第10章 地下水的動態(tài)與均衡課件

第10章地下水的動態(tài)與均衡第1節(jié)地下水動態(tài)與均衡的基本概念第2節(jié)地下水動態(tài)第3節(jié)地下水均衡第10章地下水的動態(tài)與均衡第1節(jié)地下水動態(tài)與均衡的基本概念一、動態(tài)（groungwaterregime）

地下水的各要素（水位、水量、水質(zhì)、水溫、流速、流向等）在自然和人為因素的綜合影響下隨時間作有規(guī)律的變化。第10章地下水的動態(tài)與均衡第1節(jié)地下水動態(tài)與均衡的基本概念●收入＞支出

正均衡

●收入＜支出

負均衡

◆均衡區(qū)：進行均衡計算所選定的地區(qū)。

◆均衡期：進行均衡計算的時間段。

地下水均衡研究內(nèi)容：確定均衡區(qū)與均衡期、確定均衡方程式、地下水均衡各收支計算、均衡計算結(jié)果校核與分析二、均衡（groungwaterbudget）

利用質(zhì)量守恒定律，分析地下水在某地區(qū)某時段內(nèi)水量、熱量和鹽量的收入與支出之間的平衡關(guān)系。

水量的收支關(guān)系——水量平衡

鹽量的收支關(guān)系——鹽量平衡

熱量的收支關(guān)系——熱量平衡第10章地下水的動態(tài)與均衡第1節(jié)地下水動態(tài)與均衡的基本概念三、動態(tài)與均衡的關(guān)系

地下水資源不同于其它礦產(chǎn)資源的最主要區(qū)別，在于其質(zhì)和量總是隨時間不停變化著。動態(tài)是均衡的外部表現(xiàn)，均衡是動態(tài)變化的內(nèi)部原因。第10章地下水的動態(tài)與均衡第1節(jié)地下水動態(tài)與均衡的基本概念四、研究動態(tài)與均衡的意義①查清地下水補給、排泄與資源條件、含水層之間、含水層與地表水之間的關(guān)系；②認識區(qū)域水文地質(zhì)條件；③進行水量和水質(zhì)評價；④地下水資源合理開發(fā)利用與保護管理，防止地下水危害；⑤檢驗水文地質(zhì)結(jié)論。第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)一、地下水動態(tài)形成機制將地下水動態(tài)理解為含水層（含水系統(tǒng)）對環(huán)境施加的激勵所產(chǎn)生的響應(yīng)。地下水水位降水第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)

也可理解為含水層（含水系統(tǒng)）對輸入信息變換后產(chǎn)生的輸出信息。間斷性的降水，通過含水層（含水系統(tǒng)）的變換，將轉(zhuǎn)換成比較連續(xù)的地下水位變化或泉流量變化。第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)二、影響地下水動態(tài)的因素

兩類因素

因素之一：

地下水諸要素——水量、鹽量、熱量、能量等的收支變化，即外界激勵（輸入）因素

因素之二：影響激勵（輸入）—響應(yīng)（輸出）關(guān)系的轉(zhuǎn)換因素（影響地下水動態(tài)曲線具體形態(tài)的因素）第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)

1、激勵（輸入）因素：

氣象因素、水文因素

（1）氣象因素：是主因素（降水、蒸發(fā)、氣溫、氣壓）

降水和蒸發(fā)：直接影響地下水的補給與蒸發(fā)，從而影響地下水動態(tài)。

氣溫：影響降水形式、蒸發(fā)強度、淺層地下水水溫（晝夜、冬夏）

氣壓：氣壓變大，水位降低；氣壓變低，水位抬升

對潛水位產(chǎn)生偽變化；潛水位變動伴隨的相應(yīng)潛水儲存量的變化為真變化。

不反映潛水水量增減的潛水位變化為偽變化。第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)

一般氣象（氣候）要素具有晝夜、季節(jié)和多年性周期變化，地下水動態(tài)也有相似的周期性變化。但存在時間上的滯后現(xiàn)象。（1）氣象因素：第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)

氣候還存在多年的周期性波動。例如，周期為11年的太陽黑子變化，影響豐水期與干旱期的交替，從而使地下水位呈同一周期變化。第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)（2）水文因素

地表水體補給地下水而引起地下水位抬升時，隨著遠離河流，水位變幅減小，發(fā)生變化的時間滯后。河水對地下水動態(tài)的影響一般為數(shù)百米到數(shù)公里，在此范圍外，主要受氣候因素的影響。

濱海地區(qū)海水潮汐的影響，使地下水位呈現(xiàn)一天兩次升降的周期性變化。

第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)（3）生物因素

生物的影響表現(xiàn)在兩個方面：

植物蒸騰對潛水動態(tài)的影響

細菌對地下水化學(xué)成分的影響。第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)

2、響應(yīng)（輸出）因素：主要為地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件和人為因素（1）地形因素地形高的地方，一般為補給區(qū)，遠離排泄區(qū)，水位變化顯著；地形低的地方，靠近排泄區(qū)，不斷得到地下水徑流補給，水位變化不顯著。

第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)（2）地質(zhì)因素巖性：長期緩慢影響。同一地方，同一雨季，細粒中的水位變化顯著，粗粒中變化不顯著。徑流—排泄條件

包氣帶巖性、厚度對降水脈沖起濾波作用。包水帶潛水儲存量為給水度（μ）與水位變幅（Δh）之積，給水度決定水位的變化；承壓含水層因彈性給水度（貯水系數(shù)）比給水度小1~3個數(shù)量級，承壓水水位變化大。構(gòu)造：是一個區(qū)域性的影響因素。地震、火山活動：短期影響。在震前地下水位急劇上升、下降、冒砂等，甚至震前地下水化學(xué)成分也會改變。

第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)（3）水文地質(zhì)條件地下水埋深

潛水含水層—水位變化通過質(zhì)量傳輸完成承壓含水層—水位變化是壓力傳遞的結(jié)果壓力傳遞速度遠大于質(zhì)量傳輸?shù)叵滤鲃酉到y(tǒng)補給區(qū)—水位變化大排泄區(qū)—水位變化小第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)（4）人為因素

疏干類型：集水建筑物采水、礦坑排水等各種排水工程；

充水類型：渠道、水庫、堤壩、灌溉系統(tǒng)等。第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)

開采第四系潛水及淺層承壓水作為灌溉水源。每年3~5（6）月采水灌溉，水位降到最低點。6（7）月雨季開始，采水停止，降水入滲及周圍地下水徑流補給，使水位迅速上升。雨季結(jié)束后，周圍的徑流流入填充開采漏斗，水位繼續(xù)緩慢上升。翌年采水前期，水位達到最高點。第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(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。第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)

由于灌溉，旱季水位反而上升。干旱半干旱平原或盆地，地下水天然動態(tài)多屬蒸發(fā)型，灌溉水入滲抬高地下水位，蒸發(fā)進一步加強，促使土壤進一步鹽漬化。有時，即使原來潛水埋深較大，屬徑流型動態(tài)，連年灌溉后，也可轉(zhuǎn)為蒸發(fā)型動態(tài)，造成大面積土壤次生鹽漬化。第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)地下水位降落漏斗剖面圖

第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)開采狀態(tài)下地下水流態(tài)剖面示意圖

第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)三、地下水動態(tài)類型

根據(jù)排泄方式和水交替強度，潛水及松散沉積物淺部的承壓水，可分三種主要動態(tài)類型：

1、滲入—蒸發(fā)型：分布在干旱、半干旱地區(qū)，地形切割微弱的平原或山間盆地中心。補給：降水、地表水入滲（但不豐沛）徑流：微弱，水交替強度十分緩慢排泄：蒸發(fā)為主。動態(tài)特征：年水位變幅小而均勻；水質(zhì)季節(jié)變化明顯，向鹽化方向發(fā)展；土壤易鹽漬化。第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)三、地下水動態(tài)類型

根據(jù)排泄方式和水交替強度，潛水及松散沉積物淺部的承壓水，可分三種主要動態(tài)類型：

2、滲入—徑流型：分布在山前或山區(qū)。地形高差大，水位埋藏深。補給：降水、地表水入滲（豐沛）徑流：強烈，水交替強度大排泄：徑流排泄為主。動態(tài)特征：年水位變幅大而不均（由分水嶺到排泄區(qū)，年水位變幅由大而小）；水質(zhì)季節(jié)變化不明顯，長期中地下水不斷趨向淡化。第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)舉例：承壓含水層的動態(tài)類型：滲入—徑流型動態(tài)變化程度：取決于構(gòu)造開啟程度，構(gòu)造開啟程度越高，水交替越強烈，動態(tài)變化也越強烈，水質(zhì)的淡化趨勢越明顯。第10章地下水的動態(tài)與均衡第2節(jié)地下水動態(tài)三、地下水動態(tài)類型

根據(jù)排泄方式和水交替強度，潛水及松散沉積物淺部的承壓水，可分三種主要動態(tài)類型：

3、滲入—蒸發(fā)、徑流型（弱徑流型、過渡型）：分布在降水豐沛、氣候濕潤的平原或盆地中心。補給：降水、地表水入滲（豐沛）徑流：徑流微弱，蒸發(fā)也微弱排泄：徑流排泄為主動態(tài)特征：年水位變幅小而均勻；水質(zhì)季節(jié)變化不明顯，長期中地下水不斷向淡化方向發(fā)展，但發(fā)展慢。第10章地下水的動態(tài)與均衡第3節(jié)地下水均衡一、水均衡方程式

基本關(guān)系式：

儲量變化=收入量–支出量

（△ω）=（A）–

（B）正均衡——收入＞支出負均衡——收入＜支出第10章地下水的動態(tài)與均衡第3節(jié)地下水均衡二、舉例：陸地上某均衡區(qū)在均衡期內(nèi)

收入量A包括：

大氣降水量（X）地表水的流入量（Y1）地下水流入量（W1）

（承壓水的越流量和側(cè)向補給量）

凝結(jié)水量（Z1）支出量B包括：地表水流出量（Y2）地下水流出量（W2）蒸發(fā)量（Z2）第10章地下水的動態(tài)與均衡第3節(jié)地下水均衡

水儲量△ω包括：地表水變化量（V）包氣帶水變化量（m）潛水變化量（μ△h）承壓水變化量（μe△hc）

其中：μ為潛水含水層的給水度或飽和差；△h為均衡期潛水位變化值（上升用正號，下降用負號）；μe為承壓含水層的彈性給水度；△hc

為承壓水測壓水位變化值。天然條件下的總水均衡方程式

X-（Y2-Y1）-（W2-W1）-（Z2-Z1）=V+m+μ△h+μe△hc第10章地下水的動態(tài)與均衡第3節(jié)地下水均衡潛水均衡示意圖

弱透水層

含水層

潛水位

潛水位

潛水均衡

收入項A包括：

降水入滲補給量（Xf

）地表水入滲補給量（Yf）凝結(jié)水補給量（Zc）上游斷面潛水流入量（Wu1）下伏承壓水越流補給量（Qt）

支出項B包括：潛水蒸發(fā)量（Zu）(土面蒸發(fā)、植物蒸騰)

潛水以泉或泄流形式排泄量（Qd）下游斷面流出量（Wu2）第10章地下水的動態(tài)與均衡第3節(jié)地下水均衡二、舉例：陸地上某均衡區(qū)在均衡期內(nèi)

儲量變化△ω為：μ△h

潛水均衡方程式為：

μ△h=（Xf+Yf+Zc+Wu1+Qt）-（Zu+Qd+Wu2）干旱半干旱平原潛水多年均衡方程式：

Xf+Yf=Zu

濕潤山區(qū)潛水多年均衡方程式：

Xf+Yf=Qd

第10章地下水的動態(tài)與均衡第3節(jié)地下水均衡三、大區(qū)域地下水均衡

第10章地下水的動態(tài)與均衡第3節(jié)地下水均衡堆積平原含水系統(tǒng)地下水均衡模式分析

1、分三段均衡區(qū)分析：

山前丘陵潛水：Xf1+Yf1+W1=Zu1+Qd+W2

沖積平原潛水：Xf2+Yf2+Qt=Zu2

沖積平原深層水：W2=Qt+W3

2、用含水系統(tǒng)分析，水量均衡方程：

Xf1+Xf2+Yf1+Yf2+W1=Zu1+Zu2+Qd+W3

（無Qt、W2）注：進行大區(qū)域水均衡研究時，必須仔細查清上下游，潛水和承壓水，地表水與地下水之間的水量轉(zhuǎn)換關(guān)系，否則將導(dǎo)致水量重復(fù)計算，人為夸大可開采利用的水量。第10章地下水的動態(tài)與均衡

1、某一干旱地區(qū)的山前平原，平原與山地邊緣為洪流形成的沉積物—洪積扇，在山前地帶洪積扇的頂部、洪積扇與平原接觸地帶及遠離山前的平原地帶打3個鉆孔取水樣，水化學(xué)分析的結(jié)果顯示：陰離子有HCO3–、SO42–、Cl–，陽離子有Na+、Ca2+，礦化度也有明顯的變化。水源地（均衡區(qū)）位于平原地帶，區(qū)域面積為100km2，年平均降水量為600mm，降水入滲系數(shù)為0.2，地下水位埋深較淺，蒸發(fā)強度為0.00008m3/(m2.d)。有一條河流補給地下潛水，河床的補給長度為8km，單寬流量為5m3/(m.d)，水源地開采量為每年2千萬m3。

回答以下問題：（1）根據(jù)盆地邊緣洪積扇中潛水的埋深和水質(zhì)的特點，將地下水分為哪幾個帶？（2）試述山前盆地邊緣洪積扇的頂部至盆地中心地下水水化學(xué)成分的變化情況，并簡單分析發(fā)生這種變化的原因。（3）列出該水源地進行水均衡計算的表達式。（4）根據(jù)收入項和支出項，計算該水源地是正均衡還是負均衡？

第10章地下水的動態(tài)與均衡

（1）洪積扇頂部到前緣，根據(jù)潛水埋深可分為潛水深埋帶、溢出帶和潛水下沉帶；根據(jù)水質(zhì)特點可分為鹽分溶濾帶、鹽分過路帶和鹽分堆積帶。（2）山前地帶氣候相對濕潤，洪積扇中顆粒較粗大，地形坡度大，潛水埋深大，以溶濾作用為主，形成低礦化度的HCO3—Ca型水；盆地中心地帶氣候相對干燥，地形坡度小，潛水埋深小，以蒸發(fā)作用為主，易形成高礦化度的Cl—Na型水；洪積扇與盆地接觸地帶氣候條件、顆粒大小和潛水埋深介于上兩者之間，易形成中等礦化度的SO4—Ca或SO4—Na型水。（3）本水源地為典型的有人類活動影響的干旱、半干旱平原均衡區(qū)，水均衡方程式如下：式中：Xf—降水入滲補給量；Yf—地表水入滲補給量；Zu—潛水蒸發(fā)量；Qkc—開采量；μΔh—潛水存儲變化量（4）本均衡區(qū)的收入項為降水入滲補給量、地表水入滲補給量；支出項為潛水蒸發(fā)量，開采量。根據(jù)題意可知：

Xf

=0.6×0.2×108×=1.2×107（m3）；

Yf=5×8000×365=1.46×107（m3）；

Zu=0.00008×108×365=0.29×107（m3）；

Qkc=2.0×107（m3）。收入項=2.66×107（m3）＞支出項=2.29×107（m3），因此，本均衡區(qū)為正均衡。第10章地下水的動態(tài)與均衡

2、某水源地開采區(qū)為正方形，邊長為15km，區(qū)