地下水的動(dòng)態(tài)與均衡地下水動(dòng)態(tài)與均衡的概念地下水

1、第九章地下水的動(dòng)態(tài)與均衡第一節(jié)地下水動(dòng)態(tài)與均衡的概念地下水動(dòng)態(tài)的概念：含水層（含水系統(tǒng)）在與外界環(huán)境相互作用過(guò)程中，含水層（含水系統(tǒng)）地下水各要素（如地下水位、水量、水化學(xué)成份、水溫等）隨時(shí)間的變化狀況，稱為地下水動(dòng)態(tài)。地下水均衡的概念：某時(shí)段某地段地下水物質(zhì)、能量的收支狀況稱為地下水均衡。第二節(jié)地下水動(dòng)態(tài)一、地下水動(dòng)態(tài)的形成機(jī)制含水層（含水系統(tǒng)）地下水各要素（如地下水位、水量、水化學(xué)成份、水溫等）之所以隨時(shí)間發(fā)生變化，是含水層（含水系統(tǒng)）中物質(zhì)、能量收支不平衡的綜合表現(xiàn)。因此，地下水動(dòng)態(tài)是含水層（含水系統(tǒng)）對(duì)外部環(huán)境施加的激勵(lì)所產(chǎn)生的響應(yīng)，也可理解為含水層（含水系統(tǒng)）將輸入信息變換后產(chǎn)生的輸

2、出信息。下面以降雨（圖9-1）為例說(shuō)明地下水動(dòng)態(tài)的形成機(jī)制：動(dòng)態(tài)變化：降水f補(bǔ)給地下水系統(tǒng)f水位上升。tt脈沖式激勵(lì)波狀響應(yīng)圖91輸入與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系a一時(shí)間滯后；b時(shí)間延遲地下水動(dòng)態(tài)（對(duì)外界響應(yīng)）特點(diǎn)：在時(shí)間上表現(xiàn)為滯后和延遲（圖9-1），以及疊加。疊加現(xiàn)象：是指外界多次激勵(lì)（或輸入）時(shí)，引起系統(tǒng)響應(yīng)（或輸出）的變化是多次激勵(lì)響應(yīng)的累加結(jié)果（圖9-2）。圖9-2說(shuō)明，地下水水位對(duì)外界輸入（降水）響應(yīng)的信息傳輸?shù)牡咸攸c(diǎn)，稱為疊加現(xiàn)象。圖9-2信息傳輸中的迭合地下水動(dòng)態(tài)描述：地下水某要素隨時(shí)間的變化（動(dòng)態(tài)）程度可用穩(wěn)定性來(lái)恒量：動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，是指變化幅度??；動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定，是指變化幅度大。二、地下水動(dòng)

3、態(tài)的影響因素影響地下水動(dòng)態(tài)（穩(wěn)定性）的因素主要有三類(lèi)：（1）是外部環(huán)境對(duì)含水層（含水系統(tǒng)）的信息輸入：如降水、地表水的補(bǔ)給-氣象（氣候）因素、水文因素；（2）是變換輸入信息的含水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，主要涉及賦存地下水的地質(zhì)環(huán)境條件，地質(zhì)因素。（3）人為因素，包括開(kāi)采、人工回灌、灌溉、庫(kù)渠滲漏、污水排放等等。（一）氣象（氣候）因素氣象（氣候）是對(duì)地下水動(dòng)態(tài)影響最為普遍的因素。決定了一個(gè)地區(qū)動(dòng)態(tài)的基本形態(tài)。氣象（氣候）要素周期性地發(fā)生晝夜、季節(jié)與多年變化。其中季節(jié)變化最為顯著且最有意義。從圖9-3，可以分析季節(jié)變化對(duì)潛水動(dòng)態(tài)影響。10-I00T20-QO0蒸發(fā)*5-魅水埋禮Im)c403O-20-8SSK

4、100-圖93潛水動(dòng)態(tài)曲線（19541955，北京）1氣溫；2相對(duì)濕度；3降水量；4潛水位；5蒸發(fā)量（1954年16月，1955年4月蒸發(fā)量缺資料）氣候還存在多年的周期性波動(dòng)。例如，從圖94可以看出，周期為11年的太陽(yáng)黑子變化，影響豐水期與干旱期的交替，從而使地下水位呈同一周期變化。標(biāo)更E圖94前蘇聯(lián)卡明草原地下水位變化圖阿利托夫斯基等，1956（根據(jù)每年9月1日水位資料繪成；實(shí)點(diǎn)為實(shí)測(cè)水位，空心點(diǎn)為水位的可能位置）綜合上述分析，對(duì)于重大的長(zhǎng)期性地下水供排水設(shè)施，應(yīng)當(dāng)考慮多年的地下水位與水量的變化。注意在分析氣象因素對(duì)潛水位的影響時(shí)，必須區(qū)分潛水位的真變化與偽變化。例如，當(dāng)大氣氣壓開(kāi)始降低時(shí)，

5、處于包氣帶之下的潛水面尚未感受到其影響暴露于大氣中的井孔中的地下水位卻因氣壓降低而水位抬升。當(dāng)然，氣壓突然增加時(shí)井孔地下水位也會(huì)呈現(xiàn)與含水層不同步的下降。（二）水文因素河水河水的影響：主要取決于含水層（地下水系統(tǒng)）距地表水體的遠(yuǎn)近。分析圖9-5可獲得如下信息：地表水體補(bǔ)給地下水而引起地下水位抬升時(shí)隨著遠(yuǎn)離河流，地下水位變幅減小，發(fā)生變化的時(shí)間明顯滯后。圖95萊茵河洪水對(duì)潛水的影響轉(zhuǎn)引自卡明斯基，19581、2、3、4、5觀測(cè)井中潛水位，數(shù)字大的距河遠(yuǎn)；6萊茵河水位（三）地質(zhì)因素地質(zhì)因素是影響輸入信息變換的內(nèi)部因素。對(duì)動(dòng)態(tài)特征起修飾作用。潛水：降水補(bǔ)給潛水時(shí)，包氣帶厚度與巖性影響地下水位的變化：

6、包氣帶厚度大，潛水埋藏深愈大，水位變化的滯后性越明顯；巖性的滲透性愈好，水位抬升的時(shí)間滯后愈短。承壓水：承壓含水層的動(dòng)態(tài)受外界影響比潛水小，原因是隔水頂板限制了補(bǔ)給區(qū)的范圍。因此，補(bǔ)給區(qū)范圍、距補(bǔ)給區(qū)的遠(yuǎn)近、承壓含水層的厚度與給水度等影響動(dòng)態(tài)變化。一般地，在補(bǔ)給區(qū)的水位變化明顯，變幅大；距離遠(yuǎn)變化逐漸減弱。含水巖層的滲透性、厚度和給水度等，影響動(dòng)態(tài)變化的幅度和滯后時(shí)間。承壓含水層的水位變動(dòng)還受到固體潮（月亮T=12h）、地震等地質(zhì)應(yīng)力影響。三、地下水天然動(dòng)態(tài)類(lèi)型潛水和承壓水由于排泄方式及水交替程度不同，動(dòng)態(tài)特征也不同。（一）潛水三種動(dòng)態(tài)類(lèi)型（1）蒸發(fā)型主要出現(xiàn)在干旱半干旱地區(qū)地形切割微弱的平原

7、或盆地。（2）徑流型廣泛分布于山區(qū)及山前。（3）弱徑流型氣候濕潤(rùn)的平原與盆地，蒸發(fā)排泄有限，徑流排泄為主，但徑流微弱。（二）承壓水徑流型動(dòng)態(tài)變化的程度取決于構(gòu)造封閉條件。構(gòu)造開(kāi)啟程度愈好，水交替愈強(qiáng)烈，動(dòng)態(tài)變化愈強(qiáng)烈，水質(zhì)的淡化趨勢(shì)愈明顯。四、人類(lèi)活動(dòng)影響下的地下水動(dòng)態(tài)類(lèi)型人類(lèi)活動(dòng)通過(guò)增加新的補(bǔ)給來(lái)源或新的排泄去路而改變地下水的天然動(dòng)態(tài)。在天然條件下，由于氣候因素在多年中趨于某一平均狀態(tài)，因此，一個(gè)含水層或含水系統(tǒng)的補(bǔ)給量與排泄量在多年中保持平衡。反映地下水儲(chǔ)量的地下水位在某一范圍內(nèi)起伏，而不會(huì)持續(xù)地上升或下降。地下水的水質(zhì)則在多年中向某一方向（鹽化或者淡化）發(fā)展。人工采排地下水：鉆孔取水或礦

8、坑渠道排除地下水后，人工采排成為地下水新的排泄去路；含水層或含水系統(tǒng)原來(lái)的均衡遭到破壞，天然排泄量的一部或全部轉(zhuǎn)為人工排泄量，天然排泄不再存在，或數(shù)量減少（泉流量、泄流量減少，蒸發(fā)減弱），并可能增加新的補(bǔ)給量。（1）如果采排地下水經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，新增的補(bǔ)給量及減少的天然排泄量與人工排泄量相等，含水層水量收支達(dá)到新的平衡。在動(dòng)態(tài)曲線上表現(xiàn)為：地下水位在比原先低的位置上，年變幅波動(dòng)增大，而不持續(xù)下降。如圖9-6實(shí)例可知：在河北饒陽(yáng)縣五公地區(qū)，開(kāi)采第四系潛水及淺層承壓水作為灌溉水源。每年35（6）月采水灌溉，水位降到最低點(diǎn)。6（7）月雨季開(kāi)始，采水停止，降水入滲及周?chē)叵滤畯搅餮a(bǔ)給，使水位迅速上升。

9、雨季結(jié)束后，周?chē)膹搅髁魅胩畛溟_(kāi)采漏斗，水位繼續(xù)緩慢上升。翌年采水前期，水位達(dá)到最高點(diǎn)。這一動(dòng)態(tài)變化顯示了天然因素和人為因素的綜合影響（圖96）。動(dòng)態(tài)類(lèi)型稱為開(kāi)采徑流型。1l1612inLfi121ftIi21liL21fi321b眸臨121970i&Ti97211*1:1I!-71I9rn1皿JD7T圖96河北饒陽(yáng)五公里河地下水位變化曲線據(jù)河北省第九地質(zhì)大隊(duì)1地下水位；2降水量；3采水量（2）若采排水量過(guò)大，天然排泄量的減量與補(bǔ)給量的增量的總和，不足以償補(bǔ)人工排泄量時(shí)，則將不斷消耗含水層儲(chǔ)存水量，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降（如圖97實(shí)例）。2221圖97河北保定西部地下水位變化曲線據(jù)河北省地礦局第

10、四水文地質(zhì)大隊(duì)人工補(bǔ)給地下水：修建水庫(kù)，利用地表水灌溉等，增加了新的補(bǔ)給來(lái)源而使地下水位抬升。例如：河北冀縣新莊，1974年初潛水位埋深大于4m,由于灌溉,旱季水位反而上升，到1977年雨季，潛水位已接近地表了（圖9-8）。5TOO1dd5-n5-u15-uo5osni-u-u-u-u5圖98河北冀縣新莊潛水位變化曲線1潛水位；2月降水量干旱半干旱平原或盆地，地下水天然動(dòng)態(tài)多屬蒸發(fā)型，灌溉水入滲抬高地下水位，蒸發(fā)進(jìn)一步加強(qiáng)，促使土壤進(jìn)一步鹽漬化。有時(shí)，即使原來(lái)潛水埋深較大屬?gòu)搅餍蛣?dòng)態(tài)，連年灌溉后，也可轉(zhuǎn)為蒸發(fā)型動(dòng)態(tài)，造成大面積土壤次生鹽漬化（圖98、99）。即使氣候濕潤(rùn)的平原或盆地，由于地表水

11、灌溉過(guò)多抬高地下水位，耕層土壤過(guò)濕，會(huì)引起土壤次生沼澤化。第三節(jié)地下水均衡一、與地下水均衡相關(guān)的概念地下水均衡是以地下水為對(duì)象的均衡研究。目的在于闡明某個(gè)地區(qū)在某一段時(shí)間內(nèi)，地下水水量（鹽量、物質(zhì)、熱量、能量）收入與支出的關(guān)系。均衡區(qū)進(jìn)行均衡計(jì)算所選定的區(qū)域稱作均衡區(qū)。它最好是一個(gè)具有相對(duì)隔水邊界的完整水文地質(zhì)單元。均衡期進(jìn)行均衡計(jì)算的時(shí)間段，稱作均衡期。通常按照水文年來(lái)計(jì)算，或取多年平均值。正均衡某一均衡區(qū)，在一定均衡期內(nèi)，地下水水量（或鹽量、熱量等）的收入大于支出，表現(xiàn)為地下水儲(chǔ)存量（或鹽儲(chǔ)量、熱儲(chǔ)量等）增加，稱作正均衡。負(fù)均衡某一均衡區(qū)，在一定均衡期內(nèi)，地下水水量（或鹽量、熱量等）的收入

12、小于支出，表現(xiàn)為地下水儲(chǔ)存量（或鹽儲(chǔ)量、熱儲(chǔ)量等）減少，稱作負(fù)均衡。均衡是地下水動(dòng)態(tài)變化的內(nèi)在原因，動(dòng)態(tài)則是地下水均衡的外部表現(xiàn)。二、水均衡方程式一個(gè)地區(qū)的水均衡研究，實(shí)質(zhì)就是應(yīng)用質(zhì)量守恒定律去分析參與水循環(huán)的各要素的數(shù)量關(guān)系。進(jìn)行均衡研究必須分析均衡的收入與支出項(xiàng)，列出均衡方程式。通過(guò)估算或測(cè)定均衡方程式的均衡項(xiàng)，分析均衡狀況或求算均衡方程式中某些未知項(xiàng)。天然狀態(tài)下總的水均衡：收入項(xiàng)（山）包括：大氣降水量（疋）、地表水流入量（血）、地下水流入量（硏）、水汽凝結(jié)量（乙）。支出項(xiàng)（月）為：地表水流出量（芯）、地下水流出量（矚）、蒸發(fā)量（）。均衡期水的儲(chǔ)存量變化為心碼水均衡方程式：（91）(92)

13、即：或：五七丿_附1丿=（9一3）水儲(chǔ)量變化心e包括：地表水變化量（卩），包氣帶水變化量（m）,潛水變化量（幽）及承壓水變化量（以占總）；其中，戶為潛水含水層的給水度或飽和差,山2為均衡期潛水位變化值（上升用正號(hào)，下降用負(fù)號(hào)）；毘為承壓含水層的彈性給水度，心毎為承壓水測(cè)壓水位變化值。據(jù)此，水均衡方程式可寫(xiě)成：X-世一忌一隠一琢J一込一4=卩+淤+泌沁凡軌（9_4）（X+E+%+2j爲(wèi)+%+二占回*-（血-片）-（腿-曬）-込-久）=（一）天然狀態(tài)下的潛水均衡方程式以潛水為例（圖9-10），建立潛水的均衡方程式。收入項(xiàng)（貝）包括：降水入滲補(bǔ)給量（勺），地表水入滲補(bǔ)給量（與），凝結(jié)水補(bǔ)給量（乙），

14、上游斷面潛水流入量（磯1），下伏承壓含水層越流補(bǔ)給潛水水量（，如潛水向承壓水越流排泄則列入支出項(xiàng)）。支出項(xiàng)（占）包括：潛水蒸發(fā)量（乙，包括土面蒸發(fā)及葉面蒸發(fā)），潛水以泉或泄流形式排泄量（2）,下游斷面潛水流出量（%）。均衡期始末潛水儲(chǔ)存量變化為（圖910）。貝V：A-B=h(95)(96)tt儲(chǔ)存變化量收入項(xiàng)t支出項(xiàng)嗎=閃+廳+乙+%+2)-(乙+Q+驗(yàn));|圖910:潛水均衡示意圖（98）（98）式表示滲入補(bǔ)給潛水的水量全部消耗于蒸發(fā)。（2）濕潤(rùn)山區(qū)潛水均衡：在濕潤(rùn)山區(qū)蒸發(fā)很小乙=0,此時(shí):勺+耳=2910)（假定地下水流動(dòng)與剖面平行）-|一I+*.F.*1含水層；2弱透水層；3潛水位；4高

15、、低地表水位幾種條件下的潛水均衡方程式：（1）干旱半干旱平原區(qū)：忽略出，地形切割微弱Q-0,無(wú)越流時(shí)Q=0,徑流滯緩2-0,潛水均衡方程式可簡(jiǎn)化為：（9-7錯(cuò)誤一一Z,應(yīng)為Zu）（9一7）如果研究多年均衡條件：=,則（97）為：（9-8錯(cuò)誤Qd,應(yīng)為Zu）為+耳=2（99）（99）式表示入滲補(bǔ)給的水量全部以徑流形式排泄。（二）人類(lèi)活動(dòng)影響下的潛水均衡人類(lèi)活動(dòng)影響下的潛水均衡方程式如下：（910錯(cuò)誤，漏掉+f2）二為+Q_乙_2儲(chǔ)存變化量收入項(xiàng)支出項(xiàng)式中：了1、Z分別為灌渠水及田面灌水入滲補(bǔ)給潛水的水量；下伏承壓含水層越流補(bǔ)給潛水的水量；2通過(guò)排水溝排走的潛水水量；其余符號(hào)意義同前。研究人類(lèi)活動(dòng)

16、影響下的地下水均衡，可以幫助我們定量評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的影響，預(yù)測(cè)其水量水質(zhì)變化趨勢(shì)，并提出調(diào)控地下水動(dòng)態(tài)使之朝向?qū)θ祟?lèi)有利的方向發(fā)展的措施。三、均衡計(jì)算應(yīng)注意的問(wèn)題從地下水系統(tǒng)理論出發(fā)，進(jìn)行地下水均衡計(jì)算時(shí)，應(yīng)該以大的含水系統(tǒng)為均衡區(qū)，避免將統(tǒng)一的含水系統(tǒng)劃分為幾個(gè)計(jì)算區(qū)（或以行政區(qū)劃分），否則，系統(tǒng)上、下之間，潛水、承壓水之間，以及地表水與地下水之間的水量就會(huì)被重復(fù)計(jì)算。山前丘陵潛水+阱2（1）大區(qū)域地下水均衡計(jì)算：以堆積平原含水系統(tǒng)地下水均衡模式分析（圖9-11）為例，如果分為三段均衡區(qū)，各段均衡方程式為：9-119-129-139-14)沖積平原潛水+%+牛沖積平原承壓水聲=耳+

17、氣作為整個(gè)含水系統(tǒng)的水量均衡方程式:為q+為2+%+務(wù)2+陽(yáng)=益1+乙2+媚比較式9-11、12、13與9-14，可知，矚和Q屬于堆積平原含水系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的水量轉(zhuǎn)換，而不是含水系統(tǒng)與外部之間發(fā)生的水量轉(zhuǎn)換。分割計(jì)算必然造成地下水量的夸大計(jì)算。圖9-11堆積平原含水系統(tǒng)地下水均衡模式1透水基巖；2不透水基巖；3粘性土；4砂礫石；5潛水位；6泉；7均衡收支項(xiàng)（2）深層孔隙承壓含水系統(tǒng)均衡計(jì)算（地面沉降壓實(shí)釋水）壓密釋水：根據(jù)有效應(yīng)力原理（參考教材第2.4節(jié)），在開(kāi)采深層孔隙承壓水時(shí)，由于孔隙水壓力降低而上復(fù)載荷不變，作為含水層的砂礫層以及其上下的弱透水層（粘性土層）都將壓密釋水，砂礫層的彈性給水度與粘性土的貯水系數(shù)都將變小。彈性恢復(fù)與塑性壓密：若停止采水使測(cè)壓水位恢復(fù)到開(kāi)采前的高度，砂礫層由于是彈性壓密，可以基本上回彈到初始狀態(tài)（彈性