第7章 地下水的动态与均衡
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❖ 地下水贮存量变化量：均衡区内在均衡期起止两时刻水位变动 带内重力水量。通常以水层厚度(μ△h) 计算，其中μ是变动带 内岩石的给水度；△h是均衡期水位变化的平均值。
7.3 地下水均衡
7.3.2 水均衡方程式
❖ 一般表达形式：A - B = ΔW A——收入项； B——支出项；
ΔW——均衡时段内，均衡区的水量变化量 ❖ 均衡结果（表现）：正均衡或负均衡
▪ 潜水位的埋深：埋深的大小，对滞后-延迟时和变幅的影响 ▪ 包气带岩性：K起作用； ▪ 饱水带岩性：K和Sy均起作用 ▪ 地下水所处的空间部位：补给区，排泄区。一般而言，补给
区较排泄区更不稳定
4、人为因素
▪ 包括开采、人工回灌、灌溉、库渠渗漏、污水排放等
云南喷水洞地下暗河流量动态曲线
岩溶水动态
7.2.3 地下水天然动态类型
1. 分区 2. 整理均衡区地下水的补给项、排泄项 3. 确定各区间的补排关系 4. 确定参数 5. 进行均衡计算 6. 验证
洮儿河扇形地地表水与地下水资源转化量
1. 分区：松散岩类孔隙水 2. 补给项、排泄项
3. 补排关系 4. 参数
洮儿河扇形地地表水与地下水资源转化量
5. 均衡计算
本章小节
7.1 地下水的动态和均衡的概念
7.1.1 地下水动态的概念
地下水各要素（如水位、水量、水化学成分、水温等） 随时间的变化。
降雨量（mm） 地下水位（m）
100
降雨量
90
地下水位
80
70
60
173.8 173.7 173.6 173.5
50
173.4
40
173.3
30 173.2
20
10
173.1
❖ 地下水动态主要是含水系统水量（盐量、热量等）收支平 衡状况的综合表现。
❖ 影响地下水动态的因素有：气象、水文、地质条件和人类 活动。
❖ 地下水均衡计算，应从系统角度遵循质量守恒定律来分析。 ❖ 地下水量均衡方程式的一般表达式为：
收入项 - 支出项 = 系统储存量的变化
思考题
1、一个地区，如何依据地下水动态变化特征，分析地下水 均衡状况（或特点）。
7.3.2 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）：P、R1、G1、Z1 支出项（B）： R2、G2、Z2
（P + R1 + G1 +Z1）- （R2 + G2 +Z2） = △W P - ( R2 - R1 ) - (G2- G1) - (Z2 - Z1) = △W
△W
0
173
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 月份
永茂乡2000年地下水位变化动态曲线图
7.1 地下水的动态和均衡的概念
7.1.2 地下水均衡的概念
指某一时段内某一地段内地下水水量（盐量、热量、能 量）的收支状况。 7.1.3 地下水动态与均衡研究的意义
①查清地下水补给、排泄与资源条件、含水层之间、含水层与地 表水之间的关系；
f 1 f 1 1 u1 d 冲积平原潜水 X Y Q Z
f 2 f 2 t u2 冲积平原承压水 W Q W
2t3
2
1
堆积平原含水系统地下水均衡模式分析
❖ 分区（三段均衡区）分析：
山前丘陵潜水 X Y W Z Q W
f 1 f 1 1 u1 d 冲积平原潜水 X Y Q Z
山区、山前、水位深埋区。 年水位变化大而不均，水质季节变化不明显，水质趋于
淡化。
气候湿润的平原、盆地，地 年水位变幅小，各处接近，水质季节变化不明显，淡化。
形切割弱。
沿江河两岸的条带地段
年水位变化随江河水位变化而变化，但幅度小于江河水
位变化幅度。
城市及集中开采区
水位变化受开采量影响。
7.3 地下水均衡
2、承压水
❖ 径流型——
动态变化的程度取决于构造封闭条件。构造开启程度愈好， 水交替愈强烈，动态变化愈强烈，水质的淡化趋势愈明显。
3、人类活动影响下的地下水动态
❖ 采排地下水：取水或矿坑排除地下水后，人工采排成为地下
水新的排泄去路；含水层或含水系统原来的均衡遭到破坏，天 然排泄量的一部或全部转为人工排泄量，天然排泄消失或减少 （泉流量、泄流量减少，蒸发减弱），并可能增加新的补给量， 影响动态
水文地质学
Hydrogeology
防灾科技学院 宋洋
第七章 地下水的动态与均衡
提要
1 掌握地下水的动态与均衡的概念, 2 各种情况下的地下水均衡方程式及各项均衡要素的意义和 计算方法， 3 能够分析地下水动态形成机制、影响因素及动态类型， 4 了解地下水开发与地面沉降的关系。
本章内容
7.1地下水的动态和均衡的概念 7.2地下水的动态 7.3地下水的均衡
f 2 f 2 t u2
2
冲积平原承压水 W Q W 2t3
用含水系统分析，水量均衡方程：
X f 1 X f 2 Yf 1 Yf 2 W1 Zu1 Zu2 Qd W3
1
2
进行水均衡研究或计算，切忌避免重复；否则会人为地夸 大地下水的可利用量，造成不可挽回的损失和后果
均衡计算步骤：
❖ 强烈开采区 Xf + Yf = Q开
承压水均衡方程式
收入：Q侧入，Q越入 支出：Q侧出，Q越出 变化量： △Wc=S△hc
(Q侧入+ Q越入)- (Q侧出+ Q越出) =S△hc
地下水均衡模式
7.3.3 区域地下水均衡
堆积平原含水系统地下水均衡模式图
山前丘陵潜水 X Y W Z Q W
地表水变化量△Ws
潜水变化量△Wu=Sy△h
包气带水变化量△Wa 承压水变化量△Wc=S△hc
潜水均衡方程式
蒸发 降水
凝结水
地表水 入渗
潜水流入量
越流
潜水流出量
地表水 排泄
Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qt - ( Zu+Qd+Wu2 ) = SyΔh
潜水均衡方程式Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qt - ( Zu+Qd+Wu2 ) = μΔh
❖ 补给地下水：修建水库，利用地表水灌溉等，增加了新的补
给来源而使地下水位抬升，形成新的动态特征
地下水动态类型
类型 渗入--蒸发型
渗入--径流型
渗入--弱径流 型
水文型
开采型
出现地区
干旱、半干旱区，地形切割 微弱的平原、盆地。
动态特征
径流微弱，年水位变化小，水质季节变化明显，盐化、 土壤盐渍化。大陆盐化水。
2、强烈人工开采条件下，抽水井的水有哪些来源？潜水均 衡方程式将有哪些变化。
--第七章结束--
思考？影响地下水位变化（动态特征）因素有哪些
7.2.2 地下水动态的影响因素
1、气象（气候）因素—决定动态总轮廓
❖ 特点：大面积，普遍产生影响 (主要有降水与蒸发因素)
❖ 降水的影响因素：降水量、降水强度、延续时间
蒸发的影响因素：气温、湿度、风速
❖ 气象因素表现：
▪ 降水的昼夜变化 ▪ 降水的年内季节性变化 ▪ 降水的多年变化（如11年周期的太阳黑子变化）
2、水文因素
❖指地表水体的变 化对地下水动态 的影响
❖从右图中可以看 出什么规律？
与地表水体的距 离有关
思考？与潜水比较, 受河水位影响承 压水动态有何特 点？
影响距离：
l Khm
t
7.2.2 地下水动态的影响因素
3、地质因素
❖ 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
潜水、承压水由于排泄方式、交替程度不同，两者 的动态特征也不同
1、潜水的动态类型——三种类型
❖ 蒸发型——
▪ 主要出现在干旱半干旱地区地形切割微弱的平原或盆 地。
❖ 径流型——
▪ 广泛分布于山区及山前
❖ 弱径流型——
▪ 气候湿润的平原与盆地，蒸发排泄有限，径流排泄为 主，但径流微弱。
9.2.3 地下水天然动态类型
②认识区域水文地质条件； ③进行水量和水质评价； ④地下水资源合理开发利用与保护管理，防止地下水危害； ⑤检验水文地质结论。
7.2 地下水动态
7.2.1 地下水动态的形成机制
与环境的相互作用 ❖ 降水——补给地下水系统——水位上升 (出现变化）
▪ 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：
❖ 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 ▪ 年内变化 --最突出 ▪ 多年变化 --研究周期长
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
7.2.2 地下水动态的影响因素
7.3.1 相关概念
❖ 地下水均衡：某一时段、某一范围内，地下水水量（热量、
盐量、能量）的收支状况。
❖ 均衡期：均衡计算的时间段 ❖ 均衡区：均衡计算所选定的地区 ❖ 正均衡：某均衡区某均衡期内地下水水量(盐量、热量)的
收入大于支出，表现为地下水储存量(热量、盐量)增加。
❖ 负均衡：某均衡区某均衡期内地下水水量(盐量、热量)的
收入小于支出，表现为地下水储存量(热量、盐量)减少。
7.3 地下水均衡
❖ 水均衡方程式：表示水均衡收入项和支出项关系的方程，补给 量总和(Qi)与各消耗量总和(Qo)的差值等于均衡期始末水的储 存量的变化量(△Q) ，△Q= Qi - Qo。
❖ 地下水均衡方程：表示地下水均衡收入项和支出项关系的方程。 在研究区内某一时段内某一含水层地下水各补给量总和(Qr)与 各消耗量总和(Qd)之差值等于均衡期始末的地下水贮存量的变 化量△Q的关系式。即 △Q= Qr - Qd。
几种条件下的潜水均衡方程式：
❖ 干旱半干旱平原区：忽略Zc ；地形切割微弱Qd→0； 无越流时Qt =0；径流滞缓Wu1 Wu2 → 0； Xf + Yf - Zu =SyΔh
❖ 多年均衡条件下 ：SyΔh =0，则 Xf + Yf = Zu
❖ 湿润山区潜水均衡 Zu =0 Xf + Yf = Qd
▪ （1）滞后和延迟现象 ▪ （2）有叠加现象
❖ 因外界激励（或输入）而引起的系统响应（或输出）的 变化幅度是含水系统内部结构作用的结果
▪ 某要素（水位）随时间的变化程度用稳定性来恒量 ▪ 动态稳定——变化幅度小 ▪ 动态不稳定——变化幅度大
Байду номын сангаас
降水补给引起地下水位响应——滞后-延迟-叠加
河北饶阳地区地下水位动态曲线
7.3 地下水均衡
7.3.2 水均衡方程式
❖ 一般表达形式：A - B = ΔW A——收入项； B——支出项；
ΔW——均衡时段内，均衡区的水量变化量 ❖ 均衡结果（表现）：正均衡或负均衡
▪ 潜水位的埋深：埋深的大小，对滞后-延迟时和变幅的影响 ▪ 包气带岩性：K起作用； ▪ 饱水带岩性：K和Sy均起作用 ▪ 地下水所处的空间部位：补给区，排泄区。一般而言，补给
区较排泄区更不稳定
4、人为因素
▪ 包括开采、人工回灌、灌溉、库渠渗漏、污水排放等
云南喷水洞地下暗河流量动态曲线
岩溶水动态
7.2.3 地下水天然动态类型
1. 分区 2. 整理均衡区地下水的补给项、排泄项 3. 确定各区间的补排关系 4. 确定参数 5. 进行均衡计算 6. 验证
洮儿河扇形地地表水与地下水资源转化量
1. 分区：松散岩类孔隙水 2. 补给项、排泄项
3. 补排关系 4. 参数
洮儿河扇形地地表水与地下水资源转化量
5. 均衡计算
本章小节
7.1 地下水的动态和均衡的概念
7.1.1 地下水动态的概念
地下水各要素（如水位、水量、水化学成分、水温等） 随时间的变化。
降雨量（mm） 地下水位（m）
100
降雨量
90
地下水位
80
70
60
173.8 173.7 173.6 173.5
50
173.4
40
173.3
30 173.2
20
10
173.1
❖ 地下水动态主要是含水系统水量（盐量、热量等）收支平 衡状况的综合表现。
❖ 影响地下水动态的因素有：气象、水文、地质条件和人类 活动。
❖ 地下水均衡计算，应从系统角度遵循质量守恒定律来分析。 ❖ 地下水量均衡方程式的一般表达式为：
收入项 - 支出项 = 系统储存量的变化
思考题
1、一个地区，如何依据地下水动态变化特征，分析地下水 均衡状况（或特点）。
7.3.2 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）：P、R1、G1、Z1 支出项（B）： R2、G2、Z2
（P + R1 + G1 +Z1）- （R2 + G2 +Z2） = △W P - ( R2 - R1 ) - (G2- G1) - (Z2 - Z1) = △W
△W
0
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永茂乡2000年地下水位变化动态曲线图
7.1 地下水的动态和均衡的概念
7.1.2 地下水均衡的概念
指某一时段内某一地段内地下水水量（盐量、热量、能 量）的收支状况。 7.1.3 地下水动态与均衡研究的意义
①查清地下水补给、排泄与资源条件、含水层之间、含水层与地 表水之间的关系；
f 1 f 1 1 u1 d 冲积平原潜水 X Y Q Z
f 2 f 2 t u2 冲积平原承压水 W Q W
2t3
2
1
堆积平原含水系统地下水均衡模式分析
❖ 分区（三段均衡区）分析：
山前丘陵潜水 X Y W Z Q W
f 1 f 1 1 u1 d 冲积平原潜水 X Y Q Z
山区、山前、水位深埋区。 年水位变化大而不均，水质季节变化不明显，水质趋于
淡化。
气候湿润的平原、盆地，地 年水位变幅小，各处接近，水质季节变化不明显，淡化。
形切割弱。
沿江河两岸的条带地段
年水位变化随江河水位变化而变化，但幅度小于江河水
位变化幅度。
城市及集中开采区
水位变化受开采量影响。
7.3 地下水均衡
2、承压水
❖ 径流型——
动态变化的程度取决于构造封闭条件。构造开启程度愈好， 水交替愈强烈，动态变化愈强烈，水质的淡化趋势愈明显。
3、人类活动影响下的地下水动态
❖ 采排地下水：取水或矿坑排除地下水后，人工采排成为地下
水新的排泄去路；含水层或含水系统原来的均衡遭到破坏，天 然排泄量的一部或全部转为人工排泄量，天然排泄消失或减少 （泉流量、泄流量减少，蒸发减弱），并可能增加新的补给量， 影响动态
水文地质学
Hydrogeology
防灾科技学院 宋洋
第七章 地下水的动态与均衡
提要
1 掌握地下水的动态与均衡的概念, 2 各种情况下的地下水均衡方程式及各项均衡要素的意义和 计算方法， 3 能够分析地下水动态形成机制、影响因素及动态类型， 4 了解地下水开发与地面沉降的关系。
本章内容
7.1地下水的动态和均衡的概念 7.2地下水的动态 7.3地下水的均衡
f 2 f 2 t u2
2
冲积平原承压水 W Q W 2t3
用含水系统分析，水量均衡方程：
X f 1 X f 2 Yf 1 Yf 2 W1 Zu1 Zu2 Qd W3
1
2
进行水均衡研究或计算，切忌避免重复；否则会人为地夸 大地下水的可利用量，造成不可挽回的损失和后果
均衡计算步骤：
❖ 强烈开采区 Xf + Yf = Q开
承压水均衡方程式
收入：Q侧入，Q越入 支出：Q侧出，Q越出 变化量： △Wc=S△hc
(Q侧入+ Q越入)- (Q侧出+ Q越出) =S△hc
地下水均衡模式
7.3.3 区域地下水均衡
堆积平原含水系统地下水均衡模式图
山前丘陵潜水 X Y W Z Q W
地表水变化量△Ws
潜水变化量△Wu=Sy△h
包气带水变化量△Wa 承压水变化量△Wc=S△hc
潜水均衡方程式
蒸发 降水
凝结水
地表水 入渗
潜水流入量
越流
潜水流出量
地表水 排泄
Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qt - ( Zu+Qd+Wu2 ) = SyΔh
潜水均衡方程式Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qt - ( Zu+Qd+Wu2 ) = μΔh
❖ 补给地下水：修建水库，利用地表水灌溉等，增加了新的补
给来源而使地下水位抬升，形成新的动态特征
地下水动态类型
类型 渗入--蒸发型
渗入--径流型
渗入--弱径流 型
水文型
开采型
出现地区
干旱、半干旱区，地形切割 微弱的平原、盆地。
动态特征
径流微弱，年水位变化小，水质季节变化明显，盐化、 土壤盐渍化。大陆盐化水。
2、强烈人工开采条件下，抽水井的水有哪些来源？潜水均 衡方程式将有哪些变化。
--第七章结束--
思考？影响地下水位变化（动态特征）因素有哪些
7.2.2 地下水动态的影响因素
1、气象（气候）因素—决定动态总轮廓
❖ 特点：大面积，普遍产生影响 (主要有降水与蒸发因素)
❖ 降水的影响因素：降水量、降水强度、延续时间
蒸发的影响因素：气温、湿度、风速
❖ 气象因素表现：
▪ 降水的昼夜变化 ▪ 降水的年内季节性变化 ▪ 降水的多年变化（如11年周期的太阳黑子变化）
2、水文因素
❖指地表水体的变 化对地下水动态 的影响
❖从右图中可以看 出什么规律？
与地表水体的距 离有关
思考？与潜水比较, 受河水位影响承 压水动态有何特 点？
影响距离：
l Khm
t
7.2.2 地下水动态的影响因素
3、地质因素
❖ 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
潜水、承压水由于排泄方式、交替程度不同，两者 的动态特征也不同
1、潜水的动态类型——三种类型
❖ 蒸发型——
▪ 主要出现在干旱半干旱地区地形切割微弱的平原或盆 地。
❖ 径流型——
▪ 广泛分布于山区及山前
❖ 弱径流型——
▪ 气候湿润的平原与盆地，蒸发排泄有限，径流排泄为 主，但径流微弱。
9.2.3 地下水天然动态类型
②认识区域水文地质条件； ③进行水量和水质评价； ④地下水资源合理开发利用与保护管理，防止地下水危害； ⑤检验水文地质结论。
7.2 地下水动态
7.2.1 地下水动态的形成机制
与环境的相互作用 ❖ 降水——补给地下水系统——水位上升 (出现变化）
▪ 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：
❖ 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 ▪ 年内变化 --最突出 ▪ 多年变化 --研究周期长
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
7.2.2 地下水动态的影响因素
7.3.1 相关概念
❖ 地下水均衡：某一时段、某一范围内，地下水水量（热量、
盐量、能量）的收支状况。
❖ 均衡期：均衡计算的时间段 ❖ 均衡区：均衡计算所选定的地区 ❖ 正均衡：某均衡区某均衡期内地下水水量(盐量、热量)的
收入大于支出，表现为地下水储存量(热量、盐量)增加。
❖ 负均衡：某均衡区某均衡期内地下水水量(盐量、热量)的
收入小于支出，表现为地下水储存量(热量、盐量)减少。
7.3 地下水均衡
❖ 水均衡方程式：表示水均衡收入项和支出项关系的方程，补给 量总和(Qi)与各消耗量总和(Qo)的差值等于均衡期始末水的储 存量的变化量(△Q) ，△Q= Qi - Qo。
❖ 地下水均衡方程：表示地下水均衡收入项和支出项关系的方程。 在研究区内某一时段内某一含水层地下水各补给量总和(Qr)与 各消耗量总和(Qd)之差值等于均衡期始末的地下水贮存量的变 化量△Q的关系式。即 △Q= Qr - Qd。
几种条件下的潜水均衡方程式：
❖ 干旱半干旱平原区：忽略Zc ；地形切割微弱Qd→0； 无越流时Qt =0；径流滞缓Wu1 Wu2 → 0； Xf + Yf - Zu =SyΔh
❖ 多年均衡条件下 ：SyΔh =0，则 Xf + Yf = Zu
❖ 湿润山区潜水均衡 Zu =0 Xf + Yf = Qd
▪ （1）滞后和延迟现象 ▪ （2）有叠加现象
❖ 因外界激励（或输入）而引起的系统响应（或输出）的 变化幅度是含水系统内部结构作用的结果
▪ 某要素（水位）随时间的变化程度用稳定性来恒量 ▪ 动态稳定——变化幅度小 ▪ 动态不稳定——变化幅度大
Байду номын сангаас
降水补给引起地下水位响应——滞后-延迟-叠加
河北饶阳地区地下水位动态曲线