水文地质学课件ppt版 09gzj 地下水流系统

FundamentalsofHydrogeoloy

水文地质学基础第9章地下水流系统Groundwatersystem第九章地下水流系统主要内容：了解地下水系统相关概念的形成，掌握地下水含水系统与流动系统的概念、划分方法与两者的关系，流动系统划分意义；掌握地下水流动系统的渗流场特征，了解流动系统的化学场与温度场的特征；学习利用地下水流动系统理论分析地下水流的特征方法。重难点：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。CompanyLogo9.5地下水流系统的水化学特征9.3地下水流系统的水动力特征本章内容9.2地下水流系统理论的形成与演变

9.1水文地质学中系统概念的引入9.4流域盆地地下水流模式9.6地下水流系统的水温度特征9.7不同介质中的地下水流系统一、系统的提出

一般系统论，是二十世纪40年代贝塔朗菲（Ludwigvon

Bertalanffy）提出来的。

20世纪50~60年代在应用系统工程解决复杂问题取得重大成功。

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〔钱学森等，1978〕

相互作用，相互依赖→不是各部分或零部件的简单堆集，整体→其功能大于局部（要素）之和，

Integral＞∑elements。

9.1水文地质学中系统概念的引入——

9.1.1系统概念向水文地质学的渗透

二、系统与系统方法

系统方法：将事物看成“有结构的集合”，看成以一定规则组织起来、具有统一行为目标的整体。

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。

一个系统，不仅内部诸要素存在着相互作用，而且与外部环境发生相互作用。

9.1.1系统概念向水文地质学的渗透

三、地下水系统概念的产生找水，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9.1.2与地下水有关的系统概念及其含义⑴含水系统与地下水流系统1、地下水系统是个广义的泛指概念（1）地下水含水系统Groundwateraquifersystem（2）地下水流动系统Groundwaterflowsystem

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

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

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:①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②含水系统与水流系统都具有级次性任一含水系统或水流系统可能包含不同级次的子系。

潜水与承压含水层—含水系统从图上不难看出，同一空间中，含水系统与水流系统的边界是相互交叠的。两个水流系统（A、B）均穿越了两个含水系统（Ⅰ、Ⅱ）

系统的比较b.两者的不同比较

含水系统

流动系统

根本不同—一个是静态系统一个是动态系统

分类依据

根据储水构造划分的根据水的流动特征

—以介质场为依据—以渗流场为依据

系统发育史

共同的地质演变历史共同的地下水演变历史

—地层形成史一致—水的补给径流统一

边界性质

相对隔水的地质边界流面(分水线)—水力边界

—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边界可变,系统规模数目变

—不变—静态的系统—是可干扰的动态系统

统一性统一的或潜在统一的水盐热量时空演变统一的水力联系

研究意义有助于从整体上研究有助于研究水量、水质水量盐量、热量的均衡水温的时空演变(水质)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——分层次的：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，通常不会越出大的含水系统边界⑵地下水系统的含义地下水系统是受环境因素所制约的，具有不同等级，在时空分布在时空分布上具有四维性质和各自的物理、化学和水动力特征的，不断运动演化的地下水单位的统一体。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。9.2地下水流系统理论的形成与演变地下水流动系统（GFS）概念

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早在1940年，Hubbert正确地画出了河间地块流网(图9.2b)

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，P89，图9.3子系统边界流线中间GFS

区域GFS

局部GFS

子系统边界流动系统划分为：局部流动系统—？个；中间流动系统—？个；区域流动系统—？个；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：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9.3GFS的水动力特征重力势能差异是地下水运动的主要驱动力。GFS的水动力特征

高势区（势源）—地形高处：地下水由上至下运动。垂直断面上：随着深度增加水头降低；任一点水头均小于静水压力。低势区（势汇）—地形低处：地下水由低向上运动。垂直断面上：沿流程水头自下而上不断降低；任一点水头均大于静水压力。

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垂向运动的存在：传统的“承压”现象在潜水中也可以出现流动方向的多样性：由上至下，由下至上，水平运动流动特征的伴生现象----生态、环境的关系9.4流域盆地地下水流模式9.1地下水盆地水流模式及其影响因素决定盆地地下水流模式的因素包括：Toth观点：地下水位轮廓、盆地深度、区域地形面型式以及地层和断裂。梁杏观点：①入渗补给强度；②介质场渗透性；③潜在势汇分布；④盆地几何形态。9.4.2地下水盆地水流模式的物理模拟地下水流系统演示仪地下水流系统演示仪再现多级次地下水流系统——局部的、中间的及区域的水流系统（图9.7）刘彦等利用地下水流系统演示仪，模拟了不同入渗补给强度下的地下水流。其他条件相同情况下，仅改变入渗补给强度，随着入渗补给强度由小变大，呈现不同水流模式：①单纯的区域水流系统；②局部、中间及区域多几次水流系统；③局部及区域两级水流系统。上述物理模拟结果表明：地形对地下水面以及地下水流模式的控制，是有条件的。9.4.3地下水盆地水流模式的数学模拟水头上边界的设定：斜线叠加正弦波状的地下水面。在固定设置高度不等的三个潜在可能势汇以及盆地长度基础上，通过改变入渗补给强度ε、介质渗透系数K以及盆地深度d，进行三组模拟，得出结果（图9.8，图9.9）⑴其他条件相同，ε降低→局部及中间系统消减，区域系统发育。⑵其他条件相同，K增大→局部及中间系统消减，区域系统发育。⑶只要R=ε/K相等→盆地地下水流模式完全相同（9.8Ⅰ及9.8Ⅱ对应图）⑷固定盆地长度及其他条件，d小→只出现局部系统；

d增加→除了局部及中间系统，还发育区域系统。图9.8图9.9比值R的物理含义

ε=Q/A=υ

R=ε/K=υ/K=Ι式中：Q——入渗补给量；

A——接受补给面积；

υ——渗透流速；

Ι——水力梯度R表征地下水流的驱动力。①R值愈大，水流驱动力愈强，局部水流系统穿透深度愈大；②R值变小，可能发育中间系统及区域系统；③其他条件相同，改变ε及K保持R为定值，水流模式相同。④取R值为定值，ε及K

均增大时，水流模式相同，但定量流线密集；⑤取R值为定值，随着盆地深度d增大，水流模式将由单纯的局部系统转变为复杂的多级次系统；d深度足够大时，底部将出现准滞留带或滞留带。9.5GFS的水化学特征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在流动系统中，水质取决于空间某点：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：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水化学积聚区：相汇处→圈闭带，相背处→准滞流带矿化度，水型与水化学形成作用方式，与水力特征相关一致局部：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地下水流动系统中的水质演变区域地下水流动及其伴生标志水化学积聚区：相汇处→圈闭带，相背处→准滞流带9.6

GFS的水温度特征GFS的水温度特征

地温分布曲线受水流作用影响上升水流产生正增温下降水流产生负增温补给区等温线下降，间距变大排泄区等温线上抬，间隔变小

地下水流动系统的总结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将传统认为互不相关联的地下水各方面的表现联系在一起，纳入到一个有序的地下水空间与时间连续