第二節(jié) 地下水動態(tài).doc

第二節(jié) 地下水動態(tài) 一、地下水動態(tài)的概念 地下水的水位、水量、水溫、水化學(xué)成分在各種因素綜合影響下，隨時間作有規(guī)律的變化，稱地下水動態(tài)。 地下水的水量和水質(zhì)等要素隨時間變化的原因是由于在一定的時間內(nèi)，地下水補(bǔ)給和排泄不平衡所致。即某一時段進(jìn)入含水層的水量和隨水帶入的物質(zhì)成分，如多于同時期內(nèi)從含水層中排出的水量和物質(zhì)成分，必然引起含水層中水量和物質(zhì)成分的增加；反之，則產(chǎn)生相應(yīng)的減少。這種增加或減少最終反映在地下水動態(tài)上。 地下水動態(tài)的研究有著實(shí)際的意義，如為了合理開發(fā)地下水而調(diào)節(jié)用水；基坑或礦坑排水；地下水資源評價；改良土壤疏干排水等，都需要地下水的動態(tài)資料。此外，分析地下水動態(tài)資料，還有助于地下水的形成及循環(huán)規(guī)律的理論研究。 二、影響地下水動態(tài)的因素 為了研究地下水動態(tài)，首先必須了解在時間和空間方面改變著地下水水量和水質(zhì)的各種因素。這些因素可分為兩大類：自然因素和人為因素。自然因素包括：氣候、水文、地質(zhì)、土壤、生物等。對潛水來說，氣候和水文因素是主要的；對深層承壓水，地質(zhì)因素的作用則是主要的。 (一)自然因素 1氣候因素 氣候的變化具有周期性的特點(diǎn)，變化周期可分為多年的、季節(jié)的和晝夜的。與之相適應(yīng)，對地下水尤其是對潛水的影響，亦可分為晝夜變化、季節(jié)變化和多年變化。 降水的分布?xì)v時，直接影響潛水的補(bǔ)給。氣溫與濕度的變化，影響潛水的蒸發(fā)，使其排泄強(qiáng)度及水質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的變化。 對國民經(jīng)濟(jì)影響較大的長期供水或排水工程，必須考慮地下水動態(tài)的多年變化。供水應(yīng)注意多年最低水位；排水要考慮多年最高水位。 季節(jié)變化潛水表現(xiàn)最為明顯。如我國東部季風(fēng)區(qū)，潛水位在一年中一般表現(xiàn)為一個峰值和一個谷值。前者在降雨集中時期，后者在翌年雨季之前。水位谷值期地下水礦化度高，峰值期由于降水滲入沖淡，礦化度普遍降低。但在北方半干旱鹽漬土分布區(qū)，雨季初期，降水將一年中土壤累積的鹽分沖洗進(jìn)入地下水，故地下水礦化度反而增高，在雨季高峰期為最低。 我國西北干旱地區(qū)，降水稀少，對地下水的補(bǔ)給作用不大。夏季氣溫升高，高山積雪及冰川融化，以地表徑流入滲形式補(bǔ)給平原潛水。 氣壓的改變可以引起井孔內(nèi)水位的微弱升降，應(yīng)注意這是一種偽變化，并不是由于含水層本身水量增減而引起的變化。水位的晝夜變化往往是這種偽變化。 2水文因素 在地下水與地表水體存在聯(lián)系的地區(qū)，水文因素對地下水動態(tài)影響顯著。地表水作為地下水的補(bǔ)給來源或排泄途徑而影響其動態(tài)。 由河水補(bǔ)給而引起的潛水位變化，在巖性不變的條件下，其變幅隨遠(yuǎn)離河流而減小，變化時間隨距離增加而延遲。地表水對地下水影響帶的寬度，決定于近岸地帶的巖性、地表水位與潛水位的水位差、地表水位的變化幅度及洪峰延續(xù)時間等一系列因素。近岸地帶的地下水動態(tài)，不僅在水位變化方面，在水溫、化學(xué)成分方面也有表現(xiàn)。 河流排泄?jié)撍畷r，愈是接近河流，潛水位變幅愈小，遠(yuǎn)離河流的河間地塊或分水嶺地段，水位變幅大。原因在于，當(dāng)降水入滲抬高水位后，近河地段水力坡度迅速變大，徑流加強(qiáng)，則潛水位抬升少；遠(yuǎn)河地段，水力坡度增大不多，徑流強(qiáng)度很少加大，則潛水位不斷抬高。 濱海地區(qū)地下水明顯受潮汐作用的影響，如福建湯坑熱水的地下水位同海水一樣，每天有兩次“漲潮”和“退潮”，在水位過程線上出現(xiàn)兩個波峰和波谷，出現(xiàn)的時間比潮汐變化滯后約40min。潮汐的影響，主要同潮差大小及距離海岸的遠(yuǎn)近有關(guān)。一般情況下，潮差愈大，距海岸愈近，則地下水日變化幅度愈大。 3地質(zhì)因素 地質(zhì)因素中除地震、火山噴發(fā)、崩塌等，表現(xiàn)為急驟的變化外，一般與氣候、水文因素相比，都顯得緩慢穩(wěn)定。地質(zhì)因素對地下水動態(tài)的影響主要表現(xiàn)是，在氣候、水文因素所決定的地下水動態(tài)基本模式的基礎(chǔ)上，起加強(qiáng)或緩和的作用。如包氣帶巖性的滲透系數(shù)愈大，接受降水入滲量愈多；又如同一強(qiáng)度的降水補(bǔ)給，巖層的給水度愈大，地下水位的升高愈小等。 地質(zhì)構(gòu)造對地下水動態(tài)的影響，在承壓水和潛水的特征上反映的最明顯。地殼的升降運(yùn)動，亦可引起地下水動態(tài)的相應(yīng)改變。上升地區(qū)，侵蝕基準(zhǔn)面下降，天然排水條件加強(qiáng)，可造成地方性疏干，并在加速地下水運(yùn)動的同時，使之淡化。下降地區(qū)，天然排水強(qiáng)度減弱，使地下水運(yùn)動緩慢，可以導(dǎo)致沼澤化，也可導(dǎo)致水的鹽化。 地下水變幅帶內(nèi)巖土顆粒的大小及級配可以影響地下水位變化的幅度。一般粗顆粒的滲透系數(shù)K、給水度值大，地下水位變化幅度??；細(xì)顆粒的K、值小，地下水位變化幅度大。這是因?yàn)镵、值大的巖土排水條件好，地下水位不易上升；而K、值小的巖土排水條件差則易上升。 含水層厚度、埋藏條件及飽水狀況對地下水位動態(tài)變化也有較大影響。如包氣帶厚度愈小(不能過小)，消耗于濕潤包氣帶的那部分降水入滲量便少，潛水接受的補(bǔ)給量就多，產(chǎn)生的水位升幅就大。反之包氣帶厚度大，就將吸收大量的入滲水量，水位升幅則小。同時包氣帶厚度較小時，降水與地下水位抬升可能同步或滯后時間很短，包氣帶厚度較大時，地下水位抬升滯后于降水時間就較長。 在新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈地區(qū)，地下水可以在短時間內(nèi)發(fā)生變化。尤以地震前后表現(xiàn)最為明顯。如1966年邢臺地震，1974年海城地震，1976年唐山地震，在地震前后地下水皆有大幅度的升降或成片變化現(xiàn)象，還出現(xiàn)許多特殊情況，如井水冒泡、翻花、旋轉(zhuǎn)、變渾、變甜或變苦等。因此，地下水動態(tài)的監(jiān)測研究，是地震預(yù)報的重要手段之一。 4成壤因素和生物因素 成壤因素主要影響潛水化學(xué)成分的改變，潛水埋藏愈淺，影響愈顯著。生物因素的作用主要表現(xiàn)在兩個方面：一是植物蒸騰對潛水位的影響；二是各種細(xì)菌活動，對地下水化學(xué)成分的影響。 (二)人為因素 人為因素是指與人類活動有關(guān)的因素?？捎袃煞N不同的影響：疏干的影響和充水的影響。疏干影響，如各種取水建筑物、排水工程，由于排出地下水，使水位下降，甚至出現(xiàn)大面積的地下水位漏斗。如據(jù)中國水資源評價一書提供的資料，截止到1983年底，我國北方平原區(qū)已形成淺層地下水降落漏斗40多個，漏斗總面積達(dá)15萬km2，漏斗中心水位埋深1040m(近10年來又有不同程度的發(fā)展)。充水的影響，如修建水庫，利用地表水灌溉，跨流域調(diào)水等，都會增加地下水的補(bǔ)給來源，致使地下水動態(tài)發(fā)生變化。 三、地下水動態(tài)類型 地下水動態(tài)類型的劃分方法很多，根據(jù)動態(tài)形成的不同條件，不同目的，分類的方法不同。下面介紹的分類，是根據(jù)影響地下水動態(tài)的補(bǔ)給和排泄條件劃分的。它適用于潛水和淺層承壓水。 (一)滲入蒸發(fā)型動態(tài) 主要出現(xiàn)于干旱、半干旱的平原及山間盆地地區(qū)。潛水埋藏淺，水平徑流微弱或呈停滯狀態(tài)，排泄以蒸發(fā)消耗為主。降水及地表水入滲，引起水位抬升，水質(zhì)淡化；伴隨水位升高，埋深變小，蒸發(fā)加劇，又使水位下降，隨之蒸發(fā)減弱，進(jìn)而水位趨于穩(wěn)定，水質(zhì)逐漸鹽化。具有此類動態(tài)的潛水，稱大陸鹽化潛水。在這類地區(qū)進(jìn)行灌溉時，須控制各種水源的滲入補(bǔ)給，防止?jié)撍簧?，以預(yù)防或消除土壤鹽堿化或沼澤化。 (二)滲入徑流型動態(tài) 主要出現(xiàn)在山區(qū)及山前地帶。潛水埋藏較深，蒸發(fā)微弱，排泄以水平徑流消耗為主。伴隨降水或地表水的入滲，地下水位抬高，地下水徑流加強(qiáng)，徑流排泄不斷進(jìn)行，水位變幅趨小，水位漸近穩(wěn)定，表現(xiàn)為動態(tài)曲線平滑。由于鹽分隨徑流排走，從長遠(yuǎn)看水質(zhì)趨于淡化。屬于溶濾潛水。這類地區(qū)不會產(chǎn)生鹽堿化或沼澤化，但灌溉時應(yīng)采取適當(dāng)措施，防止灌溉水的滲漏損失。 (三)滲入蒸發(fā)、徑流型動態(tài) 主要出現(xiàn)在濕潤氣候條件下的平原地區(qū)。濕度大，蒸發(fā)弱；地形平坦，徑流緩慢，故排泄通過徑流和蒸發(fā)兩個途徑。但由于降水補(bǔ)給充沛，從長遠(yuǎn)看水質(zhì)趨于淡化。上述分類還可進(jìn)一步細(xì)分，如根據(jù)入滲條件再分為大氣亞型、水文亞型；大氣亞型又可分雨水型和融雪型等。第三節(jié) 地下水均衡 一、地下水均衡的概念 地下水均衡就是在一定時間間隔內(nèi)，某地段地下水的補(bǔ)給和排泄之間的數(shù)量關(guān)系。 進(jìn)行均衡計算研究的地區(qū)稱為均衡區(qū)。它最好是一個地下水流域。進(jìn)行均衡計算選定的時間段，稱為均衡期，可以是一個月、一年、也可是若干年。某一均衡區(qū)，在一定的均衡期內(nèi)，地下水的收入大于支出，表現(xiàn)為地下水貯存量增加時，稱為正均衡；反之，稱為負(fù)均衡。 地下水的均衡狀況，最終反映在地下水的動態(tài)變化上。所以可以說地下水動態(tài)是地下水均衡的外部表現(xiàn)；地下水均衡則是地下水動態(tài)的內(nèi)在原因。動態(tài)變化是永恒的，絕對的；而均衡則是有條件的，相對的。 二、全球的水均衡 設(shè)Zm為海面及洋面的年蒸發(fā)量；Xm為海面及洋面的年降水量；Zc為陸面年蒸發(fā)量；Xc為陸面年降水量；Y為地表水及地下水年徑流量。如都采用多年平均值，單位皆用水層厚度(mm)表示，則在全球范圍內(nèi) (631) 上式表明在全球范圍內(nèi)，多年平均蒸發(fā)量等于多年平均降水量。稱水均衡方程式。 對一個獨(dú)立流域，它的水均衡方程式可以寫成X=Z+Y (632)式中X流域內(nèi)年平均降水量； Z流域內(nèi)年平均蒸發(fā)量； Y流出流域的年平均徑流量。 如流域?yàn)榉忾]的，則水均衡方程為 X=Z (633) 三、均衡區(qū)的水均衡方程 對一個具體的水均衡區(qū)來說，水均衡方程式即是該區(qū)一定時段(均衡期)內(nèi)，水的收入量與支出量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 均衡區(qū)內(nèi)的收入項(xiàng)A一般包括：大氣降水量x、地表水流入量Y1、地下水流入量W1、凝結(jié)水量Z1；支出項(xiàng)B一般包括：地表水流出量Y2、地下水流出量W2，蒸發(fā)量E。在均衡期內(nèi)，水的收入與支出之差，必然反映在儲量變化V上，則水均衡方程式為即 均衡區(qū)的水儲量變化V包括以下各部分：地表水變化量H1、包氣帶水變化量H2、潛水變化量H(為含水層給水度)，H為潛水位在均衡期內(nèi)的變幅。據(jù)此，水均衡方程式可寫成 為計算方便，方程式中各項(xiàng)(H1、H2、H)單位皆用水層厚度(mm)表示。 四、潛水均衡方程式 潛水均衡方程式是表示一個均衡區(qū)在均衡期內(nèi)，水量總的收支和分配情況，但它滿足不了對地下水進(jìn)行詳細(xì)研究的需要。為了更詳盡的表示潛水的均衡，特提出潛水均衡方程式 (635)式中潛水從鄰區(qū)流入量；降水入滲補(bǔ)給潛水量；地表水體入滲補(bǔ)給潛水量；凝結(jié)水補(bǔ)給量；潛水越流補(bǔ)給量(正值)或排泄量(負(fù)值)；潛水流出量；潛水蒸發(fā)量；潛水向地表的排泄量；為潛水變化量。 式中各項(xiàng)要素均采用水層厚度(mm)為單位。需指出，在水文地質(zhì)條件不同的地區(qū)，均衡要素是不同的，即使同一地區(qū)，不同時期各項(xiàng)要素也可有所變化，則