势场，由自然地理因素控制。在人为影响下会发生很大变化。I-平原北部地下水系统；II-平原中部地下水系统；III-平原南部地下水系统图3.1地下水系统划分图（据浅层地下水流场）

研究意义：含水系统有助于从整体上研究水量、盐量、热量的均衡；流动系统有助于研究水量、水质、水温的时空演变（尤其是水质）12/23/202321含水系统流动系统根本不同静态系统动态系统分类依据根据储水构造划分的，以介质场为依据根据水的流动特征，以渗流场为依据统一性统一的或潜在统一的水力联系水量、盐、热量在时空演变上是统一的边界性质隔水与相对隔水的地质边界，地质零通量流面（分水线）构成的水力边界，水力零通量面系统发育史共同的地质演变历史，地层形成史一致共同的地下水演变历史，水的补给径流统一系统的可变性边界固定不变，系统规模数量不变的静态系统边界可变，系统规模数目可变，易受干扰的动态系统地下水含水系统与地下水流动系统的比较含水层系统研究：采用遥感解释→地质调查→地球物理勘探→水文地质钻探→含水层岩性结构研究→岩相古地理研究→含水介质孔隙度研究→三维地质建模等方法，重点研究含水介质的形成条件及空间分布规律。

水流系统研究：采用地下水渗流场、水化学场、温度场和同位素研究方法，以地下水流网分析为手段，揭示不同深度地下水运移规律。

在上述研究的基础上，提出鄂尔多斯白垩系盆地地下水系统划分方案。一、研究方法鄂尔多斯白垩系盆地地下水系统地下水含水层系统划分白垩系盆地含水层系统北部沙漠高原单一结构含水层亚系统南部黄土高原多层结构含水层亚系统浅层含水岩组中层含水岩组深层含水岩组新生界含水岩组罗汉洞含水岩组环河含水岩组洛河含水岩组

以盆地中部白于山北麓为界，划分为南北两个含水层亚系统

北部具有潜水盆地的特征；南部为典型的承压水盆地。划分出强富水含水层、中等富水含水层和弱富水含水层

白垩系含水层、隔水层划分标准表项目岩性岩相孔隙度物探测井解译抽水试验渗透系数k（m./d）单位涌水量q(m3/m.d)含水层强富水含水层主要为沙漠、河流相砂岩、冲积扇相含砾砂岩＞25含水k>0.25q>50中等富水含水层主要为河流相砂岩、沙漠相砂岩15－25含水0.125<k<0.2515<q<50弱富水含水层河流相砂岩、湖相砂岩及砂夹泥岩10－15弱含水0.025<k<0.1255<q<15隔水层湖相泥岩及泥岩夹粉砂岩、河流相泥岩、洪积扇相含砾砂岩＜10极弱含水k<0.025q＜52004年中层地下水流场图塔布乌素－无定河地下水流系统剖面

首先在识别控制白垩系地下水流动的主要因素，重点揭示地表分水岭、地形地貌条件和排泄基准面对水流系统的控制作用，综合分析区域地下水流系统的发育规律。

4、地下水水流系统研究2004年中层地下水流场图

不同级别的地表分水岭和水文系统制着地下水的径流方向。盆地北部受四十里梁和新召地地表分水岭的控制，地下水分别向无定河