地下水流動系統的發展及研究現狀

■李楊

（河北石家莊050081）

地下水流動系統的發展及研究現狀

■李楊

（河北石家莊050081）

本文系統論述了地下水系統的發展情況，并對地下水循環的現狀進行了討論，提出了水循環的方法主要為地下水動力學法，同位素水文學方法，以及水文地球化學方法，為真實的揭露研究區的水循環條件提供了依據。

地下水 含水層系統 流動系統 水循環

水文地質工作是當今社會發展中比較重要的一個方面，尤其是隨著人們對水文地質工作的越來越重視。地下水循環研究作為一種區域性的、大規模的研究部分，有必要作為一個整體在對待。

1 地下水系統的發展

“一般系統論”自馮·貝塔朗菲提出以后，系統論在各個領域得到了長足的應用和發展。多曼尼克于1972年介紹了“地下水文系統”。以后，系統論在水文地質界得到了較大的發展。地下水系統理論作為現代水文地質學發展過程中必然的產物，形成了一個重要的、新的基礎水文地質理論。張人權認為“地下水系統”概念的提出，是水文地質學發展的必然結果，而不是單純的系統理論的方法思想滲入進了水文地質領域。

1.1 含水層系統

最初，水文是為了解決人們的生活用水問題，主要工作方式是打出涌水量大、水質好的水井，所以人們關注的是水井附近的含水層，范圍較小，且認為抽水井的影響范圍即影響半徑有限，水井附近的地下水位很快達到穩定，不會隨時間變化，這就形成了以裘布依公式和假設為代表的穩定井流理論。但隨時間推移，對水資源的需求不斷增加，開采量不斷增大，最后直到含水層的邊界，這個過程中地下水運動也是動態的。這才懂得以往將水井附近的小范圍含水層作為研究對象有些不再適用，必須將整個含水層作為研究對象才能解決上述問題。后來，非穩定流理論才逐漸成為主流，許多地下水公式得以問世，以泰斯的非穩定流公式成為代表。

生產實踐過程中，人們對含水層地下水的開采，出水量往往大于含水層的儲水量。這時候人們才意識到，含水層不可能是單一的，而相鄰含水層的“越流補給”是一定要考慮進去的。因此，在以后的地下水研究過程中，必須要將有多個水力聯系的含水層作為研究對象，有時候甚至是整個的水文地質單元。之后，“含水系統”、“含水層系統”術語相繼出現。

1.2 地下水流動系統

水文地質學家長期以來忽視了地下水的垂向運動，認為地下水徑流是二維的平面運動，但是單純靠這樣的理論，對水文地質問題都得不到根本解決。第一個明確指出地下水存在垂向運動的是赫伯特，他在1940年發表的論文中提到，排泄區的流線是指向地下水面的，為上升流。在補給區，流線離開地下水面向下運動，是下降流。只有在兩者之間的過渡帶，流線才是水平的。

隨著流網概念的產生，其研究程度又提升了一個臺階。拖特、英格論等人發展起來地下水流系統理論。托特（1963）分析得到均質各向同性盆地中的理論流動系統，包括局部水流系統，中間水流系統和區域的水流系統。1980年，托特又提出了“重力穿層流動”的概念，把地下水流系統理論應用于非均質的區域。之后，荷蘭的英格倫教授，基于地下水流系統的概念建立了一套著重于解決水文地質問題的方法。陳夢熊院士，將地下水系統理論引入中國，發展并完善了這個理論，并順利的解決了許多區域地下水問題。

陳夢熊院士在20世紀80年代就分析了黃河沖積平原地區地下水的系統特點。90年代末期，不少的水文地質工作者將該理論運用于實踐，拿來研究分析特定區域的水文地質條件。李文鵬對西北地區典型的地下水水流系統進行過系統分析；張宗祜（1997）分析了華北平原第四系地下水的演化規律許廣明等分析了西北地區大型內陸盆地含水層系統和地下水流系統的演化特征；李向全等利用水化學和同位素技術定量研究了太原盆地地下水系統的轉化關系。張光輝對黑河流域地下水流系統的演化模式進行了研究。林學鈺等在“黃河流域地下水資源及開發利用對策”中，根據地貌單元、地下水運動特征將黃河流域進行了地下水系統劃分。

2 地下水循環研究現狀

20紀90年代末，大區域的地下水資源演化研究與不同尺度水循環演化在我國開始廣泛的被人們關注。20世紀80年代以來，許多的新科學技術廣泛應用于地下水循環研究中，其中物探、遙感、同位素及信息化等技術成果較為顯著，其中利用同位素等示蹤技術，研究地下水循環被證明是一種有效的技術方法。

目前，研究地下水循環的方法主要是地下水動力學法（董悅安等，2002），同位素水文學方法，以及水文地球化學方法（李振栓，1995）。

2.1 地下水動力學方法

地下水流數值模擬技術始于世紀中期，該技術以地下水滲流理論為基礎，將地下水流運動數學計算公式以模塊形式嵌套到模型中，主要為地下水資源評價和科學的管理服務。近年來，國內外的許多學者團隊開發了大量實用的下水數值模擬軟件，如GMS,Visual Modflow等，現已成為地下水科學中不可缺少的工具。

2.2 水化學方法

由于在整個水循環中，地下水循環是其中一個非常重要的環節，在地下水徑流的過程中，地下水的化學組分會隨著徑流條件和研究區特有的地形、地貌、水文地質條件發生改變。反之，地下水水化學的改變過程，也能夠反映地下水在循環的過程中的一些特點。地下水在徑流過程中，與圍巖發生長期的水巖作用，其化學成分特征記錄了滲流途徑、補給源等信息，可以為探討地下水成因，及水文地球化學過程等水循環信息提供依據。

2.3 同位素水文學方法

“同位素水文學”術語是在20世紀年50代末提出的（Aggarwal，2005）。

地下水同位素年齡測定：地下水年齡的普遍說法就是從補給區開始，地下水在含水層中的滯留時間。地下水年齡作為研究地下水循環的重要指標之一，可以用來計算地下水的更新速率，因此對于地下水資源量的計算有著重要意義。

3 結論

地下水動力學方法、水文地球化學方法和同位素水文學方法都可以在一定程度為水循環研究提供依據。為了能夠真實的揭露研究區的水循環條件，只有在充分了解水文地質條件的基礎上，選用合理的方法，有時不僅僅使用一種，才能得出正確的水循環結論，達到揭示水循環的目的。

P345[文獻碼]B

1000-405X（2016）-5-385-1