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1、第9章 地下水流系统本讲稿第一页，共三十七页 第1节 地下水系统的概念n系统、系统结构系统、系统结构n系统：系统：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成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的具有特定功能的整体。n系统结构：系统结构：系统内部各要素相互联系和作用的方式便是系系统内部各要素相互联系和作用的方式便是系统的结构。统的结构。n激励与响应激励与响应本讲稿第二页，共三十七页 第1节 地下水系统的概念n激励：激励：环境对系统的作用环境对系统的作用n响应：响应：系统在接受激励后对环境的反作用系统在接受激励后对环境的反作用n地下水系统地下水系统n含水系统：含水系统：由
2、隔水或相对隔水岩层圈团的，具有统一水力由隔水或相对隔水岩层圈团的，具有统一水力联系的含水岩系。联系的含水岩系。一个含水系统往往由若干含水层和相对隔水层（弱一个含水系统往往由若干含水层和相对隔水层（弱透水层）组成，而其中的相对隔水层并不影响含水系透水层）组成，而其中的相对隔水层并不影响含水系统中的地下水呈现统一水力联系。统中的地下水呈现统一水力联系。本讲稿第三页，共三十七页 第1节 地下水系统的概念n地下水流动系统：地下水流动系统：是指由源到汇的流面群构成的，具有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。统一时空演变过程的地下水体。n异同点：异同点：n含水系统的整体性体现于它具
3、有统一的水力联系：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，在存在于同一含水系统中的水是个统一的整体，在含水系统的任一部分加入（接受补给）或排出含水系统的任一部分加入（接受补给）或排出（排泄）水量，其影响均将波及整个含水系统；（排泄）水量，其影响均将波及整个含水系统；n地下水流动系统的整体性体现于它具有统一的水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、热量与水量发生有规流，沿着水流方向，盐量、热量与水量发生有规律的演变，呈现统一的时空有序结构；律的演变，呈现统一的时空有序结构；本讲稿第四页，共三十七页 第1节 地下水系统的概念n
4、流动系统以流面为边界，属于水力零通量面边界，流动系统以流面为边界，属于水力零通量面边界，边界是可变的；边界是可变的；n含水系统与流动系统都具有级次性，任一含水系含水系统与流动系统都具有级次性，任一含水系统或流动系统都可能包含不同级次的子系统；统或流动系统都可能包含不同级次的子系统；n含水系统与流动系统的边界是相互交叠的；含水系统与流动系统的边界是相互交叠的；n流动系统在人为影响下会发生很大变化；流动系统在人为影响下会发生很大变化；n控制含水系统发育的，主要是地质结构（沉积、控制含水系统发育的，主要是地质结构（沉积、构造、地质发展史），而控制地下水流动系统发构造、地质发展史），而控制地下水流动系
5、统发育的，主要是水势场。育的，主要是水势场。本讲稿第五页，共三十七页 第2节 地下水含水系统n松散沉积物构成的含水系统松散沉积物构成的含水系统 （a）n发育于近代构造沉降的堆积盆地中，其边界通常为不透水的发育于近代构造沉降的堆积盆地中，其边界通常为不透水的坚硬基岩；坚硬基岩；n含水系统内往往由若干含水层（子含水系统）和不完全隔水含水系统内往往由若干含水层（子含水系统）和不完全隔水的粘土和亚粘土构成。含水层之间的水力联系通常为的粘土和亚粘土构成。含水层之间的水力联系通常为“天窗天窗式式”和和“越流式越流式”；n同一含水系统中，各部分的水力联系程度有所不同同一含水系统中，各部分的水力联系程度有所不
6、同。本讲稿第六页，共三十七页 第2节 地下水含水系统n基岩构成的含水系统基岩构成的含水系统 （b,c,d,e）n一个含水系统可由若干含水层（子含水系统）和弱透一个含水系统可由若干含水层（子含水系统）和弱透水层构成，但有时单独一个含水层也可以构成一个含水层构成，但有时单独一个含水层也可以构成一个含水系统；水系统；n隔水边界可以全部，也可部分开放隔水边界可以全部，也可部分开放。本讲稿第七页，共三十七页 第2节 地下水含水系统本讲稿第八页，共三十七页 第2节 地下水含水系统n由隔水层或相对隔水层圈闭，并不是说它的全部边界都由隔水层或相对隔水层圈闭，并不是说它的全部边界都是隔水或相对隔水。它可以全部隔
7、水封闭（是隔水或相对隔水。它可以全部隔水封闭（e），但也），但也可以部分边界开放，这种开放不仅在于表面（可以部分边界开放，这种开放不仅在于表面（a），而且），而且也在于地下（也在于地下（c）。）。n一个含水系统往往由若干含水层和隔水层（弱透水层）组成，一个含水系统往往由若干含水层和隔水层（弱透水层）组成，但少数情况下（但少数情况下（b,e），一个单独的含水层也可构成一个），一个单独的含水层也可构成一个含水系统；另外，同一个含水层由于构造原因也可以构含水系统；另外，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（成一个以上的含水系统（b,c）。本讲稿第九页，共三十七页 第3节 地下水流动系
8、统n地下水流动系统的由来地下水流动系统的由来n1940年年郝伯特（郝伯特（M.K.Hubbert）指出：河间地块流网中指出：河间地块流网中排泄区的流线是指向地下水面的，为上升水流；补给区的排泄区的流线是指向地下水面的，为上升水流；补给区的流线离开地下水面，呈下降水流；只有在两者之间的过渡流线离开地下水面，呈下降水流；只有在两者之间的过渡带，流线才是水平的。带，流线才是水平的。本讲稿第十页，共三十七页 第3节 地下水流动系统本讲稿第十一页，共三十七页 第3节 地下水流动系统n1963年年托特（托特（J.Toth）发展了郝伯特理论。他发现：在发展了郝伯特理论。他发现：在均质各向同性潜水盆地中出现三
9、个不同级次的流动系统：均质各向同性潜水盆地中出现三个不同级次的流动系统：局部的、中间的和区域的。局部的、中间的和区域的。n随后的随后的R.A.Freeze和和P.A.Witherspoon利用数值解得利用数值解得到层状非均质介质中地下水流动系统到层状非均质介质中地下水流动系统n1980年年托特（托特（J.Toth）提出提出“重力穿层流动重力穿层流动”的概念，的概念，将流动系统理论全面推广到非均质介质场。将流动系统理论全面推广到非均质介质场。本讲稿第十二页，共三十七页第3节 地下水流动系统Theoretical analysis of local and regional flow system
10、本讲稿第十三页，共三十七页第3节 地下水流动系统nCross-section showing groundwater recharge and discharge本讲稿第十四页，共三十七页第3节 地下水流动系统nWater table position where recharge/T is low(top)and high(bottom)本讲稿第十五页，共三十七页第3节 地下水流动系统本讲稿第十六页，共三十七页 第3节 地下水流动系统本讲稿第十七页，共三十七页 第3节 地下水流动系统本讲稿第十八页，共三十七页 第3节 地下水流动系统n地下水流动系统的水动力特征地下水流动系统的水动力特征 取决
11、于驱动水运动的重力势能（托特称之为取决于驱动水运动的重力势能（托特称之为地形势地形势）；）；在静止水体中，各处的水头相等。而在地下水流动系在静止水体中，各处的水头相等。而在地下水流动系统中，势源处流线下降，沿着流线方向，越来越多的机统中，势源处流线下降，沿着流线方向，越来越多的机械能消耗于粘滞性摩擦，在垂直剖面上自上而下水头越械能消耗于粘滞性摩擦，在垂直剖面上自上而下水头越来越低，任一点的水头均小于静水压力。反之，在势汇来越低，任一点的水头均小于静水压力。反之，在势汇处，流线向上，垂向上水头自下而上由高而低，任一点处，流线向上，垂向上水头自下而上由高而低，任一点的水头均大于静水压力。在中间地带
12、，流线水平，垂向的水头均大于静水压力。在中间地带，流线水平，垂向断面各点断面各点 水头均相等，并正好等于静水压力。水头均相等，并正好等于静水压力。（解释潜（解释潜水承压）水承压）本讲稿第十九页，共三十七页 第3节 地下水流动系统本讲稿第二十页，共三十七页 第3节 地下水流动系统n单源单汇地下水流动系统只形成一个流动系统单源单汇地下水流动系统只形成一个流动系统本讲稿第二十一页，共三十七页 第3节 地下水流动系统n多源汇地下水流动系统形成多级次地下水流动系统。多源汇地下水流动系统形成多级次地下水流动系统。如如同一介质场中存在两个或更多的地下水流动系统时，它们同一介质场中存在两个或更多的地下水流动系
13、统时，它们所占据的空间大小所占据的空间大小取决于取决于以下两个因素：以下两个因素：（1）势能梯度（）势能梯度（I），等于源汇的势差除以源汇的水平），等于源汇的势差除以源汇的水平距离。势能梯度愈大的流动系统占据的空间也愈大，距离。势能梯度愈大的流动系统占据的空间也愈大，反之亦然；反之亦然；（2）介质渗透性（）介质渗透性（K），透水性愈好，发育于其中的流），透水性愈好，发育于其中的流动系统所占据的空间也愈大动系统所占据的空间也愈大。本讲稿第二十二页，共三十七页 第3节 地下水流动系统本讲稿第二十三页，共三十七页 第3节 地下水流动系统本讲稿第二十四页，共三十七页 第3节 地下水流动系统n地下水流动
14、系统的水化学特征地下水流动系统的水化学特征 n地下水水质是随着流动过程而不断变化的。地下水水质是随着流动过程而不断变化的。n在地下水流动系统中，任一点的水质取决于下列因素：在地下水流动系统中，任一点的水质取决于下列因素：（a）输入水质输入水质 （b）流程流速流程流速 (c)流程上遇到的物质及其可迁移性流程上遇到的物质及其可迁移性 (d)流程上经受的各种水化学作用流程上经受的各种水化学作用 本讲稿第二十五页，共三十七页 第3节 地下水流动系统n地下水化学成分主要来自流动过程中对流经岩土的溶滤。地下水化学成分主要来自流动过程中对流经岩土的溶滤。在其他条件相同时，地下水在岩层中滞留的时间越长，从在其
15、他条件相同时，地下水在岩层中滞留的时间越长，从周围岩土中溶滤获得的组分便越多。局部流动系统的水，流周围岩土中溶滤获得的组分便越多。局部流动系统的水，流程短，流速快，地下水化学成分相应比较简单，矿化度较低；程短，流速快，地下水化学成分相应比较简单，矿化度较低；区域流动系统的水，流程长，流速慢，接触的岩层多，成分区域流动系统的水，流程长，流速慢，接触的岩层多，成分复杂，矿化度也高。但在补给区矿化度并不高，排泄区的矿复杂，矿化度也高。但在补给区矿化度并不高，排泄区的矿化度最高。化度最高。本讲稿第二十六页，共三十七页 第3节 地下水流动系统n同一含水层或含水系统的水，可以分属不同的流动系统同一含水层或
16、含水系统的水，可以分属不同的流动系统或不同级次的流动系统，水动力特征不同，水化学特征或不同级次的流动系统，水动力特征不同，水化学特征自然不同自然不同。本讲稿第二十七页，共三十七页 第3节 地下水流动系统n地下水流动系统的不同部位，由于流速与流程对水质的控制地下水流动系统的不同部位，由于流速与流程对水质的控制作用，显示出很好的水化学分带作用，显示出很好的水化学分带。本讲稿第二十八页，共三十七页 第3节 地下水流动系统n在同一介质场中，不同流动系统以及同一流动系统不同级在同一介质场中，不同流动系统以及同一流动系统不同级次系统的界线两侧，地下水水质可能发生突变；次系统的界线两侧，地下水水质可能发生突
17、变；n不同流动系统水流相向汇流处不同流动系统水流相向汇流处水动力圈闭带与相背分水动力圈闭带与相背分流处流处准滞留带，恰好是流束膨胀，流速迟缓之处，有准滞留带，恰好是流束膨胀，流速迟缓之处，有利于各种溶解物、悬浮物、乳状物质、胶体物质在此积利于各种溶解物、悬浮物、乳状物质、胶体物质在此积聚；聚；n在地下水流动系统的不同部位，发生的主要化学作用在地下水流动系统的不同部位，发生的主要化学作用也不同。也不同。本讲稿第二十九页，共三十七页 第3节 地下水流动系统本讲稿第三十页，共三十七页 第3节 地下水流动系统地下水流动系统的水温度场特征地下水流动系统的水温度场特征 没有地热异常的地区，根据地下水温度的
18、分布，可没有地热异常的地区，根据地下水温度的分布，可以判定地下水流动系统。以判定地下水流动系统。年常温带以下的等年常温带以下的等温线通常上低下高，呈水平分布。但由温线通常上低下高，呈水平分布。但由于地下水流动系统的存在，补给区的下于地下水流动系统的存在，补给区的下降水流受入渗水的影响，地温偏低。排降水流受入渗水的影响，地温偏低。排泄区因上升水流带来深部热影响，地温泄区因上升水流带来深部热影响，地温偏高。从而使原本水平分布的等温线发偏高。从而使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（地温梯度变小）。排泄区上抬，且间
19、隔变小（地温梯度变大）。隔变小（地温梯度变大）。本讲稿第三十一页，共三十七页 第3节 地下水流动系统本讲稿第三十二页，共三十七页9.7 9.7 不同介质中的地下水流系统不同介质中的地下水流系统 松散沉积物松散沉积物 裂隙基岩裂隙基岩 可溶岩层可溶岩层n 岩溶水流系统岩溶水流系统 初期岩溶不发育，多个局部水流系统初期岩溶不发育，多个局部水流系统 后期岩溶发育，统一的区域水流系统后期岩溶发育，统一的区域水流系统n孔隙水流系统孔隙水流系统 复杂，原因有：复杂，原因有：本讲稿第三十三页，共三十七页9.7 9.7 不同介质中的地下水流系统不同介质中的地下水流系统本讲稿第三十四页，共三十七页9.7 9.7
20、 不同介质中的地下水流系统不同介质中的地下水流系统n缺乏明显的系统边界缺乏明显的系统边界n介质场空间变化复杂介质场空间变化复杂n地貌及微地貌影响下势场变化复杂地貌及微地貌影响下势场变化复杂n各级次含水系统与水流系统具有复杂的交错关系各级次含水系统与水流系统具有复杂的交错关系n经历长期地质及自然地理演变，后期发育的水流系统经历长期地质及自然地理演变，后期发育的水流系统的影响叠加于前期水流系统之上，重塑演变过程十分的影响叠加于前期水流系统之上，重塑演变过程十分复杂复杂n大多受人为活动的强烈影响大多受人为活动的强烈影响本讲稿第三十五页，共三十七页9.7 9.7 不同介质中的地下水流系统不同介质中的地下水流系统n裂隙水流系统裂隙水流系统 裂隙介质的不均匀性、非连续性河各向异性使裂隙介质的不均匀性、非连续性河各向异性使 辨识裂隙水流系统更难！（第辨识裂隙水流系统更难！（第1212章裂隙水）章裂隙水）举例：图举例：图9.139.13要辨识裂隙承压水流和裂隙水流系统的上升水流要辨识裂隙承压水流和裂隙水流系统的上升水流本讲稿第三十六页，共三十七页9.7 9.7 不同介质中的地下水流系统不同介质中的地下水流系统本讲稿第三十七页，共三十七页