《水文地质学基础》课程授课教案（讲稿）第九章 地下水的动态与均衡

课程名称：水文地质学第9讲次授课题目（章、节）第九章地下水的动态与均衡81地下水动态与均衡的概念$2地下水动态$3地下水的均衡本讲目的及重点：【目的要求]：掌握地下水动态与均衡的概念，掌握区域地下含水系统动态影响因素，掌握地下水均衡理论，并能够应用此理论分析实际问题。【重点]：地下水均衡原理及应用【难点]：地下水均衡原理及应用内容[本讲内容的引入］“荷花塘之迷”的推理题：如果荷塘中有一朵荷花，每天的面积扩大两倍，30天后后点满整个荷塘,那么第28天的时候，荷塘里会有多少面积的荷花？28天，荷塘里会有四分之一面积的荷花与行百里半九十的道理一样，无论是在工作还是生活中，在通往理想的长途中，必须要正视我们一直的努力,这种努力也使我们每天都在困难中进步.很多时候,只是对完美过程的渴求，使得我们对自身的进步视而不见；而抬得过高的期望值，又使得我们的心经不起折腾和失望.拿破仑有句名言：”当最困难的时候，就是离成功不远了”去意仿得的时候，想一想那”第28天的荷塘”满怀信心坚持到最后，谁说我们不会成功？S1地下水动态与均衡的概念一、概念地下水动态：含水层（含水系统）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）随时间的变化。地下水均衡：某一时间段内某一地段内地下水水量（盐量、热量、能量）的收支状况进行均衡计算所选定的地区称作均衡区，它最好是一个地下水流域。进行均衡计算的时间此称作均衡期，可以是若于年、一年，也可以是一个月。对于一个地区来说，气候经常以平均状态为准发生波动。多年中，从统计的角度讲，气候趋近平均状态，地下水也保持其总的均衡。在较短的时期内，气候发生变动，地下水也经常处于不均衡状态，从而表现为地下水的水量与水质随时间发生有规律的变化，即地下水动态。均衡是地下水动态变化的内在原因，动态则是地下水均衡的外部表现。二、意义：（1）合理利用地下水或有效防范其危害：供水考虑地下水动态，在地下水位最低的时候是否满足水量要求；排水考虑地下水动态，最高地下水位时的排水能力：（2）有利于查清地下水的补给与排泄，阐明其资源条件，确定含水层之间及含水层与地表水体的关系

课程名称: 水文地质学 第 9 讲次 授课题目(章、节) 第九章 地下水的动态与均衡 §1 地下水动态与均衡的概念 §2 地下水动态 §3 地下水的均衡 本讲目的及重点： [目的要求]： 掌握地下水动态与均衡的概念，掌握区域地下含水系统动态影响因素，掌握地下水均衡 理论，并能够应用此理论分析实际问题。 [重点]： 地下水均衡原理及应用 [难点]：地下水均衡原理及应用 内 容 [本讲内容的引入] “荷花塘之迷”的推理题:如果荷塘中有一朵荷花,每天的面积扩大两倍,30 天后后点满 整个荷塘,那么第 28 天的时候,荷塘里会有多少面积的荷花? 28 天,荷塘里会有四分之一面积的荷花. 与行百里半九十的道理一样,无论是在工作还是生活中,在通往理想的长途中,必须要正视我们一直 的努力,这种努力也使我们每天都在困难中进步.很多时候,只是对完美过程的渴求,使得我们对自身的进 步视而不见;而抬得过高的期望值,又使得我们的心经不起折腾和失望.拿破仑有句名言:”当最困难的时 候,就是离成功不远了.”去意彷徨的时候,想一想那”第 28 天的荷塘”,满怀信心坚持到最后,谁说我们不会 成功? §1 地下水动态与均衡的概念 一、概念 地下水动态：含水层（含水系统）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）随时间的变化。 地下水均衡：某一时间段内某一地段内地下水水量（盐量、热量、能量）的收支状况 进行均衡计算所选定的地区称作均衡区，它最好是一个地下水流域。 进行均衡计算的时间此称作均衡期，可以是若干年、一年，也可以是一个月。 对于一个地区来说，气候经常以平均状态为准发生波动。多年中，从统计的角度讲，气候趋近平均 状态，地下水也保持其总的均衡。在较短的时期内，气候发生变动，地下水也经常处于不均衡状态，从 而表现为地下水的水量与水质随时间发生有规律的变化，即地下水动态。 均衡是地下水动态变化的内在原因，动态则是地下水均衡的外部表现。 二、意义： （1）合理利用地下水或有效防范其危害； 供水考虑地下水动态，在地下水位最低的时候是否满足水量要求； 排水考虑地下水动态，最高地下水位时的排水能力； （2）有利于查清地下水的补给与排泄，阐明其资源条件，确定含水层之间及含水层与地表水体的关系

水源评价目前，地下水动态与均衡的理论与方法，主要应用于水位动态与水量均衡，期待进一步的发展S2地下水动态一、地下水动态的机制信息输入一一含水层一一输出信息环境激励一一含水层—一响应以降雨对地下水位影响为例说明：（1）一次降雨（nhours/ndays）一一某一时刻的“脉冲”地下水位抬升表现为一个波形一一地下水位“响应”（出现一个时间滞后a，并持续某一时间延迟b）（2）2次、多次降雨接近波形迭加，常形成平缓的复合波形用于解释：间断性降水，通过含水层（含水系统）的变换，可以转化为比较连续的地下水流量或泉流量。二、影响地下水动态的因素：环境对含水层的信息输入：降水、地表水对地下水的补给：人工开采地下水：地应力对地下水影响变换输入信息的因素：赋存地下水的地形地质条件1.气象因素气象因素潜水的均衡潜水动态降水补给水量（增加、变少）气温排泄（蒸发）水位（抬升、降低）湿度水质（变淡、变咸）风速气象因素变化周期潜水动态变化周期昼夜昼夜季节季节（最显著、最具意义，）多年多年全年潜水动态表现为单峰单谷特征区分潜水位的真变化与伪变化：是否伴随储量的变化当大气压开始降低时，井孔中的地下水位抬升：当大气压突然增加时，井孔中的地下水位降低：气候存在多年周期性波动：太阳黑子11年周期性变化2.水文因素河水对地下水位的影响：随着远离河流、水位变幅减小，发生变化的时间滞后。3.地质因素(1)包气带厚度与岩性控制着地下水位对降水响应：时间延迟(2)含水层的性质：给水度μ*水位变幅△h=储量变化

水源评价 目前，地下水动态与均衡的理论与方法，主要应用于水位动态与水量均衡，期待进一步的发展 §2 地下水动态 一、地下水动态的机制 信息输入——含水层——输出信息 环境激励——含水层——响应 以降雨对地下水位影响为例说明： （1） 一次降雨（n hours/ n days）——某一时刻的“脉冲” 地下水位抬升表现为一个波形——地下水位“响应” （出现一个时间滞后 a，并持续某一时间延迟 b） （2）2 次、多次降雨接近 波形迭加，常形成平缓的复合波形 用于解释：间断性降水，通过含水层（含水系统）的变换，可以转化为比较连续的地下水流量或泉流量。 二、影响地下水动态的因素： 环境对含水层的信息输入：降水、地表水对地下水的补给；人工开采地下水；地应力对地下水影响 变换输入信息的因素：赋存地下水的地形地质条件 1． 气象因素 气象因素 潜水的均衡 潜水动态 降水 补给 水量（增加、变少） 气温 排泄（蒸发） 水位（抬升、降低） 湿度 水质（变淡、变咸） 风速 气象因素变化周期 潜水动态变化周期 昼夜 昼夜 季节 季节（最显著、最具意义，） 多年 多年 全年潜水动态表现为单峰单谷特征 区分潜水位的真变化与伪变化：是否伴随储量的变化 当大气压开始降低时，井孔中的地下水位抬升； 当大气压突然增加时，井孔中的地下水位降低； 气候存在多年周期性波动：太阳黑子 11 年周期性变化 2． 水文因素 河水对地下水位的影响：随着远离河流、水位变幅减小，发生变化的时间滞后。 3． 地质因素 （1） 包气带厚度与岩性控制着地下水位对降水响应：时间延迟 （2） 含水层的性质：给水度μ*水位变幅△h=储量变化

地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出水的体积，称为给水度。（3）承压含水层：补给区接受降水补给，水位变化明显，远离补给区，变化减弱，以至消失；含水层渗透性愈好，厚度愈大，给水度愈小，由波及范围愈大。思考题：结合承压含水层的贮水系数，讨论为什么厚度愈大，由波及范围愈大提示：承压含水层的贮水系数。厚度愈大，贮水系数越小（测压水位下降时，承压含水层所释出的水来自含水层体积膨胀及含水介质的压密，与含水层的厚度有关）受固体潮的响·受地震的影响三、地下水动态的类型潜水及松散沉积物浅部的水：蒸发型、径流型和弱径流型蒸发型：干旱、半干旱地区地形切割微弱的平原或盆地特点：年水位高幅小，各处变幅接近，水质季节变化明显，长期中地下水位不断向盐化方向发展，并使土壤盐渍化径流型：山区及山前，水位埋藏深特点：年水位变幅大而不均，水质变化不明显，长期中则不断趋于淡化弱径流型：气候湿润的平原与盆地特点：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四、人类活动影响下的地下水动态采排水：天然排泄量减小、增加新的补给量地表水灌溉：土壤的盐渍化、土壤的次生沼泽化S3地下水的均衡自然界的水在不断地运动着、变化着和循环着。根据物质不灭定律可知：对于任一地区、任一时段内，收入的水量与支出的水量之间的差额必等于其蓄水量的变化，即水循环过程中收支平衡。此即水均衡原理。水均衡原理是现代水文学的基本理论之一。根据这个原理，可以列出水均衡方程式，并在水文学和水文地质学中得到广泛的应用。进行均衡计算所选定的地区称作均衡区，它最好是一个地下水流域。进行均衡计算的时间段，称作均衡期，可以是若干年、一年，也可以是一个月。二、水均衡方程式：陆地上某一地区天然状态下总的水均衡，收入项(A)：大气降水量(X)、地表水流人量(Yi)、地下水流入量(Wi)、水汽凝结量(Zi);

地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出水 的体积，称为给水度。 （3） 承压含水层 ⚫ 补给区接受降水补给，水位变化明显，远离补给区，变化减弱，以至消失； 含水层渗透性愈好，厚度愈大，给水度愈小，由波及范围愈大。 思考题：结合承压含水层的贮水系数，讨论为什么厚度愈大，由波及范围愈大 提示：承压含水层的贮水系数。 厚度愈大，贮水系数越小 （测压水位下降时，承压含水层所释出的水来自含水层体积膨胀及含水介质的压密，与含水层的厚度有 关） ⚫ 受固体潮的响 ⚫ 受地震的影响 三、地下水动态的类型 潜水及松散沉积物浅部的水：蒸发型、径流型和弱径流型 蒸发型：干旱、半干旱地区地形切割微弱的平原或盆地 特点：年水位高幅小，各处变幅接近，水质季节变化明显，长期中地下水位不断向盐化方向发展，并使 土壤盐渍化 径流型：山区及山前，水位埋藏深 特点：年水位变幅大而不均，水质变化不明显，长期中则不断趋于淡化 弱径流型：气候湿润的平原与盆地 特点：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 四、人类活动影响下的地下水动态 采排水：天然排泄量减小、增加新的补给量 地表水灌溉：土壤的盐渍化、土壤的次生沼泽化 §3 地下水的均衡 自然界的水在不断地运动着、变化着和循环着。根据物质不灭定律可知：对于任一地区、任一时段 内，收入的水量与支出的水量之间的差额必等于其蓄水量的变化，即水循环过程中收支平衡。此即水均 衡原理。水均衡原理是现代水文学的基本理论之一。根据这个原理，可以列出水均衡方程式，并在水文 学和水文地质学中得到广泛的应用。 进行均衡计算所选定的地区称作均衡区，它最好是一个地下水流域。进行均衡计算的时间段,称作 均衡期，可以是若干年、一年，也可以是一个月。 二、水均衡方程式： 陆地上某一地区天然状态下总的水均衡， 收入项(A) ：大气降水量(X)、地表水流人量(Y1)、地下水流入量(W1)、水汽凝结量(Z1)；

支出项(B)：地表水流出量(Y2)、地下水流出量(W2)、蒸发量(Z2)。均衡期水储量变化：△，水均衡方程式：A-B=A0,即(X+Y-+W1+Z)-(Y2+W2+Z2)=40,或X(Y,-Y)-(W2-W)-(22--2)=40△包括：地表水变化量(V)、包气带水变化量(m)、潜水变化量(u*△h)及承压水变化量(。*△he)；A=V+m+μ*h+*h。μ为潜水含水层的给水度；△h为均衡期潜水位变化值（上升用正号，下降用负号）μ。为承压水含水层的弹性给水度，△h。为承压水测压水位变化值。水均衡方程式可写成：X-(Y.-Y)-(W,-W.)-(Z-Z.)=V+m+uAH+u.AH.潜水均衡方程式收入项：降水的入渗补给量（Xr）、地表水入渗补给量（Yr）、凝结水补给量（Z）、上游断面潜水流入量（Wui）、下伏承压水越流补给量(Q)支出项：潜水蒸发量(Za)，潜水以泉或泄流形式排泄量(Qa)，下游断面潜水流出量(Wu2)潜水均衡一般方程式：μh=X+Yr+Z,+Wul+Qt-Zu-Qd-Wu2可化简：干旱、半干旱地区平原区：入渗水量全部消耗于蒸发Xr+Y-Zu湿润山区：入渗水量全部消耗于径流Xf+Y=Qd应用实例：

支出项(B)：地表水流出量(Y2)、地下水流出量(W2)、蒸发量(Z2)。 均衡期水储量变化：Δω， 水均衡方程式： Δω包括：地表水变化量(V)、包气带水变化量(m)、潜水变化量(μ*△h)及承压水变化量(μe*△he)； Δω= V+ m+μ*△h+μe*△he μ为潜水含水层的给水度; △h 为均衡期潜水位变化值(上升用正号,下降用负号) μe为承压水含水层的弹性给水度，△he为承压水测压水位变化值。 水均衡方程式可写成： 潜水均衡方程式 收入项：降水的入渗补给量（Xf）、地表水入渗补给量（Yf）、凝结水补给量（Zc）、上游断面潜水流入 量（Wu1）、下伏承压水越流补给量(Qt) 支出项：潜水蒸发量(Zu)，潜水以泉或泄流形式排泄量(Qd)，下游断面潜水流出量(Wu2) 潜水均衡一般方程式： μ△h= Xf +Yf +Zc +Wu1 +Qt -Zu -Qd -Wu2 可化简： 干旱、半干旱地区平原区：入渗水量全部消耗于蒸发 Xf +Yf= Zu 湿润山区：入渗水量全部消耗于径流 Xf +Yf= Qd 应用实例：

中积平原图为堆积平原含水系统，列出山前平原潜水、冲积平原潜水、冲积平原承压水水量均衡方程式，并分析当单独开采山前平原的潜水，该区水量均衡交如何变化，对邻区及地表水产生何影响。答：（1）山前平原潜水：X+Y+W,=Zu+Qa+W或X+Y+W,-Zu-Qa-W==h（2）冲积平原潜水：Xy2+Yf2+9,=Zu2或Xr2 +Y2+Q,-Zu2==μh（3）冲积平原承压水：W,-Q,-W，==μh当开采山前平原潜水时，该区水量均衡变化如下：1、随着潜水位下降，地下水不再溢出成泉，Q=02、与冲积平原间水头差变小，Wz减小3、随着水位下降，蒸发减弱，Zul减小4、与山区地下水水头差变大，Wi增加5、地表水与地下水水头差变大，Xn增大6-潜水浅埋带水位变深，有利于吸收降水，可能使Xn增加；对邻区及地表水的影响如下：(1)W2减小，相应Qr减少，使冲积平原承压水及潜水补给量减少；Xr、Xn增大，使地表径流量减少，使冲积平原潜水收入项Y变小：(2)[课程小结]【本讲作业及要求】：

图为堆积平原含水系统，列出山前平原潜水、冲积平原潜水、冲积平原承压水水量均衡方程式，并分析 当单独开采山前平原的潜水，该区水量均衡交如何变化，对邻区及地表水产生何影响。 答：（1）山前平原潜水： X f 1 +Yf 1 +W1 = Zu1 + Qd +W2 或 X f 1 + Yf 1 +W1 − Zu1 − Qd −W2 = = h （2）冲积平原潜水： X f 2 + Yf 2 + Qf = Zu2 或 X f 2 + Yf 2 + Qf − Zu2 = = h （3）冲积平原承压水： W2 − Qf −W3 = = h 当开采山前平原潜水时，该区水量均衡变化如下： 1、 随着潜水位下降，地下水不再溢出成泉， Qd = 0 2、 与冲积平原间水头差变小，W2 减小 3、 随着水位下降，蒸发减弱，Zu1 减小 4、 与山区地下水水头差变大，W1 增加 5、 地表水与地下水水头差变大，Xf1 增大 6、 潜水浅埋带水位变深，有利于吸收降水，可能使 Xf1 增加； 对邻区及地表水的影响如下： （1） W2 减小，相应 Qf减少，使冲积平原承压水及潜水补给量减少； （2） Xf1 、Xf1 增大，使地表径流量减少，使冲积平原潜水收入项 Yf2 变小； [课程小结] [本讲作业及要求] ：

（1）辨析以下陈述（A）地下水水头上升，则含水层的贮水量一定增加。(B）在相同的水文和气象条件下，含水层的渗透性越大，则地下水水头的动态变幅越大；（C）只要地下水的开采量小于天然补给量，地下水很快就可以达到新的平衡态。(2）当潜水埋深变浅时，可能是哪些因素引起的？（3）在某平原地区，不论开采井还是观测孔，不论浅层地下水还是深层地下水，平均水位都出现了多年持续下降的情况，并且发生了地面沉降，请分析一下这些现象的可能原因和水文地质机理。（4）在一个靠近黄河的灌区，没有直接引用黄河水灌溉，而是打井抽水灌溉，地下水多年平均水位长期稳定。根据水均衡原理“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”。请分析一下该灌区“新增的补给量”和“减少的天然排泄量”是如何产生的？近年来该灌区决定发展工业，规划大量开采地下水，根据你的认识，需要注意那些问题？（5）画出间歇性河流对潜水的补给过程的横断面示意流网图，并说明间歇性河流变化规律对潜水含水层动态的影响。（7）某水源地附近一口泉的流量发生衰减，可能原因是什么原因？

(1) 辨析以下陈述 (A) 地下水水头上升，则含水层的贮水量一定增加。 (B) 在相同的水文和气象条件下，含水层的渗透性越大，则地下水水头的动态变幅越大； (C) 只要地下水的开采量小于天然补给量，地下水很快就可以达到新的平衡态。 (2) 当潜水埋深变浅时，可能是哪些因素引起的？ (3) 在某平原地区，不论开采井还是观测孔，不论浅层地下水还是深层地下水，平均水位都出现了多年 持续下降的情况，并且发生了地面沉降，请分析一下这些现象的可能原因和水文地质机理。 (4) 在一个靠近黄河的灌区，没有直接引用黄河水灌溉，而是打井抽水灌溉，地下水多年平均水位长期 稳定。根据水均衡原理“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”。请分析一下该灌区“新增的补给量”和“减少的天然排泄量”是如何产生的？近年 来该灌区决定发展工业，规划大量开采地下水，根据你的认识，需要注意那些问题? (5) 画出间歇性河流对潜水的补给过程的横断面示意流网图，并说明间歇性河流变化规律对潜水含水层 动态的影响。 (7) 某水源地附近一口泉的流量发生衰减，可能原因是什么原因？