1、1第九章第九章 地下水的动态与均衡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3第第1 1节节 地下水动态与均衡的概念地下水动态与均衡的概念w动态动态 w 地下水的各要素（水位、水量、水质、水温、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。有规律的变化。年最大变幅（年最大变幅（hmaxhmax)：一年中地下水位最高值与最低：一年中地下水位最高值与最低值的差。值的差。w地下水的水位、水质的变化实质上是由含水系统中地地下水的水位、水质的变化实
2、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。下水的补给量、排泄量、储存量变化的综合表现。Q Q补补 含水层（含水系统）含水层（含水系统）Q Q排排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。衡问题。w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 5第第1 1节节 地下水动态与均衡的概念地下水动态与均衡的概念n均衡区：均衡区：进行均衡计算所
3、选定的地区。进行均衡计算所选定的地区。n均衡期：均衡期：进行均衡计算的时间段。进行均衡计算的时间段。w动态与均衡的关系动态与均衡的关系 一般而言，动态是均衡的外部表现，均衡一般而言，动态是均衡的外部表现，均衡是动态变化的内部原因。是动态变化的内部原因。6动态与均衡的研究意义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；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、预测水位水查清地下水的补给与排泄，评价资源、预测水位水量变化等量变化等.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。研
4、究动态与均衡。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一、地下水动态的形成机制 降水降水补给地下水系统补给地下水系统水位上升水位上升动态变化动态变化 激励激励脉冲式的降水脉冲式的降水 响应响应波状信号的信息波状信号的信息n地下水水位对外界输入（降水）响应的地下水水位对外界输入（降水）响应的特点特点：（1 1）滞后和延迟滞后和延迟现象现象（2 2）有）有叠加叠加现象现象第2节 地下水动态8气象要素及潜水埋深变化图气象要素及潜水埋深变化图第2节 地下水动态9n因外界激励（或输入）而引起的系统响应因外界激励（或输入）而引起的系统响应（或输出）的（或输出）的变化幅度变化幅度是含水系统内
5、部结构是含水系统内部结构作用的结果作用的结果某要素（水位）随时间的变化程度用某要素（水位）随时间的变化程度用稳定稳定性性来恒量来恒量 动态稳定动态稳定 变化幅度小变化幅度小 动态不稳定动态不稳定 变化幅度大变化幅度大第2节 地下水动态10第第2 2节节 地下水动态地下水动态w地下水动地下水动态形成机态形成机制制将地下水动态理将地下水动态理解为含水层（含解为含水层（含水系统）对环境水系统）对环境施加的激励所产施加的激励所产生生的的响应。响应。11第2节 地下水动态n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。12第2节 地下水动态n间断性的降水，通过含水层（含水系统）的间断性的降
6、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变换，将转换成比较连续的地下水位变化或泉流量变化。泉流量变化。w影响地下水动态的因素 w 输入信息因素：气象因素（降水、蒸发、气温、气压）和水文因素 n输出信息因素：地形、地质和人为因素 13第2节 地下水动态n气象因素：气象因素：是影响地下水动态的主要因素。l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。l气温：影响降水的形式、蒸发强度、浅层地下水水温。l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。14l特点特点：大面积，普遍产生影响：大面积，
7、普遍产生影响(尤其对潜水）；尤其对潜水）；主要有主要有降水降水与与蒸发蒸发因素因素l气候特征气候特征表现表现为：为：降水的年内降水的年内季节性变化季节性变化 降水的降水的多年变化多年变化（如（如1111年周期）年周期）昼夜变化昼夜变化l与此相对应，地下水动态也有这与此相对应，地下水动态也有这三种周期性三种周期性变化变化 昼夜变化昼夜变化 -在许多地区不明显在许多地区不明显 多年变化多年变化 -研究周期长研究周期长 年内变化年内变化 -最突出最突出第2节 地下水动态15思考：思考：解决生产实际问题时如何考虑地下水的水解决生产实际问题时如何考虑地下水的水位动态？位动态？供水工程应考虑多年最低地下水
8、位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16第2节 地下水动态17第第2 2节节 地下水动态地下水动态n水文因素水文因素 n 地表水体补给地下水而引起地下水位抬升时，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，主要受气候数百米到数公里，在此范围外，主要受气候因素的影响。因素的影响。n 滨海地区海水潮汐的影响，使地下水位呈现滨海地
9、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。一天两次升降的周期性变化。18第2节 地下水动态19河旁潜水位与河水位的关系河旁潜水位与河水位的关系048121620048121620Time(days)Water level(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？思考？当河水排泄地下水时，水位变幅何处大？当河水排泄地下水时，水位变幅何处大？20第第2 2节节 地下水动态地下水动态n地质因素地质因素 l岩性和岩相等的影响是长期缓慢的，它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。不反映在地下水的周期性变化上。如岩性、如岩性、给水度、渗透系数的大
10、小在短期内变化不给水度、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。大，但在较长期内可以逐渐增大。l构造因素构造因素是一个区域性的影响因素。是一个区域性的影响因素。l地震、火山活动地震、火山活动的影响是短期影响。的影响是短期影响。在在震前地下水位急剧上升、下降、冒砂等，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。甚至震前地下水化学成分也会改变。21l地质因素是间接且相对稳定的因素（相当于滤波器）地质因素是间接且相对稳定的因素（相当于滤波器）l气候与水文因素决定了一个地区地下水动态的气候与水文因素决定了一个地区地下水动态的总轮廓总轮廓l地质因素起修饰作用，滤
11、波或地质因素起修饰作用，滤波或削峰填谷削峰填谷的作用。的作用。v埋藏条件：埋藏条件：承压水的变幅小于潜水；潜水埋深的承压水的变幅小于潜水；潜水埋深的大小大小,对滞后时，延迟时和变幅的影响。对滞后时，延迟时和变幅的影响。v包气带岩性包气带岩性：K K起作用；起作用；饱水带岩性饱水带岩性：K K和和均起均起作用。作用。v地下水所处的地下水所处的空间部位空间部位：一般而言，补给区较排：一般而言，补给区较排泄区更不稳定。泄区更不稳定。第2节 地下水动态221h2h122211hh2121hh第2节 地下水动态23第第2 2节节 地下水动态地下水动态n土壤和生植物因素土壤和生植物因素 l土壤的影响主要表
12、现为对潜水化学成分的改变，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。尤其是在土壤盐渍化和沼泽化两地区最为明显。l生植物的影响表现在两个方面：生植物的影响表现在两个方面：w植物蒸腾对潜水动态的影响；植物蒸腾对潜水动态的影响；w细菌对地下水化学成分的影响。细菌对地下水化学成分的影响。n人为因素人为因素 l疏干类型：集水建筑物采水、矿坑排水等各种疏干类型：集水建筑物采水、矿坑排水等各种排水工程；排水工程；l充水类型：渠道、水库、堤坝、灌溉系统等。充水类型：渠道、水库、堤坝、灌溉系统等。24第2节 地下水动态25w 开采状态下地下水流态剖面示意图第2节 地下水
13、动态26w 地下水位降落漏斗剖面图第2节 地下水动态27w 地下水位与开采量关系图第2节 地下水动态28w 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w地下水动态类型 w根据排泄方式和水交替条件，潜水的动态类型分为：n渗入渗入蒸发型蒸发型：分布在干旱、半干旱的平原或山间盆地中心。n补给：降水、地表水入渗 （但不丰沛）n径流：微弱 n排泄：蒸发为主 n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。30第2节 地下水动态n渗入渗入径流型径流型：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。n动态特征：年水位变幅
14、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。n渗入渗入蒸发、径流型（弱径流型、过渡型）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。n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。n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。31第2节 地下水动态n承压含水层的动态类型为 n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。32第3节 地下水均衡n主要考虑水量平衡 均衡：均衡：某一某一时间段时间
15、段内某一内某一地段内，地段内，地下水水量地下水水量（热量、盐量、能量）的（热量、盐量、能量）的收支状况，收支状况，称为地下水称为地下水均衡均衡l均衡区均衡区：均衡计算所选定的区域（三维的）；：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可以是地下水含水系统，也可以是一很小的均衡单元单元l均衡期均衡期：均衡计算的时间段；可长可短：均衡计算的时间段；可长可短33w水均衡方程式水均衡方程式 n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，故对于一个地区，多年中气候处于平均状态，故 Q Q补补=Q=Q排排 人为活动影响下：正
16、均衡人为活动影响下：正均衡 （Q Q补补QQ排）或负均衡（排）或负均衡（Q Q补补Q00；无越流时无越流时Q Qt t=0=0；径流滞缓；径流滞缓W Wu1u1 W Wu2 u2 0 0；X Xf f +Y Yf f-Z Zu u =hh 多年均衡条件下多年均衡条件下 ：hh=0=0，则，则 X Xf f +Y Yf f =Z Zu uv 湿润山区潜水均衡湿润山区潜水均衡 Z Zu u =0=0 X Xf f +Y Yf f =Q Qd d v 强烈开采区强烈开采区 X Xf f +Y Yf f =Q=Q开开 40 二、区域地下水均衡二、区域地下水均衡41n以堆积平原含水系统地下水均衡模式分析
17、以堆积平原含水系统地下水均衡模式分析n分区（三段均衡区）分析：分区（三段均衡区）分析：13222221111WtQWuZtQfYfXWdQuZWfYfX冲积平原承压水冲积平原潜水山前丘陵潜水 232112121WQZZWYYXXduuffff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：进行水均衡研究或计算，切忌避免重复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损失和后果42第第3 3节节 地下水均衡地下水均衡w人类活动影响下的地下水均衡人类活动影响下的地下水均衡 w地面沉降与地下水均衡地面沉降与地下水均衡 w大区域地下水均衡研究需要注意的大区域地下水均衡研究需要注意的问题问题43小小 结结空隙空隙水水水量水量水质水质时间时间变化变化空间空间变化变化动态动态均衡均衡赋存分布赋存分布补给补给含水含水系统系统排泄排泄自然自然环境环境人为人为地下水流动系统理论（地下水流动系统理论（Darcy LawDarcy Law、流网）、流网）物理关系物理关系（运动定律）（运动定律）化学关系化学关系（化学作用）（化学作用）44w 地下水资源趋势评价框图第3节 地下水均衡
