地下水均衡

Question

如题所述

Answer 1

将在某一段时间某一地段内地下水水量（盐量、能量、热能）的收支状况称为地下水均衡。地下水系统通过地下水要素的变化来传递它与外部环境之间物质和能量交换量的信息，是系统内一种量之间的均衡反映。地下水系统与外界进行物质和能量的交换过程遵循质量守恒和能量守恒定律。地下水均衡就是用质量守恒定律，研究某一地区某一时段内，地下水水量（盐量、热量）的收支平衡的数量关系。进行均衡计算所选定的地区称为均衡区。通常是选择一个完整的地下水系统或具有明确边界的子系统作为均衡区。进行均衡计算的时段称为均衡期，可以是一个月、一年，甚至是数年。地下水系统储存量变化反映收支平衡状况，收入大于支出，储存量增加，称为正均衡；反之，储存量减小，则称作负均衡。

地下水均衡的目的，是通过均衡计算评价地下水系统补给量（收入项）与排泄量（支出项）之间的平衡状况，定量评价或估算地下水资源量，为合理开发地下水资源提供依据。

地下水系统始终与外界进行水量和水质的交换，收支状况是一个动态过程，水均衡状态取决于补给量（大气降水、地表水渗漏）的变化。因此，选择均衡期时要考虑到降水的年内或年际变化，通常以年作为均衡期，进行不同保证率年降水量或地表水年径流量条件下的均衡计算，来评价补给量的保证程度，便于制定利用地下水的长期策略。

进行水均衡计算必须充分分析均衡的收入项和支出项，列出均衡方程式，通过水文地质勘察、水文地质试验和收集气象、水文系列资料，确定水均衡方程中各项。水均衡计算精度取决于各均衡项的精度。水均衡计算是水资源评价的基础，是一个必不可少的环节。

水均衡方程介绍如下。

一个地区天然状态下总的水均衡由收入项和支出项组成，收入项（A）一般包括大气降水（P）、地表水流入量（R₁）、地下水流入量（G₁）、水汽凝结量（Z₁）；支出项（B）包括地表水流出量（R₂）、地下水流出量（G₂），蒸发蒸腾量（Z₂）。均衡期水的储存量变化为Δω。水均衡方程为：

生态水文地质学

水的储存量变化Δω中包括：地表水变化量（V），包气带水量变化（θ），潜水变化量（μΔh）和承压水变化量（μ_eΔh_e）；其中，μ为潜水含水层的给水度，Δh为均衡期潜水位变化值（上升为正，下降为负），μ_e为承压含水层的弹性给水度，Δh_e为均衡期承压水位变化值。水均衡方程可写为：

生态水文地质学

潜水水均衡方程，收入项包括：降水入渗补给量（P_s），地表水入渗补给量（R_S），凝结水补给量（Z_C），上游断面潜水流入水量（G_R），下伏承压水越流补给量（Q_y）（如潜水向承压水越流排泄，则列入支出项）；支出项有：潜水的蒸发、蒸腾量（Z_U，包括裸地和叶面蒸发），潜水以泉和泄流形式的排泄量（Q_D），下游断面潜水流出量（G_R）。均衡期内潜水储存量变化μΔh。水均衡方程为：

生态水文地质学

人类活动也会影响地下水的收支平衡，收入项包括：渠道渗漏（R_U，属于地表水渗漏补给），灌溉回渗（Q_G），人工回灌（Q_H）；支出项包括：开采地下水（Q_K）。可根据均衡区具体情况，在水均衡方程中加进相应的收支项，来定量评价人类活动对地下水动态和水均衡状态的影响。

例如，天津市地下水开采量主要来自孔隙承压含水系统，目前已形成面积为1×10⁴ km² 的水位降落漏斗，水均衡的收入项为来自降落漏斗周边的侧向径流量（G_Z）、来自高水头含水层的越流补给量（Q_y1）和粘性土的压密释水量（Q_N），而支出项仅是承压水的开采量（Q_K）。均衡方程可写为：

生态水文地质学

天津承压含水系统水均衡计算结果见表6-1（王家兵等，2004）。从表中可知，开采水量中粘性土释水量和越流量占的份额较大，分别为41.3%和38.2%，侧向径流量仅占14.9%。粘性土的压密释水量是以不可恢复的地面沉降为代价所换取的部分开采水量，这部分水量在水均衡计算中必须加以考虑（王大纯等，1982；曹文炳，1983）。

表6-1 天津1991～2000年深层地下水开采水量均衡计算结果（单位：10⁴ m³/a）

对规模较大的含水系统进行水均衡计算时，应注意避免上、下游之间，地表水和地下水之间水量的重复计算。例如，西北干旱地区的内陆盆地水均衡项为：收入项，为来自周围山区的地表径流量（R₁），盆地内的大气降水（P），盆地周边地下水侧向流入量（G₁）、水汽凝结量（Z_C）；支出项，为蒸发蒸腾量（Z₁）。均衡期水的储存量变化为Δω。全盆地水均衡方程为：

生态水文地质学

虽然全盆地的水均衡状态较为简单，但就盆地内某一大型常年性河流形成的山前倾斜平原和冲湖积平原而言，地表水与地下水的转换及上下、游之间关系就稍显复杂。河流出山口后，在洪积扇中上部，下渗补给地下水，经历一段时间地下渗流后，于洪积扇前缘泄出，转换为地表水，汇入河流中或湖泊中。若将河水渗漏补给地下水的水量作为地下水资源量之一，来计算总水量（地表水和地下水），则有可能出现重复计算。内陆干旱盆地降水稀少，大部分水资源来自周围山区的地表径流，从图6-6中可看出，山前倾斜平原水量转换积极，收入项有河床渗漏量（R_S）、引水渠渗漏量（R_U）、盆地边缘侧向径流量（G₁）、降水入渗量（P）和凝结水量（Z_C），支出项有蒸发蒸腾量（Z₁）、开采量（Q_K）、泉水泄出量（Q_D）和断面侧向流出量（G₂）；而位于下游的冲湖积平原承压含水系统获得的补给量却很少，仅有来自上游断面的侧向流入量（G₂），通过向上越流排泄，最终消耗于蒸发；若位于上游地区的山前倾斜平原，过度地开采地下水和引河水灌溉，增加种植面积，将会增大蒸发蒸腾量，使泉水泄出量减少，导致河水向下游的输水量减少，结果影响到下游地区的生态安全和经济发展。只要理清含水系统上下游之间各个均衡项及其与地表水之间的转换关系，就能有效地避免重复计算。

图6-6 内陆盆地山前倾斜平原水资源转换框架图