地下水微动态毕业论文

外界物质、能量及信息对地下水系统的输入是导致地下水系统状态发生变化的原因。地下水系统内部的空间范围、储水和导水能力等是增强或减缓地下水动态变化程度的影响因素。

大气降水入渗补给

大气降水入渗补给地下水，使地下水水量增加，体现为水位上升，以泉为排泄方式的地下水系统还会引起泉流量增大，而水质也会有所变化。一次降水可以持续数十分钟或数小时以致数天时间，降水入渗到达地下水位以后才能引起地下水位上升。由于大气降水入渗需要通过非饱和带，地下水位上升到达高峰的时间出现在降水开始以后甚至停止之后，即存在一定的滞后时间。因此，一次降水相当于给地下水系统施加一个降水脉冲，作为对此脉冲的响应，地下水位先抬升后下降表现为一个波形。当相邻两次或多次降水发生时，各次降水入渗补给引起地下水位变化的波形便相互叠加，形成一个更大更高的波峰，或者更复杂的波形。由于地下水位上升和下降的叠加，实际形成的波形比较平缓。如果各次降水相隔时间长，则可以出现每一次降水形成一个地下水位波形。由于降水时间相对较短、补给集中而地下水径流较缓慢，故水位波形不对称，上升段较陡、下降段或衰减段较缓。

降水入渗补给对泉流量的影响也出现与地下水位类似的情况，泉流量先增大后衰减(图、图)，但由于泉排泄的是更大范围含水层内的地下水，排泄点与补给区(或补给区的边界)距离较远，其变化也比降水的变化更为稳定，并存在一定时间的滞后。

图 降水单脉冲入渗(a)与泉流量波动(b)

图 降水多脉冲入渗(a)与泉流量波动(b)

地下水系统的储水、导水及调节功能，使不连续的大气降水入渗补给，转化为比较连续的地下水位变化及泉流量变化，可以看成是地下水系统对输入信号的分散、聚集、延迟和叠加的结果。其作用相当于高频信号通过滤波器变换为低频信号输出的物理过程。因此，即使在大气降水入渗停止期间或者枯水季节，地下水系统内仍然储存有一定数量的地下水，作为排泄地下水的天然泉水大多数也不会断流。

显然，降水入渗补给量越大，地下水位或泉流量峰值越大，而含水层的规模越大，地下水动态越稳定。对于同一次降水入渗来说，介质的给水度越大，地下水位抬升越小。透水性越好的介质越有利于地下水径流，地下水位抬升越小。地形平坦地区大气降水入渗补给引起的地下水位升高值要大于地形起伏较大的地区。另外，在分水岭地带地下水位抬升要高于排泄带。在岩溶化强烈的峰丛山区，垂向发育的溶蚀裂隙和落水洞极有利于降水入渗，导致地下水位迅速抬高或泉流量迅速增大，降水补给结束后，地下水位又迅速下降或泉流量迅速减小，滞后时间很短。

图 河水水位波动引起的岸边潜水位变化(据章至洁等，1995)

地表水的渗漏补给和雪融水补给

当地表水位抬升发生地表水对地下水的渗漏补给时，会引起岸边地下水位抬升，地表水位下降后，岸边地下水位也随之下降。以河流为例，河水水位升降对地下水位动态的影响一般为离河岸数百米至数千米，持续时间为少于一天至几个星期(Back等，1988)。地下水位变幅小于河水水位变幅，而且随着远离河流，地下水位变幅逐渐减小，出现水位高峰的时间滞后于河水位高峰的时间越长(图)。当河水水位波动引起潜水位也发生波动时，含水层的透水性愈好，厚度愈大，含水层的给水度愈小，则波及的范围愈远。当河水水位呈锯齿状不均匀脉动变化时，岸边地下水位也呈基本相同的变化。但地下水位动态曲线相对平缓，地下水位变化不如河水水位变化明显。对于常年补给地下水的河流，其情况与上述基本相同，只是岸边地下水位始终低于河水水位。

在高寒地区及冬季地表冻结地区，到春天雪融季节，冰川融化加剧和地表冻层解冻，前者部分汇集到河流中，在有利地段补给地下水，部分直接下渗补给地下水，后者也形成对地下水的补给。当雪融水发生对地下水补给时，也能引起地下水位抬升，雪融季节结束后，地下水位下降。这种地下水位的升降变化仅出现在雪融季节，在时间上明显不同于大气降水入渗补给引起的水位升降。图是我国西北地区某内流河流域中游一个观测井的潜水位变化，该井地下水位埋深最小时接近1m，最大时接近3m，年变幅达2m左右，每年在4月和11月潜水位达到高峰，在3月和9月水位达到低谷，即水位动态曲线在每一年中出现了两个峰和两个谷。季节性冻土消融水下渗补给可以导致4月份的水位高峰，而11月份的水位高峰则由于河水入渗补给和灌溉回归水的补给引起。

图 一年内具有双峰双谷的潜水位动态(据周训等，2006)

人工补给或抽排地下水

利用坑、塘、渠或井孔对地下水进行人工补给，都能引起地下水位抬升，而人工抽排地下水，则引起地下水位下降。人工补给引起地下水位变化的幅度和速度取决于补给量的大小、补给时间长短和介质透水性。受人工补给影响的地下水位变化范围一般在补给坑、塘、渠或井孔附近。不恰当的人工补给有时会使地下水位抬升接近地面。人工抽、排地下水，当抽水量较大、时间很长时，会引起地下水位下降幅度大、水位降落漏斗面积扩大。过量开采或排除地下水会引起地下水位持续下降，致使泉流量减小甚至出现断流现象。

人工补给或抽排地下水引起的水位变化通常与天然补给引起的地下水位变化叠加在一起，使地下水动态趋于复杂。

气压效应

大气压力的变化可以引起井水位的升降变化，当大气压力升高时井水位降低，大气压力降低时井水位升高。大气压力作用于含水层上覆地层和井水面上，当大气压力增大时，作用于井水面的压力大于作用于含水层的压力，二者之间存在压力差，致使一部分井水被压入含水层，引起井水位下降，直至达到平衡为止。当大气压力下降时，则情况正好相反。对于承压含水层来说，通过隔水顶板与大气圈的隔离程度越好，井水位的气压效应越明显。气压效应对潜水水位的影响也是存在的，只是没有承压水那样明显。气压效应一般具有周期性。气压一般在1月份最高，随着气温的升高气压逐渐降低，在7月份前后气压达到一年内的最低值，然后随着气温下降气压上升。受气压效应影响的某深井水位在1月份达到低谷、7月份达到高峰(图)。气压及水位也有以6～7天为周期以及一天两峰两谷的变化，但变化幅度很小(图)。

图 气压变化(a)、井水位变化(b)和消除气压效应后的井水位变化(c)(据车用太等，2004)

图 气压效应(据Domenico等，1990)1m水柱≈104Pa

海洋潮汐效应

海平面在月亮和太阳的引力作用下出现潮起潮落的波动，引起与海水有联系的滨海含水层距海岸数千米范围内地下水位也出现相应的波动。潮汐效应不仅发生在与海水有直接水力联系的潜水含水层和承压含水层，也可以发生在与海水有间接水力联系的承压含水层。潮汐效应地下水位变化受控于海潮，也受含水层的储水和导水能力的影响。一般来说，受海潮影响的海岸带地下水位的波动与海平面的波动相似，但波动幅度小，且有滞后现象，随着远离海岸，地下水位的波动幅度迅速减小，滞后时间逐渐延长。在潮汐效应影响下，地下水位具有大潮和小潮的交替变化，具有周期约15天的变化和约1天的变化，有些地方还有周期约12小时的变化。广西北海市滨海含水层潮汐效应观测结果(图)表明，每月朔(农历初一)和望(农历十五)过后一、两天，潮差最大，为大潮。在农历初八、廿三左右，潮差最小，为小潮。受海潮影响的海岸带观测孔地下水位也有相似的变化(Zhou等，2006)。

图 海潮及海岸带观测孔地下水位波动(已将ZK17孔的水位标高加上1m)

固体潮

月亮和太阳的引力还会引起陆地岩层出现周期性的轻微起伏。对于承压含水层来说，固体潮使其上覆岩层施加于承压含水层的载荷减少而发生轻度膨胀，测压水位下降，以及载荷增加而发生轻度压缩致使测压水头上升。由固体潮引起的承压含水层的测压水位变幅可达数厘米，存在周期约为15天、1天和12小时的变化，大潮和小潮每隔约半个月交替出现，每天两涨两落(图、图)。

图 受固体潮影响的地下水位变化(据Domenico等，1990)

图 受固体潮影响的深井水位变化(据车用太等，2004)

载荷与卸荷

在承压含水层上覆隔水顶板之上存在载荷与卸荷时，承压含水层承受的压力发生变化，也会导致测压水头出现升降变化。例如，当地表出现较大的降水积聚水体，或者地表蓄水，或者渠道过水等，承压含水层上覆载荷增加，致使测压水头升高，地表水体退去后，上覆载荷减小，地下水位下降。有时火车的通过引起地面的载荷和卸荷也会导致下伏承压含水层测压水位的升降变化(图)。

图 火车经过引起的地下水位变化(据Domenico等，1990)

地震

钻井水位特别是深井水位可以记录到从远处发生的地震传递来的地震波的影响。例如，1989年10月19日在山西省大同市发生里氏级地震，地震前在河北省万全县一个井的井水位于9月18日开始下降，至27日水位转平缓，下降幅度约60mm，在10月19日地震时水位突然上升，随后下降(图)(车用太等，2004)。在地震孕育特别是发震过程中发生地应力的变化引起岩层弹性变形、塑性变形甚至破裂作用，导致井水位发生显著变化。有些地震还会引起地下水水温、流量、Rn含量等的变化。通过监测地下水位、流量、水温及Rn的异常变化，有助于研究地震的预报问题。

图 地震前后地下水位变化(据车用太等，2004)

一、区域浅层地下水动态特征

影响区域浅层地下水动态变化的因素主要为降水和人工开采等，根据1997～1998年全省区域地下水动态特征，分析区域浅层地下水动态类型主要有降水入渗－开采型、开采型、降水入渗－蒸发型、水文型等。其中，降水入渗－开采型为区域浅层地下水的主要动态类型，主要分布在平原区的中部、东部、东南部及南阳盆地，约占平原区面积50%以上，处于采补平衡或尚有潜力，地下水埋深稍大，蒸发作用较弱，其消耗主要为开采，受此影响水位逐年回落；开采型主要分布在豫北南乐、清丰、内黄、滑县、温县、孟州、郑州等地，显示地下水超采较严重；降水入渗－蒸发型主要分布在漯河的东南至平舆、正阳、新蔡一带及周口东南部，地下水埋藏较浅，受降水入渗补给，其消耗主要为蒸发，地下水开采量较小，为地下水有潜力的地区；水文型沿主要河流分布，因地表水常年补给地下水，地下水位随地表水位变化而变化。

根据1972年以来河南省区域地下水动态监测资料，依地下水水位变化过程及发展趋势，地下水动态演变可分为持续下降型、阶段性下降型、相对稳定型等三种基本类型。

（1）超量开采，水位持续下降型。主要分布在豫北的南乐、清丰、内黄、滑县及温县、孟州和郑州等地。自1972年以来，浅层地下水水位变化特征是水位高程逐渐降低，水位埋深逐年加大，其形成原因是地下水的开采量大于补给量所致，汛期降水入渗补给地下水的量小于枯水期的超额开采量，致使水位年复一年的下降，有时特丰水年份汛期地下水水位恢复高于前期水位，但多年平均地下水开采量大于补给量，而总趋势仍改变不了其持续下降的特征，历年平均下降速度为～。

（2）气象、开采双重因素影响，地下水水位呈阶段性下降型。主要分布在黄淮海平原的东部和中部，地下水动态受气象、开采双重因素影响呈阶段性下降状况，20世纪80年代中期以前主要受气象影响有规律的波动变化，而后地下水位随开采量的增加而逐年下降，其中1986年到1987年下降速度较快，1988年以后水位下降速度减缓，平稳下降。

（3）气象因素制约，地下水位动态稳定。主要分布在驻马店东部及沿黄地带，周口南部及鄢陵、西华等地，其地下水埋藏浅，水位变化幅度小，受气象因素明显，开采影响较小，为相对稳定型动态。1972年以来地下水水位除有小幅的上下波动外，无明显的上升或下降趋势。

河南省区域浅层地下水埋藏深度，在20世纪60年代之前普遍较浅，80%以上的区域地下水埋深小于4m，最大埋深不足8m; 70年代起地下水水位逐年下降，到90年代初地下水埋深小于4m的区域缩小近半，最大水位埋深达到16m 左右；90年代末地下水水位埋深小于4m的区域已较小，埋深在4～8m 间的区域面积最大，豫北局部地区地下水水位埋深达20～22m。据2006年监测资料，地下水水位埋深小于4m的区域主要分布在豫南、豫东南的驻马店、信阳、周口及沿黄地带，面积26276km2，占平原区面积的；埋深在4～8m的区域主要分布在商丘、开封、许昌、漯河及南阳盆地和豫北的新乡等地，面积39355km2，占平原面积的；埋深在8～12m的区域主要分布在豫北及南阳盆地的周边地带，面积为6454km2，占平原区面积的；埋深12～16m的区域分布在豫北的北部、西部及许昌西部，面积4050km2，占平原区面积的；埋深大于16m的区域主要分布在豫北的南乐、清丰、内黄及温县、孟州等地，面积为3033km2，占平原区面积的，河南省区域浅层地下水水位埋深面积变化情况见表4-4。

区域浅层地下水目前已形成两个降落漏斗：一为安阳—濮阳漏斗，面积达8236km2,漏斗中心有两个，一个在南乐、清丰一带，中心水位埋深为20～22m，一个在滑县东部，水位埋深18～20m；另一个漏斗为温县—孟州漏斗，面积为562km2，漏斗中心水位埋深20～22m左右。

表4-4 河南省平原区浅层地下水水位埋深面积变化对比表 单位：km2

根据1991～1999年区域浅层地下水动态监测资料对比，全省平原区地下水水位变化分为上升和下降两种类型。大部分地区地下水水位以下降为主，水位下降区面积为61640km2，占平原区面积的，平均下降速度为0～，最大降幅为；水位上升区主要分布在中部、南部及豫北的新乡等地，上升区面积为17527km2，上升幅度为0～，局部上升幅度达～（表4-5）。

表4-5 1991～1999年河南省平原区浅层地下水变幅情况统计表

二、城市地下水动态特征

城市地下水动态，除受降水、开采、地表水体影响外，城市所处的自然地理、地质环境条件及城市建设影响亦较大，由西部山区到东部平原由于水文地质条件的变化，其地下水动态特征有较明显的差异。我省主要城市可分为西部山地及山间盆地区、中部山前岗地平原区、东部平原区三种分布形态，各城市近年地下水动态变化及降落漏斗情况见表4-6、表4-7。

表4-6 1992～1999年河南省主要城市地下水水位变化情况表

表4-7 1999年河南省主要城市地下水降落漏斗情况表

（1）西部山地及山间盆地区。主要城市有鹤壁、焦作、三门峡、洛阳、平顶山、南阳等。其中鹤壁、焦作主要开采岩溶水，其动态为典型的降水入渗－开采型，丰水期地下水水位上升，枯水期急剧下降，年际间变化较明显，1997年降水量小，焦作市地下水水位平均下降年降水量大，地下水水位平均上升；洛阳、南阳、平顶山浅层地下水动态为降水入渗－开采型，由于地下水补给条件好，水量较丰富，水位变动幅度小，年变幅较小；三门峡地下水埋深较大，动态类型为开采型，地下水水位与三门峡水库联系密切——蓄水期地下水水位随水库水位上升而抬高，泄水期地下水水位随水库水位下降而回落。

（2）中部山前岗地平原区。主要城市有安阳、新乡、郑州、许昌、漯河、驻马店、信阳等，分布于山前岗地与平原的过渡地带，地下水的补给、径流条件较好，地下水相对较丰富。安阳、新乡主要开采浅层地下水，20世纪90年代初期地下水水位下降明显，中期以后地下水水位降幅减小，新乡地下水水位还略有回升；郑州以开采中深层地下水为主，水位变化较复杂，一是中深层水与浅层水水力联系密切，水位升降基本一致，二是中深层水位变化与开采量关系紧密，目前已形成一个复合型漏斗，1998年7月漏斗面积为491km2，中心水位埋深；许昌、漯河、驻马店为浅层、中深层、深层地下水综合开采，浅层地下水动态类型为降水入渗－开采型，中深层、深层地下水为开采型；信阳水资源充沛，地下水开采量很少，埋深小，受气象因素影响明显。

（3）东部平原区。主要城市有开封、濮阳、商丘、周口等，其地下水的补给条件差，含水层富水性相对较弱，特别是深层地下水，侧向径流补给很弱，垂直入渗补给少，开采以消耗弹性储存量为主。浅层地下水动态为降水入渗－开采型，深层地下水为开采型。商丘以开采浅层、深层地下水为主，中深层地下水为微咸水现未开发，浅层、深层地下水均处于长期超采状态，其中浅层地下水水位下降较慢，深层地下水水位下降较快，年均降幅为2～3m；濮阳主要开采浅层地下水，1991年以来浅层地下水水位呈下降趋势，年均降幅为；周口浅层地下水水位受降水、开采及地表水体影响，目前浅层地下水基本为采补平衡，水位变幅在± 之间；开封浅层地下水动态受降水及黄河水侧渗补给影响，水位变动不大，为采补平衡状态，深层地下水动态1996年以前为下降趋势，近几年略有回升。

研究地下水动态有助于解决一系列理论和实际问题。分析地下水动态可以帮助查明补给来源，查明含水层之间或含水层与地表水体之间的联系情况。确定供水井的深度时，需要了解最低水位，以保证干旱季节和干旱年份的水量供应。计算地下水资源，必须具备一定年限的地下水动态观测资料。监测人为活动影响下的地下水动态，可以及早发现不利变化（如咸水入侵淡含水层，地下水污染），不失时机地采取措施。地震前地应力的变化会引起地下水位乃至水质异常变化。因此，观测地下水动态可作为预报地震的一种辅助手段。监测地下水动态，需要布置有代表性的钻孔、水井、泉等，组成控制性地下水动态观测网。