水文地质学基础—地下水动态与均衡.ppt

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Company Logo,*,Click to edit Master title style,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,防灾科技学院 张耀文,水文地质学基础,Fundamentals of Hydrogeology,9.1,地下水的动态和均衡的概念,9.2,地下水的动态,9.3,地下水的均衡,第九章 地下水的动态与均衡,Company Logo,第九章 地下水的动态与均衡,提要,1,掌握地下水的动态与均衡的,概念。,2,各种情况下的,地下水均衡方程式及各项均衡要素,的意义和 计算方法。,3,能够,分析,地下水动态形成机制、影响因素及动态类型。,4,了解地下水开发与地面沉降的关系。,9.1,地下水的动态和均衡的概念,9.1.1,地下水动态的概念,地下水各要素（如水位、水量、水化学成分、水温等）随时间的变化。,永茂乡,2000,年地下水位变化动态曲线图,Company Logo,9.1,地下水的动态和均衡的概念,9.1.2,地下水均衡的概念,指某一时段内某一地段内地下水水量（盐量、热量、能量）的,收支,状况。,二者关系：,地下水动态是地下水均衡的外在表现，地下水均衡是地下水动态的内在原因。,9.1.3,地下水动态与均衡研究的意义,查清地下水补给、排泄与资源条件、含水层之间、含水层与地表水之间的关系；,认识区域水文地质条件；,进行水量和水质评价；,地下水资源合理开发利用与保护管理，防止地下水危害；,检验水文地质结论。,Company Logo,9.2.1,地下水动态的形成机制,与环境的相互作用,降水,补给地下水系统,水位上升,(,出现变化,）,激励,脉冲式的降水,响应,波状信号的信息,地下水水位对外界输入（降水）响应的特点：,（,1,）滞后和延迟现象,（,2,）有叠加现象,因外界激励（或输入）而引起的系统响应（或输出）的变化幅度是,含水系统内部结构,作用的结果,某要素（水位）随时间的变化程度用稳定性来恒量,动态稳定,变化幅度小,动态不稳定,变化幅度大,9.2,地下水动态,Company Logo,9.2.2,地下水动态的影响因素,1,、气象（气候）因素,决定动态总轮廓,特点,：,大面积，普遍产生影响,(,主要有降水与蒸发因素,),降水的影响因素,：,降水量、降水强度、延续时间,蒸发的影响因素：,气温、湿度、风速,气象因素表现：,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,年周期的太阳黑子变化）,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,年内变化,-,最突出,多年变化,-,研究周期长,伪变化,真变化,Company Logo,气象（气候）因素,图,9,3,潜水动态曲线,（,1954,1955,，北京）,虚线为气温；兰色柱状为,降水量；红色为潜水位；黄色柱状为蒸发量,Company Logo,河北深县井水位（,H,）年变化与气压（,P,）年变化的关系,气象（气候）因素,Company Logo,太阳黑子的周期性变化 气候多年变化：,前苏联卡明草原地下水位变化图,阿利托夫斯基等，1956,（根据每年9月1日水位资料绘成；实点为实测水位，空心点为水位的可值）,气象（气候）因素,Company Logo,9.2.2,地下水动态的影响因素,2,、水文因素,指地表水体的变化对地下水动态的影响,从右图中可以看出什么规律？,与地表水体的距离有关,思考:,与潜水比较,受河水位影响承压水动态有何特点？,影响距离：,式中：,l,-影响距离(m)；,K,-渗透系数(m/d)；,hm,-含水层平均厚度(m)；,-含水层给水度；t-时间(d)。,Company Logo,9.2.2,地下水动态的影响因素,3,、地质因素,气候与水文因素决定了一个地区地下水动态的,总轮廓,地质因素起修饰作用，滤波或削峰填谷的作用,潜水位的埋深,：埋深的大小，对滞后,-,延迟时和变幅的影响,包气带岩性,：,K,起作用；,饱水带岩性,：,K,和,均起作用,地下水所处的空间部位,：补给区，排泄区。一般而言，补给区较排泄区更不稳定,地震、固体潮对承压水位影响较明显。,Company Logo,云南喷水洞,地下暗河,流量动态曲线,岩溶水动态,Company Logo,由于地震波的传递，大地震可以使距震中数千公里以外的某些敏感的深层承压水井产生厘米级的水位波动。,据认为，这是由于地震孕震及发震过程中,地应力的变化使岩层压缩或膨胀，从而引起震区以至远方孔隙水压力的异常变化，承压含水层测压水位因而波动。,与此相应，有时震前,地下水化学成分也会改变,。,与其它方法配合，,监测地下水动态可以作为预报地震的一种重要手段。,应当注意，固体潮、地震等引发的地下水位波动只是能量的传递而不涉及地下水储存量的变化。这种能量传递距离远，速度快。,地震、固体潮对承压水位影响较明显,Company Logo,地震水振波,-,广东花都井智利7.8级-2007,水位的地震波效应-地震波传播时引起井水位振荡或阶变现象。,机理：地震波传播经过含水层时，含水层内会交替发生弹性压缩与拉张变形，致使孔隙压力发生增大与减小的交替变化，导致井水位发生上升与下降相交替出现的振荡变化。,地震迅速强烈地影响地下水的动态：,相应地可以引起水质的变化。,不要把,水位传递速度,与,地下水实际流速,混为一谈。,压力传递,质量运移,水量问题,水质问题,（如水质污染问题）,控制,研究问题,水位传递速度,地下水实际流速,（承压水）,（潜水）,4,、人为因素,包括开采、人工回灌、灌溉、库渠渗漏、污水排放等,修建水库，利用地表水灌溉等，增加了新的补给来源而使地下水位抬升。,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。,地下水动态成因分类,9.2.3,地下水天然动态类型,潜水、承压水由于排泄方式、交替程度不同，两者的动态特征也不同,1,、潜水的动态类型,三种类型,蒸发型,主要出现在干旱半干旱地区地形切割微弱的平原或盆地，地下水化学作用以浓缩作用为主。,径流型,广泛分布于山区及山前，地下水化学作用以溶滤作用为主。,弱径流型,气候湿润的平原与盆地，蒸发排泄有限，径流排泄为主，但径流微弱。地下水化学作用以溶滤作用为主。,Company Logo,9.2.3,地下水天然动态类型,2,、承压水,径流型,动态变化的程度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。,3,、人类活动影响下的地下水动态,采排地下水：,取水或矿坑排除地下水后，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，天然排泄量的一部或全部转为人工排泄量，天然排泄消失或减少（泉流量、泄流量减少，蒸发减弱），并可能增加新的补给量，影响动态,补给地下水：,修建水库，利用地表水灌溉等，增加了新的补给来源而使地下水位抬升，形成新的动态特征,Company Logo,Company Logo,9.3,地下水均衡,9.3.1,相关概念,地下水均衡：,某一时段、某一范围内，地下水水量（热量、盐量、能量）的收支状况。,均衡期：,均衡计算的时间段,均衡区：,均衡计算所选定的地区,正均衡：,某均衡区某均衡期内地下水水量,(,盐量、热量,),的,收入大于支出,，表现为地下水储存量,(,热量、盐量,),增加,。,负均衡：,某均衡区某均衡期内地下水水量,(,盐量、热量,),的,收入小于支出,，表现为地下水储存量,(,热量、盐量,),减少,。,Company Logo,水均衡方程式：,表示水均衡收入项和支出项关系的方程，补给量总和,(Qi),与各消耗量总和,(Qo),的差值等于均衡期始末水的储存量的变化量,(Q),，,Q=Qi-Qo,。,地下水均衡方程：,表示地下水均衡收入项和支出项关系的方程。在研究区内某一时段内某一含水层地下水各补给量总和,(Qr),与各消耗量总和,(Qd),之差值等于均衡期始末的地下水贮存量的变化量,Q,的关系式。即,Q=Qr-Qd,。,地下水贮存量变化量：,均衡区内在均衡期起止两时刻水位变动带内重力水量。通常以水层厚度,(h),计算，其中,是变动带内岩石的给水度；,h,是均衡期水位变化的平均值。,9.3,地下水均衡,Company Logo,一般表达形式：,A,-,B=,W,A,收入项；,B,支出项；,W,均衡时段内，均衡区的水量变化量,均衡结果（表现）：正均衡或负均衡,9.3.2,水均衡方程式,9.3,地下水均衡,Company Logo,9.3.2,水均衡方程式,（,P+R,1,+G,1,+Z,1,）,-,（,R,2,+G,2,+Z,2,）,=W,P-(R,2,-R,1,)-(G,2,-G,1,)-(Z,2,-Z,1,)=W,W,潜水,变化量,Wu=,h,承压水,变化量,Wc=,*hc,地表水,变化量,Ws,包气带水,变化量,Wa,陆地上某一地区天然状态下总的水均衡：,收入项（,A,）：,P,、,R1,、,G1,、,Z1,支出项（,B,）：,R2,、,G2,、,Z2,Company Logo,凝结水,潜水流入量,X,f,+Y,f,+Z,c,+W,u1,+Q,t,-(,Z,u,+Q,d,+W,u2,),=,h,潜水流出量,蒸发,降水,地表水入渗,越流,地表水排泄,潜水均衡方程式,Company Logo,几种条件下的潜水均衡方程式：,干旱半干旱平原区：忽略,Z,c,；地形切割微弱,Q,d,0,；,无越流时,Q,t,=0,；径流滞缓,W,u1,W,u2,0,；,X,f,+Y,f,-,Z,u,=,h,多年均衡条件下：,h=0,，则,X,f,+Y,f,=,Z,u,湿润山区潜水均衡,Z,u,=0,X,f,+Y,f,=Q,d,强烈开采区,X,f,+Y,f,=Q,开,潜水均衡方程式,X,f,+Y,f,+Z,c,+W,u1,+Q,t,-(,Z,u,+Q,d,+W,u2,)=,h,入渗径流型,入渗蒸发型,Company Logo,收入：,Q,侧入,，,Q,越入,支出：,Q,侧出,，,Q,越出,变化量：,Wc=*hc,承压水均衡方程式,(Q,侧入,+Q,越入,),-,(Q,侧出,+Q,越出,),=*hc,Company Logo,堆积平原含水系统地下水均衡模式图,9.3.3,区域地下水均衡,Company Logo,堆积平原含水系统地下水均衡模式分析,分区（三段均衡区）分析：,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；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,Company Logo,均衡计算步骤：,分区,整理均衡区地下水的补给项、排泄项,确定各区间的补排关系,确定参数,进行均衡计算,验证,Company Logo,洮儿河扇形地地表水与地下水资源转化量,分区：,松散岩类孔隙水,2.,补给项、排泄项,3.,补排关系,4.,参数,Company Logo,洮儿河扇形地地表水与地下水资源转化量,5.,均衡计算,大气降水补给量,侧向径流补给量,人工渠渗漏补给量,河流对地下水的补给量,人工开采量,侧向径流排泄量,潜水蒸发量,灌溉入渗补给量,Company Logo,练习,某水源地位于一正方形区域内，边长为,10,公里，区域面积为,100,平方公里。多年平均降水量为,800,毫米，降水入渗系数为,0,2,。地下水位埋深大，无蒸发。周边均为补给边界，单宽流量为每天每米,5,立方米，水源地开采量为每年,1,千万立方米，该水源地是正均衡还是负均衡,?,Company Logo,本章小结,地下水动态主要是含水系统水量（盐量、热量等）收支平衡状况的,综合表现,。,影响地下水动态的因素有：气象、水文、地质条件和人类活动。,地下水均衡计算，应从系统角度遵循质量守恒定律来分析。,地下水量均衡方程式的一般表达式为：,收入项,-,支出项,=,系统储存量的变化,Company Logo,作业,1,、一个地区，如何依据地下水动态变化特征，分析地下水均衡状况（或特点）。,2,、强烈人工开采条件下，抽水井的水有哪些来源？潜水均衡方程式将有哪些变化。,3、某水源地开采区为正方形，边长为15Km，区域面积为225 Km,2,。多年平均降水量为740mm，降水入渗系数为0.2，开采区西部和北部约180 Km,2,的地区，地下水位埋深23m，蒸发强度为 0.00008 m,3,/(m,2,d)，其它区无蒸发，南部和西部为补给边界，其单宽流量分别为5 m,3,/(md)和10 m,3,/(md)，北部和东部为隔水边界，水源地开采量为每天700000 m,3,，进行均衡计算，确定该水源地是正均衡还是负均衡。,Company Logo,