水文地质学基础—地下水动态与均衡

1、防灾科技学院防灾科技学院 张耀文张耀文水文地质学基础水文地质学基础Fundamentals of Hydrogeology 9.1 地下水的动态和均衡的概念地下水的动态和均衡的概念 9.2 地下水的动态地下水的动态 9.3 地下水的均衡地下水的均衡第九章第九章 地下水的动态与均衡地下水的动态与均衡 第九章第九章 地下水的动态与均衡地下水的动态与均衡 提要提要1 1 掌握地下水的动态与均衡的掌握地下水的动态与均衡的概念。概念。2 2 各种情况下的各种情况下的地下水均衡方程式及各项均衡要素地下水均衡方程式及各项均衡要素的意义和的意义和 计算方法。计算方法。3 3 能够能够分析分析地下水动态形成机制

2、、影响因素及动态类型。地下水动态形成机制、影响因素及动态类型。4 4 了解地下水开发与地面沉降的关系。了解地下水开发与地面沉降的关系。 9.1 9.1 地下水的动态和均衡的概念地下水的动态和均衡的概念9.1.1 9.1.1 地下水动态的概念地下水动态的概念 地下水各要素（如水位、水量、水化学成分、水温等）地下水各要素（如水位、水量、水化学成分、水温等）随时间的变化。随时间的变化。0102030405060708090100123456789101112月份降雨量（mm）173173.1173.2173.3173.4173.5173.6173.7173.8地下水位（m）降雨量地下水位永茂乡永茂乡

3、2000年地下水位变化动态曲线图年地下水位变化动态曲线图 9.1 9.1 地下水的动态和均衡的概念地下水的动态和均衡的概念9.1.2 9.1.2 地下水均衡的概念地下水均衡的概念 指某一时段内某一地段内地下水水量（盐量、热量、指某一时段内某一地段内地下水水量（盐量、热量、能量）的能量）的收支收支状况。状况。 二者关系：二者关系：地下水动态是地下水均衡的外在表现，地下水地下水动态是地下水均衡的外在表现，地下水均衡是地下水动态的内在原因。均衡是地下水动态的内在原因。9.1.3 9.1.3 地下水动态与均衡研究的意义地下水动态与均衡研究的意义查清地下水补给、排泄与资源条件、含水层之间、含水层与查清地

4、下水补给、排泄与资源条件、含水层之间、含水层与地表水之间的关系；地表水之间的关系；认识区域水文地质条件；认识区域水文地质条件；进行水量和水质评价；进行水量和水质评价；地下水资源合理开发利用与保护管理，防止地下水危害；地下水资源合理开发利用与保护管理，防止地下水危害；检验水文地质结论。检验水文地质结论。9.2.1 9.2.1 地下水动态的形成机制地下水动态的形成机制与环境的相互作用与环境的相互作用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 (出现变化出现变化） 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信息波状信号的信息v 地下水水位对外界输入（降水）响应的特点：地下水水

5、位对外界输入（降水）响应的特点： （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含水系统内部结构作用的结果作用的结果 某要素（水位）随时间的变化程度用稳定性来恒量某要素（水位）随时间的变化程度用稳定性来恒量 动态稳定动态稳定变化幅度小变化幅度小 动态不稳定动态不稳定变化幅度大变化幅度大9.2 9.2 地下水动态地下水动态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- -叠加叠加削峰填谷削峰填谷河北饶阳地区地

6、下水位动态曲线河北饶阳地区地下水位动态曲线思考思考:影响地下水位变化（动态特征）因素有哪些影响地下水位变化（动态特征）因素有哪些？9.2.2 9.2.2 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）因素决定动态总轮廓决定动态总轮廓v 特点特点：大面积，普遍产生影响大面积，普遍产生影响 ( (主要有降水与蒸发因素主要有降水与蒸发因素) )v 降水的影响因素降水的影响因素：降水量、降水强度、延续时间降水量、降水强度、延续时间 蒸发的影响因素：蒸发的影响因素：气温、湿度、风速气温、湿度、风速v 气象因素表现：气象因素表现： 降水的降水的昼夜昼夜变化变化 降水的年内降

7、水的年内季节性季节性变化变化 降水的降水的多年多年变化（如变化（如1111年周期的太阳黑子变化）年周期的太阳黑子变化）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 年内变化年内变化 - -最突出最突出 多年变化多年变化 - -研究周期长研究周期长伪变化伪变化真变化真变化气象（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；黄色柱状为蒸发量河北深

8、县井水位（河北深县井水位（H H）年变化与气压（）年变化与气压（P P）年变化的关系）年变化的关系 气象（气候）因素气象（气候）因素太阳黑子的周期性变化太阳黑子的周期性变化 气候多年变化气候多年变化 ：前苏联卡明草原地下水位变化图前苏联卡明草原地下水位变化图 阿利托夫斯基等，阿利托夫斯基等，1956（根据每年（根据每年9月月1日水位资料绘成；实点为实测水位，空心点为水位的可值）日水位资料绘成；实点为实测水位，空心点为水位的可值）气象（气候）因素气象（气候）因素9.2.2 9.2.2 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指地表水体的变化指地表水体的变化对地下水动

9、态的影对地下水动态的影响响v从右图中可以看出从右图中可以看出什么规律？什么规律？与地表水体的距离与地表水体的距离有关有关思考思考: :与潜水比较与潜水比较, , 受受河水位影响承压水河水位影响承压水动态有何特点？动态有何特点？tKhlm影响距离：影响距离：式中：l-影响距离(m)；K-渗透系数(m/d)；hm-含水层平均厚度(m)；-含水层给水度；t- 时间(d)。9.2.2 9.2.2 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 气候与水文因素决定了一个地区地下水动态的气候与水文因素决定了一个地区地下水动态的总轮廓总轮廓v 地质因素起修饰作用，滤波或削峰填谷的作用地

10、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，对滞后：埋深的大小，对滞后- -延迟时和变幅的延迟时和变幅的影响影响 包气带岩性包气带岩性：K K起作用；起作用； 饱水带岩性饱水带岩性：K K和和均起作用均起作用 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，：补给区，排泄区。一般而言，补给区较排泄区更不稳定补给区较排泄区更不稳定 地震、固体潮对承压水位影响较明显。地震、固体潮对承压水位影响较明显。 云南喷水洞云南喷水洞地下暗河地下暗河流量动态曲线流量动态曲线岩溶水动态岩溶水动态 由于地震波的传递，大地震可以使距震中数千公里以由于地震波的传递

11、，大地震可以使距震中数千公里以外的某些敏感的深层承压水井产生厘米级的水位波动。外的某些敏感的深层承压水井产生厘米级的水位波动。 据认为，这是由于地震孕震及发震过程中据认为，这是由于地震孕震及发震过程中地应力的变地应力的变化使岩层压缩或膨胀，从而引起震区以至远方孔隙水压力化使岩层压缩或膨胀，从而引起震区以至远方孔隙水压力的异常变化，承压含水层测压水位因而波动。的异常变化，承压含水层测压水位因而波动。与此相应，与此相应，有时震前有时震前地下水化学成分也会改变地下水化学成分也会改变。 与其它方法配合，与其它方法配合，监测地下水动态可以作为预报地震监测地下水动态可以作为预报地震的一种重要手段。的一种重

12、要手段。 应当注意，固体潮、地震等引发的地下水位波动只是应当注意，固体潮、地震等引发的地下水位波动只是能量的传递而不涉及地下水储存量的变化。这种能量传递能量的传递而不涉及地下水储存量的变化。这种能量传递距离远，速度快。距离远，速度快。 地震、固体潮对承压水位影响较明显地震、固体潮对承压水位影响较明显地震水振波地震水振波-广东花都井智利7.8级-2007水位的地震波效应水位的地震波效应-地震波传播时引起井水地震波传播时引起井水位振荡或阶变现象。位振荡或阶变现象。机理：地震波传播经过含水层时，含水层内机理：地震波传播经过含水层时，含水层内会交替发生弹性压缩与拉张变形，致使孔隙会交替发生弹性压缩与拉

13、张变形，致使孔隙压力发生增大与减小的交替变化，导致井水压力发生增大与减小的交替变化，导致井水位发生上升与下降相交替出现的振荡变化。位发生上升与下降相交替出现的振荡变化。地震迅速强烈地影响地下水的动态：地震迅速强烈地影响地下水的动态：相应地可以引起水质的变化。相应地可以引起水质的变化。不要把不要把水位传递速度水位传递速度与与地下水实际流速地下水实际流速混为一谈。混为一谈。压力传递压力传递质量运移质量运移水量问题水量问题水质问题水质问题（如水质污染问题）（如水质污染问题）控制控制研究问题研究问题水位传递速度水位传递速度地下水实际流速地下水实际流速（承压水）（承压水）（潜水）（潜水）4 4、人为因素

14、、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 修建水库，利用地表水灌溉等，增加了新的补给来源而修建水库，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。使地下水位抬升。河北冀县新庄，河北冀县新庄，19741974年初潜水位埋深大于年初潜水位埋深大于4m4m，由于灌溉，旱季水位反而上升，到，由于灌溉，旱季水位反而上升，到19771977年雨季，潜水位年雨季，潜水位已接近地表了。已接近地表了。地下水动态成因分类地下水动态成因分类 9.2.3 9.2.3 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

15、动态特潜水、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 主要出现在干旱半干旱地区地形切割微弱的平原或盆主要出现在干旱半干旱地区地形切割微弱的平原或盆地，地下水化学作用以浓缩作用为主。地，地下水化学作用以浓缩作用为主。v 径流型径流型 广泛分布于山区及山前，地下水化学作用以溶滤作用广泛分布于山区及山前，地下水化学作用以溶滤作用为主。为主。v 弱径流型弱径流型 气候湿润的平原与盆地，蒸发排泄有限，径流排泄为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。主，但径流微弱。 地下水化学作用以溶滤作

16、用为主。地下水化学作用以溶滤作用为主。9.2.3 9.2.3 地下水天然动态类型地下水天然动态类型2 2、承压水、承压水v 径流型径流型动态变化的程度取决于构造封闭条件。构造开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。化趋势愈明显。 3 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；含水层或含水系统原来的均衡遭到地下水新的排泄去路；含水层或含水系统原来的

17、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，影响动态能增加新的补给量，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，形成新的动态特征的补给来源而使地下水位抬升，形成新的动态特征 地下水动态类型 类 型 出现地区 动态特征 渗入-蒸发型 干旱、半干旱区，地形切割微弱的平原、盆地。 径流微弱，年水位变化小，水质季节变化明显，盐化、

18、土壤盐渍化。大陆盐化水。 渗入-径流型 山区、山前、水位深埋区。 年水位变化大而不均，水质季节变化不明显，水质趋于淡化。 渗入-弱径流型 气候湿润的平原、盆地，地形切割弱。 年水位变幅小，各处接近，水质季节变化不明显，淡化。 水文型 沿江河两岸的条带地段 年水位变化随江河水位变化而变化，但幅度小于江河水位变化幅度。 开采型 城市及集中开采区 水位变化受开采量影响。 9.3 地下水均衡地下水均衡9.3.1 相关概念相关概念v 地下水均衡：地下水均衡：某一时段、某一范围内，地下水水量（热量、某一时段、某一范围内，地下水水量（热量、盐量、能量）的收支状况。盐量、能量）的收支状况。v 均衡期：均衡期：

19、均衡计算的时间段均衡计算的时间段v 均衡区：均衡区：均衡计算所选定的地区均衡计算所选定的地区v 正均衡：正均衡：某均衡区某均衡期内地下水水量某均衡区某均衡期内地下水水量( (盐量、热量盐量、热量) )的的收入大于支出收入大于支出，表现为地下水储存量，表现为地下水储存量( (热量、盐量热量、盐量) )增加增加。v 负均衡：负均衡：某均衡区某均衡期内地下水水量某均衡区某均衡期内地下水水量( (盐量、热量盐量、热量) )的的收入小于支出收入小于支出，表现为地下水储存量，表现为地下水储存量( (热量、盐量热量、盐量) )减少减少。v 水均衡方程式：水均衡方程式：表示水均衡收入项和支出项关系的方程，补给

20、表示水均衡收入项和支出项关系的方程，补给量总和量总和(Qi)(Qi)与各消耗量总和与各消耗量总和(Qo)(Qo)的差值等于均衡期始末水的储的差值等于均衡期始末水的储存量的变化量存量的变化量( (Q) Q) ，Q= Qi - QoQ= Qi - Qo。v 地下水均衡方程：地下水均衡方程：表示地下水均衡收入项和支出项关系的方程。表示地下水均衡收入项和支出项关系的方程。在研究区内某一时段内某一含水层地下水各补给量总和在研究区内某一时段内某一含水层地下水各补给量总和(Qr)(Qr)与与各消耗量总和各消耗量总和(Qd)(Qd)之差值等于均衡期始末的地下水贮存量的变之差值等于均衡期始末的地下水贮存量的变化

21、量化量Q Q的关系式。即的关系式。即 Q= Qr - QdQ= Qr - Qd。v 地下水贮存量变化量：地下水贮存量变化量：均衡区内在均衡期起止两时刻水位变动均衡区内在均衡期起止两时刻水位变动带内重力水量。通常以水层厚度带内重力水量。通常以水层厚度(h) h) 计算，其中计算，其中是变动是变动带内岩石的给水度；带内岩石的给水度；h h是均衡期水位变化的平均值。是均衡期水位变化的平均值。9.3 地下水均衡地下水均衡v 一般表达形式：一般表达形式：A - - B = WA收入项；收入项；B支出项；支出项； W均衡时段内，均衡区的水量变化量均衡时段内，均衡区的水量变化量v 均衡结果（表现）：正均衡或

22、负均衡均衡结果（表现）：正均衡或负均衡9.3.2 水均衡方程式水均衡方程式9.3 地下水均衡地下水均衡9.3.2 水均衡方程式水均衡方程式（P + R1 + G1 +Z1）- （R2 + G2 +Z2） = W P - ( R2 - R1 ) - (G2- G1) - (Z2 - Z1) = WW潜水潜水变化量变化量Wu=h承压水承压水变化量变化量Wc=* hc 地表水地表水变化量变化量Ws包气带水包气带水变化量变化量Wa陆地上某一地区天然状态下总的陆地上某一地区天然状态下总的水均衡：水均衡： 收入项（收入项（A）：）：P、R1、G1、Z1 支出项（支出项（B）：）： R2、G2、Z2凝结水凝

23、结水潜水流入量潜水流入量 Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qt - (- ( Zu+Qd+Wu2 ) = h潜水流出量潜水流出量蒸发蒸发降水降水地表水地表水入渗入渗越流越流地表水地表水排泄排泄潜水均衡方程式潜水均衡方程式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：忽略干旱半干旱平原区：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，则，则Xf + Yf = Zuv 湿润山区潜水均衡湿润山区潜水均衡 Zu

24、=0 Xf + Yf = Qd v 强烈开采区强烈开采区 Xf + Yf = Q开开 潜水均衡方程式潜水均衡方程式Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qt - ( Zu+Qd+Wu2 ) = h入渗入渗径流型径流型入渗入渗蒸发型蒸发型收入：收入：Q侧入侧入，Q越入越入支出：支出：Q侧出侧出，Q越出越出变化量：变化量： Wc=* hc 承压水均衡方程式承压水均衡方程式(Q侧入侧入+ Q越入越入)- (Q侧出侧出+ Q越出越出) =* hctQWuZtQfYfXWdQuZWfYfX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

25、地下水均衡模式图 9.3.3 区域地下水均衡区域地下水均衡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（三段均衡区）分析tQWuZtQfYfXWdQuZWfYfX冲积平原承压水冲积平原潜水山前丘陵潜水 232112121WQZZWYYXXduuffff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 均衡计算步骤：均衡

26、计算步骤：1.分区分区2. 整理均衡区地下水的补给项、排泄项整理均衡区地下水的补给项、排泄项3. 确定各区间的补排关系确定各区间的补排关系4. 确定参数确定参数5. 进行均衡计算进行均衡计算6. 验证验证洮儿河扇形地地表水与地下水资源转化量洮儿河扇形地地表水与地下水资源转化量1.分区：分区：松散岩类孔隙水松散岩类孔隙水 2. 补给项、排泄项补给项、排泄项 3. 补排关系补排关系 4. 参数参数 洮儿河扇形地地表水与地下水资源转化量洮儿河扇形地地表水与地下水资源转化量5. 均衡计算均衡计算 大气降水大气降水补给量补给量侧向径流侧向径流补给量补给量人工渠渗人工渠渗漏补给量漏补给量河流对地下水河流对地下水的补给量的补给量人工开采量人工开采量侧向径流排侧向径流排泄量泄量潜水蒸潜水蒸发量发量灌溉入渗补给灌溉入渗补给量量练习练习v某水源地位于一正方形区域内，边长为某水源地位于一正方形区域内，边长为10公里，公里，区域面积为区域面积为100平方公里。多年平均降水量为平方公里。多年平均降水量为800毫米，降水入渗系数为毫米，降水入渗系数为02。地下水位埋。地下水位埋深大，无蒸发。周边均为补给边界，单宽流量深大，无蒸发。周边均为补给边界，单宽流量为每天每米为每天每米5立方米，水源地开采量为每年立方米，水源地开采量为每年1