10第十章地下水动态与均衡

1第十章地下水动态与均衡地下水动态：groundwaterregime地下水均衡：groundwaterbalance(budget)10．1地下水动态与均衡的概念地下水动态––––地下水各种要素(水位、水量、化学组分、气体成分、温度、微生物等)随时间的变化，称为地下水动态地下水均衡––––某一时段、某一范围内地下水水量(盐量、热量等)的收支状况，称为地下水均衡。地下水动态与均衡的关系是：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。地下水动态的研究包括：影响因素、类型及成果分析。地下水均衡的研究包括：均衡区和均衡期的确定，均衡方程式的确定，各收支项的求取，均衡计算结果的校核与分析。地下水要素之所以随时间发生变动，是含水层（含水系统）水量、盐量、热量、能量收支不平衡的结果。例如，当含水层的补给水量大于其排泄水量时，储存水量增加，地下水位上升；反之，当补给量小于排泄量时，储存水量减少，水位下降。研究目的意义：地下水动态监测及成果分析，可以解决一系列理论与实际问题：①检验并完善前期水文地质研究结论；②查明地下水资源数量、质量及其变化；③为数学模拟提供依据；④为拟定合理的地下水利用、防治方案及措施提供依据；⑤检验实施中的利用、防治方案及措施的合理性。地下水均衡研究，可以为拟定合理的地下水利用、防治方案及措施提供定量依据，检验并完善利用、防治方案及措施。目前：研究较多的是水位动态，水量均衡。10．2地下水动态的影响因素1．影响地下水动态的因素地下水动态的本源因素是随时间变动的因素，包括：气象(气候)因素、水文因素、生物因素、地质营力因素、天文因素等。1）气象因素：①降水→含水层水量增加→水位抬升→水质变淡；②蒸发→潜水含水层水量减少→水位降低→水质变咸；③气象因素具有季节性的变化，地下水动态也具有季节性变化；2④气候还存在多年的周期性变动，如周期为11年的太阳黑子影响丰水年与枯水年从而使地下水位呈现多年周期性变化。在分析气象因素对潜水位的影响时，必须区分潜水位的真变化与伪变化。潜水位变动伴随相应的潜水储存量的变化，这种水位变动是真变化。某些并不反映潜水水量增减的潜水位变化，便是伪变化。例如，当大气气压开始降低时，暴露于大气中的井孔中的地下水位却因气压降低而水位抬升。对于重大的长期性地下水供排设施，应当考虑多年的地下水位与水量的动态变化。供水工程应根据多年资料分析地下水位最低时水量能否满足要求；排水要考虑多年最高地下水位时的排水能力。2）水文因素：地表水体补给地下水而引起地下水位抬升时，随着远离河流，水位变幅减小，发生变化的时间滞后。影响范围一般在数公里~数百公里。此范围以外主要受气候因素的影响。3）其他因素影响下的地下水动态地震、固体潮、潮汐、外部荷载等都会引起地下水要素变化。4）人为活动影响下的地下水动态通过新增的补给源或排泄去路而影响地下水的动态。如钻孔采水（开采地下水），矿坑排水，破坏了地下水的天然平衡，使地下水的动态发生变化。新建水库，利用地表水灌溉，使地下水位上升，影响地下水的天然动态。5）地质因素：包气带的厚度与岩性：①厚度：小，降水到达地下水的时间短→水位上升快；大，降水到达地下水的时间长→水位上升慢；②岩性：a.渗透性：K小，水位滞后降水的时间长；K大，水位滞后降水的时间短；b.给水度：μ小，水位变幅大；μ大，水位变幅小。310．3地下水动态类型参照阿利托夫斯基等(1956)的分类，提出如下地下水天然动态类型：入渗—径流型、径流—蒸发型、入渗—蒸发型、入渗—弱径流型。1．入渗—径流型动态，接受降水及地表水补给，以径流方式排泄；地下水化学作用以溶滤为主。动态的特点是：年水位变幅大而不均，由补给区到排泄区，年水位变幅由大到小。水质季节变化不明显，水土向淡化方向演变。2．径流—蒸发型动态，以侧向径流补给为主，以蒸发方式排泄；地下水化学作用以浓缩为主。动态的特点是年水位变幅小而均匀，水质缺乏明显季节变化，水土向盐化方向演变。3．入渗—蒸发型动态，以接受当地降水补给为主，径流微弱，就地蒸发排泄；地下水化学作用为溶滤—浓缩间杂发生。4．入渗—弱径流型动态，以接受当地降水补给为主，径流和蒸发均微弱，地下水化学作用以溶滤为主。上述四大类型，难以完全概括我国复杂的地下水动态，需要根据实际情况加以变换应用。10．4天然条件下的地下水均衡1．概念地下水均衡––––指某个地区，某一时段内，地下水水量（盐量、热量）收入与支出之间的数量关系。均衡区––––进行均衡计算所选定的地区。一般为一个完整的水文地质单元或者为一个完整的地下水系统。均衡期––––进行均衡计算的时间段称作均衡期。一般为一年，或若干年。水均衡（水量平衡）研究的实质：用质量守恒定律去分析参与水循环的各要素之间的数量关系。正均衡––––地下水水量的收入大于支出，表现为地下水储存量的增加，称为正均衡。负均衡––––支出大于收入，地下水储存量减少，称作负均衡。均衡状态：收入=支出，地下水储存量保持平衡。进行均衡研究的目的：分析收入项，支出项→列出水均衡方程式→补给量（资源评价）→正、负均衡？→求某些未知项（或参数：μ、S等）。关于水均衡的研究：目前主要是水量均衡的研究。2．水均衡方程式（天然状态下）1）一般收入项（A）包括：①大气降水量（X）；②地表水流入量（Y1）；③地下水流入量（W1）等。2）支出项（B）：①地表水流出量（Y2）；②地下水流出量（W2）；③蒸发量（Z2）。43）均衡期水的储存量的变化量为Δω4）则水均衡方程式为：A–B=Δω，其中：式中：Δω为单位时间、单位面积储存量的变化量。5）根据具体情况列均衡方程：有些项可以省略，方程可以简化。10．5人为活动影响下的地下水均衡人类活动对地下水均衡的影响水量均衡方程式：考虑人为影响下补给量（收入）、排泄量（支出）。10．6大区域地下水均衡研究中的一些问题4．大区域地下水均衡研究需要注意的问题注意避免上、下游之间，潜水、承压水之间，以及地下水与地表水之间水量的重复计算。思考题1.地下水动态？2.地下水均衡？3.均衡区？4.均衡期？5.正均衡?6.负均衡?7.均衡方程?8.试比较：接受降水及河流补给时，地下水位的响应有哪些共同点与不同点?9.河流补给地下水时，潜水和承压水水位的响应有何不同?为什么?10.“河流对地下水水质和温度的影响范围，通常小于对地下水位的影响范围。”原因是什么?11.“同一含水层接受补给时，补给区的水位变幅大，排泄区的水位变幅小”，为什么？12.潜水位的真、伪变化？13.地下水要素之所以随时间发生变动，是含水层、、、收支不平衡的结果。14.潜水动态受季节影响明显，雨季补给量排泄量，潜水位；旱季补给量排泄量，潜水位。15.供水工程应根据多年资料分析地下水位最时水量能否满足要求；排水要考虑多年最地下水位时的排水能力。ΔωμΔh，对于潜水SΔh，对于承压水516.陆地上某一地区天然状态下地下水量收入项一般包括、、。17.陆地上某—地区天然状态下地下水量支出项一般包括、、。18.影响地下水动态的因素主要有哪些?19.影响地下水动态的气象因素主要有哪些？如何影响?20.影响潜水动态的地质因素有哪些？如何影响?21.写出潜水均衡方程？并说明各项的意义?22.说明地下水动态的形成机制?23.潜水动态分几种类型？各类型有何特征?24.人类活动是如何影响地下水动态的?25.研究地下水动态与均衡有哪些意义?26.水均衡研究的实质？27.运用水均衡方法进行大区域地下水均衡研究需要注意的问题？28.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?29.某水源地开采区为正方形，边长为15公里，区域面积为225平方公里。多年平均降水量为740毫米，降水入渗系数为0．2，开采区西部和北部约180平方公里的地区，地下水位埋深2—3米，蒸发强度为每天每平方米0．00008立方米，其它区无蒸发，南部和西部为补给边界，其单宽流量分别为每天每米5立方米和每天每米10立方米，北部和东部为隔水边界，水源地开采量为每天700000立方米，进行均衡计算，确定该水源地是正均衡还是负均衡。