第九章 地下水的动态与均衡

1、第九章 地下水的动态与均衡一、地下水动态与均衡的概念地下水系统经常不断地与外界发生着物质、能量和信息的交换，交换的结果使系统本身的状态发生相应的改变。这种变化的过程为地下水动态；变化中的数量关系为地下水的均衡；变化的结果为地下水资源。当地下水系统接受了大气降水和地表水的补给，或受到人工开采、回灌以及蒸发、蒸腾等输入信息的激励时，作为响应，地下水系统的内部状态必将发生相应的改变，系统内部状态的变化就是输出信息。因此，我们把地下水系统输出信息（水位、水量、水化学成分、水温等）随时间的变化状态称为地下水动态。将水位、水量、水化学成分、水温等输出信息称为地下水动态要素。所以：地下水动态地下水动态要素（

2、水位、水量、水化学成分、水温等）随时间的变化状态。地下水系统中各动态要素之所以发生变化，是由于系统内部水量、盐量、热量、能量的收支失衡所致。如：含水系统的补给水量大于其排泄水量时，储存的水量增加，原来的水量平衡打破。作为响应，表现为地下水位的上升。反之，地下水位下降。即建立了新的平衡。同样，盐量、热量、能量的收支失衡，都会造成系统内水质、水温、运动状态的改变（响应）。因此：地下水均衡某一时间段内某一地段中，地下水水量、盐量、热量、能量的收支间的数量关系。注：地下水水位的升降，一般情况下与地下水系统水量的增减相对应。但有时水位的变化（地下水势能的变化）与水量的增减无关。如：当含水层受到地应力增强

3、的作用，含水层将压应力传给地下水而使水位上升。均衡是地下水动态变化的内在原因；动态是地下水均衡的外部表现。掌握地下水动态资料，是利用地下水和防范地下水危害所必须的。在检验水文地质结论是否正确，论证所采用的利用和防范地下水措施是否得当时，地下水动态资料是最权威的依据。迄今为止，人们多注意地下水水位动态与水量均衡，故而这方面的理论发展较为成熟。然而对地下水系统的盐量、热量、能量的均衡研究较少，相应的理论有待发展。二、地下水动态1、地下水动态的形成机理地下水动态是地下水动态要素（水位、水量、水化学成分、水温等）随时间的变化状态。地下水的水位、水量、水化学成分、水温等动态要素之所以发生变化，是地下水系

4、统对环境所施加激励的响应，或者说是地下水系统将输入信息变换后所产生的输出信息。其实质是地下水系统中水量、盐量、能量、热量的收支失衡所致。为了建立新的平衡，系统的动态要素作为响应而发生改变。现以大气降水过程为例：T1 时下了数小时或数天雨，降水进入地面以捷径式或活塞式下渗补给地下水，使水位升高。先期到达地下水面者，量较小，水位升高幅度较小；相继大量入渗水来到地下水面，水位升高达到最高值；当入渗最慢的来到地下水面时，此次降水补给地下水的过程结束。此时，就获得一条滞后于降水的水位（h）随时间（t）的变化曲线，即ht曲线。若干次降水过程就可得到若干条ht曲线。由于含水层排泄的滞后效应，使入渗补给水量积

5、累增多，这些曲线相互迭合就会得到一条由于“削峰填谷”而高于任何一次单独降水ht曲线的平缓的复合波形曲线。因此，间断性的降水入渗，通过含水系统（含水层）的变换缓冲作用，变为比较连续的地下水位变化。所以，北方某些大泉稳定的流量，就是含水系统（含水层）将间断的降水补给过程滞后、迭加，转化为连续、平缓的水位或水量的响应之故。是含水系统输出信息的滞后、延迟与迭加的结果。2、地下水动态的影响因素影响含水系统中地下水动态的因素有两大类，即外部因素（环境因素）和内部因素。外部因素包括气候、水文及人为因素，如大气降水、地表水、人工补给与排泄和地应力等。地质、地形等属于含水系统的内部因素。 气候（气象）因素的影响

6、：由于潜水通过包气带与大气相通，所以气候对潜水动态的影响最大、最明显、最普遍。气候的干旱与湿润，制约着大气降水的数量和时间分布，从而影响着潜水的补给；气温、湿度、风速等气候要素的变化，则影响着潜水的蒸发和排泄。潜水的动态变化情况，通常以潜水动态曲线表示，如P98 图93中所示，气温、湿度、降水量、潜水位都随时间作有规律的变化。根据它们之间同步升降的曲线特点，可以断定四者之间具有相当密切的关系；它们与蒸发的关系也相当明显。气候要素的变化是周期性的，具有日夜变化、季节变化、年际变化和多年变化的特点，从而使地下水动态也呈现相应的周期性变化，其中季节性变化的影响最大。因此：对于连续的供水工程来说，应考

7、虑多年水位最低时期水量是否满足要求？对于排水来说就要考虑多年最高水位时期要排除多少水量才是安全的？注：如果缺少多年水位观测资料，则可以根据多年气象资料或水文资料甚至树木的年轮、历史、考古等资料，推断地下水多年动态变化情况。水文因素的影响水文因素的影响，主要是地表水体与地下水的关系。分三种情况：a 地表水长期补给地下水；b地表水长期排泄地下水（地下水补给地表水）；c丰水期地表水补给地下水，枯水期地下水补给地表水。 当地表水补给地下水时，使含水层体积增大，表现为地下水位升高。但对含水层获得补给的响应即水升高，并非在瞬间完成，而是有一个过程。含水层接受了地表水的补给之后，要经过一段时间才表现出对外界

8、补给信息的响应，这种现象称为滞后现象。滞后过程的长短，取决于河床的透水性和距补给水源的远近。 不难想象，地表水补给地下水时，地表水体附近的潜水含水层水位上升滞后时间短，水位升幅大；远离地表水体处，潜水位上升滞后时间就长一些，水位升也较小。再远处，潜水位受地表水补给的影响就不明显了，主要受气候的影响。河水对地下水动态的影响一般为数百米数公里。当地下水补给地表水（地表水排泄地下水）时，水位的动态变化情况正好相反：近河地段水位变化慢，降幅小；远离河流的分水岭地段，潜水降幅大。地质因素的影响这是一种影响地下水系统输入信息变换的因素，是由地形和地质体的岩性、结构、构造所决定的系统内部因素。气候要素本身周

9、期性的变化，使得受其影响的地下水动态也呈周期性变化的特点。而地质因素对地下水动态的影响则可视为稳定不变的因素。因为地质体的性质、结构的变化极其缓慢。地质因素对地下水动态的影响，是通过影响补给和排泄强度及径流条件而影响地下水要素变化幅度和强度的。地下水系统径流条件越好，即：含水层开启性越好、汇水面积越大、包气带厚度越小、透水性越好、补给区与排泄区高差越大、径流距离越短、径流强度越大，则地下水的水量、水位变化幅度越大，速度越快，滞后于气候变化的时间越短（响应积极）。反之，地下水系统径流条件越差，即：含水层封闭性越好、汇水面积越小、包气带厚度越大、透水性越差、补给区与排泄区高差越小、径流距离越长、径

10、流强度越小，则地下水的水量、水位变化幅度越大，速度越慢，滞后于气候变化的时间越长（响应迟钝）。人为因素的影响主要指人类通过增加新的补给源或新的排泄去路，而改变了地下水的天然动态，打破了天然平衡。天然状态下，由于气候的周期性特点，使地下水动态呈现有规律的变化，地下水系统中补给量与排泄量也就保持着多年的平衡，反映地下水储存量的地下水位也就相应的在某一范围上下波动，而不会出现持续的上升或下降。即天然平衡。如果人工凿井抽水或以渠道、矿坑形式排除地下水，就构成了地下水新的排泄去路。对于地下水系统来说，相当于在原先天然的补给径流排泄状态下，叠加了一个人工激励，使系统原来的平衡被打破。为了建立新的平衡，作为

11、对人工激励的响应，天然排泄量的一部分或全部水量将转化为人工排泄量，用来支持人工抽水，促使新平衡的建立。在这个新平衡的建立中，河流可能会由原先接受地下水的补给，反过来补给地下水。如果河流减少的那部分排泄量不能补足人工排泄量，就会出现潜水水位下降，埋深增大（包气带厚度增大），使地面吸收大气降水的能力（入渗率）加大，从而增加了大气降水的补给量。如果人工排泄量与地下水系统中天然排泄量的减少量加上新增加的补给量之和相等，系统中水量的收、支依然平衡，则水位在比原来水位低的位置上波动而不持续下降。如果人工排泄量过大，天然排泄量的减少量与补给量的增量之和不足以补偿人工排泄量时，随着人工开采（排泄）的继续进行，

12、就不断消耗系统中的储存量，必然要引起地下水位持续下降这一环境灾害现象。修建水库蓄滞地表水及引地表水灌溉农田等地表水的工程活动，都可能增加地下水的补给而使地下水位抬升。结果，在干旱区将加剧地下水的蒸发，使地表积盐，造成土壤盐碱化；在气候湿润区，地下水位上升则会导致次生沼泽化现象的发生。人类的许多工程活动，都会干扰地下水动态。如：大量引用污水浇灌农田，既会破坏地下水量上午天然平衡，又会使水质恶化，所带来的危害往往比单纯水量均衡的破坏更难治理。为解决人类活动对地下水动态的干扰和破坏，可采取适当措施，以维持维持地下水的收、支平衡。a.减支增补：由于开采量过大造成水位持续下降时，可减少开采量的措施或人工

13、补给以增加含水系统水的收入。b.减补增支：如果水位持续上升，就要想法降低水位。 降低浇地水量，以减少入渗补给； 采用喷灌技术，以减少入渗补给，节水； 打浅井抽取浅层地下水浇地，以降低水位； 开挖渠道排除地下水。 为防止水质污染，要严禁“三废”进入地下水中。 三、地下水天然动态类型 由于潜水与承压水的排泄方式及水交替程度不同，它们的动态特征也不一样。1. 潜水及松散沉积物的浅部：蒸发型、径流型、弱径流型。 蒸发型：出现于干旱半干旱地区的平原或盆地。这里的地形平坦，切割微弱，地下水径流微弱，地下水以蒸发排泄为主。降水入渗增加补给，水位抬升（1 3m），水质向淡化方向发展。随地下水位埋深变浅，蒸发作

14、用加强。由于蒸发消耗了水分，水位逐渐下降，水质逐渐盐化。当水位降到太阳辐射影响不到的深度时，蒸发作用微弱，水位趋于稳定。总的动态特点：水位的年变幅小，各处变幅接近；水质的季节性变化明显；长期水向盐化方向发展，并使土壤盐渍化。 径流型：广泛分布在山地及山前地带。这些地方地形高差大，地下水位埋深大，蒸发作用可以忽略，故以径流排泄为主。雨季降水入渗补给地下水，各处水位升幅不等 弱径流型：出现于湿润地区的平原和盆地。这里的地形平坦，潜水埋深小。由于气候湿润，蒸发排泄有限，故其动态特征仍以径流为主，但径流强度微弱。总的动态特点：水位的年变幅小，各处变幅接近，水质变化不显，长期水质向淡化方向发展。2、承压

15、水承压水的动态动态类型皆为径流型排泄。其动态变化程度受构造封闭条件的控制。开启程度愈高，动态变化愈大，水质变化趋势愈明显。 四、地下水均衡某一时间段内某一地段中，地下水水量、盐量、热量、能量收支间的数量关系称为地下水的均衡。其实质就是根据“质量守恒”定律去分析参与地下水循环的各要素的数量关系。1、 均衡区与均衡期*均衡区进行地下水均衡计算所选定的区域。（最好是一个完整的地下水系统）*均衡期进行地下水均衡计算所选定的时间段。（最好是一个完整的水文年）正均衡地下水水量、盐量、热量的收入大于支出。（即收>支，表现为含水层中储水量、储盐量、储热量的增大）负均衡地下水水量、盐量、热量的收入小于支出

16、。（即收>支，表现为含水层中储水量、储盐量、储热量的减小）2、 水均衡方程式（通式）水均衡方程式，是将均衡期中均衡区内的水、盐 热的各项收入（+）与支出（）都找出来，根据质量守恒原则写成的等式，以求得未知项。建立地下水“水量均衡方程”的基本思想是：在均衡期中，均衡区内的地下水的各种收（+）、支（）项的代数和等于含水系统（含水层）中储存水量的变化量。设某一地区天然状态下：收入项为A，包括：大气降水量（X）、地表水流入量（Y1）、地下水流入量（W1）、水汽凝结量（Z1）；支出项为B，包括：地表水流出量（Y2）、地下水流出量（W2）、蒸发量（Z2）；均衡期内地下水储存量的变化量为W；则均衡方程

17、为：A - B = W 即：（X + Y1 + W1 + Z1）-（Y2 + W2 + Z2）= W 变形得 ：X (Y2 Y1) (W2 W1)-(Z2 Z1)由于储存量的变化量W包括：地表水变化量（V）； 包气带水变化量（M）； 潜水变化量（µh）；（ µ 给水度；h水位变化值，可正可负）承压水变化量（µ*h*）。（ µ* 弹性给水度；h测压水位变化值，可正可负）所以：X (Y2 Y1) (W2 W1)-(Z2 Z1)= V + m + µh + µ*h*单位：mm,是均衡期内各项水量的变化值，均以变化水量平铺于均衡区面积上所得水

18、层厚度的毫米数表示。 整理得：X1 + Y1+ W1 + Z1- Y2 - W2 Z2 = V + m + µh + µ*h* 收入项（A） 支出项（B） 储存量的变化量（W）3、水均衡方程式潜水变化量下游潜水流出量泉排泄潜水量潜水蒸发量下伏承压水越流补给量（潜水补给承压水为负）潜水蒸发量上游潜水流入量地表水入渗量凝结水入渗量降水入渗量µh = Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qf Zu Qd Wu2降水降水 在一般情况下，有些项的量很小，可以略其不计。此时，均衡方程简化。如果凝结水补给量很小，即Zc = 0 ；平原区径流微弱，则Wu1 = 0，Wu2

19、= 0 ；无越流补给，即Qf = 0 ；地形切割微弱，无泉水出露，则Qd = 0 。此时，方程简化为：µh = Xf + Yf Zu 在地下水多年平衡中，枯水季节水位降低，丰水季节水位上升，每年的丰、枯交替，多年平均为零，即h = 0 ，则： µh = 0 所以： Xf + Yf = Zu （大气降水入渗量与地表水入渗量之和等于蒸发量）若研究区没有地表水体，则地表水入渗量Yf为零了，此时： Xf = Zu 即降水入渗量与蒸发排泄量相等。它是典型的干旱半干旱地区的潜水水均衡方程。表明大气降水入渗补给地下水的水量全部消耗于蒸发。 典型湿润区，往往有泉水出露，蒸发较弱而不计，则水

20、均衡方程为： Xf + Yf = Qd （大气降水入渗量与地表水入渗量之和等于泉的排泄量） （教材中103页图910为一潜水均衡示意图，可以清楚全面的找出地下水所有均衡项）3、 承压水水均衡方程（多年）承压水动态相对稳定，与补给区的多年气候变化有关，短期的降水、蒸发对承压水影响不大。所以在进行承压水的均衡研究时，均衡期要相当长，均衡区最好是一个完整的地下水系统。 多年大气降水量均值多年地表径流量均值多年蒸发量均值补给区渗入深层水的多年均值（+）排泄区潜水排泄量的多年均值（一）X0 Y0 Z 0 = W05、人类活动影响下的水均衡人类活动干扰、破坏了地下水的天然平衡，新的平衡就要建立。为了建立新的平衡，地下水系统内部就要做相应的调整变换，则地下水动态要素就相应的变化。 为了了解和评价人类对地下水动态的影响，预测水质、水量、水位发展变化的规律，有必要研究人类干预下的水均衡，以便据此提出调控地下水动态的措施，使之朝着有利于人类的方向发展。 实质：就是在天然状态下的均衡方程的均衡项的代数和（µh）中，加上人工补给项，减去人工排泄项。