地下水动态与均衡

水文地质学第十讲地下水的动态与均衡OUTLINE地下水动态与均衡的概念地下水的动态地下水动态的形成机制地下水动态的影响因素人类活动影响下的地下水动态地下水的均衡地下水均衡方程式人类活动影响下的地下水均衡地面沉降与地下水均衡大区域地下水均衡研究需要注意的问题2024/4/62本章核心问题地下水的动态是怎么回事?地下水的动态表现出哪些特征?哪些因素使地下水处于变动之中?又是如何影响的?2024/4/63地下水动态与均衡的概念地下水系统经常与环境发生物质、能量和信息的交换，时刻处于变动之中。在与环境相互作用下，地下水系统的各要素，如水位、水量、水化学成分等，随着时间的变化，称为地下水动态。地下水系统各要素之所以随着时间而变动，是地下水含水系统的水量、盐量或能量收支不平衡的结果。某一时段内某一地段内地下水水量（或盐量、热量等）的收支状况称作地下水均衡。地下水动态反映了地下水各要素随时间变化的状况，要合理利用地下水，或是防范地下水的危害，都必须掌握地下水动态。把地下水位的变化完全归结为水量不均衡的反映，是否正确？2024/4/64地下水动态的形成机制：地下水动态是含水系统对环境施加的刺激所产生的响应，也看作含水系统将输入信息变换后产生的输出信息。Example:降水对地下水位的影响.一次降水，一般持续时间不长，可看作发生于某一时刻的“脉冲”刺激；降水到达地面、穿过包气带、以不同速度到达地下水面，地下水获得补给；地下水位的变化是一个持续一段时间的过程，先抬升、到达峰值、再下降、直至不再变化。一次降水的影响结束。地下水动态2024/4/65当两次或多次降水接近，各次降水引起的地下水位抬升的波形就会相互叠加。波峰与波谷叠加，削峰填谷，形成比较平缓的复合波形。波峰叠加，形成更高的波峰；降水对泉流量的影响，或泉流量对降水补给的响应与降水-地下水水位的关系类似。间断性的降水，通过含水系统的变换，将转化成比较连续的地下水位或泉流量的变化。这正是系统对输入信号的滞后、延迟和叠加的作用结果。地下水动态2024/4/66地下水动态的影响因素：地下水动态可以看作地下水含水系统对输入转化后的连续的信息输出。地下水动态的影响因素可以分为两类：环境因素和地下水系统本身的一些因素。环境因素包括：气象因素，如降水；水文因素，如地表水补给；人为因素，如人工开采或人工补给等，地应力的影响；地下水系统本身的因素：地质因素与地形因素。本章重点阐述大气因素、水文因素和地质因素。地下水动态2024/4/67地下水动态影响因素2024/4/68地下水动态的影响因素——气象因素气象/气候因素对潜水动态的影响最为普遍。降水的数量与特征影响潜水能获得的补给，降水补给使潜水含水层水量增加，水位上升，水质变淡；气温、湿度、风速等与其它条件相结合影响潜水的蒸发排泄，蒸发使潜水含水层水量减少，水位降低，水质变咸。气象/气候要素都有周期性变化，如昼夜、季节和多年变化，潜水动态也表现出相应的周期变化。其中季节性变化最明显，也最有意义。以我国中东部季风气候，降水特征为例。地下水动态2024/4/69地下水动态的影响因素——气象因素（续）气象因素对潜水位的影响，水位的变化存在真变化与伪变化，何以区别？气候因素还存在多年周期性变化，这对地下水动态也有一定的影响。如太阳黑子11年周期变化，影响多年的丰水期与干旱期的交替变化。地下水动态2024/4/610动态的影响因素——水文因素主要指河流与地下水之间的水力联系。地表水体补给地下水，会引起含水层水量增加，地下水位抬升；河流排泄地下水时，将引起含水层水量减少，地下水位下降。这种影响只发生于局部，即河流附近，随着远离河流，水位变幅减小，发生变化的时间也更滞后；一般地表水体只影响数百米至数公里的范围，之外主要受气象因素影响。地下水动态2024/4/611地下水动态的影响因素——地质因素地质因素是影响输入信息转换的因素，主要指包气带厚度与岩性及含水层的岩性（渗透性、给水度）。怎么影响？包气带厚度越大，对降水补给的滤波作用越强；包气带土层渗透性越好，滤波作用越弱；含水层岩土的给水度越小，则会放大潜水水位对补给的响应。So，河流引起潜水水位变动时，含水层透水性越好，厚度越大，给水度越小，则波及的越远。承压水的动态变化通常比潜水小，why?地下水动态2024/4/612地下水动态的影响因素——地质因素（续）承压含水层动态的变化还可以由固体潮、地震因素引起。这里固体潮与地震是环境因素。在内陆地区，承压水可以观测到周期为12h的测压水位波动（一般数厘米），这是由于月亮与太阳对地球的引力引起的。地震在孕震和发震过程中，地应力的变化使岩层压缩或膨胀，从而引起震区以至远方地下水压力异常，承压水测压水位波动，有时震前地下水化学成分也会改变。对此进行监测，可作为地震预报的重要手段。无论是固体潮，还是地震，引起地下水位波动，都是能量的传递，而非地下水储量的增加，属于伪动态。地下水动态2024/4/6132024/4/614地震与地下水位变化2024/4/615潜水及松散沉积物浅部的水，可分为三种动态类型：蒸发型：出现在干旱半干旱地区地形切割微弱的平原或盆地。补给以降水为主，排泄以蒸发为主，地下水径流微弱。动态特点：年变幅小，各处变幅接近，水质季节性变化明显，长期向盐化方向发展，最终可造成土壤盐泽化。径流型：分布于山区或山前，地形高差大，水位埋藏深，以径流排泄为主。动态特点：水位变幅大而不均，水质季节性变化不明显，长期淡化。弱径流型：分布气候湿润的平原或盆地。气候湿润，蒸发微弱，以径流排泄为主，但径流交替作用不强。动态特点：年水位变幅小，各处变幅接近，水质季节性变化不明显，长期淡化。承压水属于径流型。动态特点取决于构造的开启程度。地下水天然动态类型2024/4/616自然状态下，地下水在气象、水文和地质因素的综合影响下，处于某一天然动态类型（状态）。人类活动，通过人为的补给来源或排泄去路，从而改变地下水的天然动态。人工采排地下水，增加人为排泄去路，则天然排泄量一部分或全部转化为人工排泄量；甚至可以增加新的补给量，如河流补给。修建水库、灌溉等，增加了新的补给来源，使地下水位抬升。人类活动影响下的地下水动态2024/4/617几个例子：采排地下水，若减少的天然排泄量加上新增的补给量能满足人工采排量，地下水含水系统可以在新的水平上达到平衡。若不满足，则会消耗含水层的储存量，水位会持续下降。人类活动影响下的地下水动态2024/4/618几个例子：河北冀县，1974，由于灌溉，地下水位持续上升，1977年雨季，水位达到地表，易引起次生盐泽化.中亚饥饿草原，地下水天然动态类型属于蒸发型，由于灌溉水入渗，抬升地下水位，蒸发进一步加强，引起次生盐泽化。人类活动影响下的地下水动态2024/4/619相关概念：进行地下水均衡计算所选定的地区称为均衡区。如一个具有隔水边界的完整水文地质单元。进行水均衡计算的时间段称为均衡期。如一年，若干年等。某一均衡区，在某一均衡期内，地下水水量（或热量、盐量）的收入大于支出，表现为地下水储量（或热量、盐量）增加，称为正均衡，反之称为负均衡。所谓水均衡研究，是以地下水为研究对象，应用质量守恒定律去分析参与水循环的各要素的数量关系。分析收入项和支出项，列出均衡方程式。通过测定或估算列入均衡式中的各项，以求算某未知项。地下水均衡2024/4/620水均衡方程式：陆地上某一地区天然状态下总的水均衡式：潜水均衡方程式的一般形式：潜水均衡方程式的简化形式：典型干旱半干旱平原多年平均潜水均衡式：典型的湿润山区多年平均潜水均衡式：地下水均衡2024/4/621通过研究人类活动影响下的地下水均衡，可以预测地下水要素的变化趋势，并据此采取措施，兴利除弊。举例：为防治土壤次生盐泽化，克雷诺夫在前苏联某灌区所作的潜水均衡研究：均衡式：以1年为均衡期，代入各均衡项数值据此研究，得出以下结论：人类活动影响下的地下水均衡2024/4/622人类活动影响下的地下水均衡潜水表现为正均衡，一年中潜水位上升620mm，储量增加31mm，蒸发量将进一步增加，会产生土壤盐泽化。导致潜水位上升的主要因素是灌溉水入渗，其中灌渠入渗占总收入的70%,田面入渗占21%。现有排水设施能力不足，不能阻止潜水位抬升。为防治土壤次生盐泽化，措施有：1）减少灌渠入渗；2）增大排水能力；3）兼而有之。以消除每年31mm潜水储存量的增加值。2024/4/623地面沉降与地下水均衡在进行开采条件下孔隙承压含水层水均衡计算时，需要考虑地面沉降，即考虑弱透水层的压缩，否则会出现误差。承压含水层的弹性变形可以恢复；弱透水层的塑性变形不可恢复。地下水均衡2024/4/624大区域地下水均衡需要注意的问题从供水的角度，可供长期开采的水量就是含水层从外界获得的多年平均年补给量，包括降水、地表水补给等。在进行大区域含水系统地下水均衡研究时，需要注意：大的含水系统由不同含水子系统组成，有时需要分别求算各子系统的水均衡项。大系统内部上、下游之间，潜水与承压含水层之间，以及地下水与地表水之间存在密切的水力联系（补排关系）。须弄清各部分之间的相互关系，避免水量的重复计算而导致错误的均衡计算结果。地下水均衡2024/4/625复习思考题地下水动态与地下水均衡的相关概念试从含水系统的观点分析潜水对一次降水补给的反应，即分析潜水的动态；地下水动态的影响因素有哪些？其中地质因素如何影响潜水的动态？地下水的天然动态类型；人类活动如何影响地下水动态？如果采排地下水，什么条件下地下水可以在新的水平上达到新的均衡？地下水均衡研究的概念，潜水水均衡方程式的一般形