地下水含水系统与地下水流动系统

发布网友 发布时间：2022-04-24 13:47

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热心网友 时间：2023-10-15 01:11

地下水含水系统与地下水流动系统是内涵不同的地下水系统，也可以看成是一个地下水系统内的两个子系统。

地下水含水系统是指由隔水层或隔水岩体作为边界的有一定分布范围的含水岩系。含水系统内的地下水具有统一的水力联系，是一个独立的水均衡单元。

含水系统内部既可以由一个含水层构成，也可以由多个含水层构成，通过在含水层之间的弱透水层发生越流而存在水力联系，成为多含水层系统。含水层既可以由同一成因类型的沉积物构成，也可以由具有水力联系的不同成因类型的沉积物构成。按多孔介质类型可将含水系统分为孔隙含水系统、裂隙含水系统和岩溶含水系统，也可以存在它们之间的过渡类型或组合类型。

含水系统必须由隔水层或隔水岩体作为边界，使含水系统有一定的空间分布范围，也使一个含水系统与另外一个含水系统彼此独立而没有联系。但这并不是说，含水系统的全部边界都是隔水或相对隔水的。实际上，除了极少数构造封闭或深埋的含水系统外，通常一个含水系统总存在某些环境开放的边界，以便接受补给和进行排泄，保持与外部环境的物质、能量和信息的交换。

含水系统的边界按系统内部与外部物质通过边界进行交换的方向性可以分为：①主要在水平或接近水平方向进行交换的侧向边界；②主要在垂向上进行交换的垂向边界（顶部边界和底部边界）。边界按水力性质可以分为：①已知边界上水头分布的已知水头边界（或给定水头边界），这种边界条件又称为第一类边界条件；②已知通过边界流量的已知流量边界（或给定流量边界），这种边界条件又称第二类边界条件；③边界上的水头分布和通过边界的流量为已知的混合边界，这种边界条件又称第三类边界条件。给定水头边界的特例是边界上的水头保持不变的定水头边界，给定流量边界的特例是通过边界的流量为零的隔水边界（图5.2）。按边界位置是否随时间变化分为：①固定边界；②移动边界。此外，在地下分水岭处地下水自分水岭向两侧流动，没有水通过分水岭以下的垂直界面，可以看作是隔水边界。不同流动系统的分区线（面）也可以看作是隔水边界（Anderson等，1992）。定水头边界和隔水边界是固定边界，而地下分水岭、流动系统分区线和潜水面边界通常是移动边界。

图5.2 地下水系统的边界（剖面图）

地下水流动系统是指在一个地下水系统内自补给区（源）到排泄区（汇）的径流过程中具有统一时空演变的地下水流。流动系统是一个统一的地下水流，沿着水流方向，水量、水头、盐量及热量发生有规律的演变，呈现统一的时空有序结构。流动系统内的子系统以流面作为边界，而且边界是可变的或者是可移动的。

相比于含水系统容易被人们接受，流动系统被人们接受却经历了较长时间。过去传统的观念认为地下水主要存在水平流动或接近水平流动。直到1940年Hubbert分析河间地块的流网（图5.3）时，指出了在河间地块*的分水岭地带，地下水以向下的垂直流动为主，在两条河流（排泄区）下部地下水呈向上的垂直流动，只有在二者之间的过渡带的局部地段地下水才呈水平或近似水平运动。Tóth在1963年利用解析解的结果绘制了均质各向同性潜水盆地地下水流动系统（图5.4），结果表明，地下水不仅在补给区和排泄区存在垂向或接近垂向的流动，而且存在局部的、中间的和区域的3个不同层次的流动系统（子系统）。Tóth在1980年提出“重力穿层流动”的概念，将流动系统理论推广到非均质介质中，并用来分析水压力、地温、水化学等沿地下水流程的变化（图5.5）和石油、天然气的迁移和聚集以及核废物储存的选址（Tóth，2009）。

地下水运动的驱动力主要是重力势能。地下水在地形较高处获得大气降水入渗补给或地表水补给后，抬高了地下水位，也获得了相应的重力势能，形成势源，而地形低洼处通常是低势区，构成势汇，地下水在势源区主要向下做垂直运动，流线下降，水头降低，在势汇区向上做垂向运动，流线上升，水头降低。在中间地带或过渡带，流线呈接近水平延伸。在势汇区由于水流做上升流动，较深处的水头高于较浅处的水头。因此只要地形条件适当，在潜水势汇区（排泄区）也可以打出自流井，而不只是在承压含水层的自流区才可以打出自流井。

图5.3 河间地下水流网（剖面图）

（据Hubbert，1940）

图5.4 地下水流动系统（剖面图）

（据Tóth，1963）

同一含水介质中可以存在两个或两个以上的地下水流动系统，Engelen在1986年认为不同流动系统所占据的空间大小取决于以下两个因素：①势能梯度，其值等于势差除以源汇间的水平距离。势能梯度越大的流动系统占据的空间越大。②介质的渗透性，透水性越好，其中的流动系统所占据的空间也越大。在一个区域潜水含水层中，介质的渗透性相同，但区域性地形坡度不大而局部地形起伏较大时，可能只形成局部流动系统（图5.6a），而局部地形起伏较小时有可能同时存在局部流动系统和区域流动系统（图5.6b）。如果地形条件不变但介质的渗透性很好时，可能只形成区域流动系统而不存在局部流动系统（图5.6c）。

不同级别的流动系统以及同一级别的流动系统的不同部位，地下水的渗流速度和流程是不相同的。受到流速与流程的控制，不同部位地下水的水质特征也会有所不同。总的特点是，流程短、流速快，地下水化学成分相应比较简单，矿化度低（图5.5），而流程长、流速慢、地下水接触的介质多、时间长，其成分趋于复杂，矿化度也较高（王大纯等，1995）。

图5.5 区域地下水流动系统及其伴生标志（剖面图）

（据Tóth，1980，转引自王大纯等，1995）

1—等水位线；2—流线；3—底部进水的钻孔及其终孔水位；4—泉；5—耐旱植物；6—喜水植物；7—渗透性良好的部位；8—负值和正值分别为动水压力低于和高于静水压力；9—负值和正值分别表示地温梯度偏低和偏高；10—水化学相界线；11—准渗流带；12—水力捕获；13—R，M和D分别为补给区、中间区和排泄区；14—l，i和r分别为局部的、中间的和区域的地下水流动系统；15—总溶解固体

天然条件下形成的地下水流动系统在人为因素影响下有可能发生变化，特别是在开采条件下会出现很大的变化。如图5.7所示，在天然条件下地下水系统内在两条河流之间存在地下分水岭，地下水向这两条河流排泄，存在3个地下水流动系统。在强烈开采地下水的条件下，3个开采井成为地下水的排泄中心，也存在3个地下水流动系统，地下水向3个开采井径流，原来排泄地下水的两条河流变成补给地下水，其中右侧河流高于地下水位，两条河流之间的地下分水岭也偏离了原来的位置。

图5.6 渗透性与流动系统（剖面图）

（据王大纯等，1995，有改动）

图5.7 人工开采前（a）和人工开采后（b）的地下水流动系统（剖面图）

地下水流动系统为人们分析地下水系统的传输提供了一个指导性的理论框架，有助于将地下水系统的水位、水质、水温等各方面的零散信息综合成一幅有序的景象。但是，由于上述地下水流动系统的认识主要是来自理想地下水系统的分析，没有特别考虑真实地下水系统的复杂性，其缺陷或局限性也是明显的。例如，介质的分布没有考虑地质构造的控制和沉积相的变化，垂直流动没有太多考虑介质渗透性变化甚至存在完全隔水的情形，所考虑的势源区的补给比较集中而没有考虑分散补给，而在势汇区又考虑比较分散的情况而对比较集中的排泄关注不够，特别是人为设定的边界条件与实际情形有很大差距等。

地下水系统的概念和相关理论的提出及其在地下水研究中的应用，使人们能够在更高的层次上分析和认识地下水的分布、循环、形成与演化的特点，对地下水科学的发展在研究理念及思维方法方面起到了一定的推动作用。运用地下水系统的理论和认识来促进地下水科学的定量研究，还有待继续探索。