地下水的动态与平衡

三、地下水的动态与平衡

1.隔水层；2.透水层；3.地下水流向；4.泉水

图10-10　岩性变化形成的自流斜地

地下水动态系指地下水水位、水量、水温和水质等要素随时间和空间所发生的变化现象和过程。而地下水平衡则是分析研究地下水在某一地区、某一时段内水量的收支之间的数量关系。

实际上地下水的动态与平衡是一个问题的两个方面。“动态”是质和量的时空变化过程，是水平衡的外部表现，而“平衡”则是具体的数量关系，是动态变化的内在原因。

地下水的动态与平衡的研究，不仅有助于了解地下水的形成机制、运动变化规律，而且对于合理开发利用地下水资源，进行地下水资源的评价及预测预报都具有重要意义。

1.影响地下水动态的因素

影响地下水动态的因素基本上可区分为自然因素和人为因素两大类。其中自然因素又可区分为气象因素以及水文、地质地貌、土壤生物等因素；人为因素包括人工抽取地下水、无计划排水、人工回灌以及耕作、植树造林、水土保持等对地下水动态的影响，分述如下：

(1)自然因素。

①气象气候因素。这是影响地下水动态的主要因素。降水和蒸发直接影响地下水的补给与排泄，而它们随时间的变化就会引起地下水的水位和水量及水质随时间的变化。气压主要对承压含水层的压力水位和泉的流量有一定的影响。随着大气压力的增高，承压含水层及水井中的水位就下降，自流泉水的流量就减少，反之亦然。

气候因素有昼夜、季节乃至多年的变化规律，使地下水也产生这种相应的周期性的变化。地下水的昼夜变化主要是气温和气压产生的，实际意义不大。地下水的季节性的变化很明显，特别是浅层水更明显。由于其他因素的影响，地下水的动态与气象气候因素的动态产生不同程度的减弱和滞后。距离补给区较远的部位，地下水位和泉流量的峰值，有时可比降水峰值出现的时间滞后4～5月或更长。

②水文因素。水文因素对于地下水动态的影响，主要取决于地表上江河、湖(库)与地下水之间的水位差，以及地下水与地表水之间的水力联系类型。滨海地区，如含水层与海水相连通，则海平面潮汐升降，亦会影响海岸带地下水位的波动。

③地质地貌因素。地质地貌因素对地下水的影响，一般情况下并不反映在动态变化上，而是反映在地下水的形成特征方面，其中地质构造决定了地下水的埋藏条件；岩性影响下渗、贮存及径流强度；地貌条件控制了地下水的汇流条件。这些条件的变化，造成了地下水动态在空间上的差异性。

不过对于局部地区发生的地震、火山喷发等地质现象，亦能引起局部地区地下水动态发生剧变。

④生物与土壤因素。生物、土壤因素对地下水动态的影响，除表现为通过影响下渗和蒸发来间接影响地下水的动态变化外，还表现为对地下水的化学成分和水质动态变化上的影响。

(2)人为因素。人为因素对地下水动态的影响比较复杂。从影响后果来说，有积极的一面，亦有消极的一面。

从人为因素自身来看，可分为两大类：一类是人们为了直接影响和控制地下水动态而采取的一系列措施，诸如打井抽水、人工回灌等，这是有目的有计划的活动；另一类活动虽然其出发点并非针对地下水动态的，但是活动的本身派生出对地下水动态影响的效果。诸如人类为灌溉农田，满足城市工矿企业生产、生活用水需要而修筑的各种拦水、引水、蓄水与灌溉工程，以及排水工程，等等。这类活动对地下水造成的影响极其广泛而深刻，而且随着国民经济之发展，生产能力的提高，其影响将不断地扩大、加深。

人们从事地下水方面研究，除了研究地下水系统内在的机制与规律外，更重要的正是为了如何更好地积极地影响与控制地下水动态进程，防止消极的影响，使地下水动态向适合人类需要的方向发展。

2.地下水动态类型

如前所述，地下水动态是自然因素与人为因素共同影响的结果。由于自然因素具有强烈的地区性与时间性变化的特点，致使地下水动态过程亦存在地区上的差异性以及随时间变化的特点，特别是容易受到外界条件影响的浅层地下水，这种地区上的特征及时间性变化比较明显。

为了进行地下水资源的分析计算，以及方便地下水开发利用，可根据地下水(主要是浅层地下水)的补给、排泄条件及地下水动态特征的不同，将地下水动态类型分为如下3类：

①渗入-蒸发型。此类型的地下水主要从降水和地表水获得补给，而后消耗于蒸发。所以地下水以垂向运动为主，水平径流微弱。一般多分布于干旱、半干旱地区的平原与山间盆地。在开发利用上宜发展井灌事业，既可人工调控地下水，又利于防治土壤盐渍化和沼泽化。

②渗入-径流型。此类型的补给也主要来自大气降水和地表水的入渗，但其排汇以水平径流为主，蒸发消耗量相对较少。由于地下径流同时排泄水中盐分，所以从长期来说水质矿化度愈来愈小。这类地下水多分布于山麓冲积扇及山前地带地下水力坡度较大的地区。在开发利用上，宜采用截流建筑物，截取地下径流供使用。

③过渡型。主要分布于气候比较湿润的平原地区，由于当地降水丰沛，在满足了蒸发之后，仍有盈余以地下径流形式侧向排泄，故兼有径流和蒸发两种排泄形式，在长期内水质亦日趋淡化。

3.地下水平衡

地下水平衡是根据质量守恒原理对地下水循环中各个环节的数量变化进行研究，在此基础上阐明某个地区在某一时段内地下水贮量、补给和消耗三者之间动态平衡关系。

进行平衡计算研究的地区称为“平衡区”，它最好是一个完整的地下水流域。进行平衡计算的起迄时间，称为“平衡期”，平衡期可以是1个月、1年，亦可按特定的要求而定。在平衡计算期间，如地下水量收入大于支出，必然表现为地下水贮存量增加，称为“正平衡”；反之则称为“负平衡”。如果收支相等，即认为地下水处于动态平衡的状态。

地下水水量平衡的一般表达式如下：

式中：左边第一项为收入项——P_q为大气降水入渗量；R₁为地表水入渗量；E₁为水汽凝结量；Q₁为自外区流入的地下水水量。左边第二项为支出项——R₂为补给地表水的量； E₂为地下蒸发量；Q₂为流入外区的地下水水量。ΔW为地下水水流系统中的贮水变量，它由平衡期间包气滞中水的变量(ΔC)、潜水变量(μΔH)及承压水变量(μ₀ΔH_P)所组成，如收入大于支出为正，反之为负。

于是上式可改写为：

式中：μ为潜水含水层的水度；S₀为承压水的贮水系数(或称释水系数)；ΔH为潜水位变幅；ΔH_P为承压水测压水变幅。

为便于计算各参数，单位均以水柱高毫米计。以上是地下水平衡的基本模式，在具体计算时，还需进一步区分为潜水平衡模式与承压水平衡模式。