地下水的动态与均衡

地下水动态与均衡的概念~

地下水动态是指表征地下水数量与质量的各种要素（如水位、水量、水质、水温等）随时间而变化的规律。地下水动态的变化规律可能是周期性的变化，如昼夜变化，季节性变化和多年变化，也可以是趋势性的变化（持续下降或持续上升）。在天然状态下，地下水动态变化具明显的规律性，但变化的速率差别很大。在人为因素（开采或排除）的影响下，其变化率可大大加强，其变化方向也可发生改变。
地下水动态之所以发生变化，是由于地下水量和溶质成分在补给和消耗上的不平衡所造成的。
地下水均衡是指在一定范围（均衡区），一定时间内（均衡期），地下水量（或溶质含量、热量等）的补给（收入）与消耗（支出）之间的数量关系。当补给与消耗相等时，地下水处于均衡状态，当补给量小于消耗量时，地下水处于负均衡状态，当补给量大于消耗量时，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。
地下水动态与均衡之间存在着互为因果的紧密联系。地下水动态是地下水均衡的外部表现，地下水均衡是地下水变化的内在原因。地下水动态变化的方向和幅度是由均衡的性质和数量所决定的。例如水量均衡，如为正均衡，表现为水位上升；如为负均衡，表现为水位下降；如为均衡，水位基本稳定不变。

　　（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。

一、地下水动态与均衡的概念

地下水动态是指表征地下水数量与质量的各种要素（如地下水位、泉水流量、开采量、溶质组分与含量、温度及其他物理指标）随着时间而变化的规律。

地下水的量与质之所以发生变化，是地下水在和外界环境发生物质与能量交换时收入与支出出现不平衡的结果。这种地下水在一定范围、一定时间内水量、质量、能量的收入（或补充）与支出（或消耗）之间的数量关系，即称“地下水的均衡”。

地下水动态和地下水均衡之间存在互为因果的紧密关系。地下水的均衡是导致地下水动态变化的原因，而地下水动态则是地下水均衡的外部表现，即地下水动态变化的方向和变化幅度是由地下水均衡性质和强度所决定。

地下水动态和均衡特征是地下水埋藏分布条件和水资源形成条件的综合反映。因此，研究地下水动态和均衡对于深刻地揭示区域水文地质条件、正确地评价地下水资源的水量和水质、水资源的合理开发利用与管理方案的制定、预测水资源开发的环境负效应均有极大的意义。

二、地下水动态的研究内容

（一）地下水动态的形成机制和动态成因类型

从系统理论的观点来看，地下水动态是含水层（或含水系统）对地质环境和补给、排泄作用施加影响所作出的一种响应。从信息技术的观点，可把含水层（含水系统）看作是一个能够传输与调节地下水能量的“物理实体”，地下水的各种补给和排泄因素，则为这个物理实体的“输入信息”，而地下水位则是“输出信息”。按以上地下水动态形成的机理，地下水动态的特征一方面决定于作为地下水输入信息的各种补、排因素，另一方面则决定于作为“物理实体”的含水层（或含水系统）所处的地质环境因素。

在补给和排泄因素中，以气象和水文因素对地下水动态（特别是潜水）的影响最为重要。受气象因素影响的潜水动态，其主要的特征是潜水的水位或其他动态要素均随着降水（或蒸发）量的变化而变化。两者的动态峰值出现时间基本一致或水位峰值稍有滞后；两者的动态均呈现同样的年内及多年的变化周期。

水文因素对地下水动态的影响，主要表现为接受地表水体补给的潜水动态特征明显受着河流（或湖泊、水库）水位、流量和水质变化的影响。但是，潜水动态的峰值和起伏程度将随着远离地表水体而逐渐变小，峰值逐渐滞后。

气象、水文因素也在不同程度上对承压水动态产生影响，但其影响程度要比潜水微弱得多。

地质环境因素对地下水动态形成的影响也极为重要。但其影响一般不随时间而变化，其影响主要表现为：

包气带土层的厚度和渗透性，含水层本身渗透性和径流条件以及含水层的构造封闭程度决定着地下水与大气水和地表水之间的联系程度；降水和地表水对潜水补给量的大小、水位变化的幅度、动态峰值滞后的时间和水位变化的周期性特征。此外，月球对地球的引力、地震活动等也对地下水动态变化有一定的影响。

而随着人类活动对环境影响作用的加剧，人为活动已成为许多地区影响地下水动态形成的一种最重要因素。

根据对地下水动态形成影响最大的自然因素和人为因素，可把地下水动态成因类型划分为以下八种基本类型（图3-11）：气候型（降水入渗型）、蒸发型、人工开采型（开采型）、地下径流型（径流型）、越流型、水文型（沿岸型）、灌溉型（灌水入渗型）、冻结型，此外由两种以上影响因素的共同作用，还可组成多种混合成因的地下水动态类型。还应指出：一个地区的地下水动态类型不是一成不变的，由于某些自然或人为影响因素的变化，地下水动态成因类型也就随之改变。

（二）地下水动态信息的应用

由于地下水动态是地下水所处地质环境条件和水资源形成条件的综合反应，因此根据地下水动态信息也可反演其地下水所处的地质环境和资源形成过程。地下水动态信息资源的开发利用，已成为近年水文地质学发展的一个新的方向。目前地下水动态信息的应用可归纳为以下几个方面：

图3-11 地下水的主要动态成因类型

第一，局部地区及区域地下水资源信息管理系统的建立，可为水资源的决策与管理提供快速、简捷的科学依据。例如，根据地下水动态变化可以及时地判别地下水资源的超采状况和资源潜力，为及时调整开采布局提供依据。

第二，可以利用地下水动态信息，计算许多水文地质参数。

第三，根据对地下水动态监测资料的整理与分析可破译某些用常规地质理论难以解决的地下水资源质与量的形成问题。例如，根据岩溶大泉的流量与降水量的多年动态回归分析，可靠的确定出泉水流量形成与历年降水量的关系。

第四，根据地下水动态监测资料的深入分析，可捕捉诱发许多环境地质灾害的水文地质原因，提出防治环境地质灾害的地下水管理对策。如根据地面沉降量或地面坍塌与地下水开采量和水位降深之间的动态资料对比，可以准确地确定地面沉降或地面坍塌产生的主要原因。

第五，根据地下水水位、水质的微动态，进行地震活动的中期和临震预报。

三、地下水均衡的研究内容

（一）地下水均衡研究的任务

地下水均衡研究的基本任务是确定某一地段（或某一水文地质单元）内，目前地下水所处的均衡状况，预测地下水均衡未来的变化方向。地下水的均衡状况不外乎有三种形式：当某一时间段内，补给量和消耗量（也可以是含盐量或热量）持平时，含水层储存的水量无变化（即水位无变化），称之为“均衡”；当补给量大于消耗量，含水层储存的水量则要增加（即水位上升）称之为“正均衡”；当补给量小于消耗量时，含水层储存的水量则要减少（即水位下降），被称为“负均衡”。如果以一年作为一个均衡计算期，我们会发现地下水绝对的均衡状态是不存在的，但从多年平均的观点来说，尽管各年的地下水均衡有“正”有“负”，但天然状况下的地下水基本是均衡的。地下水的均衡是保持含水层水量、水质和环境稳定的基础。当地下水的均衡状况遭到破坏，并长期得不到恢复，必然导致含水层水量、水质的变化，导致与地下水有关的环境条件的恶化。因此，为实现地下水资源的可持续开发利用，必须重视地下水均衡的研究。

（二）地下水水量均衡方程式

要判断某一区域地下水所处的均衡状态和预测未来水均衡的变化方向，就必须首先建立地下水的水量均衡式，水量均衡式也是地下水盐量均衡和热量均衡研究的基础。

根据质量守恒定律，任一地区，在某一时间段内，含水层（或地下水系统）中地下水的流入量（或补给量）与流出量（或消耗量）之差，应恒等于该含水层（或地下水系统）中水储存量的变化量。据此可写出某一均衡研究区（简称均衡区）在某一均衡计算期（或简称均衡时段）内区域水量均衡方程式。

一个地区包括大气水、地表水、地下水在内的总的水量均衡方程式为：

现代水文地质学

式中：uΔh——潜水储存量在均衡期内的变化量，其中μ为潜水水位变动带内岩石的给水度或饱和差，Δh为均衡期内的潜水位的变幅值；

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；

y₁，y₂——地表水的流入和流出量；

z₁，z₂——凝结水和蒸发量（包括地表水、陆面和潜水蒸发量）；

W₁，W₂——地下径流的流入和流出量；

R₁，R₂——人工引入和排出均衡区的水量。

潜水量均衡方程的一般形式为：

现代水文地质学

式中：x₁——降水入渗补给潜水量；

z′₁，z′₂——潜水的凝结补给量和蒸发损失量；

W_s——泉水流出量；

y₁——地表水对潜水的补给量；

R′₁，R′₂——人工注入和排出潜水量；

其余符号同前式。

承压水的水量均衡式，比潜水简单，常见形式为

现代水文地质学

式中：u*——承压含水层的弹性释水系数；

E₁，E₂——潜水对承压水的越流补给量，和承压水的越流排泄量；

R_k——承压水的开采量；

其余符号同前式。

上面描述的区域水均衡式和潜水和承压水的水量均衡式，是理论上的一般数学模型。而在不同的地区，不同的水文地质条件下，其水量均衡式，可能要简单得多。例如，在地下水径流极其滞缓，又没有地表水分布的干旱或半干旱平原区，潜水的水量均衡式可以简化为：

现代水文地质学

在某些封闭的北方岩溶泉域内，岩溶潜水在无补给季节的水量均衡方程可以简化为：

现代水文地质学

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