地下水流动系统的发展及研究现状

■李杨

（河北石家庄050081）

地下水流动系统的发展及研究现状

■李杨

（河北石家庄050081）

本文系统论述了地下水系统的发展情况，并对地下水循环的现状进行了讨论，提出了水循环的方法主要为地下水动力学法，同位素水文学方法，以及水文地球化学方法，为真实的揭露研究区的水循环条件提供了依据。

地下水 含水层系统 流动系统 水循环

水文地质工作是当今社会发展中比较重要的一个方面，尤其是随着人们对水文地质工作的越来越重视。地下水循环研究作为一种区域性的、大规模的研究部分，有必要作为一个整体在对待。

1 地下水系统的发展

“一般系统论”自冯·贝塔朗菲提出以后，系统论在各个领域得到了长足的应用和发展。多曼尼克于1972年介绍了“地下水文系统”。以后，系统论在水文地质界得到了较大的发展。地下水系统理论作为现代水文地质学发展过程中必然的产物，形成了一个重要的、新的基础水文地质理论。张人权认为“地下水系统”概念的提出，是水文地质学发展的必然结果，而不是单纯的系统理论的方法思想渗入进了水文地质领域。

1.1 含水层系统

最初，水文是为了解决人们的生活用水问题，主要工作方式是打出涌水量大、水质好的水井，所以人们关注的是水井附近的含水层，范围较小，且认为抽水井的影响范围即影响半径有限，水井附近的地下水位很快达到稳定，不会随时间变化，这就形成了以裘布依公式和假设为代表的稳定井流理论。但随时间推移，对水资源的需求不断增加，开采量不断增大，最后直到含水层的边界，这个过程中地下水运动也是动态的。这才懂得以往将水井附近的小范围含水层作为研究对象有些不再适用，必须将整个含水层作为研究对象才能解决上述问题。后来，非稳定流理论才逐渐成为主流，许多地下水公式得以问世，以泰斯的非稳定流公式成为代表。

生产实践过程中，人们对含水层地下水的开采，出水量往往大于含水层的储水量。这时候人们才意识到，含水层不可能是单一的，而相邻含水层的“越流补给”是一定要考虑进去的。因此，在以后的地下水研究过程中，必须要将有多个水力联系的含水层作为研究对象，有时候甚至是整个的水文地质单元。之后，“含水系统”、“含水层系统”术语相继出现。

1.2 地下水流动系统

水文地质学家长期以来忽视了地下水的垂向运动，认为地下水径流是二维的平面运动，但是单纯靠这样的理论，对水文地质问题都得不到根本解决。第一个明确指出地下水存在垂向运动的是赫伯特，他在1940年发表的论文中提到，排泄区的流线是指向地下水面的，为上升流。在补给区，流线离开地下水面向下运动，是下降流。只有在两者之间的过渡带，流线才是水平的。

随着流网概念的产生，其研究程度又提升了一个台阶。拖特、英格论等人发展起来地下水流系统理论。托特（1963）分析得到均质各向同性盆地中的理论流动系统，包括局部水流系统，中间水流系统和区域的水流系统。1980年，托特又提出了“重力穿层流动”的概念，把地下水流系统理论应用于非均质的区域。之后，荷兰的英格伦教授，基于地下水流系统的概念建立了一套着重于解决水文地质问题的方法。陈梦熊院士，将地下水系统理论引入中国，发展并完善了这个理论，并顺利的解决了许多区域地下水问题。

陈梦熊院士在20世纪80年代就分析了黄河冲积平原地区地下水的系统特点。90年代末期，不少的水文地质工作者将该理论运用于实践，拿来研究分析特定区域的水文地质条件。李文鹏对西北地区典型的地下水水流系统进行过系统分析；张宗祜（1997）分析了华北平原第四系地下水的演化规律许广明等分析了西北地区大型内陆盆地含水层系统和地下水流系统的演化特征；李向全等利用水化学和同位素技术定量研究了太原盆地地下水系统的转化关系。张光辉对黑河流域地下水流系统的演化模式进行了研究。林学钰等在“黄河流域地下水资源及开发利用对策”中，根据地貌单元、地下水运动特征将黄河流域进行了地下水系统划分。

2 地下水循环研究现状

20纪90年代末，大区域的地下水资源演化研究与不同尺度水循环演化在我国开始广泛的被人们关注。20世纪80年代以来，许多的新科学技术广泛应用于地下水循环研究中，其中物探、遥感、同位素及信息化等技术成果较为显著，其中利用同位素等示踪技术，研究地下水循环被证明是一种有效的技术方法。

目前，研究地下水循环的方法主要是地下水动力学法（董悦安等，2002），同位素水文学方法，以及水文地球化学方法（李振栓，1995）。

2.1 地下水动力学方法

地下水流数值模拟技术始于世纪中期，该技术以地下水渗流理论为基础，将地下水流运动数学计算公式以模块形式嵌套到模型中，主要为地下水资源评价和科学的管理服务。近年来，国内外的许多学者团队开发了大量实用的下水数值模拟软件，如GMS,Visual Modflow等，现已成为地下水科学中不可缺少的工具。

2.2 水化学方法

由于在整个水循环中，地下水循环是其中一个非常重要的环节，在地下水径流的过程中，地下水的化学组分会随着径流条件和研究区特有的地形、地貌、水文地质条件发生改变。反之，地下水水化学的改变过程，也能够反映地下水在循环的过程中的一些特点。地下水在径流过程中，与围岩发生长期的水岩作用，其化学成分特征记录了渗流途径、补给源等信息，可以为探讨地下水成因，及水文地球化学过程等水循环信息提供依据。

2.3 同位素水文学方法

“同位素水文学”术语是在20世纪年50代末提出的（Aggarwal，2005）。

地下水同位素年龄测定：地下水年龄的普遍说法就是从补给区开始，地下水在含水层中的滞留时间。地下水年龄作为研究地下水循环的重要指标之一，可以用来计算地下水的更新速率，因此对于地下水资源量的计算有着重要意义。

3 结论

地下水动力学方法、水文地球化学方法和同位素水文学方法都可以在一定程度为水循环研究提供依据。为了能够真实的揭露研究区的水循环条件，只有在充分了解水文地质条件的基础上，选用合理的方法，有时不仅仅使用一种，才能得出正确的水循环结论，达到揭示水循环的目的。

P345[文献码]B

1000-405X（2016）-5-385-1