水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第九章

水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)FundamentalsofHydrogeology當(dāng)前1頁，總共65頁。第九章地下水的動態(tài)與均衡9.1地下水動態(tài)與均衡的概念9.2地下水動態(tài)9.3地下水均衡當(dāng)前2頁，總共65頁。含水層（含水系統(tǒng)）始終與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)、能量、信息的交換，時(shí)刻處于變化之中。當(dāng)前3頁，總共65頁。地下水動態(tài)的概念：

在與環(huán)境相互作用下,含水層各要素(水位、水量、水化學(xué)成分、水溫等)隨時(shí)間的變化,稱作地下水動態(tài)。當(dāng)前4頁，總共65頁。地下水要素隨時(shí)間發(fā)生變動的原因：

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)含水層的補(bǔ)給水量大于排泄水量時(shí),儲存水量增加,地下水位上升；當(dāng)補(bǔ)給量小于排泄量時(shí),儲存水量減少,水位下降。鹽量、熱量、能量的收支不平衡,會使地下水水質(zhì)、水溫或水位發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)前5頁，總共65頁。地下水位的變化反映了地下水所具有的勢能的變化。而地下水勢能變化可以由于獲得水量補(bǔ)給儲存水量增加引起,也可以與水量增減無關(guān)。例如：

當(dāng)含水層受到地應(yīng)力作用,賦存地下水的含水介質(zhì)受到壓應(yīng)力并將其傳遞到地下水上時(shí),地下水位也會上升；這種情況下地下水位雖有上升但并不意味著其水量增加。當(dāng)前6頁，總共65頁。研究地下水動態(tài)的意義：

地下水動態(tài)反映了地下水要素隨時(shí)間變化的狀況，為了合理利用地下水或有效防范其危害，必須掌握地下水動態(tài)；地下水動態(tài)提供給我們關(guān)于含水層或含水系統(tǒng)的不同時(shí)刻的系列化信息，因此，在檢驗(yàn)所作出的水文地質(zhì)結(jié)論，在論證人們所采用的利用或防范地下水的水文地質(zhì)措施是否得當(dāng)時(shí)，地下水動態(tài)資料是最權(quán)威的判據(jù)。當(dāng)前7頁，總共65頁。地下水均衡的概念：

某一時(shí)間段內(nèi)某一地段內(nèi)地下水水量(鹽量、熱量、能量)的收支狀況稱作地下水均衡。當(dāng)前8頁，總共65頁。地下水動態(tài)與地下水均衡間的關(guān)系：

動態(tài)是均衡的外部表現(xiàn)；

均衡是動態(tài)的內(nèi)在根源。當(dāng)前9頁，總共65頁。研究地下水動態(tài)與均衡的意義：查清地下水的補(bǔ)給、排泄條件；闡明地下水資源條件；確定含水層之間、含水層與地表水體的關(guān)系。當(dāng)前10頁，總共65頁。地下水動態(tài)的形成機(jī)制影響地下水動態(tài)的因素地下水天然動態(tài)類型人類活動影響下的地下水動態(tài)

9.2地下水動態(tài)當(dāng)前11頁，總共65頁。一、地下水動態(tài)的形成機(jī)制形成機(jī)制的理解：地下水動態(tài)是含水層(含水系統(tǒng))對環(huán)境施加的激勵所產(chǎn)生的響應(yīng)；地下水動態(tài)是含水層(含水系統(tǒng))將輸入信息變換后產(chǎn)生的輸出信息。當(dāng)前12頁，總共65頁。實(shí)例分析：分析降雨對地下水位的影響一次降雨：通常持續(xù)數(shù)小時(shí)到數(shù)天，把它看作是發(fā)生于某一時(shí)刻的“脈沖”。同一時(shí)刻的降雨,在包氣帶中通過大小不同的空隙以不同速度下滲。當(dāng)運(yùn)動最快的水滴到達(dá)地下水面時(shí)，地下水位開始上升，占比例最大的水量到達(dá)地下水面時(shí)，地下水位的上升達(dá)到峰值；運(yùn)動最慢的水滴到達(dá)地下水面后,降水的影響結(jié)束。當(dāng)前13頁，總共65頁。

與一個降水脈沖相對應(yīng),作為響應(yīng)的地下水位的抬升表現(xiàn)為一個波形?；蛘哒f，經(jīng)過含水層(含水系統(tǒng)）的變換,一個脈沖信號變成了一個波信號。與對應(yīng)的脈沖相比較,波的出現(xiàn)有一個時(shí)間滯后a,并持續(xù)某一時(shí)間延遲b。當(dāng)前14頁，總共65頁。多次降雨：當(dāng)相鄰的兩次或多次降雨接近，各次降雨引起的地下水抬升的波形相互迭合。當(dāng)各個波峰迭加時(shí),會迭合成更高的波峰（圖a、b、c),地下水位會出現(xiàn)一個峰值。當(dāng)前15頁，總共65頁。

實(shí)際情況下，多是各個波形的波峰與波谷迭合,削峰填谷,構(gòu)成平緩的復(fù)合波形（圖d、e、f)。當(dāng)前16頁，總共65頁。降水對泉流量的影響：一次降雨使泉水量出現(xiàn)一個波形的增加，若干次降雨所引起的波形相迭合，削峰填谷的結(jié)果，使泉流量遠(yuǎn)較降水變化為穩(wěn)定。北方的許多巖溶大泉流量動態(tài)穩(wěn)定就是此原因。

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。這是信號滯后、延遲與迭加的結(jié)果。當(dāng)前17頁，總共65頁。地下水動態(tài)的特點(diǎn)：

連續(xù)性隨機(jī)性周期性當(dāng)前18頁，總共65頁。二、影響地下水動態(tài)的因素

按照地下水動態(tài)是含水層(含水系統(tǒng))連續(xù)的信息輸出的理解，將影響地下水動態(tài)的因素分為兩類:

①環(huán)境對含水層(含水系統(tǒng))的信息輸入：如降水、地表水的補(bǔ)給，人工開采或補(bǔ)給地下水，地應(yīng)力對地下水的影響等；

②變換輸入信息的因素：賦存地下水的地質(zhì)、地形條件。當(dāng)前19頁，總共65頁。影響地下水動態(tài)的主要自然因素：

氣候（氣象）因素水文因素地質(zhì)因素植被因素當(dāng)前20頁，總共65頁。特點(diǎn)：大面積、普遍產(chǎn)生影響（主要是降水與蒸發(fā)）氣象（氣候）因素對潛水動態(tài)的影響：

特點(diǎn)：普遍性最好

過程：a.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；

b.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?，水位降低，水質(zhì)變咸。1.氣象（氣候）因素—決定動態(tài)總輪廓當(dāng)前21頁，總共65頁。氣象（氣候）要素的周期性變化：降水的晝夜變化降水的年內(nèi)季節(jié)性變化降水的多年變化（如11年周期）與此相對應(yīng)，地下水動態(tài)也有這三種周期性變化晝夜變化在許多地區(qū)不明顯多年變化研究周期長季節(jié)變化最突出、最有意義當(dāng)前22頁，總共65頁。分析氣象因素對潛水位的影響時(shí)，必須區(qū)分潛水位的真變化與偽變比。實(shí)踐中，應(yīng)當(dāng)考慮多年的地下水位與水量的變化。當(dāng)前23頁，總共65頁。氣候存在多年周期性波動例如：周期為11年的太陽黑子變化，影響豐水期與干旱期的交替，使地下水位呈同一周期變化。當(dāng)前24頁，總共65頁。重大的長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：

供水工程應(yīng)根據(jù)多年資料分析地下水位最低時(shí)水量能否滿足要求；排水工程要考慮多年最高地下水位時(shí)的排水能力。缺乏地下水多年觀測資料時(shí)，可利用多年的氣象、水文資料，或根據(jù)樹木年輪、歷史資料與考古資料，推測地下水多年動態(tài)。當(dāng)前25頁，總共65頁。

2.水文因素

地表水體補(bǔ)給地下水引起地下水位抬升時(shí)，隨著遠(yuǎn)離河流，水位變幅減小，發(fā)生變化的時(shí)間滯后。河水對地下水動態(tài)的影響一般為數(shù)百米至數(shù)公里,此范圍以外,主要受氣候影響。當(dāng)前26頁，總共65頁。地質(zhì)因素對地下水動態(tài)影響的主要體現(xiàn)：

補(bǔ)、排與徑流條件的變化——反映對地下水文要素的變幅和滯后時(shí)間等特征的影響。

地質(zhì)構(gòu)造——決定地下水、大氣水、地表水的不同聯(lián)系，反映出受氣候、水文因素的影響程度不同，因而出現(xiàn)不同的動態(tài)特征。3.地質(zhì)因素

地質(zhì)因素是影響輸入信息變換的因素。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降水的響應(yīng)。當(dāng)前27頁，總共65頁。潛水埋深愈大，對降水脈沖的濾波作用愈強(qiáng)；相對于降水，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。潛水儲存量的變化是以給水度與水位變幅△h的乘積表示的，即：當(dāng)儲存量變化相同時(shí)，給水度愈小，水位變幅愈大。河水引起潛水位變動時(shí)，含水層的透水性愈好，厚度愈大，含水層的給水度愈小，則波及范圍愈遠(yuǎn)。當(dāng)前28頁，總共65頁。承壓水動態(tài)變化比潛水?。?/p>

a.降水補(bǔ)給時(shí)，補(bǔ)給區(qū)的潛水位變化較明顯，隨著遠(yuǎn)離補(bǔ)給區(qū)，變化漸弱，以至于消失；

b.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，則波及的范圍愈大；

c.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，則引起的動態(tài)變化愈微弱；

d.承壓含水層的水位變動可以由于固體潮、地震等引起，這時(shí)地質(zhì)因素成為環(huán)境對地下水的輸入。當(dāng)前29頁，總共65頁。

三、地下水天然動態(tài)類型

潛水（松散沉積物淺部水）的天然動態(tài)類型:

蒸發(fā)型

徑流型

弱徑流型當(dāng)前30頁，總共65頁。蒸發(fā)型動態(tài)分布區(qū)：干旱半干旱地區(qū)地形切割微弱平原或盆地。動態(tài)特征：地下水徑流微弱，以蒸發(fā)排泄為主。年水位變幅小，各處變幅相差不大；

水質(zhì)季節(jié)變化明顯，地下水不斷向鹽化方向發(fā)展，并使土壤鹽漬化。當(dāng)前31頁，總共65頁。滲入——蒸發(fā)型的平原潛水當(dāng)前32頁，總共65頁。徑流型動態(tài)分布區(qū)：山區(qū)及山前。動態(tài)特征：地形高差大，水位埋藏深，以徑流排泄為主。年水位變幅大而不均；水質(zhì)季節(jié)變化不明顯，長期則不斷趨于淡化。當(dāng)前33頁，總共65頁。弱徑流型分布：氣候濕潤的平原與盆地。動態(tài)特征：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，以徑流排泄為主，但徑流微弱。年水位變幅小，各處變幅接近，水質(zhì)季節(jié)變化不明顯，長期向淡化方向發(fā)展。當(dāng)前34頁，總共65頁。承壓水天然動態(tài)類型承壓水均屬于徑流型動態(tài)變化：

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，動態(tài)變化愈強(qiáng)烈，水質(zhì)的淡化趨勢愈明顯。當(dāng)前35頁，總共65頁。

四、人類活動影響下的地下水動態(tài)人類活動增加新補(bǔ)給來源或新排泄去路而改變地下水的天然動態(tài)。例如：

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：天然排泄量的一部分或全部轉(zhuǎn)為人工排泄量，天然排泄不再存在；天然排泄數(shù)量減少；可能增加新的補(bǔ)給量。當(dāng)前36頁，總共65頁。若采排地下水一段時(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。

動態(tài)曲線表現(xiàn)：地下水位在比原先低的位置上，以比原先大的年變幅波動，而不持續(xù)下降。

當(dāng)前37頁，總共65頁。

若采排水量過大，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)，將不斷消耗含水層儲存水量，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降。當(dāng)前38頁，總共65頁。修建水庫、地表水灌溉等，增加了新的補(bǔ)給來源而使地下水位抬升。如圖：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。當(dāng)前39頁，總共65頁。干旱半干旱平原或盆地：地下水天然動態(tài)多屬蒸發(fā)型，灌溉水入滲抬高地下水位，蒸發(fā)加強(qiáng)，促使土壤鹽漬化。有時(shí)，即使原來潛水埋深較大，屬徑流型動態(tài)，但連年灌溉后，可轉(zhuǎn)為蒸發(fā)型動態(tài)，造成大面積土壤次生鹽漬化。當(dāng)前40頁，總共65頁。均衡區(qū)與均衡期水均衡方程式人類活動影響下的地下水均衡地面沉降與地下水均衡大區(qū)域地下水均衡研究需要注意的問題9.3地下水均衡當(dāng)前41頁，總共65頁。一、均衡區(qū)與均衡期地下水均衡——以地下水為對象的均衡研究，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。地下水均衡研究的目的——闡明某區(qū)在某一段時(shí)間內(nèi)，地下水水量（鹽量、熱量)收入與支出之間的數(shù)量關(guān)系。當(dāng)前42頁，總共65頁。

地下水均衡要素

水均衡：指以地下水體為對象，某一地區(qū)在某一時(shí)間段內(nèi)地下水量的收支均衡狀況。

均衡要素：均衡區(qū)、均衡期、收支項(xiàng)、調(diào)蓄項(xiàng)當(dāng)前43頁，總共65頁。均衡區(qū)：均衡計(jì)算所選定的地區(qū)。均衡期：均衡計(jì)算的時(shí)間段（若干年、年、月）。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）的收入大于支出，表現(xiàn)為地下水儲存量（或鹽儲量、熱儲量）增加。負(fù)均衡：支出大于收入，地下水儲存量(或鹽儲量、熱儲量)減少當(dāng)前44頁，總共65頁。

地下水動態(tài)與均衡的關(guān)系：

均衡是地下水動態(tài)變化的內(nèi)在原因，動態(tài)則是地下水均衡的外部表現(xiàn)。計(jì)算方法：均衡研究必須分析均衡的收入項(xiàng)與支出項(xiàng)，列出均衡方程式。通過測定或估算列入均衡方程式的各項(xiàng)，以求算某些未知項(xiàng)。當(dāng)前45頁，總共65頁。二、水均衡方程式陸地上某一地區(qū)天然狀態(tài)下總的水均衡：收入項(xiàng)（A）一般包括：降水量（X）、地表水流入量（Y1）、地下水流入量（W1）、水汽凝結(jié)量（Z1）。支出項(xiàng)（B)一般為：地表水流出量（Y2）、地下水流出量（W2）、蒸發(fā)量（Z2)。均衡期水的儲存量變化量：△ω1當(dāng)前46頁，總共65頁。地下水均衡方程式：

收入項(xiàng)總量-支出量總量=調(diào)蓄項(xiàng)變化量，即：

（∑Q補(bǔ)—∑Q消）Δt=±μFΔh物理意義：

某均衡區(qū)，在一定均衡期內(nèi)，總補(bǔ)給量與總消耗量之差等于儲存量的變化量。當(dāng)前47頁，總共65頁。三種狀態(tài)的均衡方程：a.天然條件下的均衡方程：

(∑Q天補(bǔ)—∑Q天消)Δt=±μFΔhb.開采條件下的均衡方程：

(∑Q開補(bǔ)—∑Q開消）Δt=±μFΔhc.多年均衡期條件下（地下水保持多年均衡，即Δh＝0）的均衡方程：∑Q補(bǔ)Δt=∑Q消Δt

當(dāng)前48頁，總共65頁。均衡期水儲存量的變化（水均衡方程式）：水儲存量變化△ω

中包括：地表水變化量（Ｖ）包氣帶水變化量（ｍ）潛水變化量(μ△hｃ）承壓水變化量（μｅ△hｃ）當(dāng)前49頁，總共65頁。潛水的收入項(xiàng)(A)：降水入滲補(bǔ)給量（Ｘｆ）地表水入滲補(bǔ)給量(Yｆ）凝結(jié)水補(bǔ)給量(Zc)上游斷面潛水流入量(Wｕ１）下伏承壓含水層越流補(bǔ)給潛水水量（Qｔ）。當(dāng)前50頁，總共65頁。潛水支出項(xiàng)(B):潛水蒸發(fā)量(Zu,包括土面蒸發(fā)、葉面蒸發(fā))以泉或泄流形式排泄量(Qd)下游斷面流出量(Wｕ２）。潛水儲存量變化量：

μ

Δh當(dāng)前51頁，總共65頁。潛水均衡方程式的一般形式：當(dāng)前52頁，總共65頁。一定條件下，一般形式的均衡方程中某些均衡項(xiàng)可取消，方程可簡化為：

Xf+Yf-Zu=μΔh多年均衡條件下，=0，得：即典型干旱半干旱平原潛水均衡方程式，表示滲入補(bǔ)給潛水的水量全部消耗于蒸發(fā)。典型濕潤山區(qū)潛水均衡方程式：即入滲補(bǔ)給的水量全部以徑流形式排泄。

當(dāng)前53頁，總共65頁。三、人類活動影響下的地下水均衡研究意義：研究人類活動影響下的地下水均衡，可以定量評價(jià)人類活動對地下水動態(tài)的影響，預(yù)測其水量水質(zhì)變化趨勢，并據(jù)此提出調(diào)控地下水動態(tài)，使之朝向?qū)θ祟愑欣姆较虬l(fā)展的措施。當(dāng)前54頁，總共65頁?？死茁宸?qū)μK聯(lián)中亞某灌區(qū)潛水均衡研究得出該區(qū)潛水均衡方程式為：式中f1、f2—灌渠水及田面灌水入滲補(bǔ)給潛水水量；

Qt—下伏承壓含水層越流補(bǔ)給潛水的水量；

Qr—通過排水溝排走的潛水水量；

以一個水文年為均衡期，經(jīng)觀測計(jì)算，求得均衡方程式各項(xiàng)數(shù)值(單位為mm水柱)為：31.0=22.7+255.5+77.0+9.2-313.4-20.0當(dāng)前55頁，總共65頁。得出的結(jié)論：

(1)潛水表現(xiàn)為正均衡，一年中潛水位上升620mm，增加潛水儲存量31mm(u＝0.05)。潛水蒸發(fā)量將不斷增加，會產(chǎn)生土壤鹽漬化。

(2)破壞原有地下水均衡，導(dǎo)致潛水位抬升的主要因素是灌溉水入滲，其中灌渠水入滲量占水量總收入的70％，田面入滲水量占2l％。

(3)現(xiàn)有排水設(shè)施的排水能力(年排水量為20mm)太低，不能有效地防止?jié)撍惶?/p>

(4)防止土壤次生鹽漬化必須采取的措施：減少灌水入滲；加大排水能力；或兩者兼施，以消除每年31mm的潛水儲存量增加值。當(dāng)前56頁，總共65頁。

四、地面沉降與地下水均衡開采孔隙承壓含水系統(tǒng)時(shí)，停止開采可使水位恢復(fù)到采前高度上，含水層的儲存水量將隨之恢復(fù)，但粘性土中的一部分儲存水永久失去而不再恢復(fù)。由于粘性土壓密釋水量可占開采水量的百分之幾十，因此，忽略粘性土永久性釋水就會造成相當(dāng)大的誤差。當(dāng)前57頁，總共65頁。

五、大區(qū)域地下水均衡研究需要注意的問題

從供水角度出發(fā)，可供長期開采利用的水量，是含水系統(tǒng)從外界獲得的多年平均補(bǔ)給量。對于大的含水系統(tǒng)，除了統(tǒng)一求算補(bǔ)給量外，有時(shí)還需分別求算含水系統(tǒng)各部分的補(bǔ)給量。當(dāng)前58頁，總共65頁。如圖：一個堆積平原含水系統(tǒng)，含水系統(tǒng)分為兩大部分：潛水的山前沖洪積平原潛水及承壓水的沖積湖積平原當(dāng)前59頁，總共65頁。天然條件下，多年中水量達(dá)到均衡，地下水儲存量的變化值為零。各部分的水量均衡方程式：

山前平原潛水：

沖積平原潛水：

沖積平原承壓水：當(dāng)前60頁，總共65頁。

若簡單地將含水系統(tǒng)各部分均衡式中水量收入項(xiàng)累加，則顯然比