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地下水水文学主讲：刘国东教授电话：13881800968Email:liugd988@163.com第9讲第四章地下水动态和均衡水文地质与地下水四川大学水电学院4.1天然状态下的地下水动态地下水动态的概念定义：指地下水的数量和质量(包括地下水位、水量、水化学成分、矿化度和水温等)随时间的变化过程起因：地下水在不同时间内的补给与排泄不均衡所造成影响地下水动态的天然因素气候因素气候对地下水动态的影响是起主导作用的因素。降水和蒸发直接影响地下水的补给和排泄，具季节性和多年变化规律水文地质与地下水四川大学水电学院我国地下水位过程线的类型东南地区：锯齿状多峰型(图4-1A)中南地区：驼峰状双峰型(图4-1B)华北地区：不对称单峰型(图4-1C)华北地区：双峰型(图4-1D)东北地区：舒缓状单峰型(图4-1E)水文地质与地下水四川大学水电学院太阳黑子活动的周期变化引起地下水动态的多年周期变化。如图3—2所示为地下水径流模数q与太阳相对黑子数W变化的对比图，可以明显看出具有5～6年和11年的周期规律图4-2地下水径流模数与太阳相对黑子数变化对比图此外，气温除了影响降水形式和蒸发强度外，还直接影响浅层地下水水温。气压大小则主要对承压含水层的测压水位和泉水流量有一定的影响水文地质与地下水四川大学水电学院水文因素水文因素对地下水动态的影响主要是在有水力联系的地表水体周围，其中以河流的影响较大，在河水渗漏补给地下水抬升地下水位时，其影响程度随距离的增大而减弱，影响滞后时间则随距离的增大而延长。而当潜水排泄汇入河流时，潜水位的降幅以邻近河岸处为最大，且随距离河岸长度延长而减小。湖泊和海洋对地下水动态影响较小水文地质与地下水四川大学水电学院地质因素火山、地震、滑坡的影响地质构造通过影响含水层与大气的联系程度影响地下水动态岩性颗粒大小影响动态的变幅植被因素森林覆盖不仅创造了水分积聚和改善降水渗入补给地下水的有利条件，而且也影响入渗补给期的长短，可增加地下水的补给量通过植物根系可以吸取大量地下水，消耗于叶面蒸腾，因而对浅埋藏的潜水动态产生了季节性的和多年的变化影响水文地质与地下水四川大学水电学院4.2地下水动态类型渗入—蒸发型动态主要出现于干旱、半干旱的平原与山间盆地中。排泄以蒸发消耗为主，水平径流微弱。降水及地表水入渗，引起水位抬升，水质淡化，随着水位抬高，蒸发增强，使水位逐渐下降，水质逐步盐化；水位降到一定深度，蒸发变弱，水位抬升，反过来又加大蒸发，如此反复，水位便趋于稳定。具有此类动态的潜水，属于大陆盐化潜水渗入—径流型动态补给也来自降水或地表水的入渗，排泄则主要为水平的径流排泄。随着降水或地表水入渗，地下水位抬高，地下径流加强，径流排泄不断进行，使水位差减少，水位渐趋稳定。由于盐份随径流排走，从长期的角度看水质趋向淡化，属于溶滤潜水。此类动态广泛分布于山区及山前水文地质与地下水四川大学水电学院渗入—蒸发、径流型动态主要分布于湿润气候下的平原。由于地形切割弱，径流弱，湿度大，蒸发受限制，故排泄兼具径流及蒸发两者。但由于降水充沛，长期中水质趋于淡化上述主要动态类型还可以进一步细分。例如，根据入渗条件可分为大气亚型、水文亚型，而大气亚型又可细分为雨水水型及融雪水型等水文地质与地下水四川大学水电学院4.3地下水均衡地下水均衡的概念定义：地下水均衡是以地下水为对象，某个地区在某一段时间内，地下水水量(盐量)收入与支出之间的数量关系进行均衡计算所选定的地区称作均衡区，它最好是一个水文地质单元，有明确的边界。进行均衡计算的时间段，称作均衡期，可以是若干年，一年，也可以是一个月。某一均衡区，在一定均衡期内，地下水水量(或盐量)的收入大于支出，表现为地下水储量(或盐量)增加，称作正均衡；反之，支出大于收入，地下水储量(或盐量)减少，称作负均衡。地下水收入项和支出项可参见表3-1。水文地质与地下水四川大学水电学院4.3地下水均衡地下水均衡方程式水均衡方程一般式：收入项总量-支出项总量=蓄水量变化量通常以水层厚度表示，单位：mm天然条件下，对于均衡区面积F，均衡期t，潜水一般均衡方程为f1、f2—侧向地下径流流入、流出均衡区的垂向边界面积—潜水变幅带土壤的平均给水度或饱和差值；h—均衡期始末变幅，潜水位上升取正值，下降取负值；其余符号见表3-1。如无越流，且可忽略侧向地下径流时，上式变为htFfGZREtFfGZRPr)()(22221111htREtRPr)()(21水文地质与地下水四川大学水电学院4.3地下水均衡对于多年(n年)均衡期T，h=0，上式又变为对于有人工开采的情况下，需计入开采量V2，即为对于多年开采，应保持地下水多年均衡，式中h应取零，则有或niinirtREtRPiii1211)()(htVREtRPr)()(221niniinirtVtREtRPiiii121211)()(niniirtVtRERPiiii12121)(水文地质与地下水四川大学水电学院4.4人为活动对地下水动态和均衡的影响人类活动垦殖耕耘，平整土地，开渠引水，实施灌溉；修路挖沟，筑坝蓄水；凿井抽水，矿坑疏干等影响方式通过改变表层土壤水理性质产生的影响通过改变外界补排环境产生的影响直接改变地下水位产生的影响水文地质与地下水四川大学水电学院地下水动态的研究方法地下水动态观（监）测地下水动态观测observationofgroundwaterregimen是对地下水动态的定时测试和记录。其目的是查明地下水的形成条件、地下水的动态特点及求取水文地质参数，为生产设计与地下水资源计算、管理和研究提供依据。地下水动态观测有长期和短期两种。地下水动态观测网设置的范围、观测的项目与时间，根据工程的任务和规模并结合实际水文地质条件综合考虑确定。水文地质与地下水四川大学水电学院地下水动态观（监）测地下水动态长期观测，一般分区域点网与专用点网两种，观测点网均设置在有代表性的水文地质单元内。地下水动态短期观测，常与某一具体生产任务有关，观测有很强的针对性，观测持续时间一般不少于一个水文年。水文地质与地下水四川大学水电学院地下水动态观测网由观测点和观测线组成，观测点常设置在地下水天然露头(泉)或人工露头（水井、钻孔）处。观测点的选择及密度的确定，要考虑地质、水文地质条件的变化程度、影响因素和工作需要等情况。观测线须垂直或平行地下水流向、经常按水文地质条件变化大的方向布置，控制地下水的主要补给区与排泄区。为地下水资源计算设置动态观测点网须控制水文地质单元边界，在工程勘测区一般均需要布置穿越该区的地下水动态观测线。水文地质与地下水四川大学水电学院专设的地下水动态观测孔施工方法可参见水文地质钻探。也可考虑在一个井孔中经过分层止水后，同时设置潜水观测与承压水观测或承压水的分层观测。地下水动态各要素观测的次数和具体时间可依实际情况，按各自变化特点确定。水文地质与地下水四川大学水电学院观测内容运用水均衡原理进行地下水资源计算与供水水源地评价时，要进行地下水资源的补给量、储存量和排泄量的计算。这时地下水动态观测必须与众多的水均衡要素（如降水入渗量、河流渗漏量、天然蒸发量等）观测同时进行。为防止地面沉降进行地下水动态观测时，需要同时观测大地变形、土层骨架有效应力、地下水开采量及人工补给量等。为配合边坡稳定性研究，需要同时观测动水压力。为论证冻土工程地质条件，又需观测地温等。水文地质与地下水四川大学水电学院观测设备地下水水位观测可采用测盅（或水笛），仪表式、灯显式水位计，电传水位计，自记水位仪，无线电遥测水位仪、水深仪等等；地下水流量常用孔口流量计、量水堰、流速仪等；地下水水温观测采用水银温度计、半导体测温仪等；地下水化学成分、气体成分、有机质污染物、微量元素的观测，需要设置专门水质实验室（或检测中心）、监测车,配备气相-色谱、原子吸收光谱、质谱及离子选择性电极分析等仪器和常规水分析仪器，对不同时期野外定点采取的水样进行分析，研究水质的动态变化。在可能情况下应考虑多设置配备自记仪器的动态观测井孔，对水位、流量、导电率、水温等进行连续记录，工作需要时采样可以不受限制。水文地质与地下水四川大学水电学院资料整理地下水动态观测资料应按月、年依次编制成各种报表，绘制年、多年动态曲线，编制干、湿季（丰、枯水期）或某一特定时刻的等水位线（或等水压线）图及地下水埋藏深度图，年变化幅度图、地下水动态要素特征值分布图等多种图件，并编制地下水水情简报、水质监测及评价简报等。观测规范《城市地下水动态观测规程》(CJJ/T76-98)、中华人民共和国煤炭工业部《地下水动态长期观测技术规范》（MT／T633—1996）、《地下水监测规范》(SL183-2005)、《地震地下水动态观测规范》水文地质与地下水四川大学水电学院地下水动态预测确定性方法数学模型数值模型不确定性方法随机理论相关分析（多因素分析，时间序列分析）灰色系统人工神经网络小波分析第9讲结束水文地质与地下水四川大学水电学院图4-1我国不同地区的地下水位过程线图A东南地区：锯齿状多峰型水文地质与地下水四川大学水电学院图4-1我国不同地区的地下水位过程线图B中南地区：驼峰状双峰型水文地质与地下水四川大学水电学院图4-1我国不同地区的地下水位过程线图C华北地区：不对称状单峰型水文地质与地下水四川大学水电学院图4-1我国不同地区的地下水位过程线图D华北地区：双峰型水文地质与地下水四川大学水电学院图4-1我国不同地区的地下水位过程线图E东北的舒缓状单峰型水文地质与地下水四川大学水电学院表4-1地下水均衡收支项一览表