水文地質(zhì)學(xué)地下水動態(tài)與均衡

1、第九章 地下水的動態(tài)與均衡9.1 地下水動態(tài)與均衡的概念一、地下水動態(tài)定義：含水層（含水系統(tǒng)）經(jīng)常與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)、能量與信息的交換，在與環(huán)境相互作用下，含水層各要素（如水位，水量、水化學(xué)成分、水溫等）隨時間的變化。原因：含水層（含水系統(tǒng)）水量、鹽量，熱量、能量收支不平衡的結(jié)果。當(dāng)補給水量大于排泄水量時，儲存水量增加，地下水位上升；水化學(xué)成分地下水位：真變化 VS 偽變化1第九章 地下水的動態(tài)與均衡二、地下水均衡定義：某一時間段內(nèi)某一地段內(nèi)（區(qū)域）地下水水量（鹽量、熱量、能量）的收支狀況稱作地下水均衡。三、動態(tài)與均衡的關(guān)系動態(tài)是均衡的外部表現(xiàn)，均衡是動態(tài)變化的內(nèi)在原因。 地下水的動態(tài)變化是含水層

2、水量、鹽量、熱量、能量收支不平衡的結(jié)果。水量的收支不平衡將引起地下水位的變化；鹽量的收支不平衡將引起水質(zhì)的變化；熱量、能量的收支不平衡將引起水溫的變化。2第九章 地下水的動態(tài)與均衡四、地下水動態(tài)的研究意義1）檢驗并完善前期水文地質(zhì)研究結(jié)論；2）查明地下水資源數(shù)量、質(zhì)量及變化；3）為數(shù)學(xué)模擬提供依據(jù)；4）為擬定合理的地下水利用、防治方案及措施提供依據(jù)；5）檢驗實施中的利用、防治方案及措施的合理性；六、地下水動態(tài)的研究內(nèi)容影響因素、動態(tài)類型、地下水動態(tài)成果分析五、地下水動態(tài)與均衡研究的方法3第九章 地下水的動態(tài)與均衡9.2 地下水動態(tài)9.2.1 地下水動態(tài)的形成機制一、一次降水對地下水水位的影響一

3、次降雨脈沖信號水位的變化波信號4第七章 地下水的補給、排泄與徑流 汛期開始，河水浸濕包氣帶并發(fā)生垂直下滲，使河下潛水面形成水丘（圖a）。河水不斷下滲，水丘逐漸抬高與擴大，與河水聯(lián)成一體（圖b）。 汛期結(jié)束，河水撤走，水丘逐漸趨平，使一定范圍內(nèi)潛水位普遍抬高（圖c）。二、間歇性河流對地下水的補給過程5第九章 地下水的動態(tài)與均衡二、多次（兩次以上）降雨對地下水水位的影響削峰填谷6第九章 地下水的動態(tài)與均衡不同條件下地下水位對降雨的響應(yīng)2、包氣帶滲透性及厚度均為中等：地下水埋藏深度中等的裂隙砂巖1、包氣帶滲透性良好，包氣帶厚度影響忽略：巖溶發(fā)育區(qū)3、包氣帶滲透性低且厚度大：地下水埋藏深度大于100m

4、的黃土高原7第九章 地下水的動態(tài)與均衡三、降水對泉流量的影響 降水對泉流量的影響，也會出現(xiàn)類似的情況。一次降雨使泉水量出現(xiàn)一個波形的增加，若干次降雨所引起的波形相迭合，削峰填谷的結(jié)果，會使泉流量遠較降水變化為穩(wěn)定。 北方許多巖溶大泉流量動態(tài)之所以很穩(wěn)定，原因就在此。 由此可見，間斷性的降水，通過含水層（含水系統(tǒng)）的變換，將轉(zhuǎn)化成比較連續(xù)的地下水位變化或泉流量變化，這是信號滯后，延遲與迭加的結(jié)果。8第九章 地下水的動態(tài)與均衡9.2.2 影響地下水動態(tài)的因素 把地下水動態(tài)看作是含水層（含水系統(tǒng)）連續(xù)的信息輸出，就可將影響地下水動態(tài)的因素分為兩類： 一類是環(huán)境對含水層（含水系統(tǒng)）的信息輸入，如降水、

5、地表水對地下水的補給，人工開采或補給地下水，地應(yīng)力對地下水的影響等； 另一類則是變換輸入信息的因素，主要涉及賦存地下水的地質(zhì)地形條件。9第九章 地下水的動態(tài)與均衡10第九章 地下水的動態(tài)與均衡 054#位于渭河一級階地，1990年以前變化并不明顯，2002年后年平均地下水位要明顯低于1990年以前，其主要原因應(yīng)該是上世紀90年代以后降雨量偏少導(dǎo)致補給來源減少，同時人口的增加、經(jīng)濟的發(fā)展又增加了開采量，這些都是地下水位持續(xù)下降的原因。11第九章 地下水的動態(tài)與均衡 057-1#位于渭河二級階地，1986年后地下水位開始下降，2002年后水位與1990相比有較大的降落。與一級階地類似，其主要原因應(yīng)

6、該是上世紀90年代以后降雨量偏少導(dǎo)致補給來源減少，同時人口的增加、經(jīng)濟的發(fā)展又增加了開采量，需要指出的是該地區(qū)是工業(yè)中心、人口密集地，地下水的開發(fā)量更大，下降的幅度也更大。12第九章 地下水的動態(tài)與均衡064#065#13第九章 地下水的動態(tài)與均衡 064#、065#位于渭北黃土臺原灌區(qū)，灌溉是地下水位變化的主要影響因素，這從1985、1986、1987三個降雨偏少年份地下水位持續(xù)上升可以得到證實。 據(jù)咸陽水利志記載，“1984年9月，咸陽市南部的秦都、興平、武功、楊凌、三原、涇陽、乾縣、禮泉的明水面積達40413畝，興平縣明水在店張洼地一帶；地下水位在0.5m以下的有175110畝；在0.5

7、1.5m的有414652畝”，而后，相關(guān)部門注重井灌渠灌結(jié)合，加強排澇工作，多數(shù)地區(qū)地下水上升得到了控制。14第九章 地下水的動態(tài)與均衡一、氣象（氣候）因素 氣象（氣候）因素對潛水動態(tài)影響最為普遍。 降水的數(shù)量及其時間分布，影響潛水的補給，從而使?jié)撍畬铀吭黾樱惶?，水質(zhì)變淡。 氣溫、濕度、風(fēng)速等與其它條件結(jié)合，影響著潛水的蒸發(fā)排泄，使?jié)撍孔兩?，水位降低，水質(zhì)變咸。 氣象（氣候）要素周期性地發(fā)生晝夜、季節(jié)與多年變化，因之，潛水動態(tài)也存在著晝夜變化、季節(jié)變化及多年變化。其中季節(jié)變化最為顯著且最有意義。 我國東部屬季風(fēng)氣候區(qū)，雨季出現(xiàn)于春夏之交。大體自南而北由5月至7月先后進入雨季，降

8、水顯著增多，潛水位逐漸抬高，并達到峰值。15第九章 地下水的動態(tài)與均衡 雨季結(jié)束，補給逐漸減少，潛水由于徑流及蒸發(fā)排泄，水位逐漸回落，到翌年雨季前，地下水位達到谷值。 因此，全年潛水位動態(tài)表現(xiàn)為單峰單谷（圖93）。圖中3月份水位少量抬升與季節(jié)凍土融化補給地下水有關(guān)。16第九章 地下水的動態(tài)與均衡 氣候還存在多年的周期性波動。 例如，周期為11年的太陽黑子變化，影響豐水期與干旱期的交替，從而使地下水位呈同一周期變化（圖94）。17第九章 地下水的動態(tài)與均衡二、水文因素 隨著遠離河流，地下水位抬升的時間滯后和延遲增大，波形趨于平緩。 河岸及含水層的滲透性越強，地下水位響應(yīng)的時間滯后和延遲愈小。 含

9、水層厚度愈大，波形愈平緩。 給水度愈大，波形愈？18第九章 地下水的動態(tài)與均衡三、地質(zhì)因素（影響輸入信息變換）1）之于降水入滲補給的過程 當(dāng)降水補給地下水時，包氣帶厚度與巖性控制著地下水位對降水的響應(yīng)。 潛水埋藏深度愈大，對降水脈沖的濾波作用愈強；相對于降水，地下水位抬高的時間滯后與延遲愈長；水位歷時曲線呈現(xiàn)為較寬緩的波。 包氣帶巖性的滲透性愈好，則濾波作用愈弱；地下水位抬升的時間滯后與延遲?。凰v時曲線波形較陡。19第九章 地下水的動態(tài)與均衡2）潛水的動態(tài)降水補給 量對潛水動態(tài)的影響 潛水儲存量的變化是以給水度 與水位變幅 h 的乘積表示的。當(dāng)儲存量變化相同時，給水度愈小，水位變幅便愈大。

10、 巖溶化巖層滲透性良好但巖溶率（相當(dāng)于給水度）則較低，巖溶水的包氣帶缺乏濾波作用，較小的巖溶率則起了放大地下水位對降水補給的響應(yīng)，地下水位變幅在分水嶺地區(qū)可達數(shù)十米甚至更多。20第九章 地下水的動態(tài)與均衡3）之于承壓水 對于承壓含水層來說，隔水頂板限制了它與外界的聯(lián)系，它主要通過補給區(qū)（潛水分布區(qū)）與大氣圈與地表水圈發(fā)生聯(lián)系，當(dāng)頂板為弱透水層時，還通過弱透水頂板與外界聯(lián)系。 由于以上原因，承壓水動態(tài)變化通常比潛水小。在前一種情況下，接受降水補給時，補給區(qū)的潛水位變化比較明顯，隨著遠離補給區(qū)，變化漸弱，以至于消失。 從補給區(qū)向承壓區(qū)傳遞降水補給影響時，含水層的滲透性愈好，厚度愈大，給水度愈小，則

11、波及的范圍愈大。 承壓含水層埋藏愈深，構(gòu)造封閉性愈好，與外界的水力聯(lián)系愈弱，則由于大氣圈及地表水圈變化而引起的動態(tài)變化愈微弱。21第九章 地下水的動態(tài)與均衡4）其它地質(zhì)因素（作為輸入/激勵）影響承壓含水層的水位變動（偽變化） 承壓含水層的水位變動還可以由于固體潮、地震等引起，這時地質(zhì)因素成為環(huán)境對地下水的輸入。 在內(nèi)陸地區(qū)，承壓含水層中可觀測到周期為12小時的測壓水位波動。這是由于月亮和太陽對地球吸引造成的。 當(dāng)月亮運行到某點“頭頂”時，由于月亮的吸引，承壓含水層因載荷減少而引起輕度膨脹，測壓水位便下降。 月亮遠離時，承壓含水層載荷增加，輕度壓縮，測壓水位便上升。 由固體潮引起的地下水位變幅可

12、達數(shù)個厘米。 1975年2月4日遼寧海城7.3級大地震22第九章 地下水的動態(tài)與均衡氡（Rn）是由放射性元素鐳衰變產(chǎn)生的自然界唯一的天然放射性稀有氣體，無色無味。Bq也就是貝克勒爾，定義是放射性元素每秒有一個原子發(fā)生衰變時，其活度即為1貝克勒爾。100Bq/L也就是每升氣體中每秒有100個原子發(fā)生衰變。23第九章 地下水的動態(tài)與均衡 由于地震波的傳遞，大地震可以使距震中數(shù)千公里以外的某些敏感的深層承壓水井產(chǎn)生厘米級的水位波動。 據(jù)認為，這是由于地震孕震及發(fā)震過程中地應(yīng)力的變化使巖層壓縮或膨脹，從而引起震區(qū)以至遠方孔隙水壓力的異常變化，承壓含水層測壓水位因而波動。與此相應(yīng)，有時震前地下水化學(xué)成分

13、也會改變。 與其它方法配合，監(jiān)測地下水動態(tài)可以作為預(yù)報地震的一種重要手段。 應(yīng)當(dāng)注意，固體潮、地震等引發(fā)的地下水位波動只是能量的傳遞而不涉及地下水儲存量的變化。這種能量傳遞距離遠，速度快。 例如，1950年12月9日阿根廷一智利邊境發(fā)生大地震，40分鐘后遠在8050km之外的美國威斯康星州密爾窩基城一個深井發(fā)生不到5cm的測壓水位波動，地震波傳遞速率約為200km/min。24第九章 地下水的動態(tài)與均衡9.2.3 地下水天然動態(tài)類型 潛水與承壓水由于排泄方式及水交替程度不同，動態(tài)特征也不相同。 潛水及松散沉積物淺部的水，可分為三種主要動態(tài)類型：蒸發(fā)型、徑流型及弱徑流型。2526第九章 地下水的

14、動態(tài)與均衡 蒸發(fā)型動態(tài)出現(xiàn)于干旱半干旱地區(qū)地形切割微弱的平原或盆地。 此類地區(qū)地下水徑流微弱，以蒸發(fā)排泄為主。 雨季接受入滲補給，潛水位普遍以不大的幅度（通常為13m）抬升，水質(zhì)相應(yīng)淡化。隨著埋深變淺，旱季蒸發(fā)排泄加強，水位逐漸下降，水質(zhì)逐步鹽化。降到一定埋深后，蒸發(fā)微弱，水位趨于穩(wěn)定。 此類動態(tài)的特點是：年水位變幅小，各處變幅接近，水質(zhì)季節(jié)變化明顯，長期中地下水不斷向鹽化方向發(fā)展，并使土壤鹽漬化。27第九章 地下水的動態(tài)與均衡 徑流型動態(tài)廣泛分布于山區(qū)及山前。 地形高差大，水位埋藏深，蒸發(fā)排泄可以忽略，以徑流排泄為主。 雨季接受入滲補給后，各處水位抬升幅度不等。接近排泄區(qū)的低地，水位上升幅度

15、小；遠離排泄點的高處，水位上升幅度大；因此，水力梯度增大，徑流排泄加強。 補給停止后，徑流排泄使各處水位逐漸趨平。 此類動態(tài)的特點是：年水位變幅大而不均（由分水嶺到排泄區(qū)，年水位變幅由大到?。?，水質(zhì)季節(jié)變化不明顯，長期中則不斷趨于淡化。28第九章 地下水的動態(tài)與均衡 氣候濕潤的平原與盆地中的地下水動態(tài)，可以歸為弱徑流型。 這種地區(qū)地形切割微弱，潛水埋藏深度小，但氣候濕潤，蒸發(fā)排泄有限，故仍以徑流排泄為主，但徑流微弱。 此類動態(tài)的特征是：年水位變幅小，各處變幅接近，水質(zhì)季節(jié)變化不明顯，長期中向淡化方向發(fā)展。 承壓水均屬徑流型，動態(tài)變化的程度取決于構(gòu)造封閉條件。構(gòu)造開啟程度愈好，水交替愈強烈，動態(tài)

16、變化愈強烈，水質(zhì)的淡化趨勢愈明顯。29第九章 地下水的動態(tài)與均衡 人類活動通過增加新的補給來源或新的排泄去路而改變地下水的天然動態(tài)。 在天然條件下，由于氣候因素在多年中趨于某一平均狀態(tài)，因此，一個含水層或含水系統(tǒng)的補給量與排泄量在多年中保持平衡。反映地下水儲量的地下水位在某一范圍內(nèi)起伏，而不會持續(xù)地上升或下降。 地下水的水質(zhì)則在多年中向某一方向（鹽化或者淡化）發(fā)展。9.2.4 人為影響下的天然動態(tài)類型30第九章 地下水的動態(tài)與均衡 鉆孔采水，礦坑或渠道排除地下水后，人工采排成為地下水新的排泄去路；含水層或含水系統(tǒng)原來的均衡遭到破壞，天然排泄量的一部或全部轉(zhuǎn)為人工排泄量，天然排泄不再存在，或數(shù)量

17、減少（泉流量、泄流量減少，蒸發(fā)減弱），并可能增加新的補給量（含水層由向河流排泄變成接受河流補給；原先潛水埋深過淺降水入滲受限制的地段，因水位埋深加大而增加降水入滲補給量）。 如果采排地下水一段時間后，新增的補給量及減少的天然排泄量與人工排泄量相等，含水層水量收支達到新的平衡。在動態(tài)曲線上表現(xiàn)為：地下水位在比原先低的位置上，以比原先大的年變幅波動，而不持續(xù)下降。31第九章 地下水的動態(tài)與均衡 河北饒陽縣五公地區(qū)，開采第四系潛水及淺層承壓水作為灌溉水源。 每年35（6）月采水灌溉，水位降到最低點。 6（7）月雨季開始，采水停止，降水入滲及周圍地下水徑流補給，使水位迅速上升。雨季結(jié)束后，周圍的徑流流入填充開采漏斗，水位繼續(xù)緩慢上升。 翌年采水前期，水位達到最高點。 這一動態(tài)變化顯示了天然因素和人為因素的綜合影響（圖96）。 由1973年至1977