水文地质学基础：第九章 地下水动态与均衡

1、第九章 地下水动态与均衡地下水动态与均衡的概念9.1地下水动态9.2地下水均衡9.3本章学习内容:掌握地下水动态与均衡的概念，影响地下水动态的因素，水均衡基本原理，水均衡方程式的表示方法；了解区域水均衡的研究方法。本章重难点:影响地下水动态的因素，水均衡方程式的表示方法10.1 地下水动态与均衡的概念地下水动态的概念：含水层（含水系统）在与外界环境相互作用过程中，含水层（含水系统）地下水各要素（如地下水位、水量、水化学成份、水温等）随时间的变化状况，称为地下水动态。 本章重点讨论地下水位的动态。 地下水均衡的概念：某时段某地段地下水物质、能量的收支状况称为地下水均衡。 本章重点讨论地下水量的均

2、衡。 10.2 地下水动态含水层（含水系统）经常与环境发生物质、能量与信息的交换，时刻处于变化之中与时间有关10.2.1地下水动态的形成机制含水层（含水系统）地下水各要素（如地下水位、水量、水化学成份、水温等）之所以随时间发生变化，是含水层（含水系统）中物质、能量收支不平衡的综合表现。 因此，地下水动态是含水层（含水系统）对外部环境施加的激励所产生的响应，也可理解为含水层（含水系统）将输入信息变换后产生的输出信息。 与环境的相互作用降水补给地下水系统水位上升(出现变化）激励脉冲式的降水响应波状信号的信息 地下水水位对外界输入（降水）响应的特点：（1）滞后和延迟现象（2）有叠加现象是指外界多次激

3、励（或输入）时，引起系统响应（或输出）的变化是多次激励响应的累加结果 因外界激励（或输入）而引起的系统响应（或输出）的变化幅度是含水系统内部结构作用的结果 某要素（水位）随时间的变化程度用稳定性来恒量 动态稳定变化幅度小 动态不稳定变化幅度大10.2.1地下水动态的形成机制降水补给引起地下水位响应滞后-延迟-叠加降水补给引起地下水位响应滞后-延迟-叠加地下水动态描述：地下水某要素随时间的变化（动态）程度可用稳定性来衡量：动态稳定，是指变化幅度小；动态不稳定，是指变化幅度大。某地区地下水位动态曲线10.2.2 影响地下水动态的因素影响地下水动态（稳定性）的因素主要有三类：（1）是外部环境对含水层

4、（含水系统）的信息输入：如降水、地表水的补给-气象(气候)因素、水文因素； （2）是变换输入信息的含水系统的结构，主要涉及赋存地下水的地质环境条件，地质因素。 （3）人为因素，包括开采、人工回灌、灌溉、库渠渗漏、污水排放等等。 气象（气候）因素气象（气候）因素决定动态总轮廓 特点：大面积，普遍产生影响(主要有降水与蒸发因素)气象因素表现：降水的年内季节性变化最为显著且最有意义。降水的多年变化（如11年周期）降水的昼夜变化与此相对应，地下水动态也有这三种周期性变化 多年变化-研究周期长 年内变化-最突出昼夜变化-在许多地区不明显气象（气候）因素图93 潜水动态曲线 （19541955，北京）1气

5、温；2相对湿度；3降水量；4潜水位；5蒸发量（1954年16月，1955年4月蒸发量缺资料）虚线为气温；兰色柱状为降水量；红色为潜水位；黄色柱状为蒸发量水文（气候）因素河水的影响：主要取决于含水层（地下水系统）距地表水体的远近。思考？与潜水比较,受河水位影响承压水动态有何特点？指地表水体的变化对地下水动态的影响水文（气候）因素地表水体补给地下水而引起地下水位抬升时，随着远离河流，地下水位变幅减小，发生变化的时间明显滞后。 图95莱茵河洪水对潜水的影响转引自卡明斯基，19581、2、3、4、5观测井中潜水位，数字大的距河远；6莱茵河水位 地质因素地质因素是间接因素（相当于滤波器）气候与水文因素决

6、定了一个地区地下水动态的总轮廓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：埋深的大小，对滞后-延迟时和变幅的影响包气带岩性：K起作用；饱水带岩性：K和均起作用地下水所处的空间部位：补给区，排泄区。一般而言，补给区较排泄区更不稳定4、人为因素 包括开采、人工回灌、灌溉、库渠渗漏、污水排放等岩溶水动态云南喷水洞地下暗河流量动态曲线山西广胜寺岩溶泉流量动态曲线10.2.3 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，两者的动态特征也不同1、潜水的动态类型三种类型径流型 广泛分布于山区及山前蒸发型主要出现在干旱半干旱地区地形切割微弱的平原或盆地。弱径流型气候湿润的平原与盆地，蒸

7、发排泄有限，径流排泄为主，但径流微弱。10.2.3 地下水天然动态类型2、承压水径流型动态变化的程度取决于构造封闭条件。构造开启程度愈好，水交替愈强烈，动态变化愈强烈，水质的淡化趋势愈明显。10.2.4人类活动影响下的地下水动态天然动态特点：在天然条件下，由于气候因素在多年中趋于某一平均状态，因此，一个含水层或含水系统的补给量与排泄量在多年中保持平衡。反映地下水储量的地下水位在某一范围内起伏，而不会持续地上升或下降。地下水的水质则在多年中向某一方向（盐化或者淡化）发展。 10.2.4人类活动影响下的地下水动态 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的排泄去路；含水层或含水系统

8、原来的均衡遭到破坏，天然排泄量的一部或全部转为人工排泄量，天然排泄消失或减少（泉流量、泄流量减少，蒸发减弱），并可能增加新的补给量，影响动态。（1）如果采排地下水经过一段时间后，新增的补给量及减少的天然排泄量与人工排泄量相等，含水层水量收支达到新的平衡。 动态类型称为开采径流型 10.2.4人类活动影响下的地下水动态（2）若采排水量过大，天然排泄量的减量与补给量的增量的总和，不足以偿补人工排泄量时，则将不断消耗含水层储存水量，导致地下水位持续下降 10.2.4人类活动影响下的地下水动态补给地下水：修建水库，利用地表水灌溉等，增加了新的补给来源而使地下水位抬升，形成新的动态特征。图98河北冀县新

9、庄潜水位变化曲线1潜水位；2月降水量10.2.4人类活动影响下的地下水动态动态类型在人类活动影响下可以发生转化：径流型动态 蒸发型动态 10.3 地下水均衡相关概念均衡：某一时间段、某一地段内，地下水水量（热量、盐量、能量）的收支状况，称为地下水均衡。均衡区进行均衡计算所选定的区域称作均衡区。它最好是一个具有相对隔水边界的完整水文地质单元。均衡期进行均衡计算的时间段，称作均衡期。通常按照水文年来计算，或取多年平均值。正均衡某一均衡区，在一定均衡期内，地下水水量（或盐量、热量等）的收入大于支出，表现为地下水储存量（或盐储量、热储量等）增加，称作正均衡。负均衡某一均衡区，在一定均衡期内，地下水水量

10、（或盐量、热量等）的收入小于支出，表现为地下水储存量（或盐储量、热储量等）减少，称作负均衡。均衡是地下水动态变化的内在原因，动态则是地下水均衡的外部表现。地下水均衡研究基本任务（1）为进行均衡研究，首先要确定均衡区的范围及边界的位置与性质。当区域较大，各地段的地下水均衡要素组成又不相同时，应划分均衡亚区。为便于均衡计算，每个均衡区（或亚区）最好是一个相对独立的水文地质单元。均衡区的边界最好是性质比较明确、位置比较清楚的某一自然边界（或地质界线）。（2）确定均衡区内地下水均衡要素的组成及地下水水量或水质均衡方程的基本形式。在建立方程时，应考虑到，同一均衡区在不同的时段，其均衡要素的组成可能是不同

11、的。因此，在均衡计算之前，还应划分出均衡计算的时段，即确定出均衡期。地下水均衡研究基本任务（3）通过直接（野外实测或室内测定）或间接（参数计算）方法，确定出地下水各项均衡要素值，为地下水水量、水质的计算与预测提供基础数据。（4）通过区域水均衡计算，确定出区内地下水的均衡状态，预测某些水文地质条件的变化方向，为制定合理的地下水开发方案及科学管理措施提供基本依据。10.3 地下水均衡遵循原则：根据质量守恒定律，在任何地区，在任一时间段内，地下水系统中地下水（或溶质或热）的流入量A（或补充量）与流出量B（或消耗量）之差，恒等于该系统中水（溶质或热）储存量的变化量W。据此，我们可直接写出均衡区在某均衡

12、期内的各类水量均衡方程。10.3.2 水均衡方程式均衡方程式一般表达形式： A - B = WA收入项；B支出项；W均衡时段内，均衡区的水量变化量均衡结果（表现）：正均衡或负均衡10.3.2 水均衡方程式代入后，可以表示为：或：大气降水地表水地下水包气带10.3.2 水均衡方程式10.3.2 水均衡方程式10.3.2 水均衡方程式表示渗入补给潜水的水量全部消耗于蒸发 表示渗入补给潜水的水量全部以径流形式排泄 10.3.2 水均衡方程式10.3.3 人类活动影响下的地下水均衡 表示渗入补给潜水的水量全部以开采形式排泄 人类活动影响下的潜水均衡方程式如下： 储存变化量收入项支出项 、分别为灌渠水及

13、田面灌水入渗补给潜水的水量； 下伏承压含水层越流补给潜水的水量； 通过排水沟排走的潜水水量； h=Xf+f1+f2+Q1-Zu-Qr开采前的天然补给量与天然排泄量在一个周期内是近似相等的10.3.5 地下水均衡计算注意事项：从地下水系统理论出发，进行地下水均衡计算时，应该以大的含水系统为均衡区，避免将统一的含水系统划分为几个计算区（或以行政区划分），否则，系统上、下之间，潜水、承压水之间，以及地表水与地下水之间的水量就会被重复计算。 例如：在河流岸边开采地下水时，其保证稳定开采的补给增量，主要是由河水转化而来；而河流的基流量又往往是由地下水转化而来。如果将地下水、地表水分别计算的资源量加起来作

14、为总的水资源量，则会出现重复量。因此，在评价区域地下水资源时，特别是在总的水资源不够丰富的地区，应注意评价在含水层开采条件下，地表径流的变化值，最好是将该区地表水与地下水统一评价，统一规划，合理使用。10.3.5 地下水均衡计算堆积平原含水系统地下水均衡模式分析研究地下水动态与均衡的意义（1）在天然条件下，地下水的动态是地下水埋藏条件和形成条件的综合反映。因此，可根据地下水的动态特征分析、认识地下水的埋藏条件、水量、水质形成条件和区分不同类型的含水层。（2）地下水动态是均衡的外部表现，故可利用地下水动态资料去计算地下水的某些均衡要素。如根据次降水量、潜水位升幅和潜水含水层给水度计算大气降水的入

15、渗系数；根据潜水位的升幅或降幅计算地下水的储存量及潜水的蒸发量等。（3）由于地下水的数量与质量均随着时间而变化，因此一切水量、水质的计算与评价，都必须有时间的概念。如对同一含水层来说，在雨季、旱季、丰水年、枯水年，其水资源数量与水质都可能大不一样。因此，地下水动态资料是地下水资源评价和预测时必不可少的依据。研究地下水动态与均衡的意义（4）用任何方法计算的地下水允许开采量，都必须能经受地下水均衡计算的检验；任何地下水开采方案，都必须受地下水均衡量的约束。为尽可能地减少开采地下水引起的负作用，开采量一般不能超过地下水的补给量，即不应破坏地下水的均衡状态。（5）研究地下水的均衡状态，可预测地下水水量

16、、水质及与地下水有关的环境地质作用的变化及总体发展趋势。因此，在各种目的的水文地质勘探中，都规定进行一定时期的地下水长期观测，以便进行地下水动态与均衡的研究。勘探阶段愈详细，长期观测工作量愈大，要求的精确度愈高。（2）深层孔隙承压含水系统均衡计算 压密释水：根据有效应力原理，在开采深层孔隙承压水时，由于孔隙水压力降低而上复载荷不变，作为含水层的砂砾层以及其上下的弱透水层（粘性土层）都将压密释水，砂砾层的弹性给水度与粘性土的贮水系数都将变小。弹性恢复与塑性压密：若停止采水使测压水位恢复到开采前的高度，砂砾层由于是弹性压密，可以基本上回弹到初始状态（弹性给水度恢复到初始值）；但是，粘性土层由于是塑性压密，水位恢复后，基本仍保持已有的压密状态（贮水系数压密后减小）。因此，开采深层孔隙承压含水系统降低测压水位然后，停止开采使测压水位恢复到采前高度上，粘性土中的一部分储存水永久失去而不再恢复，往往被计入均衡的“压密释水-补给项”。由于“压密释水量”在孔隙承