考研水文地质学重点地下水系统

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流动系统划分
局部GFS 子系统边界
流线
中间GFS
子系统边界
区域GFS
局部流动系统— ？个；中间流动系统— ？个；区域流动系统— ？个；
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GFS理论的两个前提：
§ （1）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
• 广大范围内的地下水存在着水力联系→时间因素
§ （2）控制地下水流动的是“势”-地形，不 是地质条件 ,Toth认为：
v
由图8— 15可见，原本水
平分布的等温线发生变化。补给
区的下降，且间距变大（地温梯
度变小）。排泄区上抬，且间隔
变小（地温梯度变大）。
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地下水流动系统的总结
v 地下水流动系统理论其实质是以地下水流网为工 具，以势场介质场的分析为基础。将渗流场、水 化学场、温度场统一于新的地下水流动系统概念 框架之中
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水文地质学
地质工程教研室
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第八章 地下水系统
8.1 8.2 8.3
地下水系统的概念 地下水含水系统 地下水流动系统
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第八章 地下水系统
v本章重点与难点： § 掌握地下水含水系统与流动系统的概念和划分； § 重点掌握地下水流动系统的层次性； § 学习利用地下水流动系统图分析问题的方法
• 从水力学角度看，地下水体的天然单元是地形盆地， 而不是地质盆地
• 驱动水流的势来自区域地形高处，水从地形高处向 地形低处运动
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v GFS的水动力特征: v 高势区（势源）— 地形高处：地下水由上至下运动 v 低势区（势汇）— 地形低处：地下水由低向上运动
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垂向运动中：
§ 由上至下，势能除克服摩擦消耗部分能量外，势能→压能转化； § 由下至上，部分储存的压能释放转化为势能 v 垂向运动的存在：传统的“承压”现象在潜水中也可以出 现 v
v 地下水流动系统是指从源到汇的流面群构成的， 具有统一时空演变过程的地下水体
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潜水与承压含水层— 含水系统
b c
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河间地块流网与流动系统
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v 2、地下水含水系统与地下水流动系统的比 较 § a.两者的共同点: 突破了把单个含水层作为功 能单元的传统，力求以系统的观点去考察、分 析与处理地下水体
相对隔水的地质边界
流面(分水线)— 水
— 地质上的零通量面
—水
力零通量面
§ 系统的可变性 边界固定不变 数目变
边界可变,系统规模
— 不变— 静态的系统
— 是可干
扰的动态系统
§ 统一性 一的
§ 研究意义 量、水质
v
统一的或潜在统一的 水盐热量时空演变统
地下含水系统水与力流联系动系统的关系 华科
有助于从整体上研究
v 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”（在中国地大、河北正定水文所、北 京水文地质公司）。
v 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）
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8.1.1 系统与系统方法
有助于研究水
水量盐量、热量的均衡
水温的时空
演变(水质)
I II
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8.2
地下水含水系统
§ 一、地下水含水系统概念: § 地下水含水系统— — 是指有隔水或相对隔水岩层圈闭
的，具有统一水力联系的含水岩系
二、不同类型的含水系统: § 松散沉积物 § 基岩— — 裂隙岩层、岩溶地层
1— 基岩隔水层；2— 基岩透水层；3— 松散沉积物相对隔水层；4— 松散沉积物透水层； 5— 导水层；6— 地下水位；7— 地下水流向，箭头愈大，表示径流愈强；8— 泉
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地下水流动系统概念的形成
v 随后： v 弗里泽（R．A．Freeze）及威瑟
斯庞（P．A．Witherspoon）利 用数值解得出了层状非均质介质中的 地下水流动系统（图8— 8）。迄今 已出现了许多数值模拟地下水流动的 程序，可以应用模拟二维及三维各向 异性非均质介质中的稳定与非稳定流 动。 v 1980年，托特提出了“重力穿层流 动”的概念，将流动系统理论全面推 广到非均质介质场(图8— 9)，并将 其应用于分析油气的迁移与积聚。 v 1986年，英格伦 （G．B．Engelen）分析了形成地 下水流动系统的物理机制，建立了一 套着重于解决水质问题的地下水流动 系统的概念与方法（Engelen， 1986）。
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松散含水系统
v
松散沉积物构成的含水系统发育于近代构
造沉降的堆积盆地之中，其边界通常为不透水的
坚硬基岩。
v
含水系统内部一般不存在完全隔水的岩层，
仅有粘土亚粘土层等构成的相对隔水层，并包含
若干由相对隔水层分隔开的含水层。
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基岩含水系统
v ——基岩构成的含水系统总是发育于一定的地质 构造之中，或是褶皱，或是断层，更多的情况下 两者兼而有之。
8.3
地下水流动系统
v 8.3.1 地下水流动系统（GFS）概念
v 地下水流动系统— — 是指从源到汇的流面群构成 的，具有统一时空演变过程的地下水体
v 早在1940年，Hubbert正确地画出了河间地块 流网
§ 1963年，J.Toth 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
§ 局部：流程短，流速快（交替快），TDS 低，水型简单 § 区域：流程长，流速慢（交替迟缓），TDS 高，水型复杂 § 垂直与水平分带性
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地下水流动系统中的水质演变
v 局部：流程短，流速快（交替快），TDS 低，水型简单 v 区域：流程长，流速慢（交替迟缓），TDS 高，水型复杂 v 垂直与水平分带性
型比较简单； § 区域系统：流程长，流速慢（交替迟缓），矿化度（TDS）高，
水型比较复杂； § 具有明显的垂直与水平分带性（图8-14）： § 在水流相汇处与相背处：水流发生变化，常成为水化学积聚区或
圈闭带
相汇处 → 圈闭带，相背处 → 准滞流带
§ 流动系统中水的矿化度、水型与水学形成作用方式，与水动力特 征一致。
§ 同一个含水层由于构造原因也可以构成一个以上的含 水系统（图8— 5b、c）。
§ 极少数构造封闭的含水系统（图8— 5e）
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1— 基岩隔水层；2— 基岩透水层；3— 松散沉积物相对隔水层；4— 松散沉积物透水层； 5— 导水层；6— 地下水位；7— 地下水流向，箭头愈大，表示径流愈强；8— 泉
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地下水流动系统概念的形成
§ （2）Hubbert河间地块流网：在1940年，MK Hubbert正确地画出了河间地块流网（图8-6b）， 并指出，排泄区的流线指向地下水面，为上升水流； 补给区，流线离开地下水面，呈下降水流；只有在两 者之间的过渡带，流线才是水平的。
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地下水流动系统概念的形成
v （3）托特（J．Tóth）复杂盆地流网：1963年，加拿 大学者用数学模型做了复杂盆地的潜水流网。在严格的假 定条件下，托特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（图8— 7）。他得出的结论出 人意料：在均质各向同性潜水盆地中居然出现了三个不同 级次的流动系统，局部的、中间的及区域的。
§
深部区域系统，迳流慢，交替退缓
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v GFS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
v 在流动系统中，水质取决于空间某点： v ①入渗补给；②流程— 流径长度；③流速；④流动过程中
物质补充及迁移性；⑤流程中经受的水化学作用 § 局部系统：流程短，流速快（交替快），矿化度（TDS）低，水
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8.1.2 地下水系统 v. C.两者的关系：
§ ① 通常，一个大的含水系统可以包含若干个 流动系统
§ ② 两者都可以进一步划分为子系统，子系统 层次上，两者可以重叠 ：
• 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 • 受到大的含水系统边界的、制约，通常不会越出
§ 系统：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体
§ 相互作用，相互依赖→不是各部分或零部件的简单堆 集
v 整体→功能大于局部（要素）之和
v 系统方法：用系统思想去分析与研究问题方法称 之
v 系统思想：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
§ 系统目标 → 化（不是局部的）
§ 复杂地形条件：正弦函数+直线方程— — 地形线代替 水头值（势分布）
§ 画出理想盆地的流动系统模拟图，图8-7
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地下水流动系统概念的形成
§ （1）早期流网的特点（图8-6a）：忽视地下水的垂 向运动，把地下水流动看作平面二维的运动。只画河 间地块流网的一部分如（图8— 6a）。
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图8— 10 地质控制（a）与地形控制（b）的自流井〔弗里泽等，1987〕
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v 流动方向的多样性：存在水流由上至下、由下至上和水平运动
v 流动系统的多级性：多源、汇的流动系统，易产生多级多个地下水流 动系统；“局部的，区域的，中间的”的系统共同出现，或出现两级 系统等。
v 流动系统发育的规模与数目的控制因素（自选学习内容）
v 固结良好的基岩往往包含有厚而稳定的泥质岩层， 构成隔水层。
v
基岩含水系统的类型：
§ 一个独立的含水层就构成一个含水系统（图8— 5b）。
§ 数个含水层构成一个含水系统，岩相变化导致隔水层 尖灭（图8— 5c），或者导水断层使若干含水层发生 联系时（图8— 5d）。此时，含水系统各部分的水力 联系不同。