地下水动态与均衡

第六章地下水动态与均衡的研究§1 地下水动态和均衡的概念地下水资源和其它矿产资源的最主要区别是，其量和质总是随着时间而不停地变化着。

所谓地下水动态即是指表征地下水数量与质量的各种要素（如水位、泉流量、开采量、溶质成分与含量、温度及其它物理特征等）随时间而变化的规律。

其变化规律可以是周期性的变化，也可以是趋势性的变化。

变化的周期可以是昼夜的（如月球引力导致的固体潮），也可以是季节性的或者是多年的。

其变化的速率，在天然状态下一般具较明显的周期性，或具极为缓慢的趋势性。

在人为因素（开采或排除）的影响下，其变化率可大大加强。

这种迅速的变化，可能对地下水本身和环境带来严重的后果。

地下水的质与量之所以变化，主要是由于水量和溶质成分在补充和消耗上的不平衡所造成的。

所谓地下水均衡，就是指这种在一定范围、一定时间内，地下水水量、溶质含量及热量等的补充（流入）与消耗（流出）量之间的数量关系。

当补充与消耗量相等时，地下水（量与质）处于均衡状态；当补充量小于消耗量时，地下水处于负均衡状态；当补充量大于消耗量时，地下水处于正均衡状态。

地下水在天然条件下，一般多处于均衡状态；在人为活动影响下，则可能出现负均衡或正均衡状态。

从上述概念可知，地下水动态与均衡之间存在着互为因果的紧密联系。

地下水均衡是导致动态变化的实质，即导致动态变化的原因；而地下水动态则是地下水均衡的外部表现，即动态变化的方向与幅度是由均衡的性质和数量所决定的。

§2 研究地下水动态与均衡的意义研究地下水动态与均衡，对于认识区域水文地质条件、水量和水质评价，以及水资源的合理开发与管理，都具有非常重要的意义。

任何目的、任何勘查阶段的水文地质调查，都必须重视地下水动态与均衡的研究工作。

由于对地下水动态规律的认识，往往要经过相当长时间的资料积累才能得出结论，因此在水文地质调查时，应尽早开展地下水动态与均衡研究。

其研究意义具体表现在：（1）在天然条件下，地下水的动态是地下水埋藏条件和形成条件的综合反映。

因此，可根据地下水的动态特征分析、认识地下水的埋藏条件、水量、水质形成条件和区分不同类型的含水层。

（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去计算地下水的某些均衡要素。

如根据次降水量、潜水位升幅和潜水含水层给水度计算大气降水的入渗系数；根据潜水位的升幅或降幅计算地下水的储存量及潜水的蒸发量等。

（3）由于地下水的数量与质量均随着时间而变化，因此一切水量、水质的计算与评价，都必须有时间的概念。

如对同一含水层来说，在雨季、旱季、丰水年、枯水年，其水资源数量与水质都可能大不一样。

因此，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量的约束。

为尽可能地减少开采地下水引起的负作用，开采量一般不能超过地下水的补给量，即不应破坏地下水的均衡状态。

（5）研究地下水的均衡状态，可预测地下水水量、水质及与地下水有关的环境地质作用的变化及总体发展趋势。

因此，在各种目的的水文地质勘探中，都规定进行一定时期的地下水长期观测，以便进行地下水动态与均衡的研究。

勘探阶段愈详细，长期观测工作量愈大，要求的精确度愈高。

§3 地下水动态和均衡研究的基本任务一、研究地下水动态的基本任务（1）正确布设地下水动态监测网点，对动态监测的频率、监测次数及监测时间作出科学的规定。

地下水动态监测点的布置形式和位置，主要决定于水文地质调查的主要任务。

动态监测成果要满足水文地质条件的论证，地下水水量、水质评价及水资源科学管理方案制定等方面的要求。

对干不同的勘查阶段，对以上要求各有侧重。

为阐明区域水文地质条件服务的动态监测工作，其主要任务在于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。

因此，监测点一般应布置成监测线形式。

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。

对不同成因类型的动态区，不同含水层，地下水的补给、径流和排泄区，均应有动态监测点控制。

为地下水水量、水质计算与资源管理服务的动态监测工作，其主要任务是：为建立数学模型、水文地质参数分区及选择参数提供资料。

鉴于地下水数值模型在地下水水量、水质评价与管理工作中的广泛应用，要求将相应的动态监测点布置成网状形式，以求能控制区内地下水流场及水质变化。

对流场中的地下分水岭、汇水槽谷、开采水位降落漏斗中心、计算区的边界、不同水文地质参数分区及有害的环境地质作用已发生和可能发生的地段，均应有动态监测点控制。

地下水动态的监测点，除井、孔外，还应充分利用区内已有的地下水天然及人工水点。

对有关的地表水体、各种污染源，以及有害的环境地质现象，亦应进行监测。

科学规定地下水动态项目的监测频率、监测次数和时间，对于获得真实、完整的动态资料十分重要。

对于不同的监测项目，监测的频率、次数和时间的具体要求虽有不同，但其总的原则是一致的，即要求按规定的监测频率、次数和时间所获得的地下水动态资料，应能最逼真地反映出年内地下水动态变化规律。

以上问题的具体要求，可参阅有关水文地质勘查和地下水动态观测规范。

需强调的是，为了能从动态变化规律中分析出不同动态要素（监测项目）间的相互联系，对各监测项目的监测时间，在一年中至少要有几次是统一的。

（2）根据所获得的地下水动态监测资料，分析地下水动态的年内及年际间的变化规律。

动态变化规律，主要是指某种动态要素随时间的变化过程、变化形态及变幅大小等的水文地质意义，变化的周期性与趋势性，并通过不同监测项目动态特征的对比，确定它们之间的相关关系。

（3）根据所获得的各种动态资料，考虑各种影响因素（水文、气象、开采或人工补给地下水等）的作用，确定区内地下水的成因类型。

为认识区域地下水的埋藏条件，水质、水量的形成条件及有害环境地质作用的产生和发展原因等，提供动态上的佐证。

二、地下水均衡研究的基本任务（1）为进行均衡研究，首先要确定均衡区的范围及边界的位置与性质。

当区域较大，各地段的地下水均衡要素组成又不相同时，应划分均衡亚区。

为便于均衡计算，每个均衡区（或亚区）最好是一个相对独立的水文地质单元。

均衡区的边界最好是性质比较明确、位置比较清楚的某一自然边界（或地质界线）。

（2）确定均衡区内地下水均衡要素的组成及地下水水量或水质均衡方程的基本形式。

在建立方程时，应考虑到，同一均衡区在不同的时段，其均衡要素的组成可能是不同的。

因此，在均衡计算之前，还应划分出均衡计算的时段，即确定出均衡期。

（3）通过直接（野外实测或室内测定）或间接（参数计算）方法，确定出地下水各项均衡要素值，为地下水水量、水质的计算与预测提供基础数据。

（4）通过区域水均衡计算，确定出区内地下水的均衡状态，预测某些水文地质条件的变化方向，为制定合理的地下水开发方案及科学管理措施提供基本依据。

§4 地下水动态与均衡的监测项目一、地下水动态监测项目对大多数水文地质勘查任务来讲，地下水动态监测的基本项目都应包括地下水水位、水温、水化学成分和井、泉流量等。

对与地下水有水力联系的地表水水位与流量，以及矿山井巷和其它地下工程的出水点、排水量及水位标高也应进行监测。

水质的监测，一般是以水质简分析项目作为基本监测项目，再加上某些选择性监测项目。

选择性监测项目是指那些在本地区地下水中已经出现或可能出现的特殊成分及污染物质，或被选定为水质模型模拟因子的化学指标。

为掌握区内水文地球化学条件的基本趋势，可在每年或隔年对监测点的水质进行一次全分析。

地下水动态资料，常常随着观测资料系列的延长而具有更大的使用价值，故监测点位置确定后，一般都不要轻易变动。

二、地下水的均衡项目（或均衡要素）地下水的均衡包括水量均衡、水质均衡和热量均衡等不同性质的均衡。

不同性质均衡方程的均衡项目（均衡要素），也就必然有所区别。

在多数情况下，人们首先关注的还是水量问题，而水量均衡又是其它两种均衡的基础。

因此，下面着重讨论水量均衡的组成项目。

根据质量守恒定律，在任何地区，在任一时间段内，地下水系统中地下水（或溶质或热）的流入量A（或补充量）与流出量B（或消耗量）之差，恒等于该系统中水（溶质或热）储存量的变化量ΔW。

据此，我们可直接写出均衡区在某均衡期内的各类水量均衡方程。

总水量均衡方程的一般形式为：∆=BAW-进一步写为（单位面积）：)()(22221111R W Z Y R W Z Y X P V h +++-++++=++∆μ式中：μΔh ––––潜水储存量的变化量，其中，μ为潜水位变动带内岩石的给水度或饱和差，Δh 为均衡期内潜水位的变化值；V ，P ––––分别为地表水体和包气带水储存量的变化量；X ––––降水量；Y 1，Y 2––––地表水的流入和流出量；Z 1，Z 2––––凝结水量和蒸发量（包括地表水面、陆面和潜水的蒸发量）；W 1，W 2––––地下径流的流入和流出量；R 1，R 2––––人工引入和排出的水量。

潜水水量均衡方程的一般形式为：)''()''(222111R Z W W R Z W Y Xh s f f +++-++++=∆μ式中： X f ––––降水入渗量；Z 1’，Z 2’––––潜水的凝结补给量及蒸发量；W s ––––泉的流量；Y f ––––地表水对潜水的补给量；R’1，R’2––––人工注入量和排出量；其余符号同前式。

承压水的水量均衡方程，比潜水为简，常见形式为：)()(2211*k R W E W h +-+=∆μ 式中：μ*––––承压含水层的弹性给水度（贮水系数）；E 1––––越流补给量；R 2k ––––承压水的开采量；其余符号同前式。

对于不同条件的均衡区及同一均衡区的不同时间段，均衡方程的组成项可能增加或减少。

如：当地下水位埋深很大时，Z’1和Z’2常常忽略不计。

分析上述各水量均衡方程，可清楚地看到，一切水量均衡方程均由三部分组成，即均衡期内水量的变化量(ΔW)、地下水系统的补给量(或流入量A )和消耗量(或流出量B )。

在补给量中，最重要的是降水入渗量（X f ）、地表水入渗量（Y f ）、地下径流的流入量（W 1）；在某些情况下，越流补给量(E 1)和人工注入量（R’1）也有较大意义；在消耗量中，最重要的是潜水的蒸发量（Z’1）、地下径流的流出量（W 2）、地下水的人工排泄量（R’2和R 2k ）；有时，泉水的溢出量（W s ）和越流流出量（E 2）也很有意义。

§5 地下水动态的成因类型及主要特征地下水动态成因类型的划分，主要是根据地下水的水位动态过程曲线的特点，以及对地下水动态影响最大的自然和人为因素对地下水动态成因类型进行划分。