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第九章第九章 地下水动态与均衡地下水动态与均衡 地下水动态与均衡基本概念地下水动态与均衡基本概念 地下水动态地下水动态 地下水均衡地下水均衡第1页第一节第一节 地下水动态与均衡概念地下水动态与均衡概念 地下水动态地下水动态：在各种原因综合影响下，地下水水：在各种原因综合影响下，地下水水位、水量、水温及化学成份等要素随时间改变。位、水量、水温及化学成份等要素随时间改变。水位、水量、水化学成份、水温等称为水位、水量、水化学成份、水温等称为地下水动地下水动态要素态要素。地下水动态改变原因有二：地下水动态改变原因有二：（1）含水层（含水系统）水量、盐量、热量、能）含水层（含水系统）水量、盐量、热量、能量收支不平衡结果。量收支不平衡结果。（2）含水介质变动，引发动态）含水介质变动，引发动态 地下水均衡地下水均衡：某一地域：某一地域(含水层含水层)在一定时间段内，在一定时间段内，地下水总补给量与总消耗量及地下水贮存量改变量地下水总补给量与总消耗量及地下水贮存量改变量之间数量对比关系。之间数量对比关系。均衡是地下水动态改变内在原因；动态是地下水均衡是地下水动态改变内在原因；动态是地下水均衡外部表现。均衡外部表现。第2页第二节第二节 地下水动态地下水动态一、地下水动态形成机理一、地下水动态形成机理 单次降雨脉冲产生响应。单次降雨脉冲产生响应。第3页 屡次降雨脉冲叠加，左图波峰与波峰叠加，产生更大波屡次降雨脉冲叠加，左图波峰与波峰叠加，产生更大波峰；右图波峰与波谷叠加产生平缓复合波形。峰；右图波峰与波谷叠加产生平缓复合波形。第4页二、地下水动态影响原因二、地下水动态影响原因 影响含水系统中地下水动态原因有两大类，即外影响含水系统中地下水动态原因有两大类，即外部原因（环境原因）和内部原因。部原因（环境原因）和内部原因。外部原因包含：气候、水文及人为原因，如大气外部原因包含：气候、水文及人为原因，如大气降水、地表水、人工补给与排泄和地应力等。降水、地表水、人工补给与排泄和地应力等。含水系统内部因：地质、地形条件等。含水系统内部因：地质、地形条件等。（1）气候（气象）原因影响）气候（气象）原因影响 气候干旱与湿润，制约着大气降水数量和时间分气候干旱与湿润，制约着大气降水数量和时间分布，从而影响着潜水补给；气温、湿度、风速等气布，从而影响着潜水补给；气温、湿度、风速等气候要素改变，则影响着潜水蒸发和排泄。候要素改变，则影响着潜水蒸发和排泄。潜水动态改变情况，通常以潜水动态曲线表示。潜水动态改变情况，通常以潜水动态曲线表示。第5页 气候要素改变是周期性，含有日夜改变、季节改气候要素改变是周期性，含有日夜改变、季节改变、年际改变和多年改变特点，从而使地下水动态变、年际改变和多年改变特点，从而使地下水动态也展现对应周期性改变，其中季节性改变影响最大。也展现对应周期性改变，其中季节性改变影响最大。潜水位变动伴随对应潜水储存量改变为潜水位变动伴随对应潜水储存量改变为真改变真改变；不反应潜水水量增减潜水位改变为不反应潜水水量增减潜水位改变为伪改变伪改变。如大气。如大气气压升、降，影响地下水位升、降改变为伪改变。气压升、降，影响地下水位升、降改变为伪改变。第6页 地下水动态地下水动态季节改变图。季节改变图。第7页地下水动态多年改变图。地下水动态多年改变图。第8页 （2）水文原因影响）水文原因影响 水文原因影响，主要是地表水体与地下水关系。水文原因影响，主要是地表水体与地下水关系。分三种情况：分三种情况：a.地表水长久补给地下水；地表水长久补给地下水；b.地表水长久排泄地下水（地下水补给地表水）；地表水长久排泄地下水（地下水补给地表水）；c.丰水期地表水补给地下水，枯水期地下水补丰水期地表水补给地下水，枯水期地下水补给地表水。给地表水。当地表水补给地下水时，地下水位升高并非在瞬当地表水补给地下水时，地下水位升高并非在瞬间完成，而是有一个过程，这种现象称为间完成，而是有一个过程，这种现象称为滞后现象滞后现象。滞后过程长短，取决于河床透水性和距补给水源滞后过程长短，取决于河床透水性和距补给水源远近。远近。第9页 如图，为滞后现象。如图，为滞后现象。距离地表水体近潜距离地表水体近潜水含水层，水位上升滞水含水层，水位上升滞后时间短，水位变幅大；后时间短，水位变幅大；远离地表水体处，潜水远离地表水体处，潜水位上升滞后时间长，水位上升滞后时间长，水位变幅也较小。再远处，位变幅也较小。再远处，潜水位受地表水补给潜水位受地表水补给影响就不显著了。影响就不显著了。第10页 （3）地质原因影响）地质原因影响 是由地形和地质体岩性、结构、结构所决定系统内是由地形和地质体岩性、结构、结构所决定系统内部原因。部原因。潜水潜水：影响潜水动态地质原因：包气带岩性、潜水埋深影响潜水动态地质原因：包气带岩性、潜水埋深（包气带厚度）和给水度。（包气带厚度）和给水度。潜水埋深愈大，水在包气带运移时间愈长，地下水潜水埋深愈大，水在包气带运移时间愈长，地下水位抬高时间滞后愈长，水位随时间改变曲线展现为较宽位抬高时间滞后愈长，水位随时间改变曲线展现为较宽缓波。缓波。包气带岩性渗透性愈好，地下水位抬高时间滞后愈包气带岩性渗透性愈好，地下水位抬高时间滞后愈短，水位随时间改变曲线展现为较陡波。短，水位随时间改变曲线展现为较陡波。给水度，潜水储存量改变相同时，给水度愈小，水给水度，潜水储存量改变相同时，给水度愈小，水位变幅愈大。位变幅愈大。地表水引发潜水改变时，含水层透水性愈好，厚度地表水引发潜水改变时，含水层透水性愈好，厚度愈大，给水度愈小，则涉及范围愈远。愈大，给水度愈小，则涉及范围愈远。第11页 承压水承压水：影响承压水动态原因有：含水层岩性、厚度、补影响承压水动态原因有：含水层岩性、厚度、补给区范围、隔水顶、底板垂向渗透性。给区范围、隔水顶、底板垂向渗透性。补给区潜水位改变比较显著，伴随远离补给区，补给区潜水位改变比较显著，伴随远离补给区，改变微弱，以至于消失。改变微弱，以至于消失。从补给区向承压区传递降水补给影响时，含水层从补给区向承压区传递降水补给影响时，含水层透水性愈好，厚度愈大，给水度愈小，则涉及范围透水性愈好，厚度愈大，给水度愈小，则涉及范围愈远。愈远。隔水顶、底板垂向渗透性愈好，地下水位变幅愈隔水顶、底板垂向渗透性愈好，地下水位变幅愈大。大。第12页 （4）人为原因影响）人为原因影响 主要指人类经过增加新补给源或新排泄去路，而主要指人类经过增加新补给源或新排泄去路，而改变了地下水天然动态，打破了天然平衡。改变了地下水天然动态，打破了天然平衡。假如人工凿井抽水或以渠道、矿坑形式排除地下假如人工凿井抽水或以渠道、矿坑形式排除地下水，就组成了地下水新排泄去路。水，就组成了地下水新排泄去路。修建水库蓄滞地表水及引地表水浇灌农田等地表修建水库蓄滞地表水及引地表水浇灌农田等地表水工程活动，都可能增加地下水补给。水工程活动，都可能增加地下水补给。注意：地下水补、排失衡，影响地下水水位动态注意：地下水补、排失衡，影响地下水水位动态改变，从而也会影响地下水水质动态改变。改变，从而也会影响地下水水质动态改变。如，浇灌地下水位升高，引发盐渍化、沼泽化；如，浇灌地下水位升高，引发盐渍化、沼泽化；污灌对地下水污染；不合理开采咸水体下移等。污灌对地下水污染；不合理开采咸水体下移等。第13页第14页地下水位降落漏斗剖面图地下水位降落漏斗剖面图第15页地下水位与开采量关系图地下水位与开采量关系图第16页某库水位与钻孔水位过程线某库水位与钻孔水位过程线第17页开采状态下地下水流态剖面示意图开采状态下地下水流态剖面示意图第18页三、地下水天然动态类型三、地下水天然动态类型 1.潜水潜水 潜水及涣散沉积物浅部：蒸发型、径流型、弱径潜水及涣散沉积物浅部：蒸发型、径流型、弱径流型。流型。（1）蒸发型）蒸发型 发生地域：发生地域：总动态特点：水位年变幅小，各处变幅靠近；水总动态特点：水位年变幅小，各处变幅靠近；水质季节性改变显著；长久水向盐化方向发展，并使质季节性改变显著；长久水向盐化方向发展，并使土壤盐渍化。土壤盐渍化。第19页（2）径流型）径流型 发生地域：发生地域：动态特点：年水位变幅大而不均，由分水岭到排动态特点：年水位变幅大而不均，由分水岭到排泄区，年水位变幅由大到小，水质季节改变不显著，泄区，年水位变幅由大到小，水质季节改变不显著，长久则不停趋于淡化。长久则不停趋于淡化。（3）弱径流型）弱径流型 发生地域：发生地域：总动态特点：水位年变幅小，各处变幅靠近，水总动态特点：水位年变幅小，各处变幅靠近，水质季节改变不显著长久，长久向淡化方向发展。质季节改变不显著长久，长久向淡化方向发展。2.承压水承压水 承压水动态类型皆为径流型。承压水动态类型皆为径流型。第20页第三节第三节 地下水均衡地下水均衡 地下水均衡地下水均衡：某一时间段内某一地段中，地下水：某一时间段内某一地段中，地下水水量、盐量、热量、能量收支间数量关系称为地下水量、盐量、热量、能量收支间数量关系称为地下水均衡。水均衡。一、均衡区与均衡期一、均衡区与均衡期 均衡区均衡区：进行地下水均衡计算所选定区域。：进行地下水均衡计算所选定区域。均衡期均衡期：进行地下水均衡计算所选定时间段。：进行地下水均衡计算所选定时间段。正均衡正均衡：某一均衡区，在一定均衡期内，地下水：某一均衡区，在一定均衡期内，地下水水量（或盐量、热量）收入大于支出，表现为含水水量（或盐量、热量）收入大于支出，表现为含水层中储水量、储盐量、储热量增加。层中储水量、储盐量、储热量增加。负均衡负均衡：某一均衡区，在一定均衡期内，地下水：某一均衡区，在一定均衡期内，地下水水量（或盐量、热量）支出大于收入，表现为含水水量（或盐量、热量）支出大于收入，表现为含水层中储水量、储盐量、储热量降低。层中储水量、储盐量、储热量降低。第21页二、总水均衡方程式二、总水均衡方程式 水量均衡方程基本思想水量均衡方程基本思想是：在均衡期中，均衡区是：在均衡期中，均衡区内地下水各种收（内地下水各种收（+）、支（）项代数和等于含）、支（）项代数和等于含水系统（含水层）中储存水量改变量。水系统（含水层）中储存水量改变量。设某一地域天然状态下：设某一地域天然状态下：收入项为收入项为A，包含：大气降水量（，包含：大气降水量（X）、地表水）、地表水流入量（流入量（Y1）、地下水流入量（）、地下水流入量（W1）、水汽凝结）、水汽凝结量（量（Z1）；）；支出项为支出项为B，包含：地表水流出量（，包含：地表水流出量（Y2）、地下）、地下水流出量（水流出量（W2）、蒸发量（）、蒸发量（Z2）；）；均衡期内地下水储存量改变量为均衡期内地下水储存量改变量为W；则均衡方程为：则均衡方程为：A-B=W第22页 即：（即：（X+Y1+W1+Z1）-（Y2+W2+Z2）=W 因为储存量改变量因为储存量改变量W包含包含：地表水改变量（地表水改变量（V）；）；包气带水改变量（包气带水改变量（M）；）；潜水改变量（潜水改变量（h）；（）；（给水度；给水度；h水位水位改变值，可正可负）改变值，可正可负）承压水改变量（承压水改变量（*h*）。（）。（*弹性给水度；弹性给水度；h*测压水位改变值，可正可负）测压水位改变值，可正可负）所以：所以：X（Y2Y1）（W2W1）（Z2Z1）=V+M+h+*h*第23页三、潜水均衡方程式三、潜水均衡方程式 潜水收入项包含潜水收入项包含：降水入渗量：降水入渗量Xf、地表水入渗量、地表水入渗量Yf、凝结水入渗量、凝结水入渗量Zc、上游潜水流入量、上游潜水流入量Wu1、下伏、下伏承压水越流补给量承压水越流补给量Qf。潜水支出项潜水支出项：潜水蒸发量：潜水蒸发量Zu、泉排泄潜水量、泉排泄潜水量Qd、下游潜水流出量下游潜水流出量Wu2。均衡期内潜水储存均衡期内潜水储存量改变量为量改变量为：h 则，则，潜水均衡方潜水均衡方程程为：为：h=Xf+Yf+Zc+Wu1+QfZuQdWu2第24页四、地面沉降与地下水均衡四、地面沉降与地下水均衡五、人类活动影响下水均衡五、人类活动影响下水均衡 就是在天然状态下均衡方程均衡项代数和中，加就是在天然状态下均衡方程均衡项代数和中，加上人工补给项，减去人工排泄项。上人工补给项，减去人工排泄项。六、大区域地下水均衡研究需要注意问题六、大区域地下水均衡研究需要注意问题 （1）对于供水，可供长久开采利用水量应等于含）对于供水，可供长久开采利用水量应等于含水系统从外界取得多年平均补给量。水系统从外界取得多年平均补给量。（2）注意防止上游与下游之间，潜水与承压水之）注意防止上游与下游之间，潜水与承压水之间，地表水与地下水之间水量重复计算。间，地表水与地下水之间水量重复计算。（3）在开采条件下，含水系统内部及其与外界之）在开采条件下，含水系统内部及其与外界之间水量转换将发生一系列改变。间水量转换将发生一系列改变。第25页第26页经过本例，应注意两个问题：经过本例，应注意两个问题：（1）均衡计算，不能采取分区计算后，简）均衡计算，不能采取分区计算后，简单相加，这么易引发重复计算。单相加，这么易引发重复计算。（2）均衡计算，要把研究区域看成一个均）均衡计算，要把研究区域看成一个均衡域，来建立均衡方程。衡域，来建立均衡方程。第27页七、地下水动态与均衡分析应用七、地下水动态与均衡分析应用 （1）能够帮助我们查清地下水补给与排泄。）能够帮助我们查清地下水补给与排泄。（2）确定含水层之间，含水层与地表水体关系。）确定含水层之间，含水层与地表水体关系。（3）确定边界性质。）确定边界性质。（4）地下水动态提供给我们关于含水层或含水系）地下水动态提供给我们关于含水层或含水系统不一样时刻系列化信息。统不一样时刻系列化信息。（5）经过地下水动态观察，判断和预防与地下水）经过地下水动态观察，判断和预防与地下水相关地质灾害发生。相关地质灾害发生。第28页 练习：练习：某水源地位于某水源地位于河右岸冲洪积扇，总面积河右岸冲洪积扇，总面积250Km2，多年平，多年平均降水量均降水量740mm，降水入渗系数为，降水入渗系数为0.2。开采区西部和北部约。开采区西部和北部约180Km2地域，地下水位埋深地域，地下水位埋深23m，蒸发强度为，蒸发强度为0.00008m3/(dm2)，其它区无蒸发。具水文其它区无蒸发。具水文1和和2测站测得测站测得河流年平均流量为河流年平均流量为980000m3/d和和50m3/d，南部边界长，南部边界长20Km，为花岗岩，以，为花岗岩，以5m3/(dm)单宽流量补给开采区，西北部边界单宽流量补给开采区，西北部边界长长10Km，为石灰岩，以，为石灰岩，以10m3/(dm)单宽流量补给开采区，单宽流量补给开采区，北部为流线边界，东部为分水岭边界，西部出山口，含水层厚北部为流线边界，东部为分水岭边界，西部出山口，含水层厚50m，渗透系数，渗透系数K=100m/d，水力坡度，水力坡度5/1000，断面宽度，断面宽度2Km。潜水下有一承压含水层，之间隔水层厚度潜水下有一承压含水层，之间隔水层厚度20m，垂向渗透系数，垂向渗透系数为为0.001m/d，水头高出潜水位，水头高出潜水位20m，发生越流面积，发生越流面积45Km2。水。水源地开采量为源地开采量为800000m3/d。试分析均衡要素，列出均衡方程，进行均衡计算，确定该水试分析均衡要素，列出均衡方程，进行均衡计算，确定该水源地是正均衡还是负均衡，若该含水层给水度为源地是正均衡还是负均衡，若该含水层给水度为0.15，计算水，计算水位上升高度。位上升高度。第29页 1.确定均衡域和均衡期确定均衡域和均衡期 2.分析均衡项分析均衡项 补给项为：降雨入渗量补给项为：降雨入渗量Xf、河流入渗量、河流入渗量Yf、南部边、南部边界流入量界流入量W1、西北部边界流入量、西北部边界流入量W2、西部边界流入、西部边界流入量量W3、越流量、越流量W4。排泄项：蒸发量排泄项：蒸发量Z、开采量、开采量Q。均衡方程为：均衡方程为：（Xf+Yf+W1+W2+W3+W4）（Z+Q）=Ah 各项计算：各项计算：Xf=XF=740/10000.22501000000=37000000m3/aYf=(Q1-Q2)365=(980000-50)365=167900000m3/aW1=5201000365=36500000m3/aW2=10101000365=36500000m3/a第30页W3=KWI=100505/1000365=18250000m3/aW4=KWI=0.00145100000020/20365=16425000m3/a 总补给量：总补给量：312575000m3/a Z=0.000081801000000365=5256000m3/a Q=8000000365=29000m3/a 总排泄量：总排泄量：297256000m3/a 均衡差：均衡差：15319000m3/a 为正均衡。为正均衡。15319000250 1000000 0.15=0.41m 水位上升高度为水位上升高度为0.41m。第31页