第10章地下水的动态与均衡

1、第第10章章 地下水的动态与均衡地下水的动态与均衡第第1节节 地下水动态与均衡的基本概念地下水动态与均衡的基本概念 第第2节节 地下水动态地下水动态 第第3节节 地下水均衡地下水均衡第第1节节 地下水动态与均衡的基本概念地下水动态与均衡的基本概念一、动态一、动态（groungwater regime） 地下水的各要素（水位、水量、水质、水温、流速、流地下水的各要素（水位、水量、水质、水温、流速、流向等）在自然和人为因素的综合影响下随时间作有规律的向等）在自然和人为因素的综合影响下随时间作有规律的变化。变化。 第第1节节 地下水动态与均衡的基本概念地下水动态与均衡的基本概念收入支出收入支出 正均

2、衡正均衡 收入支出收入支出 负均衡负均衡 均衡区：均衡区：进行均衡计算所选定的进行均衡计算所选定的地区地区。 均衡期：均衡期：进行均衡计算的进行均衡计算的时间段时间段。 地下水均衡研究内容：地下水均衡研究内容：确定均衡区与均衡期、确定均衡区与均衡期、 确定均衡方程式、确定均衡方程式、 地下水均衡各收支计算、地下水均衡各收支计算、 均衡计算结果校核与分析均衡计算结果校核与分析二、均衡二、均衡（groungwater budget） 利用质量守恒定律，分析地下水在某地区某时段内水量、热量和利用质量守恒定律，分析地下水在某地区某时段内水量、热量和盐量的收入与支出之间的平衡关系。盐量的收入与支出之间的

3、平衡关系。 水量的收支关系水量的收支关系水量平衡水量平衡 盐量的收支关系盐量的收支关系盐量平衡盐量平衡 热量的收支关系热量的收支关系热量平衡热量平衡第第1节节 地下水动态与均衡的基本概念地下水动态与均衡的基本概念三、动态与均衡的关系三、动态与均衡的关系 地下水资源不同于其它矿产资源的最主要区别，在于其地下水资源不同于其它矿产资源的最主要区别，在于其质和量总是随时间不停变化着。动态是均衡的质和量总是随时间不停变化着。动态是均衡的外部表现外部表现，均衡是动态变化的均衡是动态变化的内部原因内部原因。第第1节节 地下水动态与均衡的基本概念地下水动态与均衡的基本概念四、研究动态与均衡的意义四、研究动态与

4、均衡的意义查清地下水补给、排泄与资源条件、含水层之间、含水层与地表水之间的关系； 认识区域水文地质条件； 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；检验水文地质结论。第第2节节 地下水动态地下水动态一、地下水动态形成机制一、地下水动态形成机制 将地下水动态理解为含水层（含水系统）将地下水动态理解为含水层（含水系统）对环境施加的对环境施加的激励所产生的响应激励所产生的响应。地下水水位地下水水位降水降水第第2节节 地下水动态地下水动态 也可理解为含水层（含水系统）对也可理解为含水层（含水系统）对输入信息变换后输入信息变换后产生的产生的输出信输出信息息。间断性的间断性的

5、降水降水，通过含水层（含通过含水层（含水系统）的变换，水系统）的变换，将转换成将转换成比较连比较连续的续的地下水位变地下水位变化化或或泉流量变化泉流量变化。第第2节节 地下水动态地下水动态二、影响地下水动态的因素二、影响地下水动态的因素 两类因素两类因素 因素之一：因素之一： 地下水地下水诸要素诸要素水量、盐量、热量、能量等的收水量、盐量、热量、能量等的收支变化，即外界激励（输入）因素支变化，即外界激励（输入）因素 因素之二：因素之二： 影响激励（输入）影响激励（输入）响应（输出）关系的转换因素响应（输出）关系的转换因素（影响地下水动态曲线具体形态的因素）（影响地下水动态曲线具体形态的因素）第

6、第2节节 地下水动态地下水动态 1、激励（输入）因素：、激励（输入）因素： 气象因素气象因素、水文因素水文因素 （1）气象因素：）气象因素：是主因素（是主因素（降水降水、蒸发蒸发、气温气温、气压气压） 降水和蒸发：降水和蒸发：直接影响地下水的补给与蒸发，从而影响地下直接影响地下水的补给与蒸发，从而影响地下水动态。水动态。 气温：气温：影响降水形式、蒸发强度、浅层地下水水温（昼夜、影响降水形式、蒸发强度、浅层地下水水温（昼夜、冬夏）冬夏） 气压：气压：气压变大，水位降低；气压变低，水位抬升气压变大，水位降低；气压变低，水位抬升 对潜水位产生对潜水位产生伪变化伪变化；潜水位变动；潜水位变动伴随的相

7、应潜水储伴随的相应潜水储存量的变化存量的变化为真变化。为真变化。 不反映潜水水量增减不反映潜水水量增减的潜水位变化为伪变化。的潜水位变化为伪变化。第第2节节 地下水动态地下水动态 一般气象（气候）要素具一般气象（气候）要素具有有昼夜昼夜、季节季节和和多年性周期多年性周期变化变化，地下水动态也有相似，地下水动态也有相似的周期性变化。但存在时间的周期性变化。但存在时间上的上的滞后现象滞后现象。（1）气象因素：）气象因素：第第2节节 地下水动态地下水动态 气候还存在气候还存在多年的周期性波动多年的周期性波动。例如，周期为。例如，周期为11年的太阳黑子年的太阳黑子变化，影响变化，影响丰水期丰水期与与干

8、旱期干旱期的交替，从而使地下水位呈同一周期的交替，从而使地下水位呈同一周期变化。变化。第第2节节 地下水动态地下水动态（2）水文因素水文因素 地表水体地表水体补给补给地下水地下水而引而引起地下水位抬升时，随着远起地下水位抬升时，随着远离河流，水位变幅减小，发离河流，水位变幅减小，发生变化的时间滞后。生变化的时间滞后。 河水对地下水动态的影响河水对地下水动态的影响一般为数百米到数公里，在一般为数百米到数公里，在此范围外，主要受气候因素此范围外，主要受气候因素的影响。的影响。 滨海地区滨海地区海水潮汐的影响，海水潮汐的影响，使地下水位呈现使地下水位呈现一天两次一天两次升升降的周期性变化。降的周期性

9、变化。 第第2节节 地下水动态地下水动态（3）生物因素）生物因素 生物生物的影响表现在两个方面：的影响表现在两个方面： 植物蒸腾植物蒸腾对潜水对潜水动态动态的影响的影响 细菌细菌对地下对地下水化学成分水化学成分的影响。的影响。第第2节节 地下水动态地下水动态 2、响应（输出）因素：、响应（输出）因素： 主要为主要为地质结构、水文地质条件地质结构、水文地质条件和和人为因素人为因素（1）地形因素）地形因素 地形高地形高的地方，一般为补给区，的地方，一般为补给区，远离排泄区远离排泄区，水位，水位变化变化显著显著； 地形低地形低的地方，的地方，靠近排泄区靠近排泄区，不断得到地下水径流，不断得到地下水径

10、流补给，水位变化补给，水位变化不显著不显著。 第第2节节 地下水动态地下水动态（2）地质因素）地质因素 岩性：长期缓慢影响。岩性：长期缓慢影响。同一地方，同一雨季，细粒中的水同一地方，同一雨季，细粒中的水位变化显著，粗粒中变化不显著。位变化显著，粗粒中变化不显著。径流径流排泄条件排泄条件 包气带岩性、厚度对降水脉冲起滤波作用。包水带潜水储包气带岩性、厚度对降水脉冲起滤波作用。包水带潜水储存量为给水度（存量为给水度（）与水位变幅（）与水位变幅（h h）之积，给水度决定水）之积，给水度决定水位的变化；承压含水层因弹性给水度（贮水系数）比给水度位的变化；承压含水层因弹性给水度（贮水系数）比给水度小小

11、13个数量级，承压水水位变化大。个数量级，承压水水位变化大。 构造：构造：是一个是一个区域性的区域性的影响因素。影响因素。 地震、火山活动：短期影响。地震、火山活动：短期影响。在震前地下水位急剧上升、在震前地下水位急剧上升、下降、冒砂等，甚至震前地下水化学成分也会改变。下降、冒砂等，甚至震前地下水化学成分也会改变。 第第2节节 地下水动态地下水动态（3）水文地质条件）水文地质条件 地下水埋深地下水埋深 潜水含水层潜水含水层水位变化通过质量传输完成水位变化通过质量传输完成 承压含水层承压含水层水位变化是压力传递的结果水位变化是压力传递的结果 压力传递速度远大于质量传输压力传递速度远大于质量传输

12、地下水流动系统地下水流动系统 补给区补给区水位变化大水位变化大 排泄区排泄区水位变化小水位变化小第第2节节 地下水动态地下水动态（4）人为因素）人为因素 疏干类型：疏干类型：集水建筑物采水、矿坑排水等各种排水工程；集水建筑物采水、矿坑排水等各种排水工程； 充水类型：充水类型：渠道、水库、堤坝、灌溉系统等。渠道、水库、堤坝、灌溉系统等。第第2节节 地下水动态地下水动态 开采第四系潜水及浅层承压水作为灌溉水源。每年35（6）月采水灌溉，水位降到最低点。6（7）月雨季开始，采水停止，降水入渗及周围地下水径流补给，使水位迅速上升。雨季结束后，周围的径流流入填充开采漏斗，水位继续缓慢上升。翌年采水前期，

13、水位达到最高点。第第2节节 地下水动态地下水动态 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。第第2节节 地下水动态地下水动态 由于灌溉，旱季水位反而上升。 干旱半干旱平原或盆地，地下水天然动态多属蒸发型，灌溉水入渗抬高地下水位，蒸发进一步加强，促使土壤进一步盐渍化。有时，即使原来潜水埋深较大，属径流型动态，连年灌溉后，也可转为蒸发型动态，造成大面积土壤次生盐渍化。第第2节节 地下水动态地下水动态地下水位降落漏斗剖面图地下水位降落漏斗剖面图 第第2节节 地下水动态地下水动态开采状态下地下水流态剖面示意图开采状态下

14、地下水流态剖面示意图 第第2节节 地下水动态地下水动态三、地下水动态类型三、地下水动态类型 根据根据排泄方式排泄方式和和水交替强度水交替强度，潜水潜水及松散沉积物浅部的及松散沉积物浅部的承承压水压水，可分，可分三种三种主要动态类型：主要动态类型： 1、渗入、渗入蒸发型：蒸发型：分布在干旱、半干旱地区，地形切割微分布在干旱、半干旱地区，地形切割微弱的平原或山间盆地中心。弱的平原或山间盆地中心。 补给：补给：降水、地表水入渗降水、地表水入渗 （但不丰沛）（但不丰沛） 径流：径流：微弱，水交替强度十分缓慢微弱，水交替强度十分缓慢 排泄：排泄：蒸发为主蒸发为主 。 动态特征：动态特征：年水位变幅小而均

15、匀；水质季节变化明显，向盐年水位变幅小而均匀；水质季节变化明显，向盐化方向发展；土壤易盐渍化。化方向发展；土壤易盐渍化。第第2节节 地下水动态地下水动态三、地下水动态类型三、地下水动态类型 根据根据排泄方式排泄方式和和水交替强度水交替强度，潜水潜水及松散沉积物浅部的及松散沉积物浅部的承压水承压水，可分可分三种三种主要动态类型：主要动态类型： 2、渗入、渗入径流型径流型：分布在山前或山区：分布在山前或山区。地形高差大，水位埋藏深。地形高差大，水位埋藏深。 补给：补给：降水、地表水入渗降水、地表水入渗 （丰沛）（丰沛） 径流：径流：强烈，水交替强度大强烈，水交替强度大 排泄：排泄：径流排泄为主径流

16、排泄为主。 动态特征：动态特征：年水位变幅大而不均（由分水岭到排泄区，年水位变幅年水位变幅大而不均（由分水岭到排泄区，年水位变幅由大而小）；水质季节变化不明显，长期中地下水不断趋向淡化。由大而小）；水质季节变化不明显，长期中地下水不断趋向淡化。第第2节节 地下水动态地下水动态举例：举例： 承压含水层的动态类型：承压含水层的动态类型：渗入渗入径流型径流型 动态变化程度：动态变化程度：取决于构造开启程度，构造开启程度越高，水交取决于构造开启程度，构造开启程度越高，水交替越强烈，动态变化也越强烈，水质的淡化趋势越明显。替越强烈，动态变化也越强烈，水质的淡化趋势越明显。第第2节节 地下水动态地下水动态

17、三、地下水动态类型三、地下水动态类型 根据根据排泄方式排泄方式和和水交替强度水交替强度，潜水潜水及松散沉积物浅部的及松散沉积物浅部的承压水承压水，可分可分三种三种主要动态类型：主要动态类型： 3、渗入、渗入蒸发、径流型蒸发、径流型（弱径流型、过渡型）：分布在降水（弱径流型、过渡型）：分布在降水丰沛、气候湿润的平原或盆地中心。丰沛、气候湿润的平原或盆地中心。 补给：补给：降水、地表水入渗降水、地表水入渗 （丰沛）（丰沛） 径流：径流：径流微弱，蒸发也微弱径流微弱，蒸发也微弱 排泄：排泄：径流排泄为主径流排泄为主 动态特征：动态特征：年水位变幅小而均匀；水质季节变化不明显，长期年水位变幅小而均匀；

18、水质季节变化不明显，长期中地下水不断向淡化方向发展，但发展慢。中地下水不断向淡化方向发展，但发展慢。第第3节节 地下水均衡地下水均衡一、水均衡方程式一、水均衡方程式 基本关系式：基本关系式： 储量变化储量变化 = 收入量收入量 支出量支出量 （） = （A） （B）正均衡正均衡收入收入支出支出负均衡负均衡收入收入支出支出第第3节节 地下水均衡地下水均衡二、举例：陆地上某均衡区在均衡期内二、举例：陆地上某均衡区在均衡期内 收入量收入量A包括：包括： 大气降水量（大气降水量（X） 地表水的流入量（地表水的流入量（Y1） 地下水流入量（地下水流入量（W1） （承压水的越流量和侧向补给量）（承压水的越

19、流量和侧向补给量） 凝结水量（凝结水量（Z1）支出量支出量 B包括：包括： 地表水流出量（地表水流出量（Y2） 地下水流出量（地下水流出量（W2） 蒸发量（蒸发量（Z2）第第3节节 地下水均衡地下水均衡 水储量水储量包括：包括： 地表水变化量（地表水变化量（V） 包气带水变化量（包气带水变化量（m） 潜水变化量（潜水变化量（h） 承压水变化量（承压水变化量（e hc） 其中：其中：为潜水含水层的给水度或饱和差；为潜水含水层的给水度或饱和差；h为均衡期潜水为均衡期潜水位变化值（上升用正号，下降用负号）；位变化值（上升用正号，下降用负号）；e为承压含水层的弹为承压含水层的弹性给水度；性给水度； h

20、c 为承压水测压水位变化值为承压水测压水位变化值 。 天然条件下的总水均衡方程式天然条件下的总水均衡方程式 X-（Y2-Y1）-（W2-W1）-（Z2-Z1）= V+m+h+e h c第第3节节 地下水均衡地下水均衡潜水均衡示意图潜水均衡示意图 弱透水层弱透水层 含水层含水层 潜水位潜水位 潜水位潜水位 潜水均衡潜水均衡 收入项收入项 A 包括：包括： 降水入渗补给量（降水入渗补给量（ Xf ） 地表水入渗补给量地表水入渗补给量 （Yf ） 凝结水补给量凝结水补给量 （Zc） 上游断面潜水流入量（上游断面潜水流入量（Wu1） 下伏承压水越流补给量（下伏承压水越流补给量（Qt） 支出项支出项B包

21、括：包括： 潜水蒸发量（潜水蒸发量（Zu）(土面蒸发、植物蒸腾土面蒸发、植物蒸腾) 潜水以泉或泄流形式排泄量（潜水以泉或泄流形式排泄量（Qd） 下游断面流出量（下游断面流出量（Wu2） 第第3节节 地下水均衡地下水均衡二、举例：陆地上某均衡区在均衡期内二、举例：陆地上某均衡区在均衡期内 储量变化储量变化为：为： h 潜水均衡方程式为：潜水均衡方程式为： h = （Xf+Yf+Zc+Wu1+Qt）- （Zu+Qd+Wu2） 干旱半干旱平原潜水多年均衡方程式：干旱半干旱平原潜水多年均衡方程式： Xf + Yf = Zu 湿润山区潜水多年均衡方程式：湿润山区潜水多年均衡方程式： Xf + Yf =

22、Qd 第第3节节 地下水均衡地下水均衡三、大区域地下水均衡三、大区域地下水均衡 第第3节节 地下水均衡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 1、分三段均衡区分析：、分三段均衡区分析： 山前丘陵潜水：山前丘陵潜水： Xf1+Yf1+W1=Zu1+Qd+W2 冲积平原潜水：冲积平原潜水： Xf2+Yf2+Qt=Zu2 冲积平原深层水：冲积平原深层水： W2=Qt+W3 2、 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： Xf1+Xf2+Yf1+Yf2+W1=Zu1+Zu2+Qd+W3 （无（无Qt、W2） 注：注： 进行大区域水均衡研究时，

23、必须仔细查清上下游，潜水和进行大区域水均衡研究时，必须仔细查清上下游，潜水和承压水，地表水与地下水之间的水量转换关系，否则将导致水量重承压水，地表水与地下水之间的水量转换关系，否则将导致水量重复计算，人为夸大可开采利用的水量。复计算，人为夸大可开采利用的水量。 1、某一干旱地区的山前平原，平原与山地边缘为洪流形成的沉、某一干旱地区的山前平原，平原与山地边缘为洪流形成的沉积物积物洪积扇，在山前地带洪积扇的顶部、洪积扇与平原接触地带洪积扇，在山前地带洪积扇的顶部、洪积扇与平原接触地带及远离山前的平原地带打及远离山前的平原地带打3个钻孔取水样，水化学分析的结果显示：个钻孔取水样，水化学分析的结果显示

24、：阴离子有阴离子有HCO3、SO42 、Cl，阳离子有，阳离子有Na+ 、Ca2+，矿化度也有明，矿化度也有明显的变化。显的变化。 水源地（均衡区）位于平原地带，区域面积为水源地（均衡区）位于平原地带，区域面积为100km2，年平均降，年平均降水量为水量为600mm，降水入渗系数为，降水入渗系数为0.2，地下水位埋深较浅，蒸发强度，地下水位埋深较浅，蒸发强度为为 0.00008 m3/ (m2.d)。有一条河流补给地下潜水，河床的补给长度。有一条河流补给地下潜水，河床的补给长度为为8km，单宽流量为，单宽流量为5m3/ (m.d)，水源地开采量为每年，水源地开采量为每年2千万千万m3。 回答以

25、下问题：回答以下问题： （1）根据盆地边缘洪积扇中潜水的埋深和水质的特点，将地下水）根据盆地边缘洪积扇中潜水的埋深和水质的特点，将地下水分为哪几个带？分为哪几个带？ （2）试述山前盆地边缘洪积扇的顶部至盆地中心地下水水化学成）试述山前盆地边缘洪积扇的顶部至盆地中心地下水水化学成分的变化情况，并简单分析发生这种变化的原因。分的变化情况，并简单分析发生这种变化的原因。 （3）列出该水源地进行水均衡计算的表达式。）列出该水源地进行水均衡计算的表达式。 （4）根据收入项和支出项，计算该水源地是正均衡还是负均衡？）根据收入项和支出项，计算该水源地是正均衡还是负均衡？ （1）洪积扇顶部到前缘，根据潜水埋深

26、可分为潜水深埋带、溢出带和潜）洪积扇顶部到前缘，根据潜水埋深可分为潜水深埋带、溢出带和潜水下沉带；根据水质特点可分为盐分溶滤带、盐分过路带和盐分堆积带。水下沉带；根据水质特点可分为盐分溶滤带、盐分过路带和盐分堆积带。 （2）山前地带气候相对湿润，洪积扇中颗粒较粗大，地形坡度大，潜水）山前地带气候相对湿润，洪积扇中颗粒较粗大，地形坡度大，潜水埋深大，以溶滤作用为主，形成低矿化度的埋深大，以溶滤作用为主，形成低矿化度的HCO3Ca型水；盆地中心地带型水；盆地中心地带气候相对干燥，地形坡度小，潜水埋深小，以蒸发作用为主，易形成高矿气候相对干燥，地形坡度小，潜水埋深小，以蒸发作用为主，易形成高矿化度的

27、化度的ClNa型水；洪积扇与盆地接触地带气候条件、颗粒大小和潜水埋型水；洪积扇与盆地接触地带气候条件、颗粒大小和潜水埋深介于上两者之间，易形成中等矿化度的深介于上两者之间，易形成中等矿化度的SO4Ca或或SO4Na型水。型水。 （3）本水源地为典型的有人类活动影响的干旱、半干旱平原均衡区，水）本水源地为典型的有人类活动影响的干旱、半干旱平原均衡区，水均衡方程式如下：均衡方程式如下： 式中：式中：Xf 降水入渗补给量；降水入渗补给量；Yf地表水入渗补给量；地表水入渗补给量；Zu潜水蒸发量；潜水蒸发量；Qkc开采量；开采量；h潜水存储变化量潜水存储变化量 （4）本均衡区的收入项为降水入渗补给量、地表水入渗补给量；支出项）本均衡区的