第五章-地下水的动态与均衡

第五章地下水的动态与均衡地下水动态与均衡的概念研究地下水动态与均衡的意义地下水动态与均衡研究的基本任务地下水动态与均衡的监测项目地下水动态的成因类型及主要特征第一节地下水动态与均衡的概念地下水动态：在各种因素综合影响下，地下水的水位、水量、水温及化学成分等要素随时间的变化。水位、水量、水化学成分、水温等称为地下水动态要素。地下水动态变化的原因有二：（1）含水层（含水系统）水量、盐量、热量、能量收支不平衡的结果。（2）含水介质的变动，引起的动态潜水位变动伴随的相应潜水储存量的变化为真变化；不反映潜水水量增减的潜水位变化为伪变化。如大气气压的升、降，影响地下水位的升、降变化为伪变化。地下水均衡：某一地区(含水层)在一定时间段内，地下水的总补给量与总消耗量及地下水贮存量的变化量之间数量对比关系。均衡区：进行地下水均衡计算所选定的区域。均衡期：进行地下水均衡计算所选定的时间段。正均衡：某一均衡区，在一定均衡期内，地下水水量（或盐量、热量）的收入大于支出，表现为含水层中储水量、储盐量、储热量的增加。负均衡：某一均衡区，在一定均衡期内，地下水水量（或盐量、热量）的支出大于收入，表现为含水层中储水量、储盐量、储热量的减少。地下水均衡是地下水动态变化的内在原因；地下水动态是地下水均衡的外部表现。第二节研究地下水动态与均衡的意义一、研究意义（1）在天然条件下，地下水动态是地下水埋藏条件和形成的综合反映。（2）地下水动态是均衡的外部表现，故可利用地下水动态资料计算地下水的某些均衡要素。（3）地下水动态资料是地下水资源评价和预测时必不可少的依据。（4）用任何方法计算的地下水允许开采量，都必须能经受地下水均衡计算的检验；任何地下水开采方案，都必须受地下水均衡的约束。（5）由于地下水开发利用引发或可能引发的环境地质问题，均需进行地下水的动态监测，研究地下水的均衡状态，以便预测环境地质作用的变化及发展趋势。二、地下水动态的形成机理单次降雨脉冲产生的响应。多次降雨脉冲的叠加，左图波峰与波峰的叠加，产生更大的波峰；右图波峰与波谷的叠加产生平缓的复合波形。三、地下水动态的影响因素影响含水系统中地下水动态的因素有两大类，即外部因素（环境因素）和内部因素。外部因素包括：气候、水文及人为因素，如大气降水、地表水、人工补给与排泄和地应力等。含水系统的内部因素：地质、地形条件等。（1）气候（气象）因素的影响气候的干旱与湿润，制约着大气降水的数量和时间分布，从而影响着潜水的补给；气温、湿度、风速等气候要素的变化，则影响着潜水的蒸发和排泄。潜水的动态变化情况，通常以潜水动态曲线表示。气候要素的变化是周期性的，具有日夜变化、季节变化、年际变化和多年变化的特点，从而使地下水动态也呈现相应的周期性变化，其中季节性变化的影响最大。地下水动态的季节变化图。地下水动态的多年变化图。（2）水文因素的影响水文因素的影响，主要是地表水体与地下水的关系。分三种情况：a.地表水长期补给地下水；b.地表水长期排泄地下水（地下水补给地表水）；c.丰水期地表水补给地下水，枯水期地下水补给地表水。当地表水补给地下水时，地下水位的升高并非在瞬间完成，而是有一个过程，这种现象称为滞后现象。滞后过程的长短，取决于河床的透水性和距补给水源的远近。如图，为滞后现象。距离地表水体近的潜水含水层，水位上升滞后时间短，水位变幅大；远离地表水体处，潜水位上升滞后时间长，水位变幅也较小。再远处，潜水位受地表水补给的影响就不明显了。（3）地质因素的影响是由地形和地质体的岩性、结构、构造所决定的系统内部因素。潜水：影响潜水动态的地质因素：包气带岩性、潜水埋深（包气带厚度）和给水度。潜水埋深愈大，水在包气带运移的时间愈长，地下水位抬高的时间滞后愈长，水位随时间变化曲线呈现为较宽缓的波。包气带岩性的渗透性愈好，地下水位抬高的时间滞后愈短，水位随时间变化曲线呈现为较陡的波。给水度，潜水储存量的变化相同时，给水度愈小，水位变幅愈大。地表水引起的潜水变化时，含水层的透水性愈好，厚度愈大，给水度愈小，则波及范围愈远。承压水：影响承压水的动态的因素有：含水层的岩性、厚度、补给区范围、隔水顶、底板的垂向渗透性。补给区的潜水位变化比较明显，随着远离补给区，变化微弱，以至于消失。从补给区向承压区传递降水补给影响时，含水层的透水性愈好，厚度愈大，给水度愈小，则波及范围愈远。隔水顶、底板的垂向渗透性愈好，地下水位变幅愈大。（4）人为因素的影响主要指人类通过增加新的补给源或新的排泄去路，而改变了地下水的天然动态，打破了天然平衡。如果人工凿井抽水或以渠道、矿坑形式排除地下水，就构成了地下水新的排泄去路。修建水库蓄滞地表水及引地表水灌溉农田等地表水的工程活动，都可能增加地下水的补给。注意：地下水补、排的失衡，影响地下水水位动态的变化，从而也会影响地下水水质动态的变化。如，灌溉地下水位升高，引起的盐渍化、沼泽化；污灌对地下水的污染；不合理开采的咸水体下移等。地下水位降落漏斗剖面图地下水位与开采量关系图某库水位与钻孔水位过程线开采状态下地下水流态剖面示意图第三节地下水动态研究的基本任务一、地下水动态研究的基本任务1.布设地下水动态监测网地下水动态监测点的布置，主要考虑几个方面：（1）地下水资源评价的主要任务；（2）满足水文地质的论证，地下水水量、水质评价及水资源科学管理方案制订等方面的要求；（3）勘察的阶段。动态观测点、线的布置易符合下列要求：（1）为查明区域内地下水动态的成因类型和动态特征的变化规律。主要的监测线应穿过地下水不同动态成因类型的地段，沿着区域水文地质条件变化最大的方向布置。（2）为建立计算模型和进行水文地质分区，要求将相应的动态监测点布置成网格形式，保证对计算区各分区参数的控制。（3）查明各含水层之间的水力联系时，可分层布置观测孔。（4）需要获得边界地下水动态资料时，观测孔宜在边界有代表性的地段布置（5）查明污染源对水源地地下水的影响时，观测孔宜在连接污染源和水源地的方向上布置。（6）查明咸水与淡水分界面的动态特征（包括海水入侵）时，观测线宜垂直分界面布置。（7）需要获得用于计算地下水径流量的水位动态资料时，观测线宜垂直和平行计算断面布置。（8）需要获得用于计算地区降水入渗系数的水位动态资料时，观测孔宜在有代表性的不同地段布置。（9）查明地下水与地表水体之间的水力联系时，观测线宜垂直地表水体的岸边线布置。（10）查明水源地在开采过程中下降漏斗的发展情况时，宜通过漏斗中心布置相互垂直的两条观测线。（11）查明两个水源地的相互影响或附近矿区排水对水源地的影响时，观测孔宜在连接两个开采漏斗中心的方向上布置。2.监测频率（1）观测井、孔的出水量、水位、水温、气温和泉的流量，宜每隔5～10d观测一次，当其变化剧烈时应增加观测次数，各观测点的观测应定时进行。计算降水入渗系数所需的水位的观测时间，应根据计算的具体要求确定。（2）水质分析和细菌检验用的水样，宜在丰水期和枯水期各取一次，在污染地区应增加取样次数。采取水样前宜进行抽水洗井孔。（3）查明咸水与淡水分界面时，宜每月取水样一次，作单项离子分析。（4）查明地表水和地下水之间的水力联系时，应在观测地下水动态的同时，观测有关地表水的动态。3.分析地下水动态特征地下水的水位动态特征分析包括以下方面：（1）利用不同时期的流场（5年），分析流场的变化特征。如降落漏斗的变化趋势，扩展速度，中心水位的下降速度等。（2）分析动态曲线的趋势特征。（3）分析动态曲线的周期特征。如，1年周期、半年周期、多年周期等。（4）分析地下水动态的年变幅。通过动态特征分析可获得的水文地质信息：（1）依据动态要素随时间的变化过程、变化形态及变幅大小等分析水位地质条件。如，变幅：潜水的变幅大，承压水的变幅小；补给区变幅大，排泄区变幅小；渗透性差的区域变幅大，渗透性好的区域变幅小。承压水，近补给区变幅大，远离补给区变幅小；近“天窗”区变幅大，远“天窗”区变幅小。渗透性好的含水层，动态传播的远，渗透性差的含水层，动态传播的近。（2）据周期性、趋势性、不同监测项目动态特征对比，确定它们之间的关系。二、地下水动态成因类型及特征（1）降水入渗型分布广泛，含水层埋藏深，包气带岩石渗透性好。地下水水位及其他动态要素，均随着降水量的变化而变化，水位峰值与降水峰值一致或稍有滞后。年内水位变幅较大。（2）蒸发型发生的地区：干旱、半干旱的平原区，地下水位埋深较浅（小于3～4m），地下水径流滞缓。地下水水位随蒸发量的加大及气温升高而明显下降，并随着干旱季节延长而缓慢下降。地下水位的下降比较平缓，年变幅不大（一般小于3～4m）。（3）开采型主要分布在强烈开采地下水的地区。地下水动态要素明显随着地下水开采量的变化而变化，在降水的高峰季节，地下水水位上升不明显或有所下降，当开采量大于地下水的年补给量时，地下水水位逐年下降。（4）径流型主要分布于地下水径流条件较好，补给面积辽阔，地下水埋藏较深或含水层上部有隔水层覆盖的地区。地下水水位变化平稳，年变幅很小，水位峰值多滞后于降水峰值。（5）水文型可分为两个亚类：①常年补给型；②季节补给型。主要分布在河、渠、水库等地表水体的沿岸或河谷中，地表水与地下水有直接的水量联系。地表水位高于地下水位。地下水水位随地表水水位升高、流量增大、过流时间延长而上升，水位峰值和起伏程度随远离地表水而逐渐减弱。（6）灌溉型分布于引入外来水源的灌区，包气带土层有一定的渗透性，地下水埋藏深度不十分大。地下水水位明显地随着灌溉期的到来而上升，年内高水位期常延续较长。（7）冻结型分布于有多年冻土层的高纬度地区或高寒山区。①冻结层下水，年内地下水水位变化平缓，变幅不大，峰值稍滞后于降水峰值，或水位峰值不明显；②冻结层上水，地下水水位起伏明显，呈现与融冻期和雨期对应的两个峰值。（8）越流型分布在垂直方向含水层与弱透水层相间的地区。一般在开采条件下越流性质才能表现明显。当开采含水层水位低于相邻含水层时，相邻含水层（非开采层）的地下水将越流补给开采含水层，水位动态亦随开采层变化，但变幅较小，变化平缓。三、地下水动态监测项目地下水动态要素有：地下水水位、水温、水化学成分和井、泉流量。因此，地下水动态的监测项目有：（1）地下水动态要素：地下水水位、水温、水化学成分和井、泉流量。（2）与地下水有水力联系的地表水水位与流量。（3）矿山井巷和地下工程的出水点、排水量及水位标高。（4）水质监测一般是简分析、特殊组分、污染质，部分可进行全分析。第四节地下水均衡二、地下水均衡研究的基本任务（1）确定均衡区。主要是确定均衡区的范围及边界的位置与性质。均衡区最好是一个相对独立的地下水系统。均衡区的边界最好是自然边界。（2）确定均衡期一般取一个水文年。（3）通过野外测定或计算的方法，确定出地下水各均衡要素值。（4）通过区域水均衡计算，确定出区内地下水的均衡状态。一、总的水均衡方程式水量均衡方程的基本思想是：在均衡期中，均衡区内的地下水的各种收（+）、支（－）项的代数和等于含水系统（含水层）中储存水量的变化量。设某一地区天然状态下：收入项为A，包括：大气降水量（X）、地表水流入量（Y1）、地下水流入量（W1）、水汽凝结量（Z1）；支出项为B，包括：地表水流出量（Y2）、地下水流出量（W2）、蒸发量（Z2）；均衡期内地下水储存量的变化量为△W；则均衡方程为：A-B=△W即：（X+Y1+W1+Z1）-（Y2+W2+Z2）=△W由于储存量的变化量△W包括：地表水变化量（V）；包气带水变化量（M）；潜水变化量（µ△h）；（µ—给水度；△h—水位变化值，可正可负）承压水变化量（µ*△h*）。（µ*—弹性给水度；△h*—测压水位变化值，可正可负）所以：X–（Y2–Y1）–（W2–W1）–（Z2–Z1）=V+M+µ△h+µ*△h*二、潜水均衡方程式潜水的收入项包括：降水入渗量Xf、地表水入渗量Yf、凝结水入渗量Zc、上游潜水流入量Wu1、下伏承压水越流补给量Qf。潜水的支出项：潜水蒸发量Zu、泉排泄潜水量Qd、下游潜水流出量Wu2。均衡期内潜水储存量的变化量为：µ△h则，潜水的均衡方程