地下水流动系统的水动力特征
发布网友
发布时间：2022-05-10 06:42
共1个回答
热心网友
时间：2023-11-15 22:09
地下水流动系统中重力势能是地下水流动的主要驱动能。位于补给区（源）的地下水势能高，地下水在流动过程中，要克服水质点之间的内摩擦力，以及水质点与介质表面的摩擦力，消耗势能，到了排泄区（汇），源-汇间的势能基本消耗殆尽。通常地下水含水系统结构复杂，要想绘制出符合实际的流网实属不易，即便是结构较为简单的孔隙含水系统也是如此，需考虑的因素很多。为简化问题，选择结构简单、研究程度较高的洪积扇流动系统，来说明地下水流动系统的水动力特征。见图5-12。
图5-12 洪积扇流动系统分析示意图
河流出山口以后，在洪积扇上、中部渗漏补给地下水，将相应的重力势施加于地下水，使水向位势低的盆地中心流动，途中因岩相分异出现的粘性土层起阻挡作用，发生壅水，使水位抬升，溢出地表排泄，成为溢出带。
下面以图5-12中，山口下方-B点-溢出带的流线来分析水沿流线运动时的能量转换。洪积扇流动系统中，河流山口处位势最高，下方的地下水具有较高的重力势能，水沿流线方向流动过程中，除克服粘滞性摩擦阻力、消耗部分势能外，随深度增加，部分势能转换为压缩能，B点处于流线最低点，压缩能最大，水下降的势能与压缩势能在B点达到平衡。过B点后，储存的压缩势开始释放，压缩能转换为上升动力，水流作上升运动，流向溢出带。从能量转换观点来分析，水从山口下渗，到溢出带泄出，在地下径流过程中要消耗部分势能，消耗的势能应等于河流出山口与溢出带之间的位能差，即g·γw·ΔH（g为重力加速度，γw为水的密度）。
图5-12中，山口下方-B点-溢出带的流线是洪积扇流动系统中十分重要的界线，其上方，流线分布较密，都汇聚于溢出带，表明河流渗漏进入含水系统中的水，大部分在溢出带泄出，水交替十分积极，称为积极交替带（Ⅰ）；其下方，流线分布稀疏，径流途径长，水流滞缓，水交替缓慢，称为缓慢交替带（Ⅱ）。按托特（Tòth）对流动系统的划分原则，可将积极交替带看作局部流动系统，缓慢交替带看作为中间流动系统，分别作为两个子流动系统，B点应是积极交替带发育的最深位置，代表积极交替带所占据的空间大小。
关于流动系统占据空间的问题，英格伦等（G.B.Engelenet al.，1986）认为：同一介质场中存在两个或更多的地下水流动系统时，它们所占据的空间大小取决于以下两个因素：①势能梯度（I），它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愈大，反之亦然；②介质的渗透性（K），透水性愈好，发育于其中的流动系统所占据的空间愈大。
为进一步说明流动系统占据空间问题，以洪积扇为例，洪积扇流动系统上部，积极交替带中水循环迅速，水的年龄应较小；缓慢交替带中水循环缓慢，水的年龄较老。若对洪积扇不同部位和深度的水进行氚同位素检测，配合流网分析，便能确定积极交替带的下限位置，也就是说能相对准确地确定积极交替带的分布空间。
表5-3 柴达木盆地南缘主要洪积扇积极交替带发育最大深度
青海省柴达木盆地南缘，自东向西，分布着诺木洪、格尔木和那棱格勒三个大型洪积扇，对其曾做过不同部位和深度水的氚同位素检测，根据氚同位素检测资料和水文地质资料，采用流网分析，绘制出三个洪积扇的流动系统剖面图，见图5-14，5-15，5-16。
从三个洪积扇的流动系统剖面图和表5-3可知：
1）积极交替带最大发育深度与河流出山口与溢出带之间的高差（ΔH）有关，发育深度均小于ΔH值，只有ΔH值的0.7～0.84。
图5-14 诺木洪洪积扇流动系统剖面分析
图5-15 格尔木洪积扇流动系统剖面分析
2）三个洪积扇的势能梯度分别为0.012、0.01和0.008，平均势能梯度为0.01，平均积极交替带最大发育深度为197m。
3）积极交替带发育深度除受含水介质渗透性（K）影响外，还可能受含水系统结构的影响。例如，格尔木洪积扇，地下水径流途中有一个地下跌水，消耗了部分势能，造成积极交替带发育最大深度只有河流出山口与溢出带高差的0.7，小于其余两个洪积扇；诺木洪洪积扇前缘的下部有一个由下更新统地层构成的隆起，影响到溢出带的位置，使势能梯度比其余两个洪积扇大些。
三个洪积扇的氚同位素检测表明，年龄小的水主要分布在洪积扇溢出带以上的扇体内，水交替十分积极，河水的测流资料和溢出带的测流资料证实，天然条件下，河流渗漏补给量与溢出带泉水泄出量相当；周边冲积平原和湖积平原下的地下水年龄较老，水循环条件较差。
图5-16 那棱格勒洪积扇流动系统剖面分析
总的来说，重力是地下水流动的驱动力，补给区与排泄区之间的位势差决定了地下水流动发育的深度和规模，由于地下水流动过程中摩擦和内摩擦要消耗部分能量，故流动系统发育深度要小于补给区与排泄区之间的高差。了解这一特征，有助于正确分析大型地下水系统中，区域流动系统、局部流动系统之间的空间分布关系，及其对水交替程度和水质运移的影响。
