水文地质学基础第九章

水文地质学基础FundamentalsofHydrogeology第九章地下水的动态与均衡9.1地下水动态与均衡的概念9.2地下水动态9.3地下水均衡•含水层（含水系统）始终与环境发生物质、能量、信息的交换，时刻处于变化之中。•地下水动态的概念：在与环境相互作用下,含水层各要素(水位、水量、水化学成分、水温等)随时间的变化,称作地下水动态。•地下水要素随时间发生变动的原因：含水层(含水系统)水量、盐量、热量、能量收支不平衡的结果。当含水层的补给水量大于排泄水量时,储存水量增加,地下水位上升；当补给量小于排泄量时,储存水量减少,水位下降。盐量、热量、能量的收支不平衡,会使地下水水质、水温或水位发生相应变化。•地下水位的变化反映了地下水所具有的势能的变化。而地下水势能变化可以由于获得水量补给储存水量增加引起,也可以与水量增减无关。例如：当含水层受到地应力作用,赋存地下水的含水介质受到压应力并将其传递到地下水上时,地下水位也会上升；这种情况下地下水位虽有上升但并不意味着其水量增加。•研究地下水动态的意义：地下水动态反映了地下水要素随时间变化的状况，为了合理利用地下水或有效防范其危害，必须掌握地下水动态；地下水动态提供给我们关于含水层或含水系统的不同时刻的系列化信息，因此，在检验所作出的水文地质结论，在论证人们所采用的利用或防范地下水的水文地质措施是否得当时，地下水动态资料是最权威的判据。•地下水均衡的概念：某一时间段内某一地段内地下水水量(盐量、热量、能量)的收支状况称作地下水均衡。•地下水动态与地下水均衡间的关系：动态是均衡的外部表现；均衡是动态的内在根源。研究地下水动态与均衡的意义：•查清地下水的补给、排泄条件；•阐明地下水资源条件；•确定含水层之间、含水层与地表水体的关系。•地下水动态的形成机制•影响地下水动态的因素•地下水天然动态类型•人类活动影响下的地下水动态9.2地下水动态一、地下水动态的形成机制形成机制的理解：•地下水动态是含水层(含水系统)对环境施加的激励所产生的响应；•地下水动态是含水层(含水系统)将输入信息变换后产生的输出信息。实例分析：分析降雨对地下水位的影响•一次降雨：通常持续数小时到数天，把它看作是发生于某一时刻的“脉冲”。同一时刻的降雨,在包气带中通过大小不同的空隙以不同速度下渗。当运动最快的水滴到达地下水面时，地下水位开始上升，占比例最大的水量到达地下水面时，地下水位的上升达到峰值；运动最慢的水滴到达地下水面后,降水的影响结束。与一个降水脉冲相对应,作为响应的地下水位的抬升表现为一个波形。或者说，经过含水层(含水系统）的变换,一个脉冲信号变成了一个波信号。与对应的脉冲相比较,波的出现有一个时间滞后a,并持续某一时间延迟b。•多次降雨：当相邻的两次或多次降雨接近，各次降雨引起的地下水抬升的波形相互迭合。当各个波峰迭加时,会迭合成更高的波峰（图a、b、c),地下水位会出现一个峰值。实际情况下，多是各个波形的波峰与波谷迭合,削峰填谷,构成平缓的复合波形（图d、e、f)。•降水对泉流量的影响：一次降雨使泉水量出现一个波形的增加，若干次降雨所引起的波形相迭合，削峰填谷的结果，使泉流量远较降水变化为稳定。北方的许多岩溶大泉流量动态稳定就是此原因。间断性的降水,通过含水层(含水系统)的变换,将转化成比较连续的地下水位变化或泉流量变化。这是信号滞后、延迟与迭加的结果。•地下水动态的特点：连续性随机性周期性二、影响地下水动态的因素按照地下水动态是含水层(含水系统)连续的信息输出的理解，将影响地下水动态的因素分为两类:①环境对含水层(含水系统)的信息输入：如降水、地表水的补给，人工开采或补给地下水，地应力对地下水的影响等；②变换输入信息的因素：赋存地下水的地质、地形条件。•影响地下水动态的主要自然因素：气候（气象）因素水文因素地质因素植被因素•特点：大面积、普遍产生影响（主要是降水与蒸发）•气象（气候）因素对潜水动态的影响：特点：普遍性最好过程：a.降水的数量及其时间分布，影响潜水的补给，从而使潜水含水层水量增加，水位抬升，水质变淡；b.气温、湿度、风速等与其它条件结合，影响着潜水的蒸发排泄，使潜水水量变少，水位降低，水质变咸。1.气象（气候）因素—决定动态总轮廓•气象（气候）要素的周期性变化：降水的昼夜变化降水的年内季节性变化降水的多年变化（如11年周期）•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季节变化最突出、最有意义分析气象因素对潜水位的影响时，必须区分潜水位的真变化与伪变比。实践中，应当考虑多年的地下水位与水量的变化。•气候存在多年周期性波动例如：周期为11年的太阳黑子变化，影响丰水期与干旱期的交替，使地下水位呈同一周期变化。重大的长期性地下水供排水设施，应当考虑多年的地下水位与水量的变化：•供水工程应根据多年资料分析地下水位最低时水量能否满足要求；•排水工程要考虑多年最高地下水位时的排水能力。•缺乏地下水多年观测资料时，可利用多年的气象、水文资料，或根据树木年轮、历史资料与考古资料，推测地下水多年动态。2.水文因素地表水体补给地下水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至数公里,此范围以外,主要受气候影响。•地质因素对地下水动态影响的主要体现：补、排与径流条件的变化——反映对地下水文要素的变幅和滞后时间等特征的影响。地质构造——决定地下水、大气水、地表水的不同联系，反映出受气候、水文因素的影响程度不同，因而出现不同的动态特征。3.地质因素地质因素是影响输入信息变换的因素。当降水补给地下水时,包气带厚度与岩性控制着地下水位对降水的响应。潜水埋深愈大，对降水脉冲的滤波作用愈强；相对于降水，地下水位抬高的时间滞后与延迟愈长；水位历时曲线呈现为较宽缓的波。包气带岩性的渗透性愈好，则滤波作用愈弱；地下水位抬升的时间滞后与延迟小；水波历时曲线波形较陡。潜水储存量的变化是以给水度与水位变幅△h的乘积表示的，即：当储存量变化相同时，给水度愈小，水位变幅愈大。河水引起潜水位变动时，含水层的透水性愈好，厚度愈大，含水层的给水度愈小，则波及范围愈远。hQ储承压水动态变化比潜水小：a.降水补给时，补给区的潜水位变化较明显，随着远离补给区，变化渐弱，以至于消失；b.从补给区向承压区传递降水补给影响时，含水层的渗透性愈好，厚度愈大，给水度愈小，则波及的范围愈大；c.承压含水层埋藏愈深，构造封闭性愈好，与外界的水力联系愈弱，则引起的动态变化愈微弱；d.承压含水层的水位变动可以由于固体潮、地震等引起，这时地质因素成为环境对地下水的输入。三、地下水天然动态类型潜水（松散沉积物浅部水）的天然动态类型:蒸发型径流型弱径流型蒸发型动态分布区：干旱半干旱地区地形切割微弱平原或盆地。动态特征：地下水径流微弱，以蒸发排泄为主。年水位变幅小，各处变幅相差不大；水质季节变化明显，地下水不断向盐化方向发展，并使土壤盐渍化。渗入——蒸发型的平原潜水径流型动态分布区：山区及山前。动态特征：地形高差大，水位埋藏深，以径流排泄为主。年水位变幅大而不均；水质季节变化不明显，长期则不断趋于淡化。弱径流型分布：气候湿润的平原与盆地。动态特征：地形切割微弱，潜水埋藏深度小，但气候湿润，蒸发排泄有限，以径流排泄为主，但径流微弱。年水位变幅小，各处变幅接近，水质季节变化不明显，长期向淡化方向发展。承压水天然动态类型•承压水均属于径流型•动态变化：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，水质的淡化趋势愈明显。四、人类活动影响下的地下水动态人类活动增加新补给来源或新排泄去路而改变地下水的天然动态。例如：钻孔采水、矿坑或渠道排除地下水后，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破坏：天然排泄量的一部分或全部转为人工排泄量，天然排泄不再存在；天然排泄数量减少；可能增加新的补给量。若采排地下水一段时间后，新增的补给量及减少的天然排泄量与人工排泄量相等，含水层水量收支达到新的平衡。动态曲线表现：地下水位在比原先低的位置上，以比原先大的年变幅波动，而不持续下降。若采排水量过大，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，将不断消耗含水层储存水量，导致地下水位持续下降。修建水库、地表水灌溉等，增加了新的补给来源而使地下水位抬升。如图：河北冀县新庄，1974年初潜水位埋深大于4m，由于灌溉，旱季水位反而上升，到1977年雨季，潜水位已接近地表了。•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，蒸发加强，促使土壤盐渍化。有时，即使原来潜水埋深较大，属径流型动态，但连年灌溉后，可转为蒸发型动态，造成大面积土壤次生盐渍化。•均衡区与均衡期•水均衡方程式•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9.3地下水均衡一、均衡区与均衡期•地下水均衡——以地下水为对象的均衡研究，实质就是应用质量守恒定律去分析参与水循环的各要素的数量关系。•地下水均衡研究的目的——阐明某区在某一段时间内，地下水水量（盐量、热量)收入与支出之间的数量关系。•地下水均衡要素水均衡：指以地下水体为对象，某一地区在某一时间段内地下水量的收支均衡状况。均衡要素：均衡区、均衡期、收支项、调蓄项均衡区：均衡计算所选定的地区。均衡期：均衡计算的时间段（若干年、年、月）。正均衡：某一均衡区，在一定均衡期内，地下水水量（或盐量、热量）的收入大于支出，表现为地下水储存量（或盐储量、热储量）增加。负均衡：支出大于收入，地下水储存量(或盐储量、热储量)减少地下水动态与均衡的关系：均衡是地下水动态变化的内在原因，动态则是地下水均衡的外部表现。计算方法：均衡研究必须分析均衡的收入项与支出项，列出均衡方程式。通过测定或估算列入均衡方程式的各项，以求算某些未知项。二、水均衡方程式陆地上某一地区天然状态下总的水均衡：•收入项（A）一般包括：降水量（X）、地表水流入量（Y1）、地下水流入量（W1）、水汽凝结量（Z1）。•支出项（B)一般为：地表水流出量（Y2）、地下水流出量（W2）、蒸发量（Z2)。•均衡期水的储存量变化量：△ω1•地下水均衡方程式：收入项总量-支出量总量=调蓄项变化量，即：（∑Q补—∑Q消）Δt=±µFΔh•物理意义：某均衡区，在一定均衡期内，总补给量与总消耗量之差等于储存量的变化量。三种状态的均衡方程：•a.天然条件下的均衡方程：(∑Q天补—∑Q天消)Δt=±µFΔh•b.开采条件下的均衡方程：(∑Q开补—∑Q开消）Δt=±µFΔh•c.多年均衡期条件下（地下水保持多年均衡，即Δh＝0）的均衡方程：∑Q补Δt=∑Q消Δt均衡期水储存量的变化（水均衡方程式）：水储存量变化△ω中包括：地表水变化量（Ｖ）包气带水变化量（ｍ）潜水变化量(μ△hｃ）承压水变化量（μｅ△hｃ）BA潜水的收入项(A)：•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）•下伏承压含水层越流补给潜水水量（Qｔ）。潜水支出项(B):•潜水蒸发量(Zu,包括土面蒸发、叶面蒸发)•以泉或泄流形式排泄量(Qd)•下游断面流出量(Wｕ２）。潜水储存量变化量：μΔhhBA)()(21udutucffWQZQWZYXhu•潜水均衡方程式的一般形式：•一定条件下，一般形式的均衡方程中某些均衡项可取消，方程可简化为：Xf+Yf-Zu=μΔh•多年均衡条件下，=0，得：uffZYXh即典型干旱半干旱平原潜水均衡方程式，表示渗入补给潜水的水量全部消耗于蒸发。典型湿润山区潜水均衡方程式：即入渗补给的水量全部以径流形式排泄。dffQYX三、人类活动影响下的地下水均衡•研究意义：研究人类活动影响下的地下水均衡，可以定量评价人类活动对地下水动态的影响，预测其水量水质变化趋势，并据此提出调控地下水动态，使之朝向对人类有利的方