专门水文地质学 05 地下水动态与均衡

回顾当前进行水文地质调查常用的方法有六类：水文地质测绘（地下水资源地面调查）水文地质钻探水文地质物探水文地质化探水文地质(现场)试验地下水动态与均衡观测地下水动态与均衡地下水动态与均衡的概念地下水动态与均衡研究的意义及基本任务地下水动态的影响因素及动态类型地下水动态与均衡的监测项目地下水动态的概念

地下水资源和其它矿产资源的最主要区别是，其量和质总是随着时间而不停地变化着。地下水动态即是指表征地下水数量与质量的各种要素（如水位、泉流量、开采量、溶质成分与含量、温度等）随时间而变化的规律。其变化规律可以是周期性（昼夜、季节性、多年）的变化，也可以是趋势性的变化。在人为因素（开采或回灌）的影响下，地下水动态变化将会更加强烈。这种强烈的变化，可能对地下水本身和环境带来严重的后果。

地下水均衡，就是指这种在一定范围、一定时间内，地下水水量、溶质含量及热量等的补充（流入）与消耗（流出）量之间的数量关系。当补充与消耗量相等时，地下水（量与质）处于均衡状态；当补充量小于消耗量时，地下水处于负均衡状态；当补充量大于消耗量时，地下水处于正均衡状态。地下水在天然条件下，一般多处于均衡状态；在人为活动影响下，则可能出现负均衡或正均衡状态。地下水均衡的概念地下水动态和均衡的关系动态是均衡的外部表现，均衡是动态变化的内在原因。

地下水的动态变化（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）是含水层水量、盐量、热量、能量收支不平衡的结果。水量的收支不平衡将引起地下水位的变化；盐量的收支不平衡将引起水质的变化；热量、能量的收支不平衡将引起水温的变化。输入与输出的对应关系

a—时间滞后；b—时间延迟地下水动态是含水层（含水系统）对外部环境施加的激励（输入）所产生的响应（输出）。以降雨为例说明地下水动态的形成机制：降水→补给地下水系统→

水位上升。地下水动态（对外界响应）特点：在时间上表现为滞后和延迟。地下水动态的特点地下水动态与均衡地下水动态与均衡的概念地下水动态与均衡研究的意义及基本任务地下水动态的影响因素及动态类型地下水动态与均衡的监测项目地下水动态与均衡研究的意义

研究地下水动态与均衡，对于认识区域水文地质条件、水量和水质评价，以及水资源的合理开发与管理，都具有非常重要的意义。任何目的、任何勘查阶段的水文地质调查，都必须重视地下水动态与均衡的研究工作。由于对地下水动态规律的认识，往往要经过相当长时间的资料积累才能得出结论，因此在水文地质调查时，应尽早开展地下水动态与均衡研究。地下水动态与均衡研究的意义其研究意义具体表现在：（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。（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。地下水动态与均衡研究的意义（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、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。地下水动态与均衡研究的基本任务一、研究地下水动态的基本任务（1）正确布设地下水动态监测网点，对动态监测的频率、监测次数及监测时间作出科学的规定。（2）根据所获得的地下水动态监测资料，分析地下水动态的年内及年际间的变化规律。动态变化规律，主要是指某种动态要素随时间的变化过程、变化形态及变幅大小等的水文地质意义，变化的周期性与趋势性，并通过不同监测项目动态特征的对比，确定它们之间的相关关系。（3）根据所获得的各种动态资料，考虑各种影响因素（水文、气象、开采或人工补给地下水等）的作用，确定区内地下水的成因类型。为认识区域地下水的埋藏条件，水质、水量的形成条件及有害环境地质作用的产生和发展原因等，提供动态上的佐证。地下水动态与均衡研究的基本任务二、研究地下水均衡的基本任务（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。地下水动态与均衡研究的基本任务（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。地下水动态与均衡地下水动态与均衡的概念地下水动态与均衡研究的意义及基本任务地下水动态的影响因素及动态类型地下水动态与均衡的监测项目影响地下水动态的因素主要有三类：外部环境对含水层（含水系统）的信息输入：气象(气候)因素、水文因素；影响输入—输出关系的转换因素，主要涉及赋存地下水的地质环境条件——地质因素。人为因素，包括开采、人工回灌、灌溉、库渠渗漏、污水排放等等。

地下水动态的影响因素地下水动态的影响因素

气象（气候）因素对潜水动态影响最为普遍。

降水的数量及其时间分布，影响潜水的补给，从而使潜水含水层水量增加，水位抬升。

气温、湿度、风速等与其它条件结合，影响着潜水的蒸发排泄，使潜水水量变少，水位降低，水质变咸。气象（气候）要素周期性地发生昼夜、季节与多年变化，因之，潜水动态也存在着昼夜变化、季节变化及多年变化。其中季节变化最为显著且最有意义。一、气象（气候）因素1954－1955年北京地区潜水动态曲线降水潜水位1—气温；2—相对湿度；3—降水量；4—潜水位；5—蒸发量

二、水文因素—河水

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。

莱茵河对潜水的影响

1、2、3、4、5—观测井中潜水位，数字大的距河远；6—莱茵河水位地下水动态的影响因素地下水动态的影响因素

当降水补给地下水时，包气带厚度与岩性控制着地下水位对降水的响应。

潜水埋藏深度愈大，相对于降水，地下水位抬高的时间滞后与延迟愈长；水位历时曲线呈现为较宽缓的波。

包气带岩性的渗透性愈好，地下水位抬升的时间滞后与延迟小；水波历时曲线波形较陡。三、地质因素——（影响输入信息变换）

潜水储存量的变化为△

Q=µ*△h。当△

Q相同时，µ愈小，△h变幅愈大。地下水动态的影响因素四、人为活动影响下的地下水动态

在天然条件下，由于气候因素在多年中趋于某种平均状态。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。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。人类活动通过增加新的补给来源或新的排泄去路而改变地下水的天然动态。

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。地下水动态的影响因素

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。河北冀县新庄，1974年初潜水位埋深大于4m，由于灌溉，旱季水位反而上升，到1977年雨季，潜水位已接近地表了。地下水动态的影响因素地下水动态的影响因素地下水动态类型地下水动态类型地下水动态类型地下水动态与均衡地下水动态与均衡的概念地下水动态与均衡研究的意义及基本任务地下水动态的影响因素及动态类型地下水动态与均衡的监测项目地下水动态的监测项目对大多数水文地质勘查任务来讲，地下水动态监测的基本项目都应包括地下水水位、水温、水化学成分和井、泉流量等。对与地下水有水力联系的地表水水位与流量，以及矿山井巷和其它地下工程的出水点、排水量及水位标高也应进行监测。水质的监测，一般是以水质简分析项目作为基本监测项目，再加上某些选择性监测项目。选择性监测项目是指那些在本地区地下水中已经出现或可能出现的特殊成分及污染物质，或被选定为水质模型模拟因子的化学指标。为掌握区内水文地球化学条件的基本趋势，可在每年或隔年对监测点的水质进行一次全分析。地下水动态资料，常常随着观测资料系列的延长而具有更大的使用价值，故监测点位置确定后，一般都不要轻易变动。地下水均衡的监测项目地下水的均衡包括水量均衡、水质均衡和热量均衡等不同性质的均衡。不同性质均衡方程的均衡项目（均衡要素），也就必然有所区别。以水量为例，讨论水量均衡的组成项目。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ΔW。据此，我们可直接写出均衡区在某均衡期内的各类水量均衡方程。总水量均衡方程的一般形式为：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)人工引入的水量(R1)收入项(A)地表水流出量(Y2)地下水流出量（W2）蒸发量(Z1)人工排出的水量(R2)支出项(B)均衡期的存储量变化△ω＝A–B

(X+Y1+W1+Z1+R1)-(Y2+W2+Z2+R2)=△ω地下水均衡的监测项目进一步写为（单位面积）：式中：μΔh––––潜水储存量的变化量，其中，μ为潜水位变动带内岩石的给水度或饱和差，Δh为均衡期内潜水位的变化值；V，P––––分别为地表水体和包气带水储存量的变化量；X––––降水量；Y1，Y2––––地表水的流入和流出量；Z1，Z2––––凝结水量和蒸发量（包括地表水面、陆面和潜水的蒸发量）；W1，W2––––地下径流的流入和流出量；R1，R2––––人工引入和排出的水量。地下水均衡的监测项目潜水均衡方程降水入渗补给量(Xf)地表水渗入量(Yf)水汽凝结量(Zc)上游断面流入量（Wu1）越流补给量(Qt)收入项(A)潜水蒸发量(Zu)排泄量(Qd)下游断面流出量（Wu2）支出项(B)均衡期的潜水储量变化△ω＝μ△h

(Xf+Yf+Zc

+Wu1+Qt)-(Zu+Qd+Wu2)=μ△h承压水均衡方程承压水的水量均衡方程，比潜水简单，常见形式为：式中：W1，W2––––地下径流的流入和流出量；μ*––––承压含水层的弹性给水度（贮水系数）；E1––––越流补给量；R2k––––承压水的开采量。小结

（1）地下水动态是含水系统水量、水质收支平衡状况的综合表现。

（2）影响地下水动态的因素有：气象、水文、地质条件和人类活动。

（3）地下水均衡计算，遵循质量守恒定律。

（4）地下水量均衡方程式的一般表达式为：收入项—支出项=系统储存量的变化。（5）地下水动态与均衡的监测项目。（6）地下水动态的类型。

十多条小溪汇入Mono湖，但是没有流出的河流，并且河流的水位没有明显的上涨。这些源源流入的水成为一个阴森恐怖的谜。

——马克·吐温

试图从水均衡的角度来解释马克·吐温的疑问！

思考题

水均衡方程：流入量-流出量=储量变化量计算题1单位：104m3/a降水入渗量地表水补给量地下径流流入量地下水蒸发量地下径流流出量灌溉回渗量枯水年