水文地質(zhì)學(xué)地下水動(dòng)態(tài)與均衡

1、第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡9.1 地下水動(dòng)態(tài)與均衡的概念一、地下水動(dòng)態(tài)定義：含水層（含水系統(tǒng)）經(jīng)常與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)、能量與信息的交換，在與環(huán)境相互作用下，含水層各要素（如水位，水量、水化學(xué)成分、水溫等）隨時(shí)間的變化。原因：含水層（含水系統(tǒng)）水量、鹽量，熱量、能量收支不平衡的結(jié)果。當(dāng)補(bǔ)給水量大于排泄水量時(shí)，儲(chǔ)存水量增加，地下水位上升；水化學(xué)成分地下水位：真變化 VS 偽變化1第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡二、地下水均衡定義：某一時(shí)間段內(nèi)某一地段內(nèi)（區(qū)域）地下水水量（鹽量、熱量、能量）的收支狀況稱作地下水均衡。三、動(dòng)態(tài)與均衡的關(guān)系動(dòng)態(tài)是均衡的外部表現(xiàn)，均衡是動(dòng)態(tài)變化的內(nèi)在原因。 地下水的動(dòng)態(tài)變化是含水層

2、水量、鹽量、熱量、能量收支不平衡的結(jié)果。水量的收支不平衡將引起地下水位的變化；鹽量的收支不平衡將引起水質(zhì)的變化；熱量、能量的收支不平衡將引起水溫的變化。2第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡四、地下水動(dòng)態(tài)的研究意義1）檢驗(yàn)并完善前期水文地質(zhì)研究結(jié)論；2）查明地下水資源數(shù)量、質(zhì)量及變化；3）為數(shù)學(xué)模擬提供依據(jù)；4）為擬定合理的地下水利用、防治方案及措施提供依據(jù)；5）檢驗(yàn)實(shí)施中的利用、防治方案及措施的合理性；六、地下水動(dòng)態(tài)的研究內(nèi)容影響因素、動(dòng)態(tài)類型、地下水動(dòng)態(tài)成果分析五、地下水動(dòng)態(tài)與均衡研究的方法3第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡9.2 地下水動(dòng)態(tài)9.2.1 地下水動(dòng)態(tài)的形成機(jī)制一、一次降水對(duì)地下水水位的影響一

3、次降雨脈沖信號(hào)水位的變化波信號(hào)4第七章 地下水的補(bǔ)給、排泄與徑流 汛期開始，河水浸濕包氣帶并發(fā)生垂直下滲，使河下潛水面形成水丘（圖a）。河水不斷下滲，水丘逐漸抬高與擴(kuò)大，與河水聯(lián)成一體（圖b）。 汛期結(jié)束，河水撤走，水丘逐漸趨平，使一定范圍內(nèi)潛水位普遍抬高（圖c）。二、間歇性河流對(duì)地下水的補(bǔ)給過程5第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡二、多次（兩次以上）降雨對(duì)地下水水位的影響削峰填谷6第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡不同條件下地下水位對(duì)降雨的響應(yīng)2、包氣帶滲透性及厚度均為中等：地下水埋藏深度中等的裂隙砂巖1、包氣帶滲透性良好，包氣帶厚度影響忽略：巖溶發(fā)育區(qū)3、包氣帶滲透性低且厚度大：地下水埋藏深度大于100m

4、的黃土高原7第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡三、降水對(duì)泉流量的影響 降水對(duì)泉流量的影響，也會(huì)出現(xiàn)類似的情況。一次降雨使泉水量出現(xiàn)一個(gè)波形的增加，若干次降雨所引起的波形相迭合，削峰填谷的結(jié)果，會(huì)使泉流量遠(yuǎn)較降水變化為穩(wěn)定。 北方許多巖溶大泉流量動(dòng)態(tài)之所以很穩(wěn)定，原因就在此。 由此可見，間斷性的降水，通過含水層（含水系統(tǒng)）的變換，將轉(zhuǎn)化成比較連續(xù)的地下水位變化或泉流量變化，這是信號(hào)滯后，延遲與迭加的結(jié)果。8第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡9.2.2 影響地下水動(dòng)態(tài)的因素 把地下水動(dòng)態(tài)看作是含水層（含水系統(tǒng)）連續(xù)的信息輸出，就可將影響地下水動(dòng)態(tài)的因素分為兩類： 一類是環(huán)境對(duì)含水層（含水系統(tǒng)）的信息輸入，如降水、

5、地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給，人工開采或補(bǔ)給地下水，地應(yīng)力對(duì)地下水的影響等； 另一類則是變換輸入信息的因素，主要涉及賦存地下水的地質(zhì)地形條件。9第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡10第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡 054#位于渭河一級(jí)階地，1990年以前變化并不明顯，2002年后年平均地下水位要明顯低于1990年以前，其主要原因應(yīng)該是上世紀(jì)90年代以后降雨量偏少導(dǎo)致補(bǔ)給來源減少，同時(shí)人口的增加、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展又增加了開采量，這些都是地下水位持續(xù)下降的原因。11第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡 057-1#位于渭河二級(jí)階地，1986年后地下水位開始下降，2002年后水位與1990相比有較大的降落。與一級(jí)階地類似，其主要原因應(yīng)

6、該是上世紀(jì)90年代以后降雨量偏少導(dǎo)致補(bǔ)給來源減少，同時(shí)人口的增加、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展又增加了開采量，需要指出的是該地區(qū)是工業(yè)中心、人口密集地，地下水的開發(fā)量更大，下降的幅度也更大。12第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡064#065#13第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡 064#、065#位于渭北黃土臺(tái)原灌區(qū)，灌溉是地下水位變化的主要影響因素，這從1985、1986、1987三個(gè)降雨偏少年份地下水位持續(xù)上升可以得到證實(shí)。 據(jù)咸陽水利志記載，“1984年9月，咸陽市南部的秦都、興平、武功、楊凌、三原、涇陽、乾縣、禮泉的明水面積達(dá)40413畝，興平縣明水在店張洼地一帶；地下水位在0.5m以下的有175110畝；在0.5

7、1.5m的有414652畝”，而后，相關(guān)部門注重井灌渠灌結(jié)合，加強(qiáng)排澇工作，多數(shù)地區(qū)地下水上升得到了控制。14第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡一、氣象（氣候）因素 氣象（氣候）因素對(duì)潛水動(dòng)態(tài)影響最為普遍。 降水的數(shù)量及其時(shí)間分布，影響潛水的補(bǔ)給，從而使?jié)撍畬铀吭黾?，水位抬升，水質(zhì)變淡。 氣溫、濕度、風(fēng)速等與其它條件結(jié)合，影響著潛水的蒸發(fā)排泄，使?jié)撍孔兩伲唤档?，水質(zhì)變咸。 氣象（氣候）要素周期性地發(fā)生晝夜、季節(jié)與多年變化，因之，潛水動(dòng)態(tài)也存在著晝夜變化、季節(jié)變化及多年變化。其中季節(jié)變化最為顯著且最有意義。 我國東部屬季風(fēng)氣候區(qū)，雨季出現(xiàn)于春夏之交。大體自南而北由5月至7月先后進(jìn)入雨季，降

8、水顯著增多，潛水位逐漸抬高，并達(dá)到峰值。15第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡 雨季結(jié)束，補(bǔ)給逐漸減少，潛水由于徑流及蒸發(fā)排泄，水位逐漸回落，到翌年雨季前，地下水位達(dá)到谷值。 因此，全年潛水位動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為單峰單谷（圖93）。圖中3月份水位少量抬升與季節(jié)凍土融化補(bǔ)給地下水有關(guān)。16第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡 氣候還存在多年的周期性波動(dòng)。 例如，周期為11年的太陽黑子變化，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（圖94）。17第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡二、水文因素 隨著遠(yuǎn)離河流，地下水位抬升的時(shí)間滯后和延遲增大，波形趨于平緩。 河岸及含水層的滲透性越強(qiáng)，地下水位響應(yīng)的時(shí)間滯后和延遲愈小。 含

9、水層厚度愈大，波形愈平緩。 給水度愈大，波形愈？18第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡三、地質(zhì)因素（影響輸入信息變換）1）之于降水入滲補(bǔ)給的過程 當(dāng)降水補(bǔ)給地下水時(shí)，包氣帶厚度與巖性控制著地下水位對(duì)降水的響應(yīng)。 潛水埋藏深度愈大，對(duì)降水脈沖的濾波作用愈強(qiáng)；相對(duì)于降水，地下水位抬高的時(shí)間滯后與延遲愈長；水位歷時(shí)曲線呈現(xiàn)為較寬緩的波。 包氣帶巖性的滲透性愈好，則濾波作用愈弱；地下水位抬升的時(shí)間滯后與延遲??；水波歷時(shí)曲線波形較陡。19第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡2）潛水的動(dòng)態(tài)降水補(bǔ)給 量對(duì)潛水動(dòng)態(tài)的影響 潛水儲(chǔ)存量的變化是以給水度 與水位變幅 h 的乘積表示的。當(dāng)儲(chǔ)存量變化相同時(shí)，給水度愈小，水位變幅便愈大。

10、 巖溶化巖層滲透性良好但巖溶率（相當(dāng)于給水度）則較低，巖溶水的包氣帶缺乏濾波作用，較小的巖溶率則起了放大地下水位對(duì)降水補(bǔ)給的響應(yīng)，地下水位變幅在分水嶺地區(qū)可達(dá)數(shù)十米甚至更多。20第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡3）之于承壓水 對(duì)于承壓含水層來說，隔水頂板限制了它與外界的聯(lián)系，它主要通過補(bǔ)給區(qū)（潛水分布區(qū)）與大氣圈與地表水圈發(fā)生聯(lián)系，當(dāng)頂板為弱透水層時(shí)，還通過弱透水頂板與外界聯(lián)系。 由于以上原因，承壓水動(dòng)態(tài)變化通常比潛水小。在前一種情況下，接受降水補(bǔ)給時(shí)，補(bǔ)給區(qū)的潛水位變化比較明顯，隨著遠(yuǎn)離補(bǔ)給區(qū)，變化漸弱，以至于消失。 從補(bǔ)給區(qū)向承壓區(qū)傳遞降水補(bǔ)給影響時(shí)，含水層的滲透性愈好，厚度愈大，給水度愈小，則

11、波及的范圍愈大。 承壓含水層埋藏愈深，構(gòu)造封閉性愈好，與外界的水力聯(lián)系愈弱，則由于大氣圈及地表水圈變化而引起的動(dòng)態(tài)變化愈微弱。21第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡4）其它地質(zhì)因素（作為輸入/激勵(lì)）影響承壓含水層的水位變動(dòng)（偽變化） 承壓含水層的水位變動(dòng)還可以由于固體潮、地震等引起，這時(shí)地質(zhì)因素成為環(huán)境對(duì)地下水的輸入。 在內(nèi)陸地區(qū)，承壓含水層中可觀測(cè)到周期為12小時(shí)的測(cè)壓水位波動(dòng)。這是由于月亮和太陽對(duì)地球吸引造成的。 當(dāng)月亮運(yùn)行到某點(diǎn)“頭頂”時(shí)，由于月亮的吸引，承壓含水層因載荷減少而引起輕度膨脹，測(cè)壓水位便下降。 月亮遠(yuǎn)離時(shí)，承壓含水層載荷增加，輕度壓縮，測(cè)壓水位便上升。 由固體潮引起的地下水位變幅可

12、達(dá)數(shù)個(gè)厘米。 1975年2月4日遼寧海城7.3級(jí)大地震22第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡氡（Rn）是由放射性元素鐳衰變產(chǎn)生的自然界唯一的天然放射性稀有氣體，無色無味。Bq也就是貝克勒爾，定義是放射性元素每秒有一個(gè)原子發(fā)生衰變時(shí)，其活度即為1貝克勒爾。100Bq/L也就是每升氣體中每秒有100個(gè)原子發(fā)生衰變。23第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡 由于地震波的傳遞，大地震可以使距震中數(shù)千公里以外的某些敏感的深層承壓水井產(chǎn)生厘米級(jí)的水位波動(dòng)。 據(jù)認(rèn)為，這是由于地震孕震及發(fā)震過程中地應(yīng)力的變化使巖層壓縮或膨脹，從而引起震區(qū)以至遠(yuǎn)方孔隙水壓力的異常變化，承壓含水層測(cè)壓水位因而波動(dòng)。與此相應(yīng)，有時(shí)震前地下水化學(xué)成分

13、也會(huì)改變。 與其它方法配合，監(jiān)測(cè)地下水動(dòng)態(tài)可以作為預(yù)報(bào)地震的一種重要手段。 應(yīng)當(dāng)注意，固體潮、地震等引發(fā)的地下水位波動(dòng)只是能量的傳遞而不涉及地下水儲(chǔ)存量的變化。這種能量傳遞距離遠(yuǎn)，速度快。 例如，1950年12月9日阿根廷一智利邊境發(fā)生大地震，40分鐘后遠(yuǎn)在8050km之外的美國威斯康星州密爾窩基城一個(gè)深井發(fā)生不到5cm的測(cè)壓水位波動(dòng)，地震波傳遞速率約為200km/min。24第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡9.2.3 地下水天然動(dòng)態(tài)類型 潛水與承壓水由于排泄方式及水交替程度不同，動(dòng)態(tài)特征也不相同。 潛水及松散沉積物淺部的水，可分為三種主要?jiǎng)討B(tài)類型：蒸發(fā)型、徑流型及弱徑流型。2526第九章 地下水的

14、動(dòng)態(tài)與均衡 蒸發(fā)型動(dòng)態(tài)出現(xiàn)于干旱半干旱地區(qū)地形切割微弱的平原或盆地。 此類地區(qū)地下水徑流微弱，以蒸發(fā)排泄為主。 雨季接受入滲補(bǔ)給，潛水位普遍以不大的幅度（通常為13m）抬升，水質(zhì)相應(yīng)淡化。隨著埋深變淺，旱季蒸發(fā)排泄加強(qiáng)，水位逐漸下降，水質(zhì)逐步鹽化。降到一定埋深后，蒸發(fā)微弱，水位趨于穩(wěn)定。 此類動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)是：年水位變幅小，各處變幅接近，水質(zhì)季節(jié)變化明顯，長期中地下水不斷向鹽化方向發(fā)展，并使土壤鹽漬化。27第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡 徑流型動(dòng)態(tài)廣泛分布于山區(qū)及山前。 地形高差大，水位埋藏深，蒸發(fā)排泄可以忽略，以徑流排泄為主。 雨季接受入滲補(bǔ)給后，各處水位抬升幅度不等。接近排泄區(qū)的低地，水位上升幅度

15、??；遠(yuǎn)離排泄點(diǎn)的高處，水位上升幅度大；因此，水力梯度增大，徑流排泄加強(qiáng)。 補(bǔ)給停止后，徑流排泄使各處水位逐漸趨平。 此類動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)是：年水位變幅大而不均（由分水嶺到排泄區(qū)，年水位變幅由大到?。|(zhì)季節(jié)變化不明顯，長期中則不斷趨于淡化。28第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡 氣候濕潤的平原與盆地中的地下水動(dòng)態(tài)，可以歸為弱徑流型。 這種地區(qū)地形切割微弱，潛水埋藏深度小，但氣候濕潤，蒸發(fā)排泄有限，故仍以徑流排泄為主，但徑流微弱。 此類動(dòng)態(tài)的特征是：年水位變幅小，各處變幅接近，水質(zhì)季節(jié)變化不明顯，長期中向淡化方向發(fā)展。 承壓水均屬徑流型，動(dòng)態(tài)變化的程度取決于構(gòu)造封閉條件。構(gòu)造開啟程度愈好，水交替愈強(qiáng)烈，動(dòng)態(tài)

16、變化愈強(qiáng)烈，水質(zhì)的淡化趨勢(shì)愈明顯。29第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡 人類活動(dòng)通過增加新的補(bǔ)給來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。9.2.4 人為影響下的天然動(dòng)態(tài)類型30第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡 鉆孔采水，礦坑或渠道排除地下水后，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

17、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（含水層由向河流排泄變成接受河流補(bǔ)給；原先潛水埋深過淺降水入滲受限制的地段，因水位埋深加大而增加降水入滲補(bǔ)給量）。 如果采排地下水一段時(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，以比原先大的年變幅波動(dòng)，而不持續(xù)下降。31第九章 地下水的動(dòng)態(tài)與均衡 河北饒陽縣五公地區(qū)，開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）月雨季開始，采水停止，降水入滲及周圍地下水徑流補(bǔ)給，使水位迅速上升。雨季結(jié)束后，周圍的徑流流入填充開采漏斗，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）。 由1973年至1977