地下水的动态与均衡

水文地质学
第十讲
地下水的动态与均衡
OUTLINE
• 地下水动态与均衡的概念 • 地下水的动态
– 地下水动态的形成机制 – 地下水动态的影响因素 – 人类活动影响下的地下水动态
• 地下水的均衡
– 地下水均衡方程式 – 人类活动影响下的地下水均衡 – 地面沉降与地下水均衡 – 大区域地下水均衡研究需要注意的问题
– 地下水位的变化是一个持续一段时间的过程，先抬升、到达 峰值、再下降、直19
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地下水动态
• 当两次或多次降水接近，各次降水引起的地下水位抬 升的波形就会相互叠加。
– 波峰与波谷叠加，削峰填谷，形成比较平缓的复合波形。 – 波峰叠加，形成更高的波峰；
• 降水对泉流量的影响，或泉流量对降水补给的响应与 降水-地下水水位的关系类似。
• 地下水系统各要素之所以随着时间而变动，是地下水含水系统的 水量、盐量或能量收支不平衡的结果。某一时段内某一地段内地 下水水量（或盐量、热量等）的收支状况称作地下水均衡。
• 地下水动态反映了地下水各要素随时间变化的状况，要合理利用 地下水，或是防范地下水的危害，都必须掌握地下水动态。
• 把地下水位的变化完全归结为水量不均衡的反映，是否正确？
– So，河流引起潜水水位变动时，含水层透水性越好，厚度越 大，给水度越小，则波及的越远。
– 承压水的动态变化通常比潜水小，why?
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地下水动态
• 地下水动态的影响因素——地质因素（续）
– 承压含水层动态的变化还可以由固体潮、地震因素引起。这 里固体潮与地震是环境因素。
• 在内陆地区，承压水可以观测到周期为12h的测压水位波动（一 般数厘米），这是由于月亮与太阳对地球的引力引起的。
– 环境因素包括：气象因素，如降水；水文因素，如地表水补 给；人为因素，如人工开采或人工补给等，地应力的影响；
– 地下水系统本身的因素：地质因素与地形因素。 – 本章重点阐述大气因素、水文因素和地质因素。
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地下水动态影响因素
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地下水动态
• 地下水动态的影响因素——气象因素
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地下水动态
• 地下水动态的形成机制：地下水动态是含水系统对环 境施加的刺激所产生的响应，也看作含水系统将输入 信息变换后产生的输出信息。
• Example: 降水对地下水位的影响.
– 一次降水，一般持续时间不长，可看作发生于某一时刻的 “脉冲”刺激；
– 降水到达地面、穿过包气带、以不同速度到达地下水面，地 下水获得补给；
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地震与地下水位变化
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地下水天然动态类型
• 潜水及松散沉积物浅部的水，可分为三种动态类型：
– 蒸发型：出现在干旱半干旱地区地形切割微弱的平原或盆地。补给 以降水为主，排泄以蒸发为主，地下水径流微弱。动态特点：年变 幅小，各处变幅接近，水质季节性变化明显，长期向盐化方向发展， 最终可造成土壤盐泽化。
• 间断性的降水，通过含水系统的变换，将转化成比较 连续的地下水位或泉流量的变化。这正是系统对输入 信号的滞后、延迟和叠加的作用结果。
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地下水动态
• 地下水动态的影响因素：地下水动态可以看作地下水 含水系统对输入转化后的连续的信息输出。地下水动 态的影响因素可以分为两类：环境因素和地下水系统 本身的一些因素。
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本章核心问题
• 地下水的动态是怎么回事? • 地下水的动态表现出哪些特征? • 哪些因素使地下水处于变动之中? 又是如何影
响的?
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地下水动态与均衡的概念
• 地下水系统经常与环境发生物质、能量和信息的交换，时刻处于 变动之中。在与环境相互作用下，地下水系统的各要素，如水位、 水量、水化学成分等，随着时间的变化，称为地下水动态。
• 地震在孕震和发震过程中，地应力的变化使岩层压缩或膨胀， 从而引起震区以至远方地下水压力异常，承压水测压水位波动， 有时震前地下水化学成分也会改变。对此进行监测，可作为地 震预报的重要手段。
• 无论是固体潮，还是地震，引起地下水位波动，都是能量的传 递，而非地下水储量的增加，属于伪动态。
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地下水动态
• 地下水动态的影响因素——地质因素
– 地质因素是影响输入信息转换的因素，主要指包气带厚度与 岩性及含水层的岩性（渗透性、给水度）。怎么影响？
• 包气带厚度越大，对降水补给的滤波作用越强； • 包气带土层渗透性越好，滤波作用越弱； • 含水层岩土的给水度越小，则会放大潜水水位对补给的响应。
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地下水动态
• 地下水动态的影响因素——气象因素（续）
– 气象因素对潜水位的影响，水位的变化存在真变化与伪变化， 何以区别？
– 气候因素还存在多年周期性变化，这对地下水动态也有一定 的影响。如太阳黑子11年周期变化，影响多年的丰水期与干 旱期的交替变化。
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地下水动态
• 动态的影响因素——水文因素
– 主要指河流与地下水之间的水力 联系。地表水体补给地下水，会 引起含水层水量增加，地下水位 抬升；河流排泄地下水时，将引 起含水层水量减少，地下水位下 降。
– 这种影响只发生于局部，即河流 附近，随着远离河流，水位变幅 减小，发生变化的时间也更滞后； 一般地表水体只影响数百米至数 公里的范围，之外主要受气象因 素影响。
– 径流型：分布于山区或山前，地形高差大，水位埋藏深，以径流排 泄为主。动态特点：水位变幅大而不均，水质季节性变化不明显， 长期淡化。
– 弱径流型：分布气候湿润的平原或盆地。气候湿润，蒸发微弱，以 径流排泄为主，但径流交替作用不强。动态特点：年水位变幅小， 各处变幅接近，水质季节性变化不明显，长期淡化。
– 气象/气候因素对潜水动态的影响最为 普遍。降水的数量与特征影响潜水能 获得的补给，降水补给使潜水含水层 水量增加，水位上升，水质变淡；气 温、湿度、风速等与其它条件相结合 影响潜水的蒸发排泄，蒸发使潜水含 水层水量减少，水位降低，水质变咸。
– 气象/气候要素都有周期性变化，如昼 夜、季节和多年变化，潜水动态也表 现出相应的周期变化。其中季节性变 化最明显，也最有意义。以我国中东 部季风气候，降水特征为例。