地下水系统

第八章地下水系统一、系统的概念1.系统，按著名科学家钱学森的说法是：相互作用和相互依赖的若干部分结合而成的具有特定功能的整体。

如，一个完整健康的人就是一个极其复杂的系统，它由管呼吸的部分（呼吸分系统）、管血液循环的部分（循环分系统），管消化、运动、思维的等各部分组成，各个部分相互作用相互依赖，少哪一部分都不行，都不是一个完整的人。

人是一个完整的大系统，某一部分则是一个子系统，如消化系统。

各个部分相互配合，才能学习、工作、生活、生存，才具有特定的功能，才是一个完整的人。

地下水主要是由含水介质和流动的水组合而成，各种各样的含水介质和大、小规模不同的水流，通过一定的结构组合在一起，具备着补给—径流——排泄功能。

所以地下水以及含水介质、隔水地层等也构成一个系统，称为地下水系统。

不同的系统具有不同的特征，具有相对的独立性。

不然就分不出这个系统那个系统了。

但这种相对独立并非绝缘，它必然与外界发生联系，要接受环境物质、能量、信息，我们把这个过程叫做“输入”。

输入的物质、能量、信息，通过系统内部的转换处理，再向环境物质、能量、信息。

环境对系统的作用，是通过输入来完成的，这种环境对系统的输入作用也称为“激励”。

系统受到激励以后，由于它本身特有的结构、功能，会通过系统内部的变换以输出的形式作用于环境，这种系统对环境的作用称为“响应”。

环境对系统的输入（激励），经过系统的变换而产生对环境的输出（响应）。

变换是系统特定功能的体现，是对输入（激励）的应对，输出（响应）是系统变换的结果。

系统对环境激励的应对变换情况，取决于系统的结构。

所谓系统的结构，是指系统内部各要素之间相互联系的方式和相互作用的方式。

系统的结构不同，对相同的输入（激励）会产生不同的输出（响应）效果。

例如，两个在相同环境里生活、工作的人，其衣、食、住、行等情况相同，但也会由于构成这两人的结构不同，而对环境所产生的输出（响应）也会不一样。

再如，相同的气候条件，相同的降雨条件，在不同的地下水系统，由于其岩性、结构、构造、地貌、分布范围以及包气带特征等要素的不同，所产生的泉水流量、地下水水位变化各不一样。

地下室的地下水处理与排水系统设计地下室是位于地面以下的房间或空间，由于其处于地下水位较高的位置，必须对地下水进行处理和排水系统的设计，以确保地下室的干燥和安全。

本文将介绍地下室的地下水处理和排水系统的设计原则、方法和技术。

1. 地下水处理原则地下室的地下水处理的首要目标是排除潜在的水患和保证地下室的干燥。

因此，地下水处理的原则如下：（1）排水设施的设置：应在地下室周围设置排水设施，如排水沟、排水井等。

排水沟应具备良好的排水能力，以便迅速将地下水引导到排水井或其他排水设施。

（2）防水措施：地下室的墙壁和地面应采取防水措施，预防地下水渗透。

常见的防水材料有聚合物防水涂料、防水卷材等。

（3）地下水位控制：地下室的地下水位应进行有效控制，以确保地下室内无积水或渗水。

通过排水井、水泵等设备，将地下水及时排出。

2. 地下水排水系统设计地下水排水系统的设计应考虑到地下室的类型、地下水位、地下水的流动方式等因素，并综合运用各种排水设施和技术。

（1）排水井的设置：根据地下室大小和地下水位高度，适当设置排水井。

排水井应建在地下室周围，并确保排水井的出口与有效排水系统相连。

（2）排水沟的布置：在地下室的四周设置排水沟，沟内应设置隔板，以防止杂物堵塞。

排水沟的底部应保持倾斜，以便于地下水流向排水井。

（3）水泵的运用：若地下室地下水位较高或者地下水流动缓慢，可设置水泵来主动排水。

水泵的选型应根据地下水位高度和排水量来确定。

（4）防水材料的选择：地下室的墙壁和地面应选用具有良好防水性能的材料，如聚合物防水涂料、防水卷材等。

3. 地下水处理技术为了更好地处理地下水，现代科技将多种地下水处理技术应用于地下室的设计。

（1）地下水收集系统：通过设置地下水收集系统，将地下水引导到地表，并进行进一步的净化和处理。

（2）地下水过滤系统：通过地下水过滤系统，去除地下水中的杂质、悬浮物和污染物质，提高地下水的质量。

（3）地下水分离系统：将地下水分离为强化水和废水，通过处理强化水，使其可供再利用。

8.1 系统概述一、系统概念的提出贝塔朗菲（1901～1972），美籍奥地利生物学家，一般系统论和理论生物学创始人，50年代提出抗体系统论以及生物学和物理学中的系统论，并倡导系统、整体和计算机数学建模方法和把生物看作开放系统研究的概念，奠基了生态系统、器官系统等层次的系统生物学研究。

系统论系统概念系统思想与方法系统思想与方法的核心是：把研究的对象看成一个有机整体（系统），并从整体的角度去考察、分析与处理事物。

二、系统相关概念（钱学森，1978年）系统结构：系统内部各要素相互联系和作用的方式便是系统的结构。

系统方法认为：不应当将系统理解为各组成部分（要素）的简单集合，而应将其理解为诸要素以一定规则组织起来并共同行动的整体。

系统：由相互作用和相互依赖（联系）的若干组成部分结合而成的具有特定功能的（有机）整体。

系统的概念所涉及的范围广泛1+1=21+1＞21+1＜2三、系统与环境一个系统不仅内部各个要素间存在相互作用，而且整个系统与外部环境之间还存在相互作用，即系统接受环境的物质、能量、信息的输入，然后经过系统变换，再向环境输出物质、能量和信息。

即系统与环境间存在物质、能量、信息的交换。

环境对系统的作用称之为激励；系统在接受激励后对环境的反作用称之为响应；环境的输入（激励）经过系统的变换而产生对环境的输出（响应），这种变换取决于系统的结构：S=f（I，O）（INPUT，OUTPUT）在此提供了一种研究系统内部结构的方法，即通过输入、输出研究系统内部结构例如，在同等降水条件下，不同的地下水系统，由于其岩层、构造、地貌乃至分布范围大小不同，泉流量的变化各不相同。

系统分析的意义：一方面，分析系统输入与输出（激励与响应）的对应关系有助于了解系统结构；另一方面，对系统结构的了解有助于我们预测“激励——响应”关系。

再如，在不同的地下水系统中，以同种方式开采同样数量的地下水，地下水位的降低也有很大差别。

HS W ∆⋅⋅=μ四、系统分类1）按照自然属性：自然系统和人工系统2）按照物质属性：实体系统和概念系统3）按照运动属性：静态系统和动态系统4）按照系统与环境的关系：开放系统和封闭系统5）按照反馈的属性系统的输出反过来影响系统的输入时，称该系统具有“反馈”。

地下水系统的数值模拟研究近年来，随着城市化进程不断加快和人口增长的逐步加剧，地下水资源的开发利用也变得越来越重要。

然而，地下水的数量、品质和空间分布都受到地质、气候等多方面因素的影响，给其管理和利用带来了极大的挑战。

因此，建立地下水数字模型，深入研究地下水系统是非常重要的。

一、地下水数值模拟的意义和现状地下水数值模拟研究是指通过对地下水流动、输运、化学行为等过程进行数学建模和模拟，以预测和评估地下水资源的分布情况和变化趋势，指导地下水资源的合理开发、管理和保护。

地下水数值模拟可以提供与地下水相关的诸如水文循环、地表地下水联系、水资源调控等决策支持，做好保障和利用水资源的工作。

目前，国内外已经对地下水数值模拟开展研究多年，应用范围也十分广泛。

国内一些城市、地区已经将地下水模型应用于地下水资源开发规划和绩效评估，而国外地下水模型研究则更加成熟，应用领域也包括了陆地水文、地质学、土力学等技术领域，具有较高的应用价值和现实意义。

二、地下水数值模拟的主要方法与技术地下水数值模拟研究方法主要依赖于计算机仿真和实验研究。

两者不同的是，仿真是通过计算机数值分析地下水流动、输运、地下水化学等液体流体力学行为，而实验则是在实际环境中监测和记录地下水的物理化学参数并进行实时分析，从而得出各种地下水特性，如渗透性、毒性、温度等。

数值模拟必要的步骤：1.设计数学模型：需要将地下水系统分成空间块，建立相应的液体物理力学方程组。

2.模型参数的处理和确定：需要了解并确定涉及该地区的一些物理、化学参数，如渗透性、温度、水化学含量和地表地层结构等参数，以及地表地下水的特性。

3.选定模拟参数和计算方法：通常文件计算流密度和地表流速、影响其流体行为的参数，以及计算规模和方法。

4.数值计算、分析结果和模型修正：利用数值方法对地下水流动、转移、质量变化等进行数值模拟计算。

通过模拟进行结果分析并对模型进行修正。

三、常见的地下水数值模拟技术与流程总的来讲，地下水模拟有三种基本技术：格网式有限元模拟（FE）、边界元模拟（BEM）和拉格朗日模拟（LSM）。

地下水系统的结构特征水文地质学根据含水岩层在地质剖面中所处的部位及隔水层（非透水层）限制的情况，将地下水分为包气带水、潜水和承压水（见图2-1）。

图2-1潜水、承压水及上层滞水（据王大纯等,1986）a.上层滞水;b.潜水;c.承压水1.隔水层;2.透水层;3.饱水部分;4.潜水位;5.承压水测压水位;6.泉（上升泉）;7.水井，实线表示井壁不透水（一）包气带水包气带中以各种形式存在的水（结合水、毛细水、气态水）统称为包气带水。

来源于大气降水及灌溉水的入渗，地表水体的渗漏，由地下水面通过毛细上升输送的水分，以及地下水蒸发形成的气态水。

包气带的含水量及其水盐运动受气象因素影响极为显著，天然和人工植被也对其起很大的作用。

研究污染物质在地下水系统中的运移与转化，应重视对包气带水形成及其运动规律的研究。

（二）潜水饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水称为潜水（见图2-1）。

潜水没有隔水顶板，或只有局部的隔水顶板。

潜水的表面称作潜水面；从潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层的厚度；潜水面到地表的距离称为潜水埋藏的深度。

潜水含水层厚度与潜水面埋藏深度随潜水面的升降而发生相应的变化。

潜水在其全部分布范围都可以通过包气带接受大气降水及地表水的补给，在重力作用下由水位高的地方向水位低的地方径流。

它的排泄，除流入其它含水层外，或是径流到地形低洼处，以泉、泄流等形式向地表或地表水体排泄；或是通过地面蒸发或植物蒸腾的形式排入大气。

潜水的水质主要取决于气候、地形及岩性条件。

另一方面，潜水很容易受到人为作用的污染，故应对潜水水源加强保护。

（三）承压水充满于两个隔水层（或弱透水层）之间的含水层中的水，称为承压水。

承压含水层上部的隔水层称为隔水顶板，下部的隔水层称为隔水底板。

隔水顶底板之间的距离为承压含水层的厚度（见图2-1）。

承压水主要来源于现代大气降水与地表水的入渗补给，补给区主要是含水层出露地表的范围，在一定的条件下，当含水层顶底板为弱透水层时，它还可以从上下含水层获得越流补给，也可向上下部含水层进行越流排泄。