水文地质学基础课件-第九章-地下水的动态与均衡

1第九章

地下水的动态与均衡1第九章

地下水的动态与均衡2第1节地下水动态与均衡的

基本概念第2节地下水动态第3节地下水均衡2第1节地下水动态与均衡的第2节地下水动态第3节3第1节地下水动态与均衡的概念动态

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变化。年最大变幅（△hmax)：一年中地下水位最高值与最低值的差。地下水的水位、水质的变化实质上是由含水系统中地下水的补给量、排泄量、储存量变化的综合表现。Q补

含水层（含水系统）

Q排3第1节地下水动态与均衡的概念动态Q补含水层（含水系4第1节地下水动态与均衡的概念研究补给量与排泄量收支的数量关系就是地下水的均衡问题。均衡

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。水量的收支关系——水量平衡盐量的收支关系——盐量平衡热量的收支关系——热量平衡收入＞支出正均衡收入＜支出负均衡4第1节地下水动态与均衡的概念研究补给量与排泄量收支的数量5第1节地下水动态与均衡的概念均衡区：进行均衡计算所选定的地区。均衡期：进行均衡计算的时间段。动态与均衡的关系

一般而言，动态是均衡的外部表现，均衡是动态变化的内部原因。5第1节地下水动态与均衡的概念均衡区：进行均衡计算所选定的6动态与均衡的研究意义：合理利用地下水及有效防范其危害；查清地下水的补给与排泄，评价资源、预测水位水量变化等.矿坑排水,土壤改良——排水与灌溉进行地下水资源计算和管理，建立数学模型时必须研究动态与均衡。第1节地下水动态与均衡的概念6动态与均衡的研究意义：第1节地下水动态与均衡的概念7一、地下水动态的形成机制降水—补给地下水系统—水位上升—动态变化激励—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）有叠加现象第2节地下水动态7一、地下水动态的形成机制第2节地下水动态8气象要素及潜水埋深变化图第2节地下水动态8气象要素及潜水埋深变化图第2节地下水动态9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第2节地下水动态9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10第2节地下水动态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）对环境施加的激励所产生的响应。10第2节地下水动态地下水动态形成机制11第2节地下水动态也可理解为含水层（含水系统）对输入信息变换后产生的输出信息。11第2节地下水动态也可理解为含水层（含水系统）对输入信息12第2节地下水动态间断性的降水，通过含水层（含水系统）的变换，将转换成比较连续的地下水位变化或泉流量变化。影响地下水动态的因素

输入信息因素：气象因素（降水、蒸发、气温、气压）和水文因素

输出信息因素：地形、地质和人为因素12第2节地下水动态间断性的降水，通过含水层（含水系统）的13第2节地下水动态气象因素：是影响地下水动态的主要因素。降水和蒸发：直接影响地下水的补给与蒸发，从而影响地下水动态。气温：影响降水的形式、蒸发强度、浅层地下水水温。气压：对潜水位产生伪变化。潜水位变动伴随的相应潜水储存量的变化为真变化；不反映潜水水量增减的潜水位变化，为伪变化。13第2节地下水动态气象因素：是影响地下水动态的主要因素。14特点：大面积，普遍产生影响(尤其对潜水）；主要有降水与蒸发因素气候特征表现为：降水的年内季节性变化降水的多年变化（如11年周期）

昼夜变化与此相对应，地下水动态也有这三种周期性变化昼夜变化--在许多地区不明显多年变化--研究周期长年内变化--最突出第2节地下水动态14特点：大面积，普遍产生影响(尤其对潜水）；第2节地下水15思考：解决生产实际问题时如何考虑地下水的水位动态？供水工程应考虑多年最低地下水位?排水工程考虑多年最高地下水位时的排水能力?第2节地下水动态15思考：解决生产实际问题时如何考虑地下水的水位动态？第2节16第2节地下水动态16第2节地下水动态17第2节地下水动态水文因素

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，水位变幅减小，发生变化的时间滞后。河水对地下水动态的影响一般为数百米到数公里，在此范围外，主要受气候因素的影响。滨海地区海水潮汐的影响，使地下水位呈现一天两次升降的周期性变化。17第2节地下水动态水文因素18第2节地下水动态18第2节地下水动态19河旁潜水位与河水位的关系048121620048121620Time(days)Waterlevel(m)河水位观1水位观2水位观3水位第2节地下水动态思考？当河水排泄地下水时，水位变幅何处大？19河旁潜水位与河水位的关系048121620048121620第2节地下水动态地质因素

岩性和岩相等的影响是长期缓慢的，它不反映在地下水的周期性变化上。如岩性、给水度、渗透系数的大小在短期内变化不大，但在较长期内可以逐渐增大。构造因素是一个区域性的影响因素。地震、火山活动的影响是短期影响。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。20第2节地下水动态地质因素21地质因素是间接且相对稳定的因素（相当于滤波器）气候与水文因素决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。埋藏条件：承压水的变幅小于潜水；潜水埋深的大小,对滞后时，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μ均起作用。地下水所处的空间部位：一般而言，补给区较排泄区更不稳定。第2节地下水动态21地质因素是间接且相对稳定的因素（相当于滤波器）第2节地22第2节地下水动态22第2节地下水动态23第2节地下水动态土壤和生植物因素

土壤的影响主要表现为对潜水化学成分的改变，尤其是在土壤盐渍化和沼泽化两地区最为明显。生植物的影响表现在两个方面：植物蒸腾对潜水动态的影响；细菌对地下水化学成分的影响。人为因素

疏干类型：集水建筑物采水、矿坑排水等各种排水工程；充水类型：渠道、水库、堤坝、灌溉系统等。23第2节地下水动态土壤和生植物因素24第2节地下水动态24第2节地下水动态25开采状态下地下水流态剖面示意图第2节地下水动态25开采状态下地下水流态剖面示意图第2节地下水动态26地下水位降落漏斗剖面图第2节地下水动态26地下水位降落漏斗剖面图第2节地下水动态27地下水位与开采量关系图第2节地下水动态27地下水位与开采量关系图第2节地下水动态28某库水位与钻孔水位过程线第2节地下水动态28某库水位与钻孔水位过程线第2节地下水动态29第2节地下水动态地下水动态类型根据排泄方式和水交替条件，潜水的动态类型分为：渗入—蒸发型：分布在干旱、半干旱的平原或山间盆地中心。补给：降水、地表水入渗（但不丰沛）径流：微弱排泄：蒸发为主动态特征：年水位变幅小而均匀；水质季节变化明显，长期中地下水不断向盐化方向发展，土壤易盐渍化。29第2节地下水动态地下水动态类型30第2节地下水动态渗入—径流型：分布在山前或山区。降水与地表水入渗补给丰沛，径流强烈，蒸发微弱。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。渗入—蒸发、径流型（弱径流型、过渡型）：分布在降水丰沛的湿润平原或盆地中心。降水与地表水入渗补给丰沛，径流微弱，蒸发也微弱，仍以径流排泄为主。

动态特征：年水位变幅小而均匀；水质季节变化不明显，长期中地下水不断向淡化方向发展。30第2节地下水动态渗入—径流型：分布在山前或山区。31第2节地下水动态承压含水层的动态类型为

渗入--径流型：动态变化程度取决于构造开启程度：构造开启程度越高，水交替越强烈，动态变化也越强烈，水质的淡化趋势越明显。31第2节地下水动态承压含水层的动态类型为32第3节地下水均衡主要考虑水量平衡均衡：某一时间段内某一地段内，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：均衡计算所选定的区域（三维的）；可以是地下水含水系统，也可以是一很小的均衡单元均衡期：均衡计算的时间段；可长可短32第3节地下水均衡主要考虑水量平衡33水均衡方程式

基本关系式：储量变化=收入量–支出量

(△W)(A)(B)对于一个地区，多年中气候处于平均状态，故Q补=Q排人为活动影响下：正均衡（Q补>Q排）或负均衡（Q补<Q排）

A包括:大气降水量（X）地表水的流入量(Y1)

地下水流入量（W1）(承压水的越流量和侧向补给量)

凝结水量（Z1）人工补给量(灌溉回归水补给、人工回灌补给等)第3节地下水均衡33水均衡方程式第3节地下水均衡34第3节地下水均衡B包括：地表水流出量（Y2）地下水流出量（W2）蒸发量（Z2）人工排泄量（人工开采、排水渠等）△W包括：地表水变化量（V）包气带水变化量（m）潜水变化量（u△h）承压水变化量（ue

△hc）其中：u为潜水层给水度

△h为均衡期潜水位变化

ue为承压水层弹性给水度（=Ss）△hc

为承压水测压水位变化值34第3节地下水均衡B包括：其中：u为潜水层给水度35第3节地下水均衡天然条件下的总水均衡方程式

X-(Y2-Y1)-(W2-W1)-(Z2-Z1)=V+m+u△h+ue

△hc潜水均衡

收入项A包括：降水入渗补给量Xf

地表水入渗补给量Yf

凝结水补给量(Zc)

上游断面潜水流入量（Wu1）下伏承压水越流补给量（Qt）35第3节地下水均衡天然条件下的总水均衡方程式36第3节地下水均衡支出项B包括：潜水蒸发量（Zu）(土面蒸发、植物蒸腾)

潜水以泉或泄流形式排泄量（Qd）下游断面流出量（Wu2）

储量变化△W为：u△h

则潜水均衡方程式为：

u△h=（Xf+Yf+Zc+Wu1+Qt）-(Zu+Qd+Wu2)36第3节地下水均衡支出项B包括：潜水蒸发量（Zu）(土37第3节地下水均衡37第3节地下水均衡38均衡区YfWu1QtXfZcZuQdWu2h潜水均衡方程式：Xf+Yf+Zc+Wu1+Qt-(Zu+Qd+Wu2)=μΔh

38均衡区YfWu1QtXfZcZuQdWu2h潜水均衡方39潜水均衡方程式：

Xf+Yf+Zc+Wu1+Qt-(Zu+Qd+Wu2)=μΔh几种条件下的潜水均衡方程式：干旱半干旱平原区：忽略Zc

；地形切割微弱Qd—>0；无越流时Qt=0；径流滞缓Wu1

Wu2—>0；

Xf+Yf-Zu=μΔh

多年均衡条件下：μΔh=0，则

Xf+Yf=Zu湿润山区潜水均衡Zu=0Xf+Yf

=Qd

强烈开采区

Xf+Yf

=Q开

39潜水均衡方程式：

Xf+Yf+Zc+Wu140

二、区域地下水均衡40二、区域地下水均衡41以堆积平原含水系统地下水均衡模式分析分区（三段均衡区）分析：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大地下水的可利用量，造成不可挽回的损失和后果41以堆积平原含水系统地下水均衡模式分析用含水系统分析，水量42第3节地下水均衡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42第3节地下水均衡人类活动影响下的地下水均衡43小结空隙水水量水质时间变化空间变化动态均衡赋存分布补给含水系统排泄自然环境人为地下水流动系统理论（DarcyLaw、流网）

物理关系（运动定律）

化学关系（化学作用）43小结空隙水水量水质时间变化空间变化动态均衡赋44地下水资源趋势评价框图第3节地下水均衡44地下水资源趋势评价框图第3节地下水均衡45第九章

地下水的动态与均衡1第九章

地下水的动态与均衡46第1节地下水动态与均衡的

基本概念第2节地下水动态第3节地下水均衡2第1节地下水动态与均衡的第2节地下水动态第3节47第1节地下水动态与均衡的概念动态

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变化。年最大变幅（△hmax)：一年中地下水位最高值与最低值的差。地下水的水位、水质的变化实质上是由含水系统中地下水的补给量、排泄量、储存量变化的综合表现。Q补

含水层（含水系统）

Q排3第1节地下水动态与均衡的概念动态Q补含水层（含水系48第1节地下水动态与均衡的概念研究补给量与排泄量收支的数量关系就是地下水的均衡问题。均衡

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。水量的收支关系——水量平衡盐量的收支关系——盐量平衡热量的收支关系——热量平衡收入＞支出正均衡收入＜支出负均衡4第1节地下水动态与均衡的概念研究补给量与排泄量收支的数量49第1节地下水动态与均衡的概念均衡区：进行均衡计算所选定的地区。均衡期：进行均衡计算的时间段。动态与均衡的关系

一般而言，动态是均衡的外部表现，均衡是动态变化的内部原因。5第1节地下水动态与均衡的概念均衡区：进行均衡计算所选定的50动态与均衡的研究意义：合理利用地下水及有效防范其危害；查清地下水的补给与排泄，评价资源、预测水位水量变化等.矿坑排水,土壤改良——排水与灌溉进行地下水资源计算和管理，建立数学模型时必须研究动态与均衡。第1节地下水动态与均衡的概念6动态与均衡的研究意义：第1节地下水动态与均衡的概念51一、地下水动态的形成机制降水—补给地下水系统—水位上升—动态变化激励—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）有叠加现象第2节地下水动态7一、地下水动态的形成机制第2节地下水动态52气象要素及潜水埋深变化图第2节地下水动态8气象要素及潜水埋深变化图第2节地下水动态53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第2节地下水动态9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54第2节地下水动态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）对环境施加的激励所产生的响应。10第2节地下水动态地下水动态形成机制55第2节地下水动态也可理解为含水层（含水系统）对输入信息变换后产生的输出信息。11第2节地下水动态也可理解为含水层（含水系统）对输入信息56第2节地下水动态间断性的降水，通过含水层（含水系统）的变换，将转换成比较连续的地下水位变化或泉流量变化。影响地下水动态的因素

输入信息因素：气象因素（降水、蒸发、气温、气压）和水文因素

输出信息因素：地形、地质和人为因素12第2节地下水动态间断性的降水，通过含水层（含水系统）的57第2节地下水动态气象因素：是影响地下水动态的主要因素。降水和蒸发：直接影响地下水的补给与蒸发，从而影响地下水动态。气温：影响降水的形式、蒸发强度、浅层地下水水温。气压：对潜水位产生伪变化。潜水位变动伴随的相应潜水储存量的变化为真变化；不反映潜水水量增减的潜水位变化，为伪变化。13第2节地下水动态气象因素：是影响地下水动态的主要因素。58特点：大面积，普遍产生影响(尤其对潜水）；主要有降水与蒸发因素气候特征表现为：降水的年内季节性变化降水的多年变化（如11年周期）

昼夜变化与此相对应，地下水动态也有这三种周期性变化昼夜变化--在许多地区不明显多年变化--研究周期长年内变化--最突出第2节地下水动态14特点：大面积，普遍产生影响(尤其对潜水）；第2节地下水59思考：解决生产实际问题时如何考虑地下水的水位动态？供水工程应考虑多年最低地下水位?排水工程考虑多年最高地下水位时的排水能力?第2节地下水动态15思考：解决生产实际问题时如何考虑地下水的水位动态？第2节60第2节地下水动态16第2节地下水动态61第2节地下水动态水文因素

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，水位变幅减小，发生变化的时间滞后。河水对地下水动态的影响一般为数百米到数公里，在此范围外，主要受气候因素的影响。滨海地区海水潮汐的影响，使地下水位呈现一天两次升降的周期性变化。17第2节地下水动态水文因素62第2节地下水动态18第2节地下水动态63河旁潜水位与河水位的关系048121620048121620Time(days)Waterlevel(m)河水位观1水位观2水位观3水位第2节地下水动态思考？当河水排泄地下水时，水位变幅何处大？19河旁潜水位与河水位的关系048121620048121664第2节地下水动态地质因素

岩性和岩相等的影响是长期缓慢的，它不反映在地下水的周期性变化上。如岩性、给水度、渗透系数的大小在短期内变化不大，但在较长期内可以逐渐增大。构造因素是一个区域性的影响因素。地震、火山活动的影响是短期影响。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。20第2节地下水动态地质因素65地质因素是间接且相对稳定的因素（相当于滤波器）气候与水文因素决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。埋藏条件：承压水的变幅小于潜水；潜水埋深的大小,对滞后时，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μ均起作用。地下水所处的空间部位：一般而言，补给区较排泄区更不稳定。第2节地下水动态21地质因素是间接且相对稳定的因素（相当于滤波器）第2节地66第2节地下水动态22第2节地下水动态67第2节地下水动态土壤和生植物因素

土壤的影响主要表现为对潜水化学成分的改变，尤其是在土壤盐渍化和沼泽化两地区最为明显。生植物的影响表现在两个方面：植物蒸腾对潜水动态的影响；细菌对地下水化学成分的影响。人为因素

疏干类型：集水建筑物采水、矿坑排水等各种排水工程；充水类型：渠道、水库、堤坝、灌溉系统等。23第2节地下水动态土壤和生植物因素68第2节地下水动态24第2节地下水动态69开采状态下地下水流态剖面示意图第2节地下水动态25开采状态下地下水流态剖面示意图第2节地下水动态70地下水位降落漏斗剖面图第2节地下水动态26地下水位降落漏斗剖面图第2节地下水动态71地下水位与开采量关系图第2节地下水动态27地下水位与开采量关系图第2节地下水动态72某库水位与钻孔水位过程线第2节地下水动态28某库水位与钻孔水位过程线第2节地下水动态73第2节地下水动态地下水动态类型根据排泄方式和水交替条件，潜水的动态类型分为：渗入—蒸发型：分布在干旱、半干旱的平原或山间盆地中心。补给：降水、地表水入渗（但不丰沛）径流：微弱排泄：蒸发为主动态特征：年水位变幅小而均匀；水质季节变化明显，长期中地下水不断向盐化方向发展，土壤易盐渍化。29第2节地下水动态地下水动态类型74第2节地下水动态渗入—径流型：分布在山前或山区。降水与地表水入渗补给丰沛，径流强烈，蒸发微弱。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。渗入—蒸发、径流型（弱径流型、过渡型）：分布在降水丰沛的湿润平原或盆地中心。降水与地表水入渗补给丰沛，径流微弱，蒸发也微弱，仍以径流排泄为主。

动态特征：年水位变幅小而均匀；水质季节变化不明显，长期中地下水不断向淡化方向发展。30第2节地下水动态渗入—径流型：分布在山前或山区。75第2节地下水动态承压含水层的动态类型为

渗入--径流型：动态变化程度取决于构造开启程度：构造开启程度越高，水交替越强烈，动态变化也越强烈，水质的淡化趋势越明显。31第2节地下水动态承压含水层的动态类型为76第3节地下水均衡主要考虑水量平衡均衡：某一时间段内某一地段内，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：均衡计算所选定的区域（三维的）；可以是地下水含水系统，也可以是一很小的均衡单元均衡期：均衡计算的时间段；可长可短32第3节地下水均衡主要考虑水量平衡77水均衡方程式

基本关系式：储量变化=收入量–支出量

(△W)(A)(B)对于一个地区，多年中气候处于平均状态，故Q补=Q排人为活动影响下：正均衡（Q补>Q排）或负均衡（Q补<Q排）

A包括:大气降水量（X）地表水的流入量(Y1)

地下水流入量（W1）(承压水的越流量和侧向补给量)

凝结水量（Z1）人工补给量(灌溉回归水补给、人工回灌补给等)第3节地下水均衡33水均衡方程式第3节地下水均衡78第3节地下水均衡B包括：地表水流出量（Y2）地下水流出量（W2）蒸发量（Z2）人工排泄量（人工开采、排水渠等）△W包括：地表水变化量（V）包气带水变化量（m）潜水变化量（u△h）承压水变化量（ue

△hc）其中：u为潜水层给水度

△h为均衡期潜水位变化

ue为承压水层弹性给水度（=Ss）△hc

为承压水测压水位变化值34第3节地下水均衡B包括：其中：u为潜水层给水度79第3节地下水均衡天然条件下的总水均衡方程式

X-(Y2-Y1)-(W2-W1)-(Z2-Z1)=V+m+u△h+ue

△hc潜水均衡

收入项A包括：降水入渗补给量Xf

地表水入渗补给量Yf

凝结水补给量(Zc)

上游断面潜水流入量（Wu1）下伏承压水越流补给量（Qt）35第3节地下水均衡天然条件下的总水均衡方程式80第3节地下水均衡支出项B包括：潜水蒸发量（Zu