地下水动态与均衡

第九章地下水动态与均衡GroundwaterRegimeandBalance本章内容地下水动态与均衡的概念9.1地下水的动态9.2地下水的均衡地下水动态与均衡的概念地下水动态——在与环境相互作用下，含水层各要素（如水位、水量、水化学成分、水温等）随时间的变化。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。地下水均衡——某一地段内地下水水量（盐量、热量、能量）的收支状况。地下水动态与均衡的分析，可以帮助我们查清地下水的补给与排泄，阐明其资源条件，确定含水层之间以及含水层与地表水体的关系。动态与平衡是一个广义的概念，各领域都存在收支问题，本章着重研究方法和理论、以及应用。9.1地下水的动态含水层（含水系统）经常与环境发生物质、能量与信息的交换，时刻处于变化之中——与时间有关地下水动态是含水层（含水系统）对外部环境施加的激励所产生的响应，也可理解为含水层（含水系统）将输入信息变换后产生的输出信息。9.1.1地下水动态的形成机制下面以降雨（图9-1）为例说明地下水动态的形成机制：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同一时刻的降雨，在包气带中通过大小不同的空隙以不同速度下渗。当运动最快的水滴到达地下水面时，地下水位开始上升，占比例最大的水量到达地下水面时，地下水位的上升达到峰值，运动最慢的水滴到达地下水面以后，降水的影响便告结束。这样，与一个降水脉冲相对应，作为响应的地下水位的抬升便表现为一个波形。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当相邻的两次或更多次降雨接近，各次降雨引起的地下水抬升的波形便会相互迭合。当各个波峰某种程度迭加时，会迭合成更高的波峰，地下水位会出现一个峰值。然而，实际情况下往往多是各个波形的波峰与波谷迭合，削峰填谷，构成平缓的复合波形。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9.1.2影响地下水动态的因素如果我们把地下水动态看作是含水层（含水系统）连续的信息输出，就可将影响地下水动态的因素分为两类:一类是环境对含水层（含水系统）的信息输入，如降水、地表水对地下水的补给，人工开采或补给地下水，地应力对地下水的影响等；另一类则是变换输入信息的因素，主要涉及赋存地下水的地质地形条件。9.3.5区域地下水均衡从供水角度发出，可供长期开采利用的水量，便是含水系统从外界获得的多年平均年补给量。对于大的含水系统，除了统一求算补给量外，有时往往还需要分别求算含水系统各部分的补给量。此时应注意避免上、下游之间，潜水、承压水之间，以及地表水与地下水之间水量的重复计算。如果简单地将含水系统各部分均衡式中水量收入项累加，则显然比整个系统的水量收入项多了W2及Qt两项。分别求算的结果比统一求算偏大。W2、Qt都属于堆积平原含水系统内部发生的水量转换，而不是含水系统与外部之间发生的水量转换。进行大区域水均衡研究时，必须仔细查清上下游，潜水和承压水，地表水与地下水之间的水量转换关系，否则将导致水量重复计算，人为地夸大可开采利用的水量。在开采条件下，含水系统内部及其与外界之间的水量转换，将发生一系列变化（自学）。9.2.3人类活动影响下的地下水均衡研究人类活动影响下的地下水均衡，可以帮助我们定量评价人类活动对地下水动态的影响，预测其水量水质变化趋势，并据此提出调控地下水动态使之朝向对人类有利的方向发展的措施。某灌区潜水均衡方程式为：f1、f2——分别为灌渠水及田面灌水入渗补给潜水的水量；Qt——下伏承压含水层越流补给潜水的水量；Qr——通过排水沟排走的潜水水量；以一个水文年为均衡期，经观测计算，求得均衡方程式各项数值（单位为mm水柱）:据此得出以下结论：（1）潜水表现为正均衡，一年中潜水位上升620mm，增加潜水储存量31mm（μ＝0．05）。长此以往，潜水蒸发量将不断增加，会产生土壤盐渍化。（2）破坏原有地下水均衡，导致潜水位抬升的主要因素是灌溉水入渗，其中灌渠水入渗量占水量总收入的70％，田面入渗水量占21％。（3）现有排水设施的排水能力（年排水量为20mm）太低，不能有效地防止潜水位抬升。（4）为防止土壤次生盐渍化，必须采取以下措施：或减少灌水入渗（衬砌渠道、控制灌水量），或加大排水能力，或两者兼施，以消除每年31mm的潜水储存量增加值。9.2.4地面沉降与地下水均衡在对开采条件下的孔隙承压含水系统进行地下水均衡计算时，如果不将地面沉降考虑进去，就会出现误差〔王大纯等，1981〕〔曹文炳，1983〕。开采孔隙承压水时，孔隙水压力降低,有效应力增大，砂砾层及粘性土层都将压密释水，砂砾层的弹性给水度与粘性土的贮水系数都将变小。若停止采水使测压水位恢复，砂砾层可以基本上回弹到初始状态（弹性给水度恢复到初始值），但是粘性土层由于是塑性压密，水位恢复后，基本仍保持已有的压密状态（贮水系数保持压密后的值）。因此，孔隙承压含水系统开采后再使水位复原，并不意味着储存水量全部恢复。由于粘性土压密释水量往往可占开采水量的百分之几十，因此，忽略粘性土永久性释水就会造成相当大的误差。本章小节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=系统储存量的变化思考题1．影响地下水动态的因素主要有哪几类？2．影响地下水动态的气象因素主要有哪些？如何影响？3．影响潜水动态的地质因素有哪些?如何影响？4．影响承压水动态的地质因素有哪些?如何影响？5．写出潜水均衡方程?并说明各项的意义？6．一个地区，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）。7．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。8．说明地下水动态的形成机制?9．潜水动态分几种类型?各类型有何特征?10．人类活动是如何影响地下水动态的?11．研究地下水动态与均衡有哪些意义?12．某水源地位于一正方形区域内，边长为10Km公里，区域面积为100Km2。多年平均降水量为600mm，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５m3/(d)，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?