第八章地下水系统与地下水径流.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 地下水系统与地下水径流,8.1,系统概念,8.2,地下水系统,8.3,地下水含水系统,8.4,地下水径流,8.1,系统概念,一、系统的提出与发展,1.源于：系统论,上世纪,40,年代由贝塔朗菲提出；,2.发展于20世纪80年代；,3.上世纪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。,二、系统主要概念,1.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；,整体功能大于局部（要素）之和。,2.系统方法：用系统思想去分析与研究问题的方法。其观点为：不应当将系统理解为各组成部分(要素)的简单集合，而应将其理解为诸要素以一定规则组织起来并共同行动的整体。,3.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。,4.系统目标：系统整体功能的最优化（不是局部的）。,5.系统结构：系统内部各要素相互联系和作用的方式。,因此，可以将系统理解为“有结构的集合”。,6.系统的输入与输出：一个系统，不仅内部诸要素存在着相互作用，而且还与外部环境发生相互作用。系统接受环境的物质、能量或信息的输入，经过系统的变换，再向环境产生物质、能量或信息的输出,7.系统的激励和响应：环境对系统的作用称之为激励，系统在接受激励后对环境的反作用称之为响应。,8.环境的输入（激励）经过系统的变换而产生对环境的输出（响应），这种变换取决于系统的结构。,例如：,1）在同等降水条件下，不同的地下水系统，由于其岩层、构造、地貌乃至分布范围大小不同，泉流量的变化各不相同。,2）在不同的地下水系统中，以同种方式开采同样数量的地下水，地下水位的降低也有很大差别。,因此，一方面，分析系统输入与输出（激励与响应）的对应关系有助于了解系统结构。另方面，对系统结构的了解有助于我们预测激励响应关系。,8.2,地下水系统,一、地下水系统概念的提出：,是系统论和水文地质学发展的必然结果。,二、地下水系统：,地下水系统是由多个组成部分构成的复杂系统，它包括两个系统：地下水含水系统和地下水流动系统。,1.地下水含水系统：,由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。它由若干含水层和相对隔水层（弱透水层）组成。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。,2.地下水流动系统：,由源（补给区）到汇（排泄区）的流面群构成的，具有统一时空演变过程的地下水体。,一个大的含水系统可能包含若干个地下水流动系统。,三、地下水含水系统与地下水流动系统的比较,1.共同点：,1）不再以含水层作为基本的功能单元；,a.地下水含水系统超越单个含水层而将包含若干含水层与相对隔水层的整体作为所研究的系统。,b.后者摆脱了传统的地质边界的制约，而以地下水流作为研究实体。,2）两者都揭示了地下水赋存与运动的系统性（整体性）；,3）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。,2.不同点：,1）含水系统：,a.系统性（整体性）体现在它具有统一的水力联系；,含水系统中的水作为统一的整体，在含水系统的任一部分补给或排泄水量，其影响均将波及整个含水系统。,b.含水系统是一个独立而统一的水均衡单元；,例如：一个沉积单元或构造单元。,c.含水系统边界是由隔水或相对隔水的岩层作为系统边界，属于地质零通量面（或准零通量面），系统的边界是不变的；,d.含水系统是三维系统，没有时间因素。,2）流动系统：,a.系统性（整体性）体现在它具有统一的水流；,沿着水流方向，盐量、热量与水量发生有规律的演变，呈现统一的时空有序结构。,b.流动系统边界为流面边界，属于水力零通量面边界，边界是可变的；,c.流动系统加入时间因素，是时空四维系统。,注意：流动系统在人为影响下会发生很大变化，但形成的新的地下水流动系统的发育范围，不会超越大的含水系统的边界。,3.系统控制因素：,1）含水系统发育控制因素：,主要是地质结构（沉积、构造、地质发展史）。,2）地下水流动系统发育因素：,主要是水势场。在天然条件下，自然地理因素（地形、水文、气候）控制着势场，因而是控制流动系统的主要因素。,地下水含水系统与地下水流动系统,1-隔水基底 2-相对隔水层（弱透水层）3-透水层 4-地下水位 5-流线,6-子含水系统边界 7-流动系统边界 8-子系统代号 9-子流动系统代号，,Br、Bi、B1 分别为B 流动系统的区域的、中间的与局部的子流动系统。,人为影响下地下水流动系统与含水层系统的关系,1-隔水基底 2-相对隔水层（弱透水层）3-透水层 4-地下水开采中心,5-地下水位 6-流线 7-子含水层系统界线 8-子含水层系统代号,8.3,地下水含水系统,一、含水系统类型：在地质发展历史中，地质作用形成了不同的地体。其中发育有各种含水系统。因此自然界具有不同类型的含水系统。,1.松散沉积物中的含水系统；,2.坚硬岩石中的含水系统。,二、不同类型含水系统特征,1.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。,1）边界通常为不透水的坚硬基岩；,2）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；,3）同一含水系统中，各部分的水力联系程度有所不同。,2.基岩构成的含水系统：发育在一定的地质构造之中。,1）由独立褶皱单元或断层形成的断块构成，也可由褶皱与断层共同构成，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；,2）基岩中有时一个独立的含水层就构成一个含水系统。,3）岩相变化导致隔水层尖灭，或者导水断层使若干含水层发生联系时，数个含水层构成一个含水系统。,4）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。,注意：含水系统虽然是由隔水或相对隔水岩层圈闭，但通常含水系统总有某些向环境开放的边界，以接受补给与进行排泄。除极少数构造封闭的含水系统。开放边界不仅出现于表面，而且也存在于地下。,不同类型的含水系统,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 8-泉,8.4,地下水径流,一、径流：地下水由补给处流向排泄处的作用过程。,二、径流的作用：,1.它是连接补给和排泄的中间环节；,2.将地下水的水量与盐量由补给处传输到排泄处，影响含水系统水量与水质的时空分布。,3.研究地下水径流内容：,1）径流方向；,2）径流强度；,3）径流条件；,4）径流量。,三、地下水径流方向与径流（流动）系统,1.径流方向,1）除平面流动外，在流动系统中的某些部位也有垂直下降或上升的流动方向。完全平面流动的概念是不正确的，既有平面二维流，也有三维流。,2）径流方向由地形控制，由源（补给区）指向汇（排泄区），但在流动过程中，方向可变，而不是单一方向。,河间地块流网图,（a）传统概念的河间地块流网；（b）赫伯特的河间地块流网,1-隔水层 2-透水层 3-地下水位 4-等水头线 5-流线 6-地表水,2.径流系统,1）地下水的径流模式复杂多样：受地形控制的地下水水头分布在一个大的径流系统中，可以发育多个层次不同的径流系统。,a.局部流动系统：由局部地形高差产生的浅而小的流动系统；,b.大规模区域流动系统：由区域地势控制的深而大的流动系统；,c.中间流动系统：规模介于上述两者之间的流动系统。,2）地下水径流的复杂性具有普遍性：以我国华北平原地下水为例,冲积平原地下水径流模式,1-砂层 2-粘性土层 3-入渗 4-蒸发 5-地下水流向,3）在大规模开采与排除地下水等人类活动影响下，含水系统的水头可以重新分布，形成新的径流系统，原先的补给区与排泄区甚至也会相互易位。,四、地下水径流强度和水质,1.径流强度：单位时间通过单位断面的流量，即用渗透流速表征。,2.径流强度影响因素：,1）含水层的透水性：决定K值大小；,2）地形高差：地形切割程度及相对高差大小决定水头差，,h大小；,3）流动的距离：决定L长短；,4）补给丰富程度：决定补给量大小。上述因素可由达西定律公式表示：V=K,h/L，,V=Q/,3.不同地区径流强度与水质,1）湿润山区：潜水为典型的渗入径流型循环。,径流强度大，入渗补给水，在径流中溶滤岩土，水盐共同在排泄区排除，长期循环，整个含水层的水不断趋于淡化。,注意：该地区地下深度不同水质不同，浅部：侵蚀基准面以上径流最为强烈，水的矿化度低；深部：循环途径长，径流变弱，矿化度增大，因此，该区地下水常有咸淡水界面。,2）干旱地区细土平原：潜水为典型的渗入蒸发型循环。,由于地形平缓，地形高差不大，地下水径流强度小。水分、盐分输送到排泄区后，水分蒸发消耗，盐分就地积聚。长期循环，使补给区的水土淡化离盐，排泄区地下水盐化，土壤发生盐渍化。,3）基岩地区：承压水属于渗入径流型循环。,其地下水径流强度与构造的规模和构造的开启性有关。,赋存水的地质构造规模愈小，后期构造与侵蚀破坏愈强烈（构造的开启性好），补给愈丰富，含水层透水性愈好，则径流愈强烈，水的矿化度愈低。,构造开启程度对承压水径流强度的影响,1-含水层 2-隔水层 3-地下水流向，箭头大小表示径流强弱 4-下降泉 5-上升泉,6-测压水位,4.断块构造盆地中的承压含水层,其径流强度在很大程度上取决于断层的导水性。,1）断层带导水性良好时，导水断层构成排泄通路，则地下水由含水层出露地表部分的补给区，流向断层带排泄区。径流强度大，地下水矿化度低，为渗入径流型循环。,2）断层带阻水时，排泄区位于含水层出露的地形最低点，与补给区相邻，承压区则在另一侧。地下水沿含水层底侧向下流动，到一定深度后，再反向向上，在排泄区流出。因此，该含水层只在浅部径流强度大，地下水矿化度低；而向深部地下水径流弱或没有径流，水的矿化度则相应向深处增高。含水层常发育有咸淡水界面。,五、地下径流模数,1.概念：,地下径流模数（Me）表示一平方公里含水层分布面积上地下水的径流量。,2.计算公式：,Me=Q10,3,/F36586400（L/s,km,2,）,Q：地下水流量；,F：含水层分布面积。,地下径流模数也称为地下水径流率，它说明一个地区以地下径流形式存在的地下水量的大小。,断块构造盆地中承压含水层的径流模式,A断层阻水；B断层导水。,1-含水层 2-隔水层 3-阻水断层 4-导水断层 5-地下水位 6-地下水流向,7-泉 8-大气降水补给,