專門水文地質(zhì)學(xué) 05 地下水動態(tài)與均衡

回顧當(dāng)前進行水文地質(zhì)調(diào)查常用的方法有六類：水文地質(zhì)測繪（地下水資源地面調(diào)查）水文地質(zhì)鉆探水文地質(zhì)物探水文地質(zhì)化探水文地質(zhì)(現(xiàn)場)試驗地下水動態(tài)與均衡觀測地下水動態(tài)與均衡地下水動態(tài)與均衡的概念地下水動態(tài)與均衡研究的意義及基本任務(wù)地下水動態(tài)的影響因素及動態(tài)類型地下水動態(tài)與均衡的監(jiān)測項目地下水動態(tài)的概念

地下水資源和其它礦產(chǎn)資源的最主要區(qū)別是，其量和質(zhì)總是隨著時間而不停地變化著。地下水動態(tài)即是指表征地下水?dāng)?shù)量與質(zhì)量的各種要素（如水位、泉流量、開采量、溶質(zhì)成分與含量、溫度等）隨時間而變化的規(guī)律。其變化規(guī)律可以是周期性（晝夜、季節(jié)性、多年）的變化，也可以是趨勢性的變化。在人為因素（開采或回灌）的影響下，地下水動態(tài)變化將會更加強烈。這種強烈的變化，可能對地下水本身和環(huán)境帶來嚴(yán)重的后果。

地下水均衡，就是指這種在一定范圍、一定時間內(nèi)，地下水水量、溶質(zhì)含量及熱量等的補充（流入）與消耗（流出）量之間的數(shù)量關(guān)系。當(dāng)補充與消耗量相等時，地下水（量與質(zhì)）處于均衡狀態(tài)；當(dāng)補充量小于消耗量時，地下水處于負(fù)均衡狀態(tài)；當(dāng)補充量大于消耗量時，地下水處于正均衡狀態(tài)。地下水在天然條件下，一般多處于均衡狀態(tài)；在人為活動影響下，則可能出現(xiàn)負(fù)均衡或正均衡狀態(tài)。地下水均衡的概念地下水動態(tài)和均衡的關(guān)系動態(tài)是均衡的外部表現(xiàn)，均衡是動態(tài)變化的內(nèi)在原因。

地下水的動態(tài)變化（地下水各要素，如地下水位、水量、水化學(xué)成份、水溫等之所以隨時間發(fā)生變化）是含水層水量、鹽量、熱量、能量收支不平衡的結(jié)果。水量的收支不平衡將引起地下水位的變化；鹽量的收支不平衡將引起水質(zhì)的變化；熱量、能量的收支不平衡將引起水溫的變化。輸入與輸出的對應(yīng)關(guān)系

a—時間滯后；b—時間延遲地下水動態(tài)是含水層（含水系統(tǒng)）對外部環(huán)境施加的激勵（輸入）所產(chǎn)生的響應(yīng)（輸出）。以降雨為例說明地下水動態(tài)的形成機制：降水→補給地下水系統(tǒng)→

水位上升。地下水動態(tài)（對外界響應(yīng)）特點：在時間上表現(xiàn)為滯后和延遲。地下水動態(tài)的特點地下水動態(tài)與均衡地下水動態(tài)與均衡的概念地下水動態(tài)與均衡研究的意義及基本任務(wù)地下水動態(tài)的影響因素及動態(tài)類型地下水動態(tài)與均衡的監(jiān)測項目地下水動態(tài)與均衡研究的意義

研究地下水動態(tài)與均衡，對于認(rèn)識區(qū)域水文地質(zhì)條件、水量和水質(zhì)評價，以及水資源的合理開發(fā)與管理，都具有非常重要的意義。任何目的、任何勘查階段的水文地質(zhì)調(diào)查，都必須重視地下水動態(tài)與均衡的研究工作。由于對地下水動態(tài)規(guī)律的認(rèn)識，往往要經(jīng)過相當(dāng)長時間的資料積累才能得出結(jié)論，因此在水文地質(zhì)調(diào)查時，應(yīng)盡早開展地下水動態(tài)與均衡研究。地下水動態(tài)與均衡研究的意義其研究意義具體表現(xiàn)在：（1）在天然條件下，地下水的動態(tài)是地下水埋藏條件和形成條件的綜合反映。因此，可根據(jù)地下水的動態(tài)特征分析、認(rèn)識地下水的埋藏條件、水量、水質(zhì)形成條件和區(qū)分不同類型的含水層。（2）地下水動態(tài)是均衡的外部表現(xiàn)，故可利用地下水動態(tài)資料去計算地下水的某些均衡要素。（3）由于地下水的數(shù)量與質(zhì)量均隨著時間而變化，因此一切水量、水質(zhì)的計算與評價，都必須有時間的概念。如對同一含水層來說，在雨季、旱季、豐水年、枯水年，其水資源數(shù)量與水質(zhì)都可能大不一樣。因此，地下水動態(tài)資料是地下水資源評價和預(yù)測時必不可少的依據(jù)。地下水動態(tài)與均衡研究的意義（4）用任何方法計算的地下水允許開采量，都必須能經(jīng)受地下水均衡計算的檢驗；任何地下水開采方案，都必須受地下水均衡量的約束。為盡可能地減少開采地下水引起的負(fù)作用，開采量一般不能超過地下水的補給量，即不應(yīng)破壞地下水的均衡狀態(tài)。（5）研究地下水的均衡狀態(tài)，可預(yù)測地下水水量、水質(zhì)及與地下水有關(guān)的環(huán)境地質(zhì)作用的變化及總體發(fā)展趨勢。因此，在各種目的的水文地質(zhì)勘探中，都規(guī)定進行一定時期的地下水長期觀測，以便進行地下水動態(tài)與均衡的研究。勘探階段愈詳細(xì)，長期觀測工作量愈大，要求的精確度愈高。地下水動態(tài)與均衡研究的基本任務(wù)一、研究地下水動態(tài)的基本任務(wù)（1）正確布設(shè)地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)點，對動態(tài)監(jiān)測的頻率、監(jiān)測次數(shù)及監(jiān)測時間作出科學(xué)的規(guī)定。（2）根據(jù)所獲得的地下水動態(tài)監(jiān)測資料，分析地下水動態(tài)的年內(nèi)及年際間的變化規(guī)律。動態(tài)變化規(guī)律，主要是指某種動態(tài)要素隨時間的變化過程、變化形態(tài)及變幅大小等的水文地質(zhì)意義，變化的周期性與趨勢性，并通過不同監(jiān)測項目動態(tài)特征的對比，確定它們之間的相關(guān)關(guān)系。（3）根據(jù)所獲得的各種動態(tài)資料，考慮各種影響因素（水文、氣象、開采或人工補給地下水等）的作用，確定區(qū)內(nèi)地下水的成因類型。為認(rèn)識區(qū)域地下水的埋藏條件，水質(zhì)、水量的形成條件及有害環(huán)境地質(zhì)作用的產(chǎn)生和發(fā)展原因等，提供動態(tài)上的佐證。地下水動態(tài)與均衡研究的基本任務(wù)二、研究地下水均衡的基本任務(wù)（1）為進行均衡研究，首先要確定均衡區(qū)的范圍及邊界的位置與性質(zhì)。當(dāng)區(qū)域較大，各地段的地下水均衡要素組成又不相同時，應(yīng)劃分均衡亞區(qū)。為便于均衡計算，每個均衡區(qū)（或亞區(qū)）最好是一個相對獨立的水文地質(zhì)單元。均衡區(qū)的邊界最好是性質(zhì)比較明確、位置比較清楚的某一自然邊界（或地質(zhì)界線）。（2）確定均衡區(qū)內(nèi)地下水均衡要素的組成及地下水水量或水質(zhì)均衡方程的基本形式。在建立方程時，應(yīng)考慮到，同一均衡區(qū)在不同的時段，其均衡要素的組成可能是不同的。因此，在均衡計算之前，還應(yīng)劃分出均衡計算的時段，即確定出均衡期。地下水動態(tài)與均衡研究的基本任務(wù)（3）通過直接（野外實測或室內(nèi)測定）或間接（參數(shù)計算）方法，確定出地下水各項均衡要素值，為地下水水量、水質(zhì)的計算與預(yù)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。（4）通過區(qū)域水均衡計算，確定出區(qū)內(nèi)地下水的均衡狀態(tài)，預(yù)測某些水文地質(zhì)條件的變化方向，為制定合理的地下水開發(fā)方案及科學(xué)管理措施提供基本依據(jù)。地下水動態(tài)與均衡地下水動態(tài)與均衡的概念地下水動態(tài)與均衡研究的意義及基本任務(wù)地下水動態(tài)的影響因素及動態(tài)類型地下水動態(tài)與均衡的監(jiān)測項目影響地下水動態(tài)的因素主要有三類：外部環(huán)境對含水層（含水系統(tǒng)）的信息輸入：氣象(氣候)因素、水文因素；影響輸入—輸出關(guān)系的轉(zhuǎn)換因素，主要涉及賦存地下水的地質(zhì)環(huán)境條件——地質(zhì)因素。人為因素，包括開采、人工回灌、灌溉、庫渠滲漏、污水排放等等。

地下水動態(tài)的影響因素地下水動態(tài)的影響因素

氣象（氣候）因素對潛水動態(tài)影響最為普遍。

降水的數(shù)量及其時間分布，影響潛水的補給，從而使?jié)撍畬铀吭黾樱惶?/p>

氣溫、濕度、風(fēng)速等與其它條件結(jié)合，影響著潛水的蒸發(fā)排泄，使?jié)撍孔兩?，水位降低，水質(zhì)變咸。氣象（氣候）要素周期性地發(fā)生晝夜、季節(jié)與多年變化，因之，潛水動態(tài)也存在著晝夜變化、季節(jié)變化及多年變化。其中季節(jié)變化最為顯著且最有意義。一、氣象（氣候）因素1954－1955年北京地區(qū)潛水動態(tài)曲線降水潛水位1—氣溫；2—相對濕度；3—降水量；4—潛水位；5—蒸發(fā)量

二、水文因素—河水

河水的影響：主要取決于含水層（地下水系統(tǒng)）距地表水體的遠(yuǎn)近。

萊茵河對潛水的影響

1、2、3、4、5—觀測井中潛水位，數(shù)字大的距河遠(yuǎn)；6—萊茵河水位地下水動態(tài)的影響因素地下水動態(tài)的影響因素

當(dāng)降水補給地下水時，包氣帶厚度與巖性控制著地下水位對降水的響應(yīng)。

潛水埋藏深度愈大，相對于降水，地下水位抬高的時間滯后與延遲愈長；水位歷時曲線呈現(xiàn)為較寬緩的波。

包氣帶巖性的滲透性愈好，地下水位抬升的時間滯后與延遲??；水波歷時曲線波形較陡。三、地質(zhì)因素——（影響輸入信息變換）

潛水儲存量的變化為△

Q=μ*△h。當(dāng)△

Q相同時，μ愈小，△h變幅愈大。地下水動態(tài)的影響因素四、人為活動影響下的地下水動態(tài)

在天然條件下，由于氣候因素在多年中趨于某種平均狀態(tài)。因此，一個含水層或含水系統(tǒng)的補給量與排泄量在多年中保持平衡。地下水儲量的地下水位在某一范圍內(nèi)起伏，而不會持續(xù)地上升或下降，地下水的水質(zhì)則在多年中向某一方向（鹽化或者淡化）發(fā)展。人類活動通過增加新的補給來源或新的排泄去路而改變地下水的天然動態(tài)。

采排水量過大，天然排泄量的減量與補給量的增量的總和，不足以償補人工排泄量時，則將不斷消耗含水層儲存水量，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降。地下水動態(tài)的影響因素

修建水庫、利用地表水灌溉等，增加了新的補給來源而使地下水位抬升。河北冀縣新莊，1974年初潛水位埋深大于4m，由于灌溉，旱季水位反而上升，到1977年雨季，潛水位已接近地表了。地下水動態(tài)的影響因素地下水動態(tài)的影響因素地下水動態(tài)類型地下水動態(tài)類型地下水動態(tài)類型地下水動態(tài)與均衡地下水動態(tài)與均衡的概念地下水動態(tài)與均衡研究的意義及基本任務(wù)地下水動態(tài)的影響因素及動態(tài)類型地下水動態(tài)與均衡的監(jiān)測項目地下水動態(tài)的監(jiān)測項目對大多數(shù)水文地質(zhì)勘查任務(wù)來講，地下水動態(tài)監(jiān)測的基本項目都應(yīng)包括地下水水位、水溫、水化學(xué)成分和井、泉流量等。對與地下水有水力聯(lián)系的地表水水位與流量，以及礦山井巷和其它地下工程的出水點、排水量及水位標(biāo)高也應(yīng)進行監(jiān)測。水質(zhì)的監(jiān)測，一般是以水質(zhì)簡分析項目作為基本監(jiān)測項目，再加上某些選擇性監(jiān)測項目。選擇性監(jiān)測項目是指那些在本地區(qū)地下水中已經(jīng)出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的特殊成分及污染物質(zhì)，或被選定為水質(zhì)模型模擬因子的化學(xué)指標(biāo)。為掌握區(qū)內(nèi)水文地球化學(xué)條件的基本趨勢，可在每年或隔年對監(jiān)測點的水質(zhì)進行一次全分析。地下水動態(tài)資料，常常隨著觀測資料系列的延長而具有更大的使用價值，故監(jiān)測點位置確定后，一般都不要輕易變動。地下水均衡的監(jiān)測項目地下水的均衡包括水量均衡、水質(zhì)均衡和熱量均衡等不同性質(zhì)的均衡。不同性質(zhì)均衡方程的均衡項目（均衡要素），也就必然有所區(qū)別。以水量為例，討論水量均衡的組成項目。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在任何地區(qū)，在任一時間段內(nèi)，地下水系統(tǒng)中地下水（或溶質(zhì)或熱）的流入量A（或補充量）與流出量B（或消耗量）之差，恒等于該系統(tǒng)中水（溶質(zhì)或熱）儲存量的變化量ΔW。據(jù)此，我們可直接寫出均衡區(qū)在某均衡期內(nèi)的各類水量均衡方程?？偹烤夥匠痰囊话阈问綖椋捍髿饨邓?X)地表水流入量(Y1)地下水流入量(W1)水汽凝結(jié)量(Z1)人工引入的水量(R1)收入項(A)地表水流出量(Y2)地下水流出量（W2）蒸發(fā)量(Z1)人工排出的水量(R2)支出項(B)均衡期的存儲量變化△ω＝A–B

(X+Y1+W1+Z1+R1)-(Y2+W2+Z2+R2)=△ω地下水均衡的監(jiān)測項目進一步寫為（單位面積）：式中：μΔh––––潛水儲存量的變化量，其中，μ為潛水位變動帶內(nèi)巖石的給水度或飽和差，Δh為均衡期內(nèi)潛水位的變化值；V，P––––分別為地表水體和包氣帶水儲存量的變化量；X––––降水量；Y1，Y2––––地表水的流入和流出量；Z1，Z2––––凝結(jié)水量和蒸發(fā)量（包括地表水面、陸面和潛水的蒸發(fā)量）；W1，W2––––地下徑流的流入和流出量；R1，R2––––人工引入和排出的水量。地下水均衡的監(jiān)測項目潛水均衡方程降水入滲補給量(Xf)地表水滲入量(Yf)水汽凝結(jié)量(Zc)上游斷面流入量（Wu1）越流補給量(Qt)收入項(A)潛水蒸發(fā)量(Zu)排泄量(Qd)下游斷面流出量（Wu2）支出項(B)均衡期的潛水儲量變化△ω＝μ△h

(Xf+Yf+Zc

+Wu1+Qt)-(Zu+Qd+Wu2)=μ△h承壓水均衡方程承壓水的水量均衡方程，比潛水簡單，常見形式為：式中：W1，W2––––地下徑流的流入和流出量；μ*––––承壓含水層的彈性給水度（貯水系數(shù)）；E1––––越流補給量；R2k––––承壓水的開采量。小結(jié)

（1）地下水動態(tài)是含水系統(tǒng)水量、水質(zhì)收支平衡狀況的綜合表現(xiàn)。

（2）影響地下水動態(tài)的因素有：氣象、水文、地質(zhì)條件和人類活動。

（3）地下水均衡計算，遵循質(zhì)量守恒定律。

（4）地下水量均衡方程式的一般表達(dá)式為：收入項—支出項=系統(tǒng)儲存量的變化。（5）地下水動態(tài)與均衡的監(jiān)測項目。（6）地下水動態(tài)的類型。

十多條小溪匯入Mono湖，但是沒有流出的河流，并且河流的水位沒有明顯的上漲。這些源源流入的水成為一個陰森恐怖的謎。

——馬克·吐溫

試圖從水均衡的角度來解釋馬克·吐溫的疑問！

思考題

水均衡方程：流入量-流出量=儲量變化量計算題1單位：104m3/a降水入滲量地表水補給量地下徑流流入量地下水蒸發(fā)量地下徑流流出量灌溉回滲量枯水年