水文地质学-地下水动态与均衡.ppt

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1、第九章 地下水的动态与均衡,9.1 地下水动态与均衡的概念,一、地下水动态,定义：含水层（含水系统）经常与环境发生物质、能量与信息的交换，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。,原因：含水层（含水系统）水量、盐量，热量、能量收支不平衡的结果。,当补给水量大于排泄水量时，储存水量增加，地下水位上升； 水化学成分 水温,地下水位：真变化 VS 伪变化,第九章 地下水的动态与均衡,二、地下水均衡,定义：某一时间段内某一地段内（区域）地下水水量（盐量、热量、能量）的收支状况称作地下水均衡。,三、动态与均衡的关系,动态是均衡的外部表现，均衡是动态变化的内在原因

2、。,地下水的动态变化是含水层水量、盐量、热量、能量收支不平衡的结果。,水量的收支不平衡将引起地下水位的变化； 盐量的收支不平衡将引起水质的变化； 热量、能量的收支不平衡将引起水温的变化。,第九章 地下水的动态与均衡,四、地下水动态的研究意义,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；,六、地下水动态的研究内容,影响因素、动态类型、地下水动态成果分析,五、地下水动态与均衡研究的方法,第九章 地下水的动态与均衡,9.2 地下水动态,9.2.

3、1 地下水动态的形成机制,一、一次降水对地下水水位的影响,一次降雨脉冲信号,水位的变化波信号,第七章 地下水的补给、排泄与径流,汛期开始，河水浸湿包气带并发生垂直下渗，使河下潜水面形成水丘（图a）。 河水不断下渗，水丘逐渐抬高与扩大，与河水联成一体（图b）。 汛期结束，河水撤走，水丘逐渐趋平，使一定范围内潜水位普遍抬高（图c）。,二、间歇性河流对地下水的补给过程,第九章 地下水的动态与均衡,二、多次（两次以上）降雨对地下水水位的影响,削峰填谷,第九章 地下水的动态与均衡,不同条件下地下水位对降雨的响应,2、包气带渗透性及厚度均为中等：地下水埋藏深度中等的裂隙砂岩,1、包气带渗透性良好，包气带厚

4、度影响忽略：岩溶发育区,3、包气带渗透性低且厚度大：地下水埋藏深度大于100m的黄土高原,第九章 地下水的动态与均衡,三、降水对泉流量的影响,降水对泉流量的影响，也会出现类似的情况。一次降雨使泉水量出现一个波形的增加，若干次降雨所引起的波形相迭合，削峰填谷的结果，会使泉流量远较降水变化为稳定。 北方许多岩溶大泉流量动态之所以很稳定，原因就在此。,由此可见，间断性的降水，通过含水层（含水系统）的变换，将转化成比较连续的地下水位变化或泉流量变化，这是信号滞后，延迟与迭加的结果。,第九章 地下水的动态与均衡,9.2.2 影响地下水动态的因素,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

5、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。,第九章 地下水的动态与均衡,第九章 地下水的动态与均衡,054#位于渭河一级阶地，1990年以前变化并不明显，2002年后年平均地下水位要明显低于1990年以前，其主要原因应该是上世纪90年代以后降雨量偏少导致补给来源减少，同时人口的增加、经济的发展又增加了开采量，这些都是地下水位持续下降的原因。,第九章 地下水的动态与均衡,057-1#位于渭河二级阶地，1986年后地下水位开始

6、下降，2002年后水位与1990相比有较大的降落。与一级阶地类似，其主要原因应该是上世纪90年代以后降雨量偏少导致补给来源减少，同时人口的增加、经济的发展又增加了开采量，需要指出的是该地区是工业中心、人口密集地，地下水的开发量更大，下降的幅度也更大。,第九章 地下水的动态与均衡,064#,065#,第九章 地下水的动态与均衡,064#、065#位于渭北黄土台原灌区，灌溉是地下水位变化的主要影响因素，这从1985、1986、1987三个降雨偏少年份地下水位持续上升可以得到证实。 据咸阳水利志记载，“1984年9月，咸阳市南部的秦都、兴平、武功、杨凌、三原、泾阳、乾县、礼泉的明水面积达40413亩

7、，兴平县明水在店张洼地一带；地下水位在0.5m以下的有175110亩；在0.51.5m的有414652亩”，而后，相关部门注重井灌渠灌结合，加强排涝工作，多数地区地下水上升得到了控制。,第九章 地下水的动态与均衡,一、气象（气候）因素,气象（气候）因素对潜水动态影响最为普遍。 降水的数量及其时间分布，影响潜水的补给，从而使潜水含水层水量增加，水位抬升，水质变淡。 气温、湿度、风速等与其它条件结合，影响着潜水的蒸发排泄，使潜水水量变少，水位降低，水质变咸。 气象（气候）要素周期性地发生昼夜、季节与多年变化，因之，潜水动态也存在着昼夜变化、季节变化及多年变化。其中季节变化最为显著且最有意义。,我国

8、东部属季风气候区，雨季出现于春夏之交。大体自南而北由5月至7月先后进入雨季，降水显著增多，潜水位逐渐抬高，并达到峰值。,第九章 地下水的动态与均衡,雨季结束，补给逐渐减少，潜水由于径流及蒸发排泄，水位逐渐回落，到翌年雨季前，地下水位达到谷值。 因此，全年潜水位动态表现为单峰单谷（图93）。图中3月份水位少量抬升与季节冻土融化补给地下水有关。,第九章 地下水的动态与均衡,气候还存在多年的周期性波动。 例如，周期为11年的太阳黑子变化，影响丰水期与干旱期的交替，从而使地下水位呈同一周期变化（图94）。,第九章 地下水的动态与均衡,二、水文因素,随着远离河流，地下水位抬升的时间滞后和延迟增大，波形趋

9、于平缓。,河岸及含水层的渗透性越强，地下水位响应的时间滞后和延迟愈小。,含水层厚度愈大，波形愈平缓。,给水度愈大，波形愈？,第九章 地下水的动态与均衡,三、地质因素（影响输入信息变换）,1）之于降水入渗补给的过程,当降水补给地下水时，包气带厚度与岩性控制着地下水位对降水的响应。 潜水埋藏深度愈大，对降水脉冲的滤波作用愈强；相对于降水，地下水位抬高的时间滞后与延迟愈长；水位历时曲线呈现为较宽缓的波。 包气带岩性的渗透性愈好，则滤波作用愈弱；地下水位抬升的时间滞后与延迟小；水波历时曲线波形较陡。,第九章 地下水的动态与均衡,2）潜水的动态,降水补给 量对潜水动态的影响 潜水储存量的变化是以给水度

10、与水位变幅 h 的乘积表示的。当储存量变化相同时，给水度愈小，水位变幅便愈大。 岩溶化岩层渗透性良好但岩溶率（相当于给水度）则较低，岩溶水的包气带缺乏滤波作用，较小的岩溶率则起了放大地下水位对降水补给的响应，地下水位变幅在分水岭地区可达数十米甚至更多。,第九章 地下水的动态与均衡,3）之于承压水,对于承压含水层来说，隔水顶板限制了它与外界的联系，它主要通过补给区（潜水分布区）与大气圈与地表水圈发生联系，当顶板为弱透水层时，还通过弱透水顶板与外界联系。 由于以上原因，承压水动态变化通常比潜水小。在前一种情况下，接受降水补给时，补给区的潜水位变化比较明显，随着远离补给区，变化渐弱，以至于消失。 从

11、补给区向承压区传递降水补给影响时，含水层的渗透性愈好，厚度愈大，给水度愈小，则波及的范围愈大。 承压含水层埋藏愈深，构造封闭性愈好，与外界的水力联系愈弱，则由于大气圈及地表水圈变化而引起的动态变化愈微弱。,第九章 地下水的动态与均衡,4）其它地质因素（作为输入/激励）影响承压含水层的水位变动（伪变化）,承压含水层的水位变动还可以由于固体潮、地震等引起，这时地质因素成为环境对地下水的输入。 在内陆地区，承压含水层中可观测到周期为12小时的测压水位波动。这是由于月亮和太阳对地球吸引造成的。 当月亮运行到某点“头顶”时，由于月亮的吸引，承压含水层因载荷减少而引起轻度膨胀，测压水位便下降。 月亮远离时

12、，承压含水层载荷增加，轻度压缩，测压水位便上升。 由固体潮引起的地下水位变幅可达数个厘米。 1975年2月4日辽宁海城7.3级大地震,第九章 地下水的动态与均衡,氡（Rn）是由放射性元素镭衰变产生的自然界唯一的天然放射性稀有气体，无色无味。 Bq也就是贝克勒尔，定义是放射性元素每秒有一个原子发生衰变时，其活度即为1贝克勒尔。100Bq/L也就是每升气体中每秒有100个原子发生衰变。,第九章 地下水的动态与均衡,由于地震波的传递，大地震可以使距震中数千公里以外的某些敏感的深层承压水井产生厘米级的水位波动。 据认为，这是由于地震孕震及发震过程中地应力的变化使岩层压缩或膨胀，从而引起震区以至远方孔隙

13、水压力的异常变化，承压含水层测压水位因而波动。与此相应，有时震前地下水化学成分也会改变。 与其它方法配合，监测地下水动态可以作为预报地震的一种重要手段。 应当注意，固体潮、地震等引发的地下水位波动只是能量的传递而不涉及地下水储存量的变化。这种能量传递距离远，速度快。 例如，1950年12月9日阿根廷一智利边境发生大地震，40分钟后远在8050km之外的美国威斯康星州密尔窝基城一个深井发生不到5cm的测压水位波动，地震波传递速率约为200km/min。,第九章 地下水的动态与均衡,9.2.3 地下水天然动态类型,潜水与承压水由于排泄方式及水交替程度不同，动态特征也不相同。 潜水及松散沉积物浅部的

14、水，可分为三种主要动态类型：蒸发型、径流型及弱径流型。,第九章 地下水的动态与均衡,蒸发型动态出现于干旱半干旱地区地形切割微弱的平原或盆地。 此类地区地下水径流微弱，以蒸发排泄为主。 雨季接受入渗补给，潜水位普遍以不大的幅度（通常为13m）抬升，水质相应淡化。随着埋深变浅，旱季蒸发排泄加强，水位逐渐下降，水质逐步盐化。降到一定埋深后，蒸发微弱，水位趋于稳定。 此类动态的特点是：年水位变幅小，各处变幅接近，水质季节变化明显，长期中地下水不断向盐化方向发展，并使土壤盐渍化。,第九章 地下水的动态与均衡,径流型动态广泛分布于山区及山前。 地形高差大，水位埋藏深，蒸发排泄可以忽略，以径流排泄为主。 雨

15、季接受入渗补给后，各处水位抬升幅度不等。接近排泄区的低地，水位上升幅度小；远离排泄点的高处，水位上升幅度大；因此，水力梯度增大，径流排泄加强。 补给停止后，径流排泄使各处水位逐渐趋平。 此类动态的特点是：年水位变幅大而不均（由分水岭到排泄区，年水位变幅由大到小），水质季节变化不明显，长期中则不断趋于淡化。,第九章 地下水的动态与均衡,气候湿润的平原与盆地中的地下水动态，可以归为弱径流型。 这种地区地形切割微弱，潜水埋藏深度小，但气候湿润，蒸发排泄有限，故仍以径流排泄为主，但径流微弱。 此类动态的特征是：年水位变幅小，各处变幅接近，水质季节变化不明显，长期中向淡化方向发展。,承压水均属径流型，动

16、态变化的程度取决于构造封闭条件。构造开启程度愈好，水交替愈强烈，动态变化愈强烈，水质的淡化趋势愈明显。,第九章 地下水的动态与均衡,人类活动通过增加新的补给来源或新的排泄去路而改变地下水的天然动态。 在天然条件下，由于气候因素在多年中趋于某一平均状态，因此，一个含水层或含水系统的补给量与排泄量在多年中保持平衡。反映地下水储量的地下水位在某一范围内起伏，而不会持续地上升或下降。 地下水的水质则在多年中向某一方向（盐化或者淡化）发展。,9.2.4 人为影响下的天然动态类型,第九章 地下水的动态与均衡,钻孔采水，矿坑或渠道排除地下水后，人工采排成为地下水新的排泄去路；含水层或含水系统原来的均衡遭到破

17、坏，天然排泄量的一部或全部转为人工排泄量，天然排泄不再存在，或数量减少（泉流量、泄流量减少，蒸发减弱），并可能增加新的补给量（含水层由向河流排泄变成接受河流补给；原先潜水埋深过浅降水入渗受限制的地段，因水位埋深加大而增加降水入渗补给量）。 如果采排地下水一段时间后，新增的补给量及减少的天然排泄量与人工排泄量相等，含水层水量收支达到新的平衡。在动态曲线上表现为：地下水位在比原先低的位置上，以比原先大的年变幅波动，而不持续下降。,第九章 地下水的动态与均衡,河北饶阳县五公地区，开采第四系潜水及浅层承压水作为灌溉水源。 每年35（6）月采水灌溉，水位降到最低点。 6（7）月雨季开始，采水停止，降水入

18、渗及周围地下水径流补给，使水位迅速上升。雨季结束后，周围的径流流入填充开采漏斗，水位继续缓慢上升。 翌年采水前期，水位达到最高点。 这一动态变化显示了天然因素和人为因素的综合影响（图96）。 由1973年至1977年，始末高水位期水位相近，此期间降水量接近多年平均值。由此说明，保持此五年的平均采水量，地下水收支可以平衡。,第九章 地下水的动态与均衡,采排水量过大，天然排泄量的减量与补给量的增量的总和，不足以偿补人工排泄量时，则将不断消耗含水层储存水量，导致地下水位持续下降（图97）。,第九章 地下水的动态与均衡,修建水库，利用地表水灌溉等，增加了新的补给来源而使地下水位抬升。河北冀县新庄，1974年初潜水位埋深大于4m，由于灌溉，旱季水位反而上升，到1977年雨季，潜水位已接近地表了（图98）。,第九章 地下水的动态与均衡,064#,065#,