水文地质学基础第八章

，水文地质学基础，FundamentalsofHydrogeology，第八章地下水系统，8.1系统概念8.2地下水系统概念8.3地下水涵养系统8.4地下水流动系统。提出：19世纪40年代贝塔朗菲，一般系统理论的应用：20世纪50-60年代应用系统工程在解决复杂问题上取得了巨大成功后，系统思想和系统方法渗透到了广泛的学科领域。系统思维和方法的核心：将研究对象看作一个有机整体(系统)，从整体的角度审视、分析和处理事物。8.1系统概念，系统定义的：a。系统“交互和相互依赖的多个组件相结合的特定功能的全部”。b .我认为系统方法不应理解为组件(元素)的简单集合，而应理解为由特定规则组成并共同行动的整体。c .系统的结构：系统内部各种元素相互连接和工作的方式系统的结构d .现代自然科学中长期采用的方法：将正在研究的事物细致地分析为彼此不相关的各个独立部分，并将各个部分的研究结果总和作为对研究的事物的整体认识。实质是把研究对象看作有机整体，而不是简单的总和。不仅与内部因素交互，还与外部环境交互的系统。系统接受对环境的物质、能量或信息的输入，经过系统的转换，生成对环境的物质、能量或信息的输出。系统、输入、输出、(物质、能量、信息)、(物质、能量、信息)、激励和响应的概念：环境对系统的作用称为激励，接受激励后系统对环境的反作用称为响应。环境的输入(此处)根据系统的结构，通过系统的转换生成环境的输出(响应)。系统、激励、响应、结论：分析系统输入和输出(激励和响应)的对应关系，有助于理解系统结构。对系统结构的理解有助于预测激励-响应关系。8.2地下水系统的概念，第一，地下水系统的概念生成“地下水系统”的出现：渗透系统思维和方法；水文地质学发展的必然产物。早期解决“找水”问题，只注意井附近小范围含水层的情况。要发展矿业规模增长，必须以整个含水层为研究对象。进行地下水研究时，要把几个含水层和其间的弱透水层合起来视为一个完整的单位(系统)，才会出现“含水层系”、“含水层系”、“含水层系”等，从而形成地下水资源的概念。最近几年发生的与水文地质学相关的问题：地下水资源枯竭、地面沉降、海水入侵、淡水咸化、地下水污染、土壤荒漠化、植被减少等一系列与地下水相关的环境生态问题。第二，地下水系统概念地下水系统的组成部分：堆积在岩石缝隙中，不断移动的水；有缝隙的岩石。地下水系统包括地下水涵养系统地下水流动系统，地下水系统的结构分类：僵化结构：介质的空白特性及空间分布模式。因为形成、分布、岩性、地质结构及地形特性是稳定、凝固的坚硬结构。软结构：指地下水的运动形态、水和水质的空间、时间分布模式、不同子系统之间的水质交换关系。地下水补给、径流、排泄特性、各种水交换关系发生变化，是“柔和”研究组。地下水含水系统：被堵水或相对堵水岩石整合的含水岩石系统。地下水涵养系统分类：岩床反水系统松散的积蓄水系统，地下水流动系统：由从源头吸收的流动面群组成，统一时空演化过程的地下水站。地下水来源运动：补充区韩元；排泄区次。地下水从补给区流向排泄区是由连接源头和吸收源的流量面反映的。，第三，地下水涵养系统和流动系统的比较水系地下水系统流动系统都从不同的角度显示出地下水发生和运动的系统性(整体性)。水星系统的整体性表达：具有统一的液压连接，该系统作为对外部世界的整体激励做出反应。水性系统是一个独立、均匀的水平衡单位，可用于研究水量甚至盐的量和热量的平衡。画水系统的圆圈：主要集中在包含水的容器上，通常是水的对面或相对水的对面岩石作为系统边界，其边界是地质零通量面(或准零通量面)，系统的边界不变。岩床水系统：岩床水系统构成：由坚固的岩石地层组成的地层渗透(包括)水主要取决于结构裂缝的发生程度。岩石水体系是相对独立的水基地质体。岩溶水系统的边界：必须包括东、西、南、北、上、下6个接口。系统的整体形状复杂，不一定是立方体，也可以有很多或更少的边界。界限的特性：相对防水或弱投手。松散堆水系统：开发部分：新生代地壳沉降盆地或沉降带。堆介质的空隙主要是空隙。直径大的介质，如碎石、碎石、中等粗砂，其导水率和蓄水特性优秀，经常构成良好的水介质。松散堆水星系统的边界：顶部边界地面。这是地下水系统与大气、地表水系统之间进行水交换的界限。下层边界基座，地下水流动体系的综合表征：具有统一的水流，沿着水流，盐量、热、水的发生规律演化，表现出统一的时空秩序结构。流动系统以流动面为边界，属于水压零通量面边界，且边界可变。叠加(层次)性：具有稍微复杂的平滑结构的地下水系统，具有不同流曲面组外包包围的局部流子系统、中间流子系统、区域流子系统。区域流系统中隐含着中间流系统，中间流系统中又隐含着局部流系统，显示了地下水系统软结构的叠加(层次)特性。二次水系统和流系统都具有二次特性，任何水系统或流系统都可以包含其他子系统。图3:构成水星系统的沉积盆地。这张图显示：水星系统分为两个子系统，ii；沉积盆地开发有两种流动系统a，b。相同的空间，水星系统和流动系统的界限相互重叠。两个流系统都渡过了两个子水切割系统。在流系统b中，区域流系统的流线通过两个子水切割系统，局部和中间流系统的开发仅限于上部子水切割系统I。比较：图4是与图3相同的沉积盆地，但流动系统在人的影响下可以发生很大变化。在人工采矿的影响下，在整个水星系统中，形成了新的有线指向流域中心的聚合地下水流系统，原来的流动系统全部消失了。显然，由于强势场变化，流线一般穿过了相对隔水层。但是，无论人工影响加强到什么程度，都不会超过大的堵水系统界限。从以上讨论中可以看出，调节水星系统的发展主要是地质结构(沉积、构造、地质发展史)。控制地下水流系统开发主要是水势场。在自然条件下，自然地理因素(地形、水文、气候)控制潜在场，因此是控制流系统的主要因素。8.3地下水含水系统、含水系统开发主要受地质结构控制，松散沉积物组成的含水系统具有由坚硬基岩组成的含水系统和一系列其他特征。松散沉积物水分系统的特性坚硬岩石水分系统的特性，松散沉积物水分系统的特征，在现代地壳沉降的堆积盆地中发展；边界通常是不透水的坚硬基岩。水系统内部一般没有完全含水的岩层，只有比较含水的层，包含几个划分成比较含水的层的含水层。含水层之间可以通过“天窗”，也可以通过相对含水层流产生广泛的水力联系。但是在同一水星系统中，各部分的水力连接程度不同。例：产前洪积平原大部分由粗卵石组成，粘性土很少，水力连接。在远离泥沙来源地区的冲积层中，粘性土的比例较大，水力联系减弱。深度越深，水流长度越长，需要相交的粘性土越多，水力连接越弱(图5a)。坚硬的岩溶水水系特性，由特定的地质结构、褶皱或断层或两者发育而成。基岩往往包含厚而稳定的泥质岩石，形成隔水层。a .单独的含水层构成了水分系统(图b)。b .岩相变化导致水势垒端关闭(图c)，或因导水导致多个含水层连接(图d)，多个含水层形成一个含水层。在这种情况下，水星系统各部分的水力连接是不同的。另一方面，由于结构原因，同一含水层也可以构成一个或多个水性系统(图b，c)。堵水系统被堵水或相对堵水岩石包围，并不意味着它的整个边界是堵水或相对堵水状态。除了极少数封闭的堵水系统(图e)外，堵水系统一般都有开放给环境的特定界限，以适应补给和排泄。例：不同地质结构的堵水系统一般位于投手边界附近。此时，相邻水分系统之间的水力联系相当大，但由于水的发生和运动规律不同，需要用不同的水分系统(图a，c)来区分。8.4地下水流系统，1，地下水流系统的起源，水文地质学无视地下水的垂直运动，将地下水流视为平面二维运动。就像河流流域。第一个明确指出地下水垂直运动的是赫伯特。图1:河流间地块流图赫伯特指出排泄区的流线指地下水面，指上升水。补给地区的有线离开了地下水面，显示出下降的流向。其间只有过渡带流线是水平的。地下水流是平面二维运动，地下水有垂直运动。传统画法(平面二维):地下流域两侧的流线避免向相反方向水平流动的矛盾，仅表示河间地块的一侧；此外，还有为了防止有线从排泄区上升，在河谷底部切割防水板，保持高水位的意图。事实上，地下水总是从来源向吸收移动，而来源通常在含水层上，来源地地下水流线的垂直分布是合理的。1963年，托特以独特的形式发展了赫伯特的理论。在严格的假设下，利用了绘制均匀性各向同性潜水盆地理论地下水流动体系的分析解决方案。新结论：均匀性各向同性潜水盆地出现了三种不同等级的流动系统：局部、中间和区域。弗雷泽和威瑟斯丰用数值解算出了分层非均质介质中的地下水流动系统。为了模拟二维、三维各向异性非均质介质的稳定和非稳定流动，地下水流动的数值模拟程序目前进行了很多。1980年，托特再次提出了“重力渗透层流动”的概念，将流动系统理论全面推广到异质介质场，应用于分析石油和天然气的迁移和积累。英格伦：分析了形成地下水流动体系的物理机制，建立了解决水质问题的地下水流动体系的概念和方法。与现有水文地质分析方法相比：地下水流系统的分析方法更加系统严谨，从定性分析到定量模拟有着较为密切的关系。因此，以地下水系统理论为基本框架，融合了传统的水文地质分析方法，发展了现代水文地质。第二，地下水流系统地下水流系统理论的本质：以地下水流线为工具，在势场和梅开分析的基础上，将渗流场、化学场、温度计集成到新的地下水流系统概念框架内。地下水流动系统理论的作用：将似乎没有相互联系的地下水各方面的成果相互联系，将容易理解的地下水空间和时间的连续演化纳入一个有序的结构，有助于全面掌握地下水各部分与环境的联系。1 .地下水流动系统的水力特性，驱动地下水运动的主要能量重力势能；重力势能将地下水补给，即大气降水和地表水转化为地下水时，相应的重力势能与地下水相加。即使地面渗透条件相同，重力势能的积累也因地形部位而异。也就是说，在地形较低的地方，随着地下水面达到或接近地表，地下水的排泄增加(转换为大气水和地表水)，阻止地下水面继续上升。因此，地势低的地方通常是低地势阱。如果在地形的高处地下水继续上升，重力势能就会积累，产生潜力。因此，地形通常控制重力势能的分布。流水的水头特征：在静止的水中，各部分水头相同。在流水中，水流从电位的来源下降，在垂直横断面中，水头从上到下逐渐下降，在任何点，水头都小于静水压。相反，在电位中，流线上升，垂直磁头从下往上高低，在任何点上，水头都大于静水压。在中间区域，流线水平延伸，垂直剖面的水头全部等于静水压。传统的观点是，只有有限的水域具有静水压以上的水头，因此压力水分系统可以在特定的结构控制下建造自己的井(图10a)。如上讨论所示，潜水在水的上升部分也同样是“压力”，磁头可以高于静态压力，即使有适当的地形条件，也可以自己造井(图l0b)。潜水盆地多阶段地下水流系统：存在a、b、c三种潜力的源区。由于Abc较高，因此a是源，b、c是汇款，并且有两个流系统：ab和AC。创建Bc流系统的先决条件 BC的流路径中，ab和AC两种系统的头部都低于BC。否则，将不会设置BC。同一介质中地下水流动系统发育规律：同一介质中存在两个或多个地下水流动系统时，它们占用的空间大小取决于以下两个因素：(a)势能梯度(I)，等于源的电位差除以源的水平距离。势能梯度越大，流动系统占用的空间越大，反之亦然。(b)介质渗透性(k)，透水性越好，其中发展的流动系统占用的空间也越大。a-表示透水性均匀介质中势能梯度相同的两个地下水流动系统在空间上平分秋色。B-在相同介质字段中，势能梯度较大的流动系统占据了较大的范围。C-意味着两个势能梯度相同的流动系统在不均匀的介质场中开发，在透水性好的介质中发展的流动系统占用了更大的空间。与D- b中的其他条件相同，但是减少防水楼板基准后，表示发生了区域流动系统。区域流动系统和局部流动系统的发育状态取决于两者的势能梯度。e-区域地形坡度不大，区域地形起伏大时，开发万区域流动系统。如果F-区域地形起伏很大，会同时发展区域流动系统和区域流动系统。G-地方型条件不变，媒体场透水性好的时候，发展了个区域系统。在各级流动系统中，补给区的数量通过中间区运到排泄区。因此，以中间地带为基准，补给区是缺水的地区，地表水少，地下水埋得深，土壤含水量低，干旱强的植物多分布；排泄区是水源过剩的区域，地下水的深度和土壤水分高，沼泽、湿地、泉多，是喜水产物。干旱地区出现盐渍土地，多分布耐盐植物。在岩层透水性特别好的岩溶开发地区，这种水分分布不均性尤为突出。2 .有序表示地下水流动系统的水化学特性地下水流动系统中地下水化学成分的时空演变。有关水量和地下水流动的信息间接反映在地下水水化学中。因此，根据地下水的水化学场，可以追溯历史上的地下水流动系统。在地下水流动系统的任何一点，水质取决于以下因素(a)输入水质；(b)进程；(c)流速；(d)过程中产生的物质及其流动；(e)进