地下水动态与均衡42页PPT

从右图中可以看 出什么规律？ 与地表水体的 距离有关
钱江潮一线潮水来到浙江盐官 (2005.9.21)
2010年10月10日下午13点04分，浙江省海宁市盐官观潮景区迎来了今年最高 的一线大潮。据海宁市水文站当日资料显示10月10日潮高2.78米，创今年潮水 高度之最。钱塘江潮水昨卷走6人。
气象（气候）因素
图9—3 潜水动态曲线 （1954—1955，北京） 虚线为气温；兰色柱状为降水量；红色为潜水位；黄色柱状为蒸发量
9.1.2
地下水动态的影响因素
●气象因素特点Βιβλιοθήκη 大面积，普遍产生影响 (主要有降水与蒸发因素)
●气象因素表现
▲降水的年内昼夜变化 ▲降水的 多年变化（如11年周期） ▲降水的年内季节性变化 与此相对应，地下水动态也有这三种周期性变化 ▲昼夜变化 --在许多地区不明显 ▲多年变化 --研究周期长 ▲年内变化 --最突出
9.1.1
地下水动态的形成机制
▴地下水动态形成机制
地下水动态是含水层（含水系统）对环境施加的激励 所产生的响应。 也可理解为含水层（含水系统）对输 入信息变换后产生的输出信息。 ▲下面以降水对地下水水位的影响加以说明
一次降雨通常持续数小时，我们不妨把它看作是发生于某一时刻 的“脉冲”。降雨入渗地面通过包气带下渗，达到地下水面后才能 使地下水位抬高。同一时刻的降雨，在包气带中通过不同大小的空 隙以不同速度下渗。当运动最快的水滴到达地下水面时，地下水位 开始上升，占比例最大的水量到达地下水面时，地下水位的上升达 到峰值，运动最慢的水滴到达地下水面时，降水的影响便告结束。 与一个降水脉冲相对应，作为响应的地下水位的抬升便表现为一 个波形。或者说，经过含水层的变换，一个脉冲信号变成了一个波 信号。与对应的脉冲相比较，波的出现有一个时间滞后，并持续某 一时间延迟。

人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
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地下水动态与均衡
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)

第六章 地下水运动与动态
➢ 本堂课教学目的及要求：讲解线性和非线性渗透定律， 地下水完整井稳定流运动方程及其应用。区分地下水渗 透流速与实际流速，掌握Darcy定律适用范围，潜水完整 井和承压水完整井Dupuit公式及推导。通过作业掌握达 西定律
➢ 重点：Darcy定律，地下水渗透流速与实际流速的区别， Darcy定律的适用范围及其应用。
（四）达西定律适用范围
Re Ud ＜10
式中：Re-雷诺系数 U-地下水实际流速（m/d） d-孔隙周围颗粒的直径 u-地下水的运动粘滞系数（m2/d）
课堂作业练习：设地下水在孔隙介质中的渗流流速 V=10m/d，对应孔隙介质中颗粒直径为d=3mm，孔隙比 e=0.667，当地下水温度为15℃时的运动粘滞系数 u=0.1m2/d，问地下水的的运动是否满足Darcy定律
③ 层流和紊流
✓ 水质点有秩序地呈现相互平行而不混杂的运动称为层流； 水质点相互混杂而无序的运动称为紊流。
④ 非稳定、缓变流运动
✓ 渗流场内各运动要素不随时间变化的的地下水运动称为 稳定流；反之，与时间有关则为非稳定流。空间地下水 流运动的计算一般按照平面问题（二维流）考虑，因为 地下水流一般具有缓变流特征。
总阻力F FND 1ndd3 Add SU
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由于 V nU I dhdS
一、线性渗透定律－Darcy定律推导
得到达西定律公式表达式
V
1n2nd2
I
即
K1n2nd2wC2d
多孔介 质结构
流体 性质
达西渗透系数决定于多孔介质结构（颗粒的大小、形状、 排列）和流体性质有关
一、线性渗透定律－Darcy定律
➢ 难点：达西公式推导，潜水和承压水完整井流Dupuit公 式及其推导。

特点：大面积，普遍产生影响(尤其对潜水）；
主要有降水与蒸发因素
气候特征表现为：
降水的年内季节性变化
降水的多年变化（如11年周期）
昼夜变化
与此相对应，地下水动态也有这三种周期性变化
昼夜变化 --在许多地区不明显
多年变化 --研究周期长
年内变化 --最突出
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第2节 地下水动态
思考：解决生产实际问题时如何考虑地下水的水 位动态？
量变化等.矿坑排水 ,土壤改良——排水与灌溉
•进行地下水资源计算和管理，建立数学模型时必须
研究动态与均衡。
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第2节 地下水动态
一、地下水动态的形成机制 降水—补给地下水系统—水位上升—动态变化 激励—脉冲式的降水 响应—波状信号的信息
地下水水位对外界输入（降水）响应的特点： （1）滞后和延迟现象 （2）有叠加现象
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第2节 地下水动态
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第2节 地下水动态
开采状态下地下水流态剖面示意图
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第2节 地下水动态
地下水位降落漏斗剖面图
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第2节 地下水动态
地下水位与开采量关系图
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第2节 地下水动态
某库水位与钻孔水位过程线
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第2节 地下水动态
地下水动态类型
根据排泄方式和水交替条件，潜水的动态类型分为： 渗入—蒸发型：分布在干旱、半干旱的平原或山间 盆地中心。 补给：降水、地表水入渗 （但不丰沛） 径流：微弱 排泄：蒸发为主 动态特征：年水位变幅小而均匀；水质季节变化明 显，长期中地下水不断向盐化方向发展，土壤易盐 渍化。
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第2节 地下水动态
地质因素是间接且相对稳定的因素（相当于滤波器） 气候与水文因素决定了一个地区地下水动态的总轮廓 地质因素起修饰作用，滤波或削峰填谷的作用。

的周期性变化，其中季节性变化的影响最大。
地下水动态的 季节变化图。
地下水动态的多年变化图。
（2）水文因素的影响 水文因素的影响，主要是地表水体与地下水的关系。分三 种情况：
a.地表水长期补给地下水；
b.地表水长期排泄地下水（地下水补给地表水）； c.丰水期地表水补给地下水，枯水期地下水补给地表水。 当地表水补给地下水时，地下水位的升高并非在瞬间完成， 而是有一个过程，这种现象称为滞后现象。
地下水均衡：某一地区(含水层)在一定时间段内， 地下水的总补给量与总消耗量及地下水贮存量的变化 量之间数量对比关系。 均衡区：进行地下水均衡计算所选定的区域。
均衡期：进行地下水均衡计算所选定的时间段。
正均衡：某一均衡区，在一定均衡期内，地下水水 量（或盐量、热量）的收入大于支出，表现为含水层 中储水量、储盐量、储热量的增加。 负均衡：某一均衡区，在一定均衡期内，地下水水 量（或盐量、热量）的支出大于收入，表现为含水层 中储水量、储盐量、储热量的减少。 地下水均衡是地下水动态变化的内在原因；地下水 动态是地下水均衡的外部表现。
（8）越流型
分布在垂直方向含水层与弱透水层相间的地区。一般在开 采条件下越流性质才能表现明显。
当开采含水层水位低于相邻含水层时，相邻含水层（非开 采层）的地下水将越流补给开采含水层，水位动态亦随开采层 变化，但变幅较小，变化平缓。
三、地下水动态监测项目
地下水动态要素有：地下水水位、水温、水化学成分和井、
（6）灌溉型 分布于引入外来水源的灌区，包气带土层有一定 的渗透性，地下水埋藏深度不十分大。 地下水水位明显地随着灌溉期的到来而上升，年 内高水位期常延续较长。
（7）冻结型
分布于有多年冻土层的高纬度地区或高寒山区。 ① 冻结

11、为获得计算地下水径流量用的水位动态资料，观测线 应垂直和平行计算断面布置。
12、为获得计算地区降水入渗系数用的水位动态资料，观 测孔应布置在有代表性的不同地段。
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第五章 地下水动态观测
§2 地下水动态观测要求
三、观测孔结构
观测孔结构包括观测孔的深度和口径。
1、观测孔的深度
一般应达到所要观测的含水层最低水位以下2～5m，其 管口应高出地面0.5～1m，孔口应设置保护装置，在孔口地 面应采取防渗措施。
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第五章 地下水动态观测
§2 地下水动态观测要求
一、地下水动态观测工作基本要求
3、开采阶段 应在详查和勘探阶段观测点、网的基础上，根据地下
水开采管理模型和因开采而出现的水文地质问题，调整观 测点、网，查明地下水动态年际变化规律，开采降落漏斗 范围及发展趋势。开采阶段应进行长期观测。
为扩大水源地和研究水源地区域水位下降、水质污染 和恶化、地面沉降、地面塌陷、海水入侵等环境水文地质 工程地质问题，提供基础资料。
1、查明不同地下水系统、不同含水层地下水水位、水量、 水质和水温的变化规律及发展趋势；
2、查明地下水动态变化的影响因素，确定地下水动态类 型；
3、为地下水均衡研究提供依据，预测地下水水量、水质、 水位的变化及与地下水有关的环境地质作用的变化；
4、解决某些专门问题，如推求水文地质参数、进行地下 水资源评价等。
第五章 地下水动态观测
§l 地下水动态观测的任务 §2 地下水动态观测要求 §3 地下水动态观测资料整理与分析
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整体概况
概况一
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01
概况二
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02
概况三

v ∝i
v = k ⋅i
A
n=
A v A
A > Av Av Q＝vA ＝ vsAv ＝
v v < vs = n
二、非线性渗透定律 适用于Re>10，紊流：如地下水在大空隙、大裂隙、大溶 洞及取水建筑物附近的运动 谢才公式： v = k i 或 v = k⋅ w i 思姆莱公式：
v = k ⋅i
1 m
第五章 地下水的运动与动态
第一节 重力水运动的基本规律 碎散性 多孔介质 能量差
颗粒 水 渗流
三相体系
孔隙流体流动
水、气等在岩石孔隙中流动的现象
渗流
稳定流 非稳定流
水位 流速 流向
重力水运动的基本规律 一. 渗透试验与达西定律 1.渗透试验 1.渗透试验
试验前提： 试验前提：层流 试验装置： 试验装置：如图 试验条件: 试验条件: h1，A，L=const ， 量测变量: h2，V，T 量测变量: ， 试验结果 ∆h=h1-h2 Q=V/T 断面平均流速 v = 水力坡降 i =
1、三类径流流速的比较 、 A.①＞②＞③ ① B.①＞②，①＜③ ① C.①＞②，①＞③ ① D.①＜②，①＞③ ①
3.三类径流受到污染后 三类径流受到污染后 A.治理难度大的是① 治理难度大的是① 治理难度大的是 B.最容易治理的是③ 最容易治理的是③ 最容易治理的是 C.②的污染持续时间最长 ② D.②③污染持续时间比①长 ②③污染持续时间比 ②③污染持续时间比①
m的取值范围为1～2。m=1，Darcy公式；m=2，谢才公式
三.渗透系数的影响因素
k = f(土 特 、 体 性 粒 性 流 特 ）
粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构

chd-qw 第七章 地下水的动态与均衡 9
大量抽水，使地下水位持续下降，如灞河水源地的灞东区。 大量抽水，使地下水位持续下降，如灞河水源地的灞东区。 Q（万m3/ 年） 水位下降（ ） 埋深（ ） 年份 （ 水位下降（m） 埋深（m）
1958～1960 ～ 1961～1963 ～ 1964～1969 ～ 1974～1977 ～ 1978～1980 ～ 1981～1984 ～ 1985～1989 ～ 786.6～2054.5 ～ 2361.5～1622.5 ～ 1703.9～3860.1. ～ 3100～3800 ～ 约4100 3600 3747～4486.7 ～ 8.8 上升 下降 水位较为稳定 水位略有下降 上升 水位大幅度下降 10.37m 8.42 13.85
chd-qw
第七章 地下水的动态与均衡
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Hale Waihona Puke 全球的水均衡1.海洋的蒸发量大于降水量。 2.大陆的降水量大于蒸发量。 3.大陆内陆区降水量和蒸发量基本相等。 Z－蒸发 X－降水 Y－径流 Z洋＝X洋＋Y陆 Z陆＝X陆－Y陆 Z洋＋Z陆＝X洋＋X陆 Z洋＝50.5万km3 Z陆＝7.2万km3 X洋＝45.8万km3 X陆＝11.9万km3 Z洋－X洋＝50.5－45.8＝4.7万km3 X陆－Z陆＝11.9－7.2＝4.7万km3 也即：通过水循环，每年有4.7万km3的淡水从海洋转移 到大陆上，成为人类可以利用的淡水资源。
水文地质学
第七章 地下水的动 态与均衡
§7.1
概念及研究意义
地下水的动态： 地下水的动态：在有关因素综合影响下，地下水 的水位、水量、水化学成分、水温等随时间 变化的现象（状况）称之。 地下水的均衡： 地下水的均衡：一定时期，一定地段内，地下水 的水量（化学成分、热量）的收入（变化） 的数量关系。 动态与均衡的关系：地下水的动态是由于收支不 动态与均衡的关系： 平衡造成的现象，因此两者关系为，地下水 的动态是地下水均衡的外部表现，而均衡则 是动态变化的根本原因。

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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。 • 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。
• 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。 – 承压水属于径流型。动态特点取决于构造的开启程度。
– 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
– 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。

（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。
地下水动态与均衡
地下水动态与均衡的概念 地下水动态与均衡研究的意义及基本任务
地下水动态的影响因素及动态类型
地下水动态与均衡的监测项目
地下水动态的影响因素
地下水动态与均衡研究的意义
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。 （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。
地下水动态的特点
输入与输出的对应关系统）对外部环境施加的激励 （输入）所产生的响应（输 出）。
以降雨为例说明地下水动态的 形成机制：降水 → 补给地下 水系统 → 水位上升。
地下水动态（对外界响应）特 点：在时间上表现为滞后和延 迟。
地下水动态与均衡
降水
潜水位
1954－1955年 北京地区
潜水动态曲线
1—气温；2—相对湿度；3—降水量；4—潜水位；5—蒸发量
地下水动态的影响因素
二、水文因素—河水
河水的影响：主要取 决于含水层（地下水系统） 距地表水体的远近。
莱茵河对潜水的影响 1、2、3、4、5—观测井中潜水位，数字大的距 河远；6—莱茵河水位

承压含水层的水位变动还受到固体潮（月亮T=12h）、地震等 地质应力引起(△ Q=0)。
第3节 地下水天然动态类型
1、潜水 潜水及松散沉积物浅部的水，可分为三种主要动态 类型：蒸发型、径流型及弱径流型。 （1）蒸发型
出现于干旱半干旱地区平原或盆地。地下水径 流微弱，以蒸发排泄为主。
动态变化特点：年水位变幅小，各处变幅接近， 水质季节变化明显。发展趋势是地下水盐化，土壤 盐渍化。
五、人为活动
井孔开采：井孔开采导致泉流量减少或枯 竭、向河流泄流减少或停止、蒸发量减少 等。
如果新增的补给量以及减少的天然排 泄量之和等于人工排泄量，地下水达到新 的均衡，地下水位维持在原先高程更低的 位置，以更大的浮动变动，但不会持续下 降。
井孔开采
如果人工开采量过大，新增的补给量 及减少的天然排泄量之和小于人工排泄量， 地下水位持续下降。
包气带厚度和地下水埋藏深度不同时，地下水位对一次降 雨的响应也是不同的。下图：1为渗透性良好的岩溶，2为 渗透性和厚度适中的砂岩，3为渗透性差且埋深大的粘土。 三者的时间滞后和时间延迟分别见图，很短的尖峰、中等 的波峰和很大的缓峰。若降雨为若干次，则形成叠合波峰。
地下水动态的本源因素是随时间变动的因素：包括气象因 素、水文因素、生物因素，地质营力因素和天文因素等。 地下水动态的转换因素主要是地质结构及水文地质条件。 如地质构造、含水层类型、岩性、地下水埋藏深度等。
修建水库：拦截蓄水，抬高地下水位，易引起次生沼泽化 或盐渍化，基岩地区导致岩体工程性降低。
引用地表水灌溉：引来外来水，抬高地下水位，易引起次 生沼泽化或盐渍化。
注意：在干旱半干旱地区，地下水人工排泄可以减少蒸 发量，也可以减轻乃至消除原有的土壤盐碱化，所以经常 排泄地下水很有利；但是注意“度”，人工排泄过多，导 致地下水位大幅度降低，减少了向河流的泄流，破坏原来 的水文系统以及相关的生态环境系统的平衡。

10.3 地下水动态类型
根据排泄方式和水交替条件，潜水的动态类型分 为： 入渗—蒸发型：分布在干旱、半干旱的平原或山 间盆地中心，地下水埋深浅。
补给：当地降水、地表水入渗 （但不丰沛） 径流：微弱 排泄：蒸发为主
10.3 地下水动态类型
动态特征：年水位变幅小而均匀；水质季节变 化明显，长期中地下水不断向盐化方向发展， 土壤易盐渍化。
10.4 天然条件下的地下水均衡
10.4 天然条件下的地下水均衡
支出项B包括： 潜水蒸发量（Zu）(土面蒸发、植物蒸腾) 潜水以泉或泄流形式排泄量（Qd） 下游断面流出量（Wu2）
储量变化△W为： u△h 则潜水均衡方程式为：
u△h = （Xf+Yf+Zc+Wu1+Qt）- (Zu+Qd+Wu2)
f1-灌渠水入渗补给量 f2-田面水入渗补给量 Qr-通过排水沟排走的潜水水量
10.5 人为活动下的地下水均衡
以一个水文年为均衡期，经观测计算求得： 31.0=22.7+255.5+77.0+9.2-313.4-20.0
结论： ①正均衡，水位上升620mm，增加潜水储量
31mm(μ=0.05).长此以往，会产生土壤盐碱化 ②灌溉水入渗是潜水水位抬升的主因 ③现有设施排水能力不够 ④防止盐碱化措施：或减少灌水入渗量或增加排
滨海地区海水潮汐的影响，使地下水位呈现一天 两次升降的周期性变化。 地质因素 岩性和岩相等的影响是长期缓慢的，它不反映在
地下水的周期性变化上。如岩性、给水度、渗透 系数的大小在短期内变化不大，但在较长期内可 以逐渐增大。
10.2 地下水动态的影响因素
构造因素是一个区域性的影响因素。 地震、火山活动的影响是短期影响。在震前地下