水文地质学基础：第九章 地下水地下水动态与均衡

1、LOGO Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础水文地质学基础 第九章第九章 地下水动态与均衡地下水动态与均衡 Company Logo 本章内容本章内容 9.1 地下水的动态地下水的动态 9.2 地下水的均衡地下水的均衡 Company Logo 9.1 9.1 地下水的动态地下水的动态 v 含水层（含水系统）经常与环境发生物质、能量与信息含水层（含水系统）经常与环境发生物质、能量与信息 的交换，时刻处于变化之中的交换，时刻处于变化之中与时间有关与时间有关 v 地下水动态的概念地下水动态的概念 在与环境相互作用下，含水层（含水系统）各要素在与环境相互作用下，含

2、水层（含水系统）各要素 （如水位、水量、水化学成分、水温等）随时间的变化，（如水位、水量、水化学成分、水温等）随时间的变化， 称之地下水动态。称之地下水动态。 v 地下水动态的原因地下水动态的原因 含水层含水层( (含水系统含水系统) )水量、盐量，热量、能量收支不水量、盐量，热量、能量收支不 平衡的结果。例如，当补给水量大于排泄水量时，储存平衡的结果。例如，当补给水量大于排泄水量时，储存 水量增加，地下水位上升；反之，储存水量减少，水位水量增加，地下水位上升；反之，储存水量减少，水位 下降。下降。 Company Logo 9.1.19.1.1地下水动态的形成机制地下水动态的形成机制 以地下

3、水水位为例以地下水水位为例 v 降水降水补给地下水系统补给地下水系统水位上升水位上升 激励：激励：环境对系统的作用；环境对系统的作用； 响应：响应：系统在接受激励后对环境的反应。系统在接受激励后对环境的反应。 地下水动态地下水动态是含水层是含水层(含水系统含水系统)对环境施加的对环境施加的激励激励所所 产生的产生的响应响应 激励激励脉冲式的降水脉冲式的降水 响应响应波状信号的水位波状信号的水位 v 地下水水位对外界输入（降水）所产生的响应特点：地下水水位对外界输入（降水）所产生的响应特点： （1 1）滞后和延迟现象）滞后和延迟现象 （2 2）有叠加现象）有叠加现象 地下水位地下水位响应响应 C

4、ompany Logo 降水补给引起地下水位响应降水补给引起地下水位响应滞后滞后- -延迟延迟- -叠加叠加 Company Logo 9.1.19.1.1地下水动态的形成机制地下水动态的形成机制 以地下水水位为例以地下水水位为例 v 因外界激励（或输入）而引起的系统响应（或输出）的因外界激励（或输入）而引起的系统响应（或输出）的 变化幅度是变化幅度是含水系统内部结构作用含水系统内部结构作用的结果的结果 某要素（水位）随时间的变化程度用稳定性来衡量某要素（水位）随时间的变化程度用稳定性来衡量 动态稳定动态稳定变化幅度小变化幅度小, ,承压水承压水 动态不稳定动态不稳定变化幅度大，变化幅度大，潜

5、水潜水 地下水动态曲线地下水动态曲线 Company Logo 河北饶阳地区地下水位动态曲线河北饶阳地区地下水位动态曲线 思考？影响地下水位变化（动态特征）因素有哪些？思考？影响地下水位变化（动态特征）因素有哪些？ Company Logo 9.1.2 9.1.2 地下水动态的影响因素地下水动态的影响因素 1 1、气象（气候）因素、气象（气候）因素 vv特点：特点：对潜水，大面积，普遍产生影响对潜水，大面积，普遍产生影响 ( (主要有降水与主要有降水与 蒸发因素蒸发因素) )。 v气象因素表现：气象因素表现： 降水的年内季节性变化降水的年内季节性变化 降水的多年变化（如降水的多年变化（如101

6、0年周期）年周期） 降水的昼夜变化降水的昼夜变化 v与此相对应，地下水动态也有这三种周期性变化与此相对应，地下水动态也有这三种周期性变化 昼夜变化昼夜变化 -在许多地区不明显在许多地区不明显 多年变化多年变化 -研究周期长，不太明显研究周期长，不太明显 年内变化年内变化 -最突出、明显最突出、明显 地下水动态曲线地下水动态曲线 Company Logo 气象（气候）因素气象（气候）因素 图图93 潜水动态曲线潜水动态曲线 （19541955，北京），北京） 虚线为气温；兰色柱状为虚线为气温；兰色柱状为降水量；红色为潜水位；黄色柱状为蒸发量降水量；红色为潜水位；黄色柱状为蒸发量 Company

7、Logo 9.1.2 9.1.2 地下水动态的影响因素地下水动态的影响因素 2 2、水文因素、水文因素 v指地表水体的变指地表水体的变 化对地下水动态化对地下水动态 的影响的影响 v从右图中可以看从右图中可以看 出什么规律？出什么规律？ 与地表水体的距与地表水体的距 离有关离有关 思考？思考？与潜水比较与潜水比较, 受河水位影响承受河水位影响承 压水动态有何特压水动态有何特 点？点？ Company Logo 9.1.2 9.1.2 地下水动态的影响因素地下水动态的影响因素 3 3、地质因素、地质因素 v 地质因素是间接因素（相当于滤波器）地质因素是间接因素（相当于滤波器） v 气候与水文因素

8、决定了一个地区气候与水文因素决定了一个地区地下水动态的总轮廓地下水动态的总轮廓 v 地质因素起修饰作用，滤波或削峰填谷的作用地质因素起修饰作用，滤波或削峰填谷的作用 潜水位的埋深：潜水位的埋深：埋深的大小影响滞后埋深的大小影响滞后- -延迟时间和变幅；延迟时间和变幅； 包气带岩性：包气带岩性：渗透性影响滞后渗透性影响滞后- -延迟时间和变幅；延迟时间和变幅； 饱水带岩性：饱水带岩性：渗透性和给水度影响动态变化范围和变幅；渗透性和给水度影响动态变化范围和变幅； 地下水所处的空间部位：地下水所处的空间部位：补给区，排泄区。一般而言，补给补给区，排泄区。一般而言，补给 区较排泄区更不稳定区较排泄区更

9、不稳定 4 4、人为因素、人为因素 包括开采、人工回灌、灌溉、库渠渗漏、污水排放等包括开采、人工回灌、灌溉、库渠渗漏、污水排放等 岩溶水动态特征 Company Logo 云南喷水洞地下暗河流量动态曲线 岩溶水动态岩溶水动态 山西广胜寺岩溶泉流量动态曲线 Company Logo 9.1.3 9.1.3 地下水天然动态类型地下水天然动态类型 潜水、承压水由于排泄方式、交替程度不同，两者的动潜水、承压水由于排泄方式、交替程度不同，两者的动 态特征也不同态特征也不同 1 1、潜水的动态类型潜水的动态类型三种类型三种类型 v 蒸发型蒸发型 分布：分布：主要出现在干旱半干旱地区，地形切割微弱的主要出现

10、在干旱半干旱地区，地形切割微弱的 平原或盆地。平原或盆地。 动态特点：动态特点：年水位变幅小，各处变幅接近，水质季节年水位变幅小，各处变幅接近，水质季节 变化明显，长期中地下水不断向盐化方向发展，并使变化明显，长期中地下水不断向盐化方向发展，并使 土壤盐渍化土壤盐渍化。 v 径流型径流型 分布：分布：广泛分布于山区及山前。广泛分布于山区及山前。 动态特点：动态特点：年水位变幅大而不均年水位变幅大而不均(由分水岭到排泄区，由分水岭到排泄区， 年水位变幅由大到小年水位变幅由大到小)，水质季节变化不明显，长期，水质季节变化不明显，长期 中则不断趋于淡化中则不断趋于淡化 Company Logo 9.

11、1.3 9.1.3 地下水天然动态类型地下水天然动态类型 1 1、潜水的动态类型潜水的动态类型三种类型三种类型 v 弱径流型弱径流型 分布：分布：分布于气候湿润的平原与盆地，蒸发排泄有限，分布于气候湿润的平原与盆地，蒸发排泄有限， 径流排泄为主，但径流微弱。径流排泄为主，但径流微弱。 动态特点：动态特点：年水位变幅小，各处变幅接近，水质季节年水位变幅小，各处变幅接近，水质季节 变化不明显，长期中向淡化方向发展。变化不明显，长期中向淡化方向发展。 2 2、承压水的动态类型承压水的动态类型径流型径流型 动态变化的程度取决于动态变化的程度取决于构造封闭条件构造封闭条件。构造开启程度。构造开启程度 愈

12、好，水交替愈强烈，动态变化愈强烈，水质的淡化愈好，水交替愈强烈，动态变化愈强烈，水质的淡化 趋势愈明显。趋势愈明显。 Company Logo 9.1.3 9.1.3 地下水天然动态类型地下水天然动态类型 3、人类活动影响下的地下水动态、人类活动影响下的地下水动态 v 采排地下水采排地下水 取水或矿坑排除地下水后，人工采排成为地下水新取水或矿坑排除地下水后，人工采排成为地下水新 的排泄去路；的排泄去路； 含水层或含水系统原来的均衡遭到破坏，天然排泄含水层或含水系统原来的均衡遭到破坏，天然排泄 量的一部或全部转为量的一部或全部转为人工排泄量人工排泄量，天然排泄消失或减少，天然排泄消失或减少 （泉

13、流量、泄流量减少，蒸发减弱），并可能增加新的补（泉流量、泄流量减少，蒸发减弱），并可能增加新的补 给量，给量，影响动态影响动态。 v补给地下水补给地下水 修建水库，利用地表水灌溉等，增加了新的补给来源修建水库，利用地表水灌溉等，增加了新的补给来源 而使地下水位抬升，形成而使地下水位抬升，形成新的动态新的动态特征特征 Company Logo 9.2 9.2 地下水均衡地下水均衡 定义：定义：在一定范围、一定时间内，地下水水量（热量、盐量、在一定范围、一定时间内，地下水水量（热量、盐量、 能量）的收支状况，称为地下水均衡能量）的收支状况，称为地下水均衡 动态是均衡的外部表现，而均衡是引起动态的原

14、因。动态是均衡的外部表现，而均衡是引起动态的原因。 9.2.1 9.2.1 地下水均衡方程式地下水均衡方程式质量守恒定律质量守恒定律 v 均衡区：均衡区：均衡计算所选定的区域（三维的）均衡计算所选定的区域（三维的） v 均衡期：均衡期：均衡计算的时间段（一个水文年）均衡计算的时间段（一个水文年） v 均衡方程式一般表达形式：均衡方程式一般表达形式：A - - B = W A收入项；收入项； B支出项；支出项； W均衡期内，均衡区的水量变化量均衡期内，均衡区的水量变化量 v 均衡结果（表现）：均衡结果（表现）：均衡、正均衡或负均衡均衡、正均衡或负均衡 潜水均衡 Company Logo 地下水均

15、衡图示地下水均衡图示 潜水均衡方程式：潜水均衡方程式： Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qt - ( - ( Zu+Qd+Wu2 ) = h Company Logo 潜水均衡方程式潜水均衡方程式 v Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qt - ( - ( Zu+Qd+Wu2 ) = h 几种条件下的潜水均衡方程式：几种条件下的潜水均衡方程式： v干旱半干旱平原区：干旱半干旱平原区：忽略忽略Zc ；地形切割微弱；地形切割微弱Qd0； 无越流时无越流时Qt =0；径流滞缓径流滞缓Wu1 Wu2 0； Xf + Yf - - Zu =hh 多年均衡条件下多年均衡条件下 ：h =0

16、，则，则 Xf + Yf = Zu v湿润山区潜水均衡湿润山区潜水均衡 Zu =0 Xf + Yf = Qd v强烈开采区强烈开采区 Xf + Yf = Q开 开 Company Logo 9.2.2 9.2.2 大区域大区域地下水均衡地下水均衡 1 32 222 21111 W t QW u Z t Q f Y f X W d Q u ZW f Y f X 冲积平原承压水 冲积平原潜水 山前丘陵潜水 堆积平原含水系统地下水均衡模式图堆积平原含水系统地下水均衡模式图 Company Logo 堆积平原含水系统地下水均衡模式分析堆积平原含水系统地下水均衡模式分析 v分区（三段均衡区）分析：分区（

17、三段均衡区）分析： 1 32 222 21111 W t QW u Z t Q f Y f X W d Q u ZW f Y f X 冲积平原承压水 冲积平原潜水 山前丘陵潜水 2 32112121 WQZZWYYXX duuffff 用含水系统分析，水量均衡方程：用含水系统分析，水量均衡方程： 进行水均衡研究或计算，切忌避免重复；否则会人为地夸进行水均衡研究或计算，切忌避免重复；否则会人为地夸 大地下水的可利用量，造成不可挽回的损失和后果大地下水的可利用量，造成不可挽回的损失和后果 Company Logo 本章小节本章小节 v地下水动态主要是含水系统水量（盐量、热量等）地下水动态主要是含水系统水量（盐量、热量等） 收支平衡状况的综合表现。收支平衡状况的综合表现。 v影响地下水动态的因素有：气象、水文、地质条影响地下水动态的因素有：气象、水文、地质条 件和人类活动。件和人类活动。 v地下水均衡地下水均衡计算计算，应从系统角度遵循质量守恒定，应从系统角度遵循质量守恒定 律来分析。律来分析。 v地下水量均衡方程式的一般表达式为：地下水量均衡方程式的一般表达式为：