21. 地下水系统在线视频

同学们好

今天我们一起来学习知识点21

地下水系统

我们主要从地下水系统的概念

地下水流动系统

这两个方面来学习

首先我们来学习

地下水系统的概念

地下水系统的概念是

上世纪四十到五十年代

随着系统科学理论而产生的

地下水系统是一个广泛的概念

从应用的角度

地下水系统可以分为

地下水含水系统

和地下水流动系统两类

地下水含水系统

是指由隔水层

或相对隔水层圈闭的

具有统一水力联系的含水岩系

地下水流动系统是指

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

如图所示

这张图为一个由隔水基底

所限制的沉积盆地

构成一个含水系统

其中存在一个

比较连续的

相对隔水层

因此此含水系统

可以划分为两个子含水系统

此外此沉积盆地中

还发育了局部流动系统

中间流动系统和区域流动系统

这三个尺度的地下水流动系统

从图上可以看出

在同一空间中

含水系统

与流动系统的边界

是相互交叠的

区域流动系统Br

穿过了两个子含水系统I、II

而局部流动系统

与中间流动系统

则仅发育于上部的含水系统I中

通过该图我们可以分析

地下水含水系统

与地下水流动系统

它们之间的联系

虽然含水系统与流动系统内涵不同

但两者都突破了

把单个含水层

作为功能单元的传统思维

力求用系统的观点去考察

分析与处理地下水问题

它们都揭示了

地下水赋存与运动的系统性

含水系统的系统性

主要体现于它具有统一的水力联系

而地下水流动系统的系统性

则主要体现于

它具有统一的水流

具有水流方向

盐量、热量与水量

发生的有规律的演变

呈现统一的时空有序结构

二是含水的系统

与流动系统

都具有级次性

通常一个大的含水系统

可以包含若干个流动系统

两者也都可以进一步划分为子系统

三是流动系统在人为影响下

其规模、数量均可以发生变化

但其变化受到大的

含水系统边界的制约

通常不能够越出

大的含水系统的边界

接下来我们再来分析一下

地下水含水系统

与地下水流动系统的区别

从宏观上看

含水系统是静态的

流动系统是动态的

它们的区别还具体的可以

体现在以下几个方面

从划分依据上来看

含水系统的划分

是以介质场为依据的

而流动系统的划分

是以渗流场为依据的

从演变历史来看

含水系统具有共同的地质演变历史

流动系统具有共同的地下水演变历史

从边界性质来看

含水系统的边界

是相对隔水的地质边界

也就是地质上的零通量面

而流动系统的边界是水力边界

也就是水力零通量变

从系统可变性来看

含水系统的边界固定

是静态的系统

而流动系统的边界可变

是可干扰的动态系统

从总体性来看

含水系统具有统一的

或潜在统一的水力联系

而流动系统是统一的

水盐热量时空演变

从研究意义上来看

含水系统有助于从总体上

研究水量盐量

和热量的平衡问题

而流动系统则有助于研究水量

水质、水温的时空演变规律

下面我们来着重学习一下

地下水流动系统

长期以来

水文地质学

忽视地下水的垂向运动

把地下水看作是二维平面的运动

1940年赫伯特第一次指出

无压地下水存在着垂直运动

并给出了河间地块示意流网

如动画所示

为河间地块流网

与流动系统模拟结果

在河间地块中

补给区水流为下降的水流

排泄区水流为上升水流

在两者之间的过渡带

是接近水平的水流

显然此类问题

地下水的垂向运动是不可忽略的

尽管赫伯特提出了他的新的看法

但人们长期不予理会

直到1963年

托特在河间地块

流网水流系统模式的启迪下

提出了盆地典型的

地下水流动系统模式

如图所示

他利用解析解得出

在地形复杂的

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

既有局部的、中间的

和区域的地下水流系统

构成的复杂水流模式

如视频所示

为利用地下水数值模拟技术

模拟的均质

各向同性介质中的

多级次地下水流系统

大家观看视频时请思考

多级次的地下水流系统

有什么特征

我们首先来看一下

地下水流系统的水动力特征

地下水在流动中

必须消耗机械能

以克服粘滞性摩擦

所以我们首先来考虑

驱动水流的势能

对于地下水来说

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

大气降水或地表水

转变为地下水时

并将相应的重力势能

加诸于地下水

不同入渗条件不同地形部位

重力势能的累积有所不同

通常在高势区及地形高处

地下水位抬升

重力势能累积构成势源

地下水由上而下运动

在低势区及地形低处

地下水由低向上运动

而在高势区和低势区之间

水流几乎做水平运动

在高势区当地下水流由上而下运动时

除了释放能量

用于克服摩擦阻力外

还有部分势能以压能的形式储存

当地下水流由下往上运动时

又将部分以压能形式

储存的势能

释放出来做功

在做水平运动时

由于上游的水头总比下游高

因而也是通过释放势能

克服摩擦阻力

这也很好的解释了潜水

为什么在有些地区

可以由低处

向高处流动的问题

从水流系统的水动力特征来看

水流的方向具有多样性

包括由上而下运动

由下而上运动和水平运动

三种情况

另外地下水流系统中

还伴随着一系列的水化学、水温

以及伴生的生态环境

等演变特征

我们再来看

地下水流系统的水化学特征

地下水流动系统的水动力特征

决定了水化学特征

在地下水流动系统中

空间上某点水质主要取决于

入渗补给的水质

流程、流速、流动过程中

物质的补充及迁移性

以及流程中的水化学作用

对于局部水流系统来说

流程短流速快

因此水化学上矿化度低

水化学类型简单

而区域水流系统

流程长流速慢

水的矿化度高

水化学类型复杂

水动力特征也影响着

水化学的垂直分带

和水平分带

地下水流模式不同

水化学分带可以呈现出

以水平分带为主

和以垂直分带为主

我们再来看一下

这张地下水流动系统中

水化学演变的理想模式图

通过这张图

我们可以看出地形复杂

同时出现

局部、中间和区域流动系统时

以垂直分带为主

表现为由浅至深矿化度的增加

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

在这张图中

溶滤作用发生于整个过程

局部、中间及区域

水流系统的起始部分

属于氧化环境

中间系统与局部系统的深度

属于还原环境

在还原环境中

容易发生脱硫酸作用

在上升水流处

由于减压

而产生了脱碳酸作用

另外在粘性土分布部位

容易发生阳离子的交替吸附作用

不同水流系统的汇合处

发生混合作用

在干旱气候条件下

排泄区发生浓缩作用

显然区域地下水流系统的排泄区

可能同时发生多种化学作用

是地下水水质变化复杂的地段

利用地下水流系统

也可以分析水化学的集聚区

从水化学角度来说

在水流相向处

也就是多级水流系统

水流相汇的地方

水动力圈闭属于水动力捕集带

有一些化学组分在这里被捕集

在水流相背处

也就是两个水流系统

相分离的地区

相当于准滞留区

是水化学的积聚区

由于地下水的流速的变化

或不同方向的水流

水化学特征不一样

从而引起水化学的积聚

最后我们再来看一下

地下水水流系统的水温度特征

在来自深部大地热流的影响下

常温带以下，等温线通常上低下高

呈水平分布

但是由于地下水流系统的存在

补给区的下降水流

受入渗水的影响地温偏低

排泄区因上升水流

带来的深度的热影响

地温偏高

这样就使原本水平分布的

等温线发生变化

在补给区等温线下降

且间距变大

即地温梯度变小

在排泄区等温线上升

且间距变小

及地温梯度变大

以上就是关于地下水流系统的

特征的学习

最后我们来总结一下

地下水流系统

通过以上的学习

我们可以看出

地下水流动系统理论

其实质上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的概念框架之中

进行分析

地下水流动系统

将传统认为互不关联的地下水

各个方面的表现

联系在一起

纳入到一个有序的地下水的空间与时间

连续演变的结构之中

有助于我们从整体上把握

地下水质与量的演变特征

地下水系统与生态环境之间的联系

我们把这一分析方法

叫做地下水系统方法

本节关于地下水系统

尤其是地下水流动系统

就学习到这里

感谢大家的观看

我们下次再见