地下水系统概念
一、地下水系统的提出
自20世纪40年代LudwigvonBertalanffy提出一般系统论以来，特别是20世纪50～60年代应用系统工程解决复杂问题取得重大成功以来，系统思想与系统方法广泛地渗透到各学科领域。“地下水系统”这一术语的提出，一方面固然是系统思想与方法渗入水文地质领域的结果，更重要的则是水文地质发展的必然产物。
水文地质学发展的初期，主要是解决“找水”问题。当时主要任务是确定井位以打出足够的水量，因而仅仅关注开采井附近的含水层;在人们的思维中，很少有系统、整体的概念。随着地下水开采规模的扩大，人们逐渐发现开采井群周边的地下水位在不断下降，水位下降范围随时间的延续而不断向外扩展，地下水的运动是非稳定的。人们开始明白，必须将整个含水层作为研究对象，而不是局限于开采井附近含水层。不过，当时仍然认为，地下水的流动仅仅局限于含水层，而含水层上下的岩层是绝对隔水的。后来逐渐发现，在许多情况下井群中所抽出的水量远远超过了含水层所能供给的量，于是人们开始注意到含水层“越流”的存在。这样，人们对地下水的研究由单一的含水层扩展到了由多个含水层及其间的弱透水层共同组成的“含水层系统”。与“含水层系统”相比，“地下水流动系统”的提出则非常困难。长期以来，水文地质学中有一个根深蒂固的观念:忽视地下水的垂向运动，把地下水流动看成平面二维运动。1940年，赫伯特(M.K.Hubbert)第一个明确提出了地下水存在垂向运动，但一直不为人们所接受。直到1963年，托特(J.Tóth)利用解析解绘制了均质各向同性潜水盆地中理论的地下水流系统，才发展了赫伯特理论。1980年，托特提出“重力穿层流动”，将流动系统理论全面推广到非均质介质场。1986年，英格伦(G.B.Engelen)进一步分析了地下水流动系统的物理机制，正式建立了“地下水流动系统”的概念和方法。
地下水系统的概念正是在综合“含水层系统”和“地下水流动系统”理论的基础上形成的。
二、地下水系统基本概念
自20世纪80年代国际水文地质界提出“地下水系统”一词以来，不同的学者都对“地下水系统”的概念提出了自己的见解，至今，尚未形成一个完整的、统一的概念。现将主要的观点罗列如下。
苏联H・B・鲍柯夫斯卡娅在“水文地质学概念的现状和预测问题”一文中指出:任何一个复杂系统可归纳为3个方面，①系统的组成;②系统的结构，它表征系统与周围介质的相互作用和系统内各要素的相互联系;③系统的作用、性质和发育历史。鲍柯夫斯卡娅提出了“水文地质系统”这一术语，作为水圈地下水部分的基本单位。他认为“水文地质系统”占有一定的三维空间体积，周围被具有自然特征的较高梯度的面所限制，水文地质系统的每一个单元，可能构造很复杂，并且实质上是次一级系统(亚系统)。鲍柯夫斯卡娅提出的“水文地质系统”在含义上和本质上与“地下水系统”并无明显差别，只是所采用的名词有所不同而已。
荷兰阿姆斯特丹自由大学教授英格伦(G.B.Engelen)教授认为“地下水系统”可以看作是具有不同形式的能量输入、代谢和输出的有机体，并且有发生、发展和最终消亡的过程。它主要表现出以下特性:①边界类型的模式;②容积;③结构;④阻力或势能转换能力;⑤流出系统;⑥相邻系统之间的联系;⑦水质类型和模式;⑧地下水系统的发展“历史”。
1982年，美国R・C・希思按照地下水系统的五个特征将美国划分为14个区，5个特征是:①系统的组成要素，包括含水层、弱透水层、隔水层及其组合关系;②主要含水层含水空隙性质，包括原生的与次生的;③主要含水层岩性，包括可溶的与不可溶的;④主要含水层贮水与导水性;⑤主要含水层补排条件。
1984年的莫斯科会议(第27届国际地质大会)上，法国卡斯塔尼(G.Castany)在分组会的报告中认为对地下水系统进行定量描述，主要包括6个基本内容:①非均质含水介质的空间分布特征;②补给量与排泄量随时间的变化;③包气带水与矿物溶解物质的运移和变化;④温度场的变化;⑤合理开发和管理地下水资源的经济指标，即开采资源的基本平衡;⑥建立水文地质概念模型，为进一步建立数学模型奠定基础。
卡斯塔尼指出，每一个地下水系统都具有一定的时空特征及其水动力系统，并有固定的平衡形式和一定的水资源类型。具有如下综合特征:①具有一定的连续的空间范围(流域、盆地、建造);②地下水与空间介质的机械作用，包括了水动力作用、水热作用和水生物作用;③水循环的连续性，表现为含水系统的时间状态。其连续性表现为脉冲-反应的双重性质。根据上述特征，地下水系统可划分为:①以流域为水资源均衡单位的地下水系统，包括地表水、地下水及大气降水的均衡;②以水文地质盆地为水资源均衡单位，包括完全充满或未充满的盆地中的地下水;③深部含水介质中的地下水，通常不具备平衡的意义，一旦开采就不易恢复。
美国地质调查局水资源处拉尔夫・C・海斯认为:“地下水系统”这一术语，指的是从潜水面到岩石裂隙带底部的这一部分地壳，是地下水赋存和运动的场所，由含水层(作为地下水运动的通道)和围闭层(阻碍地下水运动)所组成。美国学者多米尼克在“地下水水文学的概念与模型”一书中也有类似的提法，认为地下水系统是具有某种性质的岩石集合体，它能自由地容纳水和运移水，并与其他不能自由容纳水和运移水的岩石相邻接。
日本学者柴畸达雄认为，地下水系统是水循环总系统中的一个子系统。地下水系统又分为潜水系统和承压水系统，这两个系统应该用地下水流动系统与地质构造的关系加以区分。
在我国，“地下水系统”一词最早由我国著名水文地质学家陈梦熊院士引进。早在1984年他就在系统收集整理国外有关文献的基础上，编印出版了《地下水系统理论研究论文选编》，向国内介绍国外关于“地下水系统”研究动向，并通过分析比较各国对地下水系统理论研究的最新动向与不同观点，发表了《地下水系统的基本概念与研究方法》一文，阐述了自己的认识和见解。关于地下水系统的基本概念，他归纳为以下几点:
1)地下水系统是由若干具有一定独立性而又互相联系、互相影响的不同等级的亚系统或次亚系统所组成。
2)地下水系统是水文系统的一个组成部分，与降水和地表水系统存在密切联系，互相转化。地下水系统的演变，很大程度上受地表水输入与输出系统的控制。
3)每个地下水系统都具有各自的特征与演变规律，包括各自的含水层系统、水循环系统、水动力系统、水化学系统等。
4)含水层系统与地下水系统代表两种不同的概念，前者具有固定的边界，而后者的边界是自由可变的。
5)地下水系统的时空分布与演变规律，既受天然条件的控制，又受社会环境，特别是人类活动的影响而发生变化。
本书作者认为地下水系统是由含水层系统和地下水流动系统共同组成的。地下水含水层系统是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。地下水流系统是指由源到汇流面群构成的，具有统一时、空演变过程的地下水体。两者有联系又有显著区别。含水层系统和地下水流系统的共同点是两者都以单个含水层作为功能单元，力求以系统的观点去考察、分析地下水体。地下水含水层系统和地下水流动系统的区别如表1-2-1。
表1-2-1 含水层系统与地下水流系统的区别
地下水系统分析主要是含水层系统分析和地下水流动系统分析，含水层系统分析要先于地下水流动系统分析。
地下水系统概念本质上就是地下水流动系统，即以不同级别的地下水水量、水质输入、运移和输出为研究内容。因此，地下水系统划分的主要依据为地下水流系统，其边界为不同级别地下水流系统的边界。含水层系统在地下水系统划分时主要起辅助作用，尤其在大型沉积盆地具有多个时代含水岩系的地区，由于不同含水岩系之间水力联系微弱，基本各成一体，因此地下水系统划分首先是分析不同含水岩系，在此基础上在同一含水岩系再划分和研究地下水流动系统。
