專(zhuān)門(mén)水文地質(zhì)學(xué) 05 地下水動(dòng)態(tài)與均衡

回顧當(dāng)前進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查常用的方法有六類(lèi)：水文地質(zhì)測(cè)繪（地下水資源地面調(diào)查）水文地質(zhì)鉆探水文地質(zhì)物探水文地質(zhì)化探水文地質(zhì)(現(xiàn)場(chǎng))試驗(yàn)地下水動(dòng)態(tài)與均衡觀測(cè)地下水動(dòng)態(tài)與均衡地下水動(dòng)態(tài)與均衡的概念地下水動(dòng)態(tài)與均衡研究的意義及基本任務(wù)地下水動(dòng)態(tài)的影響因素及動(dòng)態(tài)類(lèi)型地下水動(dòng)態(tài)與均衡的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目地下水動(dòng)態(tài)的概念

地下水資源和其它礦產(chǎn)資源的最主要區(qū)別是，其量和質(zhì)總是隨著時(shí)間而不停地變化著。地下水動(dòng)態(tài)即是指表征地下水?dāng)?shù)量與質(zhì)量的各種要素（如水位、泉流量、開(kāi)采量、溶質(zhì)成分與含量、溫度等）隨時(shí)間而變化的規(guī)律。其變化規(guī)律可以是周期性（晝夜、季節(jié)性、多年）的變化，也可以是趨勢(shì)性的變化。在人為因素（開(kāi)采或回灌）的影響下，地下水動(dòng)態(tài)變化將會(huì)更加強(qiáng)烈。這種強(qiáng)烈的變化，可能對(duì)地下水本身和環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的后果。

地下水均衡，就是指這種在一定范圍、一定時(shí)間內(nèi)，地下水水量、溶質(zhì)含量及熱量等的補(bǔ)充（流入）與消耗（流出）量之間的數(shù)量關(guān)系。當(dāng)補(bǔ)充與消耗量相等時(shí)，地下水（量與質(zhì)）處于均衡狀態(tài)；當(dāng)補(bǔ)充量小于消耗量時(shí)，地下水處于負(fù)均衡狀態(tài)；當(dāng)補(bǔ)充量大于消耗量時(shí)，地下水處于正均衡狀態(tài)。地下水在天然條件下，一般多處于均衡狀態(tài)；在人為活動(dòng)影響下，則可能出現(xiàn)負(fù)均衡或正均衡狀態(tài)。地下水均衡的概念地下水動(dòng)態(tài)和均衡的關(guān)系動(dòng)態(tài)是均衡的外部表現(xiàn)，均衡是動(dòng)態(tài)變化的內(nèi)在原因。

地下水的動(dòng)態(tài)變化（地下水各要素，如地下水位、水量、水化學(xué)成份、水溫等之所以隨時(shí)間發(fā)生變化）是含水層水量、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。輸入與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系

a—時(shí)間滯后；b—時(shí)間延遲地下水動(dòng)態(tài)是含水層（含水系統(tǒng)）對(duì)外部環(huán)境施加的激勵(lì)（輸入）所產(chǎn)生的響應(yīng)（輸出）。以降雨為例說(shuō)明地下水動(dòng)態(tài)的形成機(jī)制：降水→補(bǔ)給地下水系統(tǒng)→

水位上升。地下水動(dòng)態(tài)（對(duì)外界響應(yīng)）特點(diǎn)：在時(shí)間上表現(xiàn)為滯后和延遲。地下水動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)地下水動(dòng)態(tài)與均衡地下水動(dòng)態(tài)與均衡的概念地下水動(dòng)態(tài)與均衡研究的意義及基本任務(wù)地下水動(dòng)態(tài)的影響因素及動(dòng)態(tài)類(lèi)型地下水動(dòng)態(tài)與均衡的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目地下水動(dòng)態(tài)與均衡研究的意義

研究地下水動(dòng)態(tài)與均衡，對(duì)于認(rèn)識(shí)區(qū)域水文地質(zhì)條件、水量和水質(zhì)評(píng)價(jià)，以及水資源的合理開(kāi)發(fā)與管理，都具有非常重要的意義。任何目的、任何勘查階段的水文地質(zhì)調(diào)查，都必須重視地下水動(dòng)態(tài)與均衡的研究工作。由于對(duì)地下水動(dòng)態(tài)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，往往要經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的資料積累才能得出結(jié)論，因此在水文地質(zhì)調(diào)查時(shí)，應(yīng)盡早開(kāi)展地下水動(dòng)態(tài)與均衡研究。地下水動(dòng)態(tài)與均衡研究的意義其研究意義具體表現(xiàn)在：（1）在天然條件下，地下水的動(dòng)態(tài)是地下水埋藏條件和形成條件的綜合反映。因此，可根據(jù)地下水的動(dòng)態(tài)特征分析、認(rèn)識(shí)地下水的埋藏條件、水量、水質(zhì)形成條件和區(qū)分不同類(lèi)型的含水層。（2）地下水動(dòng)態(tài)是均衡的外部表現(xiàn)，故可利用地下水動(dòng)態(tài)資料去計(jì)算地下水的某些均衡要素。（3）由于地下水的數(shù)量與質(zhì)量均隨著時(shí)間而變化，因此一切水量、水質(zhì)的計(jì)算與評(píng)價(jià)，都必須有時(shí)間的概念。如對(duì)同一含水層來(lái)說(shuō)，在雨季、旱季、豐水年、枯水年，其水資源數(shù)量與水質(zhì)都可能大不一樣。因此，地下水動(dòng)態(tài)資料是地下水資源評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)時(shí)必不可少的依據(jù)。地下水動(dòng)態(tài)與均衡研究的意義（4）用任何方法計(jì)算的地下水允許開(kāi)采量，都必須能經(jīng)受地下水均衡計(jì)算的檢驗(yàn)；任何地下水開(kāi)采方案，都必須受地下水均衡量的約束。為盡可能地減少開(kāi)采地下水引起的負(fù)作用，開(kāi)采量一般不能超過(guò)地下水的補(bǔ)給量，即不應(yīng)破壞地下水的均衡狀態(tài)。（5）研究地下水的均衡狀態(tài)，可預(yù)測(cè)地下水水量、水質(zhì)及與地下水有關(guān)的環(huán)境地質(zhì)作用的變化及總體發(fā)展趨勢(shì)。因此，在各種目的的水文地質(zhì)勘探中，都規(guī)定進(jìn)行一定時(shí)期的地下水長(zhǎng)期觀測(cè)，以便進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)與均衡的研究?？碧诫A段愈詳細(xì)，長(zhǎng)期觀測(cè)工作量愈大，要求的精確度愈高。地下水動(dòng)態(tài)與均衡研究的基本任務(wù)一、研究地下水動(dòng)態(tài)的基本任務(wù)（1）正確布設(shè)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)，對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的頻率、監(jiān)測(cè)次數(shù)及監(jiān)測(cè)時(shí)間作出科學(xué)的規(guī)定。（2）根據(jù)所獲得的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，分析地下水動(dòng)態(tài)的年內(nèi)及年際間的變化規(guī)律。動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，主要是指某種動(dòng)態(tài)要素隨時(shí)間的變化過(guò)程、變化形態(tài)及變幅大小等的水文地質(zhì)意義，變化的周期性與趨勢(shì)性，并通過(guò)不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目動(dòng)態(tài)特征的對(duì)比，確定它們之間的相關(guān)關(guān)系。（3）根據(jù)所獲得的各種動(dòng)態(tài)資料，考慮各種影響因素（水文、氣象、開(kāi)采或人工補(bǔ)給地下水等）的作用，確定區(qū)內(nèi)地下水的成因類(lèi)型。為認(rèn)識(shí)區(qū)域地下水的埋藏條件，水質(zhì)、水量的形成條件及有害環(huán)境地質(zhì)作用的產(chǎn)生和發(fā)展原因等，提供動(dòng)態(tài)上的佐證。地下水動(dòng)態(tài)與均衡研究的基本任務(wù)二、研究地下水均衡的基本任務(wù)（1）為進(jìn)行均衡研究，首先要確定均衡區(qū)的范圍及邊界的位置與性質(zhì)。當(dāng)區(qū)域較大，各地段的地下水均衡要素組成又不相同時(shí)，應(yīng)劃分均衡亞區(qū)。為便于均衡計(jì)算，每個(gè)均衡區(qū)（或亞區(qū)）最好是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。均衡區(qū)的邊界最好是性質(zhì)比較明確、位置比較清楚的某一自然邊界（或地質(zhì)界線(xiàn)）。（2）確定均衡區(qū)內(nèi)地下水均衡要素的組成及地下水水量或水質(zhì)均衡方程的基本形式。在建立方程時(shí)，應(yīng)考慮到，同一均衡區(qū)在不同的時(shí)段，其均衡要素的組成可能是不同的。因此，在均衡計(jì)算之前，還應(yīng)劃分出均衡計(jì)算的時(shí)段，即確定出均衡期。地下水動(dòng)態(tài)與均衡研究的基本任務(wù)（3）通過(guò)直接（野外實(shí)測(cè)或室內(nèi)測(cè)定）或間接（參數(shù)計(jì)算）方法，確定出地下水各項(xiàng)均衡要素值，為地下水水量、水質(zhì)的計(jì)算與預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。（4）通過(guò)區(qū)域水均衡計(jì)算，確定出區(qū)內(nèi)地下水的均衡狀態(tài)，預(yù)測(cè)某些水文地質(zhì)條件的變化方向，為制定合理的地下水開(kāi)發(fā)方案及科學(xué)管理措施提供基本依據(jù)。地下水動(dòng)態(tài)與均衡地下水動(dòng)態(tài)與均衡的概念地下水動(dòng)態(tài)與均衡研究的意義及基本任務(wù)地下水動(dòng)態(tài)的影響因素及動(dòng)態(tài)類(lèi)型地下水動(dòng)態(tài)與均衡的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目影響地下水動(dòng)態(tài)的因素主要有三類(lèi)：外部環(huán)境對(duì)含水層（含水系統(tǒng)）的信息輸入：氣象(氣候)因素、水文因素；影響輸入—輸出關(guān)系的轉(zhuǎn)換因素，主要涉及賦存地下水的地質(zhì)環(huán)境條件——地質(zhì)因素。人為因素，包括開(kāi)采、人工回灌、灌溉、庫(kù)渠滲漏、污水排放等等。

地下水動(dòng)態(tài)的影響因素地下水動(dòng)態(tài)的影響因素

氣象（氣候）因素對(duì)潛水動(dòng)態(tài)影響最為普遍。

降水的數(shù)量及其時(shí)間分布，影響潛水的補(bǔ)給，從而使?jié)撍畬铀吭黾?，水位抬升?/p>

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(dòng)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。一、氣象（氣候）因素1954－1955年北京地區(qū)潛水動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)降水潛水位1—?dú)鉁兀?—相對(duì)濕度；3—降水量；4—潛水位；5—蒸發(fā)量

二、水文因素—河水

河水的影響：主要取決于含水層（地下水系統(tǒng)）距地表水體的遠(yuǎn)近。

萊茵河對(duì)潛水的影響

1、2、3、4、5—觀測(cè)井中潛水位，數(shù)字大的距河遠(yuǎn)；6—萊茵河水位地下水動(dòng)態(tài)的影響因素地下水動(dòng)態(tài)的影響因素

當(dāng)降水補(bǔ)給地下水時(shí)，包氣帶厚度與巖性控制著地下水位對(duì)降水的響應(yīng)。

潛水埋藏深度愈大，相對(duì)于降水，地下水位抬高的時(shí)間滯后與延遲愈長(zhǎng)；水位歷時(shí)曲線(xiàn)呈現(xiàn)為較寬緩的波。

包氣帶巖性的滲透性愈好，地下水位抬升的時(shí)間滯后與延遲??；水波歷時(shí)曲線(xiàn)波形較陡。三、地質(zhì)因素——（影響輸入信息變換）

潛水儲(chǔ)存量的變化為△

Q=μ*△h。當(dāng)△

Q相同時(shí)，μ愈小，△h變幅愈大。地下水動(dòng)態(tài)的影響因素四、人為活動(dòng)影響下的地下水動(dòng)態(tài)

在天然條件下，由于氣候因素在多年中趨于某種平均狀態(tài)。因此，一個(gè)含水層或含水系統(tǒng)的補(bǔ)給量與排泄量在多年中保持平衡。地下水儲(chǔ)量的地下水位在某一范圍內(nèi)起伏，而不會(huì)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。人類(lèi)活動(dòng)通過(guò)增加新的補(bǔ)給來(lái)源或新的排泄去路而改變地下水的天然動(dòng)態(tài)。

采排水量過(guò)大，天然排泄量的減量與補(bǔ)給量的增量的總和，不足以?xún)斞a(bǔ)人工排泄量時(shí)，則將不斷消耗含水層儲(chǔ)存水量，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降。地下水動(dòng)態(tài)的影響因素

修建水庫(kù)、利用地表水灌溉等，增加了新的補(bǔ)給來(lái)源而使地下水位抬升。河北冀縣新莊，1974年初潛水位埋深大于4m，由于灌溉，旱季水位反而上升，到1977年雨季，潛水位已接近地表了。地下水動(dòng)態(tài)的影響因素地下水動(dòng)態(tài)的影響因素地下水動(dòng)態(tài)類(lèi)型地下水動(dòng)態(tài)類(lèi)型地下水動(dòng)態(tài)類(lèi)型地下水動(dòng)態(tài)與均衡地下水動(dòng)態(tài)與均衡的概念地下水動(dòng)態(tài)與均衡研究的意義及基本任務(wù)地下水動(dòng)態(tài)的影響因素及動(dòng)態(tài)類(lèi)型地下水動(dòng)態(tài)與均衡的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目地下水動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)大多數(shù)水文地質(zhì)勘查任務(wù)來(lái)講，地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的基本項(xiàng)目都應(yīng)包括地下水水位、水溫、水化學(xué)成分和井、泉流量等。對(duì)與地下水有水力聯(lián)系的地表水水位與流量，以及礦山井巷和其它地下工程的出水點(diǎn)、排水量及水位標(biāo)高也應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。水質(zhì)的監(jiān)測(cè)，一般是以水質(zhì)簡(jiǎn)分析項(xiàng)目作為基本監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，再加上某些選擇性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。選擇性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是指那些在本地區(qū)地下水中已經(jīng)出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的特殊成分及污染物質(zhì)，或被選定為水質(zhì)模型模擬因子的化學(xué)指標(biāo)。為掌握區(qū)內(nèi)水文地球化學(xué)條件的基本趨勢(shì)，可在每年或隔年對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)進(jìn)行一次全分析。地下水動(dòng)態(tài)資料，常常隨著觀測(cè)資料系列的延長(zhǎng)而具有更大的使用價(jià)值，故監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置確定后，一般都不要輕易變動(dòng)。地下水均衡的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目地下水的均衡包括水量均衡、水質(zhì)均衡和熱量均衡等不同性質(zhì)的均衡。不同性質(zhì)均衡方程的均衡項(xiàng)目（均衡要素），也就必然有所區(qū)別。以水量為例，討論水量均衡的組成項(xiàng)目。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在任何地區(qū)，在任一時(shí)間段內(nèi)，地下水系統(tǒng)中地下水（或溶質(zhì)或熱）的流入量A（或補(bǔ)充量）與流出量B（或消耗量）之差，恒等于該系統(tǒng)中水（溶質(zhì)或熱）儲(chǔ)存量的變化量ΔW。據(jù)此，我們可直接寫(xiě)出均衡區(qū)在某均衡期內(nèi)的各類(lèi)水量均衡方程?？偹烤夥匠痰囊话阈问綖椋捍髿饨邓?X)地表水流入量(Y1)地下水流入量(W1)水汽凝結(jié)量(Z1)人工引入的水量(R1)收入項(xiàng)(A)地表水流出量(Y2)地下水流出量（W2）蒸發(fā)量(Z1)人工排出的水量(R2)支出項(xiàng)(B)均衡期的存儲(chǔ)量變化△ω＝A–B

(X+Y1+W1+Z1+R1)-(Y2+W2+Z2+R2)=△ω地下水均衡的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)一步寫(xiě)為（單位面積）：式中：μΔh––––潛水儲(chǔ)存量的變化量，其中，μ為潛水位變動(dòng)帶內(nèi)巖石的給水度或飽和差，Δh為均衡期內(nèi)潛水位的變化值；V，P––––分別為地表水體和包氣帶水儲(chǔ)存量的變化量；X––––降水量；Y1，Y2––––地表水的流入和流出量；Z1，Z2––––凝結(jié)水量和蒸發(fā)量（包括地表水面、陸面和潛水的蒸發(fā)量）；W1，W2––––地下徑流的流入和流出量；R1，R2––––人工引入和排出的水量。地下水均衡的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目潛水均衡方程降水入滲補(bǔ)給量(Xf)地表水滲入量(Yf)水汽凝結(jié)量(Zc)上游斷面流入量（Wu1）越流補(bǔ)給量(Qt)收入項(xiàng)(A)潛水蒸發(fā)量(Zu)排泄量(Qd)下游斷面流出量（Wu2）支出項(xiàng)(B)均衡期的潛水儲(chǔ)量變化△ω＝μ△h

(Xf+Yf+Zc

+Wu1+Qt)-(Zu+Qd+Wu2)=μ△h承壓水均衡方程承壓水的水量均衡方程，比潛水簡(jiǎn)單，常見(jiàn)形式為：式中：W1，W2––––地下徑流的流入和流出量；μ*––––承壓含水層的彈性給水度（貯水系數(shù)）；E1––––越流補(bǔ)給量；R2k––––承壓水的開(kāi)采量。小結(jié)

（1）地下水動(dòng)態(tài)是含水系統(tǒng)水量、水質(zhì)收支平衡狀況的綜合表現(xiàn)。

（2）影響地下水動(dòng)態(tài)的因素有：氣象、水文、地質(zhì)條件和人類(lèi)活動(dòng)。

（3）地下水均衡計(jì)算，遵循質(zhì)量守恒定律。

（4）地下水量均衡方程式的一般表達(dá)式為：收入項(xiàng)—支出項(xiàng)=系統(tǒng)儲(chǔ)存量的變化。（5）地下水動(dòng)態(tài)與均衡的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。（6）地下水動(dòng)態(tài)的類(lèi)型。

十多條小溪匯入Mono湖，但是沒(méi)有流出的河流，并且河流的水位沒(méi)有明顯的上漲。這些源源流入的水成為一個(gè)陰森恐怖的謎。

——馬克·吐溫

試圖從水均衡的角度來(lái)解釋馬克·吐溫的疑問(wèn)！

思考題

水均衡方程：流入量-流出量=儲(chǔ)量變化量計(jì)算題1單位：104m3/a降水入滲量地表水補(bǔ)給量地下徑流流入量地下水蒸發(fā)量地下徑流流出量灌溉回滲量枯水年