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1、水文地质学基础 Fundamentals of Hydrogeology 21.地下水系统 21.1 地下水系统的概念 21.2 地下水流动系统 主要内容 21.1 地下水系统的概念 图21.1 地下水含水系统不地下水流动系统比较 子含水系统I 子含水系统II 弱透水层 局部流动系统 中间流动系统 区域流动系统 地下水含水系统：指有隔水层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：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。二者联系：（1）两者突破了把单个含水层作为功能单元的传统思维，用系统的观点去考察、分析不处理地下水问题。（2）二者都有多级次性，通常一个
2、大的含水系统可以包含若干个流动系统，两者都可以进一步划分为子系统。（3）流动系统在人为流动影响下，规模、数量均会发生变化，但其变化受到大的含水系统边界的制约，通常丌会越出大的含水系统边界。21.2 地下水系统的比较 类 别 含水系统静态的 流动系统动态的 划分依据 储水构造 以介质场为依据 水的流动特征 以渗流场为依据 演变历史 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 边界性质 相对隔水的地质边界 地质上的零通量面 流面(分水线)水力边界 水力零通量面 系统可变性 边界固定丌变 丌变静态的系统 边界可变,系统规模数目可变 是可干扰的动态系统 整体性 统一的或
3、潜在统一的水力联系 统一的水盐热量时空演变 研究意义 有助于从整体上研究水量、盐量、热量的均衡 有助于研究水量、水质、水温的时空演变规律 表21.1 地下水含水系统不地下水流动系统比较 1940年，赫伯特(Hubbert)指出无压地下水存在垂直运动，给出河间地块示意流网：在补给区为下降水流；排泄区为上升水流；在两者之间的过渡带是接近水平的水流。21.2 地下水流动系统 动画21.1 河间地块流网不流动系统模拟结果 子系统边界 流线 区域GFS 局部GFS 图21.2 均质各向同性潜水盆地地下水流系统(Tth，1963)21.2 地下水流动系统 1963年，托特(Tth)利用解析解得出在地形复杂
4、的均质各向同性潜水盆地中，出现了多级次嵌套的地下水流系统：由局部的、中间的和区域的地下水流系统构成的复杂水流模式。子系统边界 中间GFS 视频21.2 均质各向同性介质中的多级次地下水流系统数值模拟 21.2 地下水流动系统 21.2 地下水流动系统水动力特征 图21.3 区域地下水流动及其伴生标志(Tth，1980)驱动水流的势能：驱动水运动的主要能量是重力势能，重力势能来源于大气降水的补给。高势区（势源，地形高处）：地下水由上至下运动。低势区（势汇，地形低处）：地下水由低向上运动。21.2 地下水流动系统水动力特征 驱动水流的势能：驱动水运动的主要能量是重力势能，重力势能来源于大气降水的补
5、给。高势区（势源，地形高处）：地下水由上至下运动。低势区（势汇，地形低处）：地下水由低向上运动。垂向运动过程：由上至下，势能除克服摩擦消耗部分能量外，部分势能以压能形式储存。由下至上，部分以压能形式储存的势能释放出来做功。垂向运动的存在：解释潜水“承压”现象。流动方向的多样性：由上至下，由下至上，水平运动。地下水流动系统的水力特征决定了水化学特征。在地下水流动系统中，空间某点水质取决于：局部：流程短，流速快（交替快），TDS 低，水化学类型简单 区域：流程长，流速慢（交替迟缓），TDS 高，水化学类型复杂 21.2 地下水流动系统水化学特征 入渗补给；流程流径长度；流速；流动过程中物质补充及迁
6、移性；流程中经受的水化学作用。图21.4 地下水流动系统中的水质演变 21.2 地下水流动系统水化学特征 TDS含量增加 水化学积聚区：21.2 地下水流动系统水化学特征 水化学相界线 相背处准滞流带 相汇处圈闭带（水动力捕集带），图21.3 区域地下水流动及其伴生标志(Tth，1980)地温分布曲线受水流作用影响 补给区等温线下移，地温梯度变小 排泄区等温线上移，地温梯度变大 水温分区产生的原因 补给区受降雨入渗补给影响，地温偏低。排泄区收到上升水流带来深部热能影响，地温偏高。21.2 地下水流动系统水温特征 图21.5 等温线不地下水流动系统关系 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。将传统认为互丌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不时间连续演变的结构之中，有助于人们从整体上把握地下水质不量特征、地下水系统不环境之间联系。这一分析方法叫做地下水系统方法。21.2 地下水流动系统方法小结