地下水動態

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地下水動態 (Groundwater Regime)

　　地下水動態是指在自然和人為因素條件下，其水位、水量、流量、水溫、化學及氣體成分含量等隨時間改變而發生的變化。該變化主要反映在地下水質與量的變化。

　　研究地下水動態與均衡，對於認識區域水文地質條件，作出水量和水質評價，以及水資源的合理開發與管理，都具有非常重要的意義。由於對地下水動態規律的認識，往往要經過相當長時間的資料積累才能得出結論，任何目的、勘察階段的地下水資源調查，都必須重視並儘量開展地下動態與均衡的研究工作。

　　(1)在天然條件下，地下水的動態是地下水埋藏條件和形成條件的綜合反映。因此，可根據地下水的動態特征分析，認識地下水的埋藏條件，認識水量、水質的形成條件，區分不同類型的含水層。

　　(2)地下水動態是均衡的外部表現，故可利用地下水動態資料計算地下水的某些均衡要素。如根據次降水量、潛水位升幅和潛水含水層給水度計算大氣降水入滲繫數；根據潛水位的升幅或降幅計算地下水的儲存量及潛水的蒸發量等。

　　(3)地下水動態資料是地下水資源評價和預測時必不可少的依據。由於地下水的數量與質量均隨著時間而變化，所以一切水量、水質的計算與評價，都在某一時間段內進行。

　　(4)用任何方法計算的地下水允許開采量，都必須能經受地下水均衡計算的檢驗；任何地下水開采方案，都必須受地下水均衡量的約束。為儘可能地減少開采地下水引起的環境負效應，開采量一般不能超過地下水的補給量，即不應破壞地下水的均衡狀態。

　　(5)由於地下水開發利用引發或可能引發的環境地質問題，如區域地下水位下降、水資源衰竭、水質污染與惡化、海水入侵、土壤鹽漬化、土地沼澤化、地面變形等，均需進行地下水的動態監測，研究地下水的均衡狀態，以便預測環境地質作用的變化及發展趨勢。

　　地下水水位、水質、水溫動態特征，反映出地下水形成的補給、徑流、排泄條件，因此，分析、掌握地下水動態變化特征，能對區域性地下水動態變化規律認識更充分、更具體、更準確，從而對地下水資源作出全面、正確、合理、科學的評價。

　　1.水位動態變化特征

　　地下水動態變化在大氣壓力、含水層彈性壓力、調節能力、開啟程度、邊界條件及各種補給水源等原因影響下，具有明顯地方性和分帶性特征。因氣候分帶，形成地下水動態分帶性，地質構造的地方性，形成地下水動態具有地方性特征。地下水水位動態變化由於各種原因影響不同，可分為水文型、地下徑流型、綜合型、人工型、氣候型水位動態五種類型。① 當水文原因影響較為明顯時，地下水位變化隨河流流量不同而變化，稱為水文型動態。②地下水貯存在較封閉的含水層中，不直接接受大氣降水補償和蒸發消耗，主要由地下徑流補給，地下水動態變化不直接或明顯地反映氣候等變化特點，且具有顯著的滯後特點，稱為地下徑流動態。③地下水承受各種影響因素共同作用，形成較為複雜的綜合特征，稱為綜合水位動態。④人類活動因素影響形成的地下水動態，稱為人工型水位動態。⑤ 當氣候因素對地下水特征影響具有主導作用時，地下水動態變化以垂直運動為主，具有脈動特點，稱為氣候型地下水水位動態。

　　2.地下水水溫動態特征

　　地下水水溫動態變化受諸多因素影響。氣溫的晝夜、年季及多年變化，引起相應地下水溫變化。地殼內部運動或在較大由放射性元素蛻變而引起的固定熱流及人工建造的輸熱管網、地下煤氣化熱源工廠、大量抽取地下水等均會引起地下水溫變化。因此，地下水溫動態變化，既有水平分帶性，又有垂直分帶性，還有晝夜和年內波動變化特征。

　　3.地下水水質動態特征

　　地下水水質動態主要受岩石特性、補給源、排泄條件等因素影響。水質動態具有分帶性和地區性特點，分為如下水質動態型式：乾旱區動態，在排泄能力弱或缺乏地下徑流地區，蒸發必然成為潛水排泄主要途徑，垂直水鹽交替在水質動態過程中占有優勢。較大埋深的潛水水質動態變化緩慢，鹽均衡的收支相對均衡，鹽擴散及水與岩石間陽離子交替反應在鹽動態中占據優勢；寒冷區動態，指由冰雪水補給沖淡地下水，潛水凍結析鹽以及深部承受壓力排泄使鹽分增加，地下徑流大於蒸發的水質動態，其特點為潛水蒸發及降水使鹽淋濾，導致地下水礦化度增加；地區性特征，指地下水質動態受水文和地質因素控制，形成的水質動態變化。

　　影響地下水動態的因素可以分為兩大類：天然因素和人為因素。天然因素中包括氣象、水文、地質、土壤、生物及天文(宇宙)因素。其中天文主要是指來自太陽系的影響，當前還處於假說階段。

　　影響地下水動態的因素雖然有許多，但是實際上有些影響因素居次要地位，通常只起輔助作用。例如土壤、生物因素就是如此。其中土壤僅對潛水動態有影響，主要表現在改變潛水的化學成分上。氣象、水文因素是影響潛水動態形成的主要因素。地質因素的影響是經常的，但一般變化很緩慢，對潛水動態的形成來說。它被看作為一種校正因素。對深層承壓水來說，氣象、水文因素對其動態形成的影響大為減弱。而地質因素作用則最著增強。

　　1.氣象因素

　　氣象(天氣)因素本身變化很迅速，並且在某種程度上具有某種周期性。它能夠引起地下水動態的迅速和多為波狀的變化。

　　一年的周期表現為各種氣象要素隨季節呈有規律的周期變化。這種周期變化極為明顯地反映在潛水淺層地下水的動態形成過程中。雨季來臨，補給增加，於是，潛水位增高，水量增加，有時還可觀察到礦化度減低；旱季到來，補給減少，潛水位急劇下落，流量減少，有時還伴有礦化度上升。由上述可見，地下水動態的季節性變化與多年變化主要是受氣象因素控制。氣象因素包括大氣降水、蒸發、溫度、氣壓等，它對地下水，特別是潛水動態的影響主要是由大氣降水與蒸發兩項氣象要素體現的。潛水含水層由於潛水面接近地表，經常由於蒸發或植物蒸騰作用的影響而發生晝夜波動。通過實際觀測得知，當下水面埋深超過一定數值後，潛水蒸發便可忽略不計。

　　氣溫的變化，特別是零度上下的變化對地下水動態的影響也有直接意義。在氣溫變化的影響下首先使潛水溫也發生變化。潛水溫度增高可減少潛水中溶解氣體的數量，增大蒸發量，從而促使潛水的礦化度增大。另一方面，地下水溫度的增高也能減少其黏滯性，這就加速了自然的或人工的排水水流，減少了錶面張力，毛細管帶的厚度也就減小了。但應指出，由溫度升降促成的潛水水位變化幅度是很有限的。評價氣溫對地下水動態的影響最有意義的是年變化幅度和晝夜變化幅度，郎最熱和最冷月份平均溫度之差及一晝夜巾最熱和最冷小時溫度差。

　　氣壓的變化通常不直接影響潛水的動態。氣壓的變化雖然對潛水面幾乎不產生什麼影響，但對開采承壓水含水層的水井中的水面來說，將產生相當大的影響。一般情況下，氣壓增加，水位降低。

　　2.水文因素

　　地表水與地下水之間有著密切的水力聯繫。通常河水在高水位期補給地下水；在低水位期則由地下水補給。這樣的密切聯繫同樣存在於地下水與湖泊、海、洋的水之間。

　　這種水力聯繫首先表現在地表水位變動以某一速度和強度影響並改變地下水的水位。地表水與地下水的相互補給關係自然也會引起地下水物理性質與化學成分的變化。

　　鄰近地表水體的地下水(主要是潛水)，在其動態形成過程中明顯地反映了地表水的作用。近岸地帶潛水水位是隨地表水位的變化而變化的，並且距離越近，變化幅度越大，同時其落後於地表水位的變化時間也越短，即越接近於地表水位的漲落；而距地表水體越遠者，其變化幅度就越小，落後的時間就越長，最後到一定遠處，地表水的影響即告消失．通常該影響範圍是在數百米至1 km～2km以內，影響帶的寬度決定於近岸地帶的岩性，地表水位與潛水位的水位差，地表水位的變化幅度及洪峰的延續性等一系列因素。

　　水文因素本身直接受氣象因素的影響，表現出多年的和一年的變化周期；但由於每個地表水體的具體形成條件不同，其周期特征亦各不相同，其中對地表水動態影響最大的是其補給來源的性質和匯水條件的特征。例如，雪水和雨水補給的地表水，其動態特征就很不一樣。

　　3.地質因素

　　地質因素包括地貌、岩性、構造等，它對地下水動態形成的影響並不像氣象因素那樣，反映在其周期性上，而只反映在其形成特征方面。例如同一氣象條件下，由於地形、地質條件不同，影響到地下水的補給、徑流、排泄條件，地下水動態可以發生明顯差異，甚至促使其在動態形成的根本方向上有所不同。如眾所周知，地形平緩和含水層的透水性弱會加劇地下水中鹽分的積累過程，並使地下水(主要潛水)的動態發生明顯的季節性變化。相反，地形切割強烈和含水層強透水將使地下水向脫鹽方向發展，並減弱水動態的季節性變化。至於地質構造對地下水動態的影響，從潛水和自流水動態形成的根本差異方面便可得到很好說明。地質因素造成的變化雖很緩慢，但在研究長時期內的地下水動態時 便可察覺出這種變化。例如，造陸運動逐漸改變了水系侵蝕基準面的標高，而引起地下水動態的相應變化。在上升區巾由於侵蝕基準面下降，天然排水條件加強，引起地方性的疏乾，同時由於地下水迴圈加速而導致水的淡化。在下降區情況則恰恰相反，地下水迴圈遲緩，天然排水程度減弱，甚至導致地區沼澤化，同時產生了水的鹽化現象。

　　4.土壤因素

　　土壤的影響因素主要表現為對潛水化學成分的改變。潛水埋藏越淺，這種影響就越顯著。其中最明顯的莫過於土壤鹽漬化與沼澤化地區兩者的相互關係了，這種關係很好地反映在潛水和土壤中鹽分的季節變化與多年變化上。

　　5.生物因素

　　生物因素包括植物蒸騰作用與微生物群的生物化學作用，即生物因素的作用主要表現為兩個方面：

　　(1)植物蒸騰對潛水動態形成的影響。潛水埋藏越淺，這種影響也越明顯。蒸騰的強度不僅因氣候條件而異，也與植物的種類和年齡以及土壤的濕潤程度有關。蒸騰的結果引起埋藏不深的潛水水位、水量和化學成分發生季節的和多年的變化。灌溉地區即廣泛利用這種作用來人工調節潛水動態。

　　(2)細菌對地下水化學成分的改變。這裡所說的細菌包括硝化細菌、硫化細菌、磷化細菌、鐵化細菌、脫硫細菌等，其巾每種細菌的生存發育環境都是一定的(一定的EH值與pH值環境等)。當環境變化時，細菌的作用發生改變，地下水化學成分也相應改變。這種作用在富含有機質的地層(如瀝青質地層、含油地層、煤層等等)中發育最為廣泛和顯著。

　　6.人為因素

　　人為因素根據人類修建的工程建築物對地下水動態影響的性質，人為因素可以分為兩種基本不同類型：一種疏乾類型；另一種是充水類型。

　　人為因素可以改變甚至破壞天然條件下地下水動態周期性變化的趨勢。例如有些灌區，由於多年灌溉，灌水過多，補給了潛水，導致潛水位逐年抬高以至造成土壤鹽漬化。相反，在地下水開采量超過補給量的地區則導致地下水位多年連續下降。

　　人為因素不僅改變了天然條件下地下水動態的多年變化規律，也改變了其季節性變化規律，形成新的季節性變化規律。