地下水動(dòng)態(tài)與均衡

1、第六章 地下水動(dòng)態(tài)與均衡的研究1§1 地下水動(dòng)態(tài)和均衡的概念1§2 研究地下水動(dòng)態(tài)與均衡的意義2§3 地下水動(dòng)態(tài)和均衡研究的基本任務(wù)2§4 地下水動(dòng)態(tài)與均衡的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目3§5 地下水動(dòng)態(tài)的成因類型及主要特征5§6 地下水均衡要素的測(cè)定方法7思考題15第六章 地下水動(dòng)態(tài)與均衡的研究§1 地下水動(dòng)態(tài)和均衡的概念地下水資源和其它礦產(chǎn)資源的最主要區(qū)別是，其量和質(zhì)總是隨著時(shí)間而不停地變化著。所謂地下水動(dòng)態(tài)即是指表征地下水?dāng)?shù)量與質(zhì)量的各種要素（如水位、泉流量、開(kāi)采量、溶質(zhì)成分與含量、溫度及其它物理特征等）隨時(shí)間而變化的規(guī)律。其變化規(guī)律可以

2、是周期性的變化，也可以是趨勢(shì)性的變化。變化的周期可以是晝夜的（如月球引力導(dǎo)致的固體潮），也可以是季節(jié)性的或者是多年的。其變化的速率，在天然狀態(tài)下一般具較明顯的周期性，或具極為緩慢的趨勢(shì)性。在人為因素（開(kāi)采或排除）的影響下，其變化率可大大加強(qiáng)。這種迅速的變化，可能對(duì)地下水本身和環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的后果。地下水的質(zhì)與量之所以變化，主要是由于水量和溶質(zhì)成分在補(bǔ)充和消耗上的不平衡所造成的。所謂地下水均衡，就是指這種在一定范圍、一定時(shí)間內(nèi)，地下水水量、溶質(zhì)含量及熱量等的補(bǔ)充（流入）與消耗（流出）量之間的數(shù)量關(guān)系。當(dāng)補(bǔ)充與消耗量相等時(shí)，地下水（量與質(zhì)）處于均衡狀態(tài)；當(dāng)補(bǔ)充量小于消耗量時(shí)，地下水處于負(fù)均衡狀態(tài)；當(dāng)

3、補(bǔ)充量大于消耗量時(shí)，地下水處于正均衡狀態(tài)。地下水在天然條件下，一般多處于均衡狀態(tài)；在人為活動(dòng)影響下，則可能出現(xiàn)負(fù)均衡或正均衡狀態(tài)。從上述概念可知，地下水動(dòng)態(tài)與均衡之間存在著互為因果的緊密聯(lián)系。地下水均衡是導(dǎo)致動(dòng)態(tài)變化的實(shí)質(zhì)，即導(dǎo)致動(dòng)態(tài)變化的原因；而地下水動(dòng)態(tài)則是地下水均衡的外部表現(xiàn)，即動(dòng)態(tài)變化的方向與幅度是由均衡的性質(zhì)和數(shù)量所決定的。§2 研究地下水動(dòng)態(tài)與均衡的意義研究地下水動(dòng)態(tài)與均衡，對(duì)于認(rèn)識(shí)區(qū)域水文地質(zhì)條件、水量和水質(zhì)評(píng)價(jià)，以及水資源的合理開(kāi)發(fā)與管理，都具有非常重要的意義。任何目的、任何勘查階段的水文地質(zhì)調(diào)查，都必須重視地下水動(dòng)態(tài)與均衡的研究工作。由于對(duì)地下水動(dòng)態(tài)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，往往

4、要經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的資料積累才能得出結(jié)論，因此在水文地質(zhì)調(diào)查時(shí)，應(yīng)盡早開(kāi)展地下水動(dòng)態(tài)與均衡研究。其研究意義具體表現(xiàn)在：（1）在天然條件下，地下水的動(dòng)態(tài)是地下水埋藏條件和形成條件的綜合反映。因此，可根據(jù)地下水的動(dòng)態(tài)特征分析、認(rèn)識(shí)地下水的埋藏條件、水量、水質(zhì)形成條件和區(qū)分不同類型的含水層。（2）地下水動(dòng)態(tài)是均衡的外部表現(xiàn)，故可利用地下水動(dòng)態(tài)資料去計(jì)算地下水的某些均衡要素。如根據(jù)次降水量、潛水位升幅和潛水含水層給水度計(jì)算大氣降水的入滲系數(shù)；根據(jù)潛水位的升幅或降幅計(jì)算地下水的儲(chǔ)存量及潛水的蒸發(fā)量等。（3）由于地下水的數(shù)量與質(zhì)量均隨著時(shí)間而變化，因此一切水量、水質(zhì)的計(jì)算與評(píng)價(jià)，都必須有時(shí)間的概念。如對(duì)同一

5、含水層來(lái)說(shuō)，在雨季、旱季、豐水年、枯水年，其水資源數(shù)量與水質(zhì)都可能大不一樣。因此，地下水動(dòng)態(tài)資料是地下水資源評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)時(shí)必不可少的依據(jù)。（4）用任何方法計(jì)算的地下水允許開(kāi)采量，都必須能經(jīng)受地下水均衡計(jì)算的檢驗(yàn)；任何地下水開(kāi)采方案，都必須受地下水均衡量的約束。為盡可能地減少開(kāi)采地下水引起的負(fù)作用，開(kāi)采量一般不能超過(guò)地下水的補(bǔ)給量，即不應(yīng)破壞地下水的均衡狀態(tài)。（5）研究地下水的均衡狀態(tài)，可預(yù)測(cè)地下水水量、水質(zhì)及與地下水有關(guān)的環(huán)境地質(zhì)作用的變化及總體發(fā)展趨勢(shì)。因此，在各種目的的水文地質(zhì)勘探中，都規(guī)定進(jìn)行一定時(shí)期的地下水長(zhǎng)期觀測(cè)，以便進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)與均衡的研究?？碧诫A段愈詳細(xì)，長(zhǎng)期觀測(cè)工作量愈大，要求

6、的精確度愈高。§3 地下水動(dòng)態(tài)和均衡研究的基本任務(wù)一、研究地下水動(dòng)態(tài)的基本任務(wù)（1）正確布設(shè)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)，對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的頻率、監(jiān)測(cè)次數(shù)及監(jiān)測(cè)時(shí)間作出科學(xué)的規(guī)定。地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置形式和位置，主要決定于水文地質(zhì)調(diào)查的主要任務(wù)。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果要滿足水文地質(zhì)條件的論證，地下水水量、水質(zhì)評(píng)價(jià)及水資源科學(xué)管理方案制定等方面的要求。對(duì)干不同的勘查階段，對(duì)以上要求各有側(cè)重。為闡明區(qū)域水文地質(zhì)條件服務(wù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，其主要任務(wù)在于查明區(qū)域內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)的成因類型和動(dòng)態(tài)特征的變化規(guī)律。因此，監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般應(yīng)布置成監(jiān)測(cè)線形式。主要的監(jiān)測(cè)線應(yīng)穿過(guò)地下水不同動(dòng)態(tài)成因類型的地段，沿著區(qū)域水文地質(zhì)條件變化最大的

7、方向布置。對(duì)不同成因類型的動(dòng)態(tài)區(qū)，不同含水層，地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄區(qū)，均應(yīng)有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)控制。為地下水水量、水質(zhì)計(jì)算與資源管理服務(wù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，其主要任務(wù)是：為建立數(shù)學(xué)模型、水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)及選擇參數(shù)提供資料。鑒于地下水?dāng)?shù)值模型在地下水水量、水質(zhì)評(píng)價(jià)與管理工作中的廣泛應(yīng)用，要求將相應(yīng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置成網(wǎng)狀形式，以求能控制區(qū)內(nèi)地下水流場(chǎng)及水質(zhì)變化。對(duì)流場(chǎng)中的地下分水嶺、匯水槽谷、開(kāi)采水位降落漏斗中心、計(jì)算區(qū)的邊界、不同水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)及有害的環(huán)境地質(zhì)作用已發(fā)生和可能發(fā)生的地段，均應(yīng)有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)控制。地下水動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，除井、孔外，還應(yīng)充分利用區(qū)內(nèi)已有的地下水天然及人工水點(diǎn)。對(duì)有關(guān)的地表水體、

8、各種污染源，以及有害的環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，亦應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？茖W(xué)規(guī)定地下水動(dòng)態(tài)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)頻率、監(jiān)測(cè)次數(shù)和時(shí)間，對(duì)于獲得真實(shí)、完整的動(dòng)態(tài)資料十分重要。對(duì)于不同的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，監(jiān)測(cè)的頻率、次數(shù)和時(shí)間的具體要求雖有不同，但其總的原則是一致的，即要求按規(guī)定的監(jiān)測(cè)頻率、次數(shù)和時(shí)間所獲得的地下水動(dòng)態(tài)資料，應(yīng)能最逼真地反映出年內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。以上問(wèn)題的具體要求，可參閱有關(guān)水文地質(zhì)勘查和地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)規(guī)范。需強(qiáng)調(diào)的是，為了能從動(dòng)態(tài)變化規(guī)律中分析出不同動(dòng)態(tài)要素（監(jiān)測(cè)項(xiàng)目）間的相互聯(lián)系，對(duì)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)時(shí)間，在一年中至少要有幾次是統(tǒng)一的。（2）根據(jù)所獲得的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，分析地下水動(dòng)態(tài)的年內(nèi)及年際間的變化規(guī)律。動(dòng)態(tài)

9、變化規(guī)律，主要是指某種動(dòng)態(tài)要素隨時(shí)間的變化過(guò)程、變化形態(tài)及變幅大小等的水文地質(zhì)意義，變化的周期性與趨勢(shì)性，并通過(guò)不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目動(dòng)態(tài)特征的對(duì)比，確定它們之間的相關(guān)關(guān)系。（3）根據(jù)所獲得的各種動(dòng)態(tài)資料，考慮各種影響因素（水文、氣象、開(kāi)采或人工補(bǔ)給地下水等）的作用，確定區(qū)內(nèi)地下水的成因類型。為認(rèn)識(shí)區(qū)域地下水的埋藏條件，水質(zhì)、水量的形成條件及有害環(huán)境地質(zhì)作用的產(chǎn)生和發(fā)展原因等，提供動(dòng)態(tài)上的佐證。二、地下水均衡研究的基本任務(wù)（1）為進(jìn)行均衡研究，首先要確定均衡區(qū)的范圍及邊界的位置與性質(zhì)。當(dāng)區(qū)域較大，各地段的地下水均衡要素組成又不相同時(shí)，應(yīng)劃分均衡亞區(qū)。為便于均衡計(jì)算，每個(gè)均衡區(qū)（或亞區(qū)）最好是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立

10、的水文地質(zhì)單元。均衡區(qū)的邊界最好是性質(zhì)比較明確、位置比較清楚的某一自然邊界（或地質(zhì)界線）。（2）確定均衡區(qū)內(nèi)地下水均衡要素的組成及地下水水量或水質(zhì)均衡方程的基本形式。在建立方程時(shí)，應(yīng)考慮到，同一均衡區(qū)在不同的時(shí)段，其均衡要素的組成可能是不同的。因此，在均衡計(jì)算之前，還應(yīng)劃分出均衡計(jì)算的時(shí)段，即確定出均衡期。（3）通過(guò)直接（野外實(shí)測(cè)或室內(nèi)測(cè)定）或間接（參數(shù)計(jì)算）方法，確定出地下水各項(xiàng)均衡要素值，為地下水水量、水質(zhì)的計(jì)算與預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。（4）通過(guò)區(qū)域水均衡計(jì)算，確定出區(qū)內(nèi)地下水的均衡狀態(tài)，預(yù)測(cè)某些水文地質(zhì)條件的變化方向，為制定合理的地下水開(kāi)發(fā)方案及科學(xué)管理措施提供基本依據(jù)。§4 地下

11、水動(dòng)態(tài)與均衡的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)大多數(shù)水文地質(zhì)勘查任務(wù)來(lái)講，地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的基本項(xiàng)目都應(yīng)包括地下水水位、水溫、水化學(xué)成分和井、泉流量等。對(duì)與地下水有水力聯(lián)系的地表水水位與流量，以及礦山井巷和其它地下工程的出水點(diǎn)、排水量及水位標(biāo)高也應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。水質(zhì)的監(jiān)測(cè)，一般是以水質(zhì)簡(jiǎn)分析項(xiàng)目作為基本監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，再加上某些選擇性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。選擇性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是指那些在本地區(qū)地下水中已經(jīng)出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的特殊成分及污染物質(zhì)，或被選定為水質(zhì)模型模擬因子的化學(xué)指標(biāo)。為掌握區(qū)內(nèi)水文地球化學(xué)條件的基本趨勢(shì)，可在每年或隔年對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)進(jìn)行一次全分析。地下水動(dòng)態(tài)資料，常常隨著觀測(cè)資料系列的延長(zhǎng)而具有更大的使用價(jià)值，故監(jiān)

12、測(cè)點(diǎn)位置確定后，一般都不要輕易變動(dòng)。二、地下水的均衡項(xiàng)目（或均衡要素）地下水的均衡包括水量均衡、水質(zhì)均衡和熱量均衡等不同性質(zhì)的均衡。不同性質(zhì)均衡方程的均衡項(xiàng)目（均衡要素），也就必然有所區(qū)別。在多數(shù)情況下，人們首先關(guān)注的還是水量問(wèn)題，而水量均衡又是其它兩種均衡的基礎(chǔ)。因此，下面著重討論水量均衡的組成項(xiàng)目。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在任何地區(qū)，在任一時(shí)間段內(nèi)，地下水系統(tǒng)中地下水（或溶質(zhì)或熱）的流入量A（或補(bǔ)充量）與流出量B（或消耗量）之差，恒等于該系統(tǒng)中水（溶質(zhì)或熱）儲(chǔ)存量的變化量W。據(jù)此，我們可直接寫(xiě)出均衡區(qū)在某均衡期內(nèi)的各類水量均衡方程?？偹烤夥匠痰囊话阈问綖椋哼M(jìn)一步寫(xiě)為（單位面積）：式中：h潛水

13、儲(chǔ)存量的變化量，其中，為潛水位變動(dòng)帶內(nèi)巖石的給水度或飽和差，h為均衡期內(nèi)潛水位的變化值；V，P分別為地表水體和包氣帶水儲(chǔ)存量的變化量；X降水量；Y1，Y2地表水的流入和流出量；Z1，Z2凝結(jié)水量和蒸發(fā)量（包括地表水面、陸面和潛水的蒸發(fā)量）；W1，W2地下徑流的流入和流出量；R1，R2人工引入和排出的水量。潛水水量均衡方程的一般形式為：式中：X f 降水入滲量；Z1，Z2潛水的凝結(jié)補(bǔ)給量及蒸發(fā)量；Ws泉的流量；Yf地表水對(duì)潛水的補(bǔ)給量；R1，R2人工注入量和排出量；其余符號(hào)同前式。承壓水的水量均衡方程，比潛水為簡(jiǎn)，常見(jiàn)形式為：式中：*承壓含水層的彈性給水度（貯水系數(shù)）；E1越流補(bǔ)給量；R2k承壓

14、水的開(kāi)采量；其余符號(hào)同前式。對(duì)于不同條件的均衡區(qū)及同一均衡區(qū)的不同時(shí)間段，均衡方程的組成項(xiàng)可能增加或減少。如：當(dāng)?shù)叵滤宦裆詈艽髸r(shí)，Z1和Z2常常忽略不計(jì)。分析上述各水量均衡方程，可清楚地看到，一切水量均衡方程均由三部分組成，即均衡期內(nèi)水量的變化量(W)、地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給量(或流入量A)和消耗量(或流出量B)。在補(bǔ)給量中，最重要的是降水入滲量（X f）、地表水入滲量（Yf）、地下徑流的流入量（W1）；在某些情況下，越流補(bǔ)給量(E1)和人工注入量（R1）也有較大意義；在消耗量中，最重要的是潛水的蒸發(fā)量（Z1）、地下徑流的流出量（W2）、地下水的人工排泄量（R2和R2k）；有時(shí)，泉水的溢出量（Ws

15、）和越流流出量（E2）也很有意義。§5 地下水動(dòng)態(tài)的成因類型及主要特征地下水動(dòng)態(tài)成因類型的劃分，主要是根據(jù)地下水的水位動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線的特點(diǎn)，以及對(duì)地下水動(dòng)態(tài)影響最大的自然和人為因素對(duì)地下水動(dòng)態(tài)成因類型進(jìn)行劃分。綜合國(guó)內(nèi)、外一些地下水動(dòng)態(tài)成因類型分類方案，本書(shū)將地下水動(dòng)態(tài)成因類型歸納為8種基本類型（見(jiàn)表61），而由基本類型又可組成多種混合成因類型。§6 地下水均衡要素的測(cè)定方法一、潛水儲(chǔ)存量變化量(h)的測(cè)定方法潛水儲(chǔ)存量變化量由潛水位變化值h和水位變動(dòng)帶巖層的給水度（或飽和差）組成。h能通過(guò)水位觀測(cè)孔實(shí)測(cè)獲得。因此，確定潛水儲(chǔ)存量變化量的關(guān)鍵在于值的測(cè)定。當(dāng)潛水水位上升或下降

16、時(shí)，值具有不同的物理意義。下降時(shí)，表征水位變動(dòng)帶地層的給水度；上升時(shí)則表征飽和不足量（或飽和差）。但當(dāng)潛水面未上升到近地表的濕度變動(dòng)帶時(shí)，值仍可視為給水度。確定給水度的常用方法有：（1）室內(nèi)參數(shù)測(cè)定法按要求深度定期采取水位變動(dòng)帶內(nèi)的巖土樣，在室內(nèi)測(cè)定飽和容水度（飽和含水量）、持水度、天然濕度（天然含水量），即可得出不同時(shí)段的值。此法取樣繁瑣，且難保證土樣的天然結(jié)構(gòu)不被破壞，而粘性土又難測(cè)出其持水度，故已很少使用。（2）根據(jù)抽水前后包氣帶上層天然濕度的變化來(lái)確定值據(jù)包氣帶中非飽和水流的運(yùn)移和分帶規(guī)律知，抽水前包氣帶內(nèi)土層的天然濕度分布應(yīng)如圖61中的oacd線所示。抽水后，潛水面由A下降到B（下降

17、水頭高度為己h），故毛細(xì)水帶將下移，由aa段下移至bb段，此時(shí)的土層天然濕度分布線則變?yōu)閳D中的oabd。對(duì)比抽水前后的兩條濕度分布線可知，由于抽水水位下降，水位變動(dòng)帶將會(huì)給出一定量的水。按水均衡原理，抽水前后包氣帶內(nèi)濕度（含水量）之差（陰影面積），應(yīng)等于潛水位下降h時(shí)包氣帶（主要是水位下降帶）所給出之水量（h），即： 故給水度： 式中：Zi包氣帶濕度測(cè)定分段長(zhǎng)度(空間步長(zhǎng))；h抽水產(chǎn)生的潛水面下移深度（水位降深）；W1i，W2i抽水前后Zi段內(nèi)的土層天然濕度（含水量）；n取樣數(shù)。szw土層的天然濕度，可采取原狀土樣在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，或利用中子水分計(jì)（中子儀）在鉆孔中直接測(cè)定土層的含水量。（3）根據(jù)

18、潛水水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料用有限差分法確定值（卡明斯基有限差分法）如果潛水為單向流動(dòng)（一維流），隔水層水平，含水層均質(zhì)，可沿流向布置3個(gè)地下水水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)孔（圖62），然后根據(jù)水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，按下式計(jì)算值：式中：h1,t，h2,t，h3,t1，2，3號(hào)觀測(cè)孔t時(shí)刻水位或含水層厚度；h2t時(shí)段內(nèi)2號(hào)孔水位變幅；垂向流入和流出量之和稱綜合補(bǔ)給強(qiáng)度；K滲透系數(shù)；x觀測(cè)孔間距（空間步長(zhǎng)）；t時(shí)間步長(zhǎng)。如地下水流入和流出量以裘布衣公式表示，整理上圖陰影部分水均衡式，也可得上式。如潛水為二維流，觀測(cè)孔作方形網(wǎng)格布置（圖63）時(shí)，仍可按上述方法得出下列計(jì)算式：式中各符號(hào)意義同前式。在上式的參數(shù)中，值常未知，但可

19、選擇近乎常數(shù)的兩個(gè)時(shí)段（2個(gè)t），寫(xiě)出兩個(gè)計(jì)算式，解出和值。此法優(yōu)點(diǎn)在于，能確定較大范圍內(nèi)的值，可用于基巖和地下水深埋區(qū)，對(duì)不同邊界適應(yīng)性較強(qiáng)。由于未知，常取0。但此時(shí)平原區(qū)的h較小，計(jì)算的相對(duì)誤差大。二、降水入滲補(bǔ)給量（Xf）及蒸發(fā)量（Z2）的確定1地中滲透儀（或蒸滲儀lysimeter）測(cè)定法1土柱這是較老但又是唯一可直接測(cè)到降水入滲補(bǔ)給量和潛水蒸發(fā)量的方法。此方法儀器的結(jié)構(gòu)裝置如圖64所示。整個(gè)裝置由左方的地中滲透計(jì)、右方的給水觀測(cè)裝置構(gòu)成。地中滲透計(jì)的圓筒內(nèi)裝有均衡地段的標(biāo)準(zhǔn)土柱，土柱下方為砂礫和濾網(wǎng)組成的外濾層（圖6一4中的2，3）。給水觀測(cè)部分由供水（盛水）用的有刻度的馬利奧特瓶（

20、圖中10）和控制地中滲透計(jì)筒內(nèi)水位高度的盛水漏斗（11）及量簡(jiǎn)（l4）組成。兩部分以導(dǎo)水管連結(jié)，將兩端構(gòu)成統(tǒng)一的連通管。其工作原理如下：首先調(diào)整盛水漏斗的高度，使漏斗中的水面與滲透計(jì)中的設(shè)計(jì)地下水面（相當(dāng)潛水埋深）保持在同一高度上。當(dāng)滲透計(jì)中的土柱接受降水入滲和凝結(jié)水補(bǔ)給時(shí)，其補(bǔ)給水量將會(huì)通過(guò)連通管（4）和水管（13）流入量筒（14）內(nèi)，可直接讀出補(bǔ)給水量；當(dāng)土柱內(nèi)的水面產(chǎn)生蒸發(fā)時(shí)，便可由漏斗供給水量，再?gòu)鸟R利奧特瓶讀出供水水量（此即潛水蒸發(fā)消耗量）。在測(cè)定凝結(jié)補(bǔ)給量時(shí)，應(yīng)在該滲透計(jì)上方加棚，以隔離降水。此法裝置可用多個(gè)不同巖性和不同水位埋深的土柱，分別觀測(cè)其降水補(bǔ)給和蒸發(fā)值。本方法缺陷是，很

21、難如實(shí)模擬天然的入滲補(bǔ)給條件，故其結(jié)果的可靠性有時(shí)值得商榷，而且此法只適用于松散巖層。2通量法包氣帶土壤水分運(yùn)動(dòng)所遵循的基本規(guī)律是非飽和水流運(yùn)動(dòng)的達(dá)西定律（Darcys law或Richards equation）和質(zhì)量守恒原理（conservation of mass），在實(shí)際應(yīng)用中，可以直接應(yīng)用達(dá)西定律和質(zhì)量守恒原理分析或解決水量均衡問(wèn)題。下面介紹具有重要應(yīng)用價(jià)值的土壤水分通量法來(lái)求降水入滲補(bǔ)給量及蒸發(fā)量。要研究降雨或灌溉對(duì)土壤及潛水的入滲補(bǔ)給，大氣蒸發(fā)作用下土壤及潛水的消耗，從而分析四水（大氣水、地表水、土壤水和地下水）的轉(zhuǎn)化關(guān)系等，在田間監(jiān)測(cè)土壤水分的分布和運(yùn)動(dòng)是十分必要的。田間土壤水

22、分運(yùn)動(dòng)，可近似視為一維垂向的流動(dòng)。于是，連續(xù)方程可簡(jiǎn)化為上式由z*至z積分，得式中，q（z*）和q（z）分別表示高度為z*和z處的土壤水分運(yùn)動(dòng)通量（單位時(shí)間，通過(guò)單位面積的量：cm3/cm2·s）。當(dāng)時(shí)間由t1改變到t2時(shí)，以Q（z*）和Q（z）分別表示在此時(shí)段內(nèi)通過(guò)z*和z處單位土壤斷面面積上的水量(cm3/cm2)，由上式積分或直接由質(zhì)量守恒原理寫(xiě)出無(wú)源匯情況下的水量平衡方程為土壤含水率的分布（z，t）在田間可用中子測(cè)水儀（或其他方法）監(jiān)測(cè)。若測(cè)得某一斷面z*處的土壤水分運(yùn)動(dòng)通量q（z*）或單位面積上的水量Q（z*）（通量已知的斷面），土壤中任一斷面z處的通量q（z）及單位面積上

23、的水量Q（z）(Q（z）= q（z）·t)（通量未知的斷面）便可由上式計(jì)算出。確定某一斷面z*處的通量，主要應(yīng)用達(dá)西定律，其方法有零通量面法、表面通量法和定位通量法，統(tǒng)稱為土壤水分運(yùn)動(dòng)通量法。（1）零通量面法土壤水的重力勢(shì)g由垂直坐標(biāo)z決定，若用負(fù)壓計(jì)測(cè)得土壤剖面各點(diǎn)的基質(zhì)勢(shì)m，則可得到總水勢(shì)mz的分布，如圖210土壤中任一點(diǎn)的土壤水分通量由達(dá)西定律給出。當(dāng)水勢(shì)梯度時(shí)，該處的通量，則稱該處的水平面為零通量面ZFP（zero flux plane），位置記為z0。土壤剖面中出現(xiàn)零通量面時(shí)，可根據(jù)水勢(shì)的分布特點(diǎn)，區(qū)分為以下幾種類型：a單一聚合型零通量面。若在降雨（或灌溉）前，土壤長(zhǎng)期處于

24、蒸發(fā)狀態(tài)，上層土壤的水分只由潛水補(bǔ)給，水分自下而上在土壤中運(yùn)移，水勢(shì)自潛水面向上是逐漸減小的。在連續(xù)降雨過(guò)程中，由于水分不斷入滲，上部土壤的水勢(shì)將隨之增加。如果水分的入滲尚未對(duì)下部的土壤產(chǎn)生明顯的影響，此時(shí)水勢(shì)的分布則如圖210中（a）所示。在此情況下，土壤中某處水勢(shì)出現(xiàn)最小值。該處，即為零通量面ZFP，也可視其為入滲前鋒面。由于這種情況下土壤水分由上下兩側(cè)向零通量面處遷移，故稱為聚合型。b單一發(fā)散型零通量面。當(dāng)降雨停止且入滲鋒面已下移到潛水面以后，上部土壤開(kāi)始蒸發(fā)，水分自下面上遷移。與此同時(shí)，下部土壤水分繼續(xù)處于向下入慘狀態(tài)。這時(shí)，水勢(shì)的分布如圖210中（b）所示。在此情況下，土壤中某處水勢(shì)

25、達(dá)最大值，該處，即為零通量面ZFP。由于這種情況下土壤水分自零通量面處分別向上、向下運(yùn)動(dòng)，故稱為發(fā)散型。c具有多個(gè)零通量面。如圖210中（c）所示.，這發(fā)生在間隔降雨、入滲和蒸發(fā)交替出現(xiàn)的情況下，具有多個(gè)零通量面。 零通量面的位置不變時(shí)：i地表處蒸發(fā)量：當(dāng)零通量面存在時(shí)，該斷面即為通量已知的斷面z*。若由t1至t2這一時(shí)段內(nèi)（t），零通量面的位置不變，測(cè)得t1和t2時(shí)刻的土壤含水率（z，t1）和（z，t2），如圖211。利用式（267）可計(jì)算出t時(shí)段內(nèi)任一斷面處單位面積上所流過(guò)的土壤水的水量Q（z）。若以Qs表示地表處相應(yīng)的水量，其值可由下式計(jì)算：式中z0和H如圖所示。在數(shù)值上Qs為圖中abc

26、d的面積（陰影面積）。當(dāng)土壤含水率減小時(shí)，Qs0，表明通量向上，土壤水分蒸發(fā)，蒸發(fā)量Qs；反之，Qs0，表明通量向下，水分向下層土壤入滲。ii潛水面處入滲補(bǔ)給量：利用式（267）同樣可計(jì)算t時(shí)段內(nèi)潛水面處單位面積上所流過(guò)的水量（入滲補(bǔ)給量）Qg ：在數(shù)值上Qg為圖中ade的面積（空白面積）。當(dāng)土壤含水率減小時(shí)，Qg0，表明潛水面處通量向下，即潛水接受補(bǔ)給，補(bǔ)給量Qg；反之，Qs0，表明通量向上，意味著蒸發(fā)時(shí)潛水有消耗。 零通量面的位置變化時(shí)：零通量面實(shí)際上隨時(shí)間的變化是移動(dòng)的，只有在時(shí)間段t較小時(shí)位置不變才近似成立。當(dāng)時(shí)間段t較大時(shí)，應(yīng)考慮其位置的變化，如圖2.12所示，在時(shí)間t1和t2時(shí)，零

27、通量面：ZFP1和ZFP2的位置分別為z01和z02。此時(shí)，由零通量面處通量為零這一條件和水量平衡的原理，可寫(xiě)出t1至t2時(shí)段內(nèi)地表和潛水面處的土壤水分流量Qs和Qg的表達(dá)式：i地表處蒸發(fā)量：ii潛水面處入滲補(bǔ)給量：其中，t（z0）表示零通量面的位置為z0的時(shí)間。在數(shù)值上，Qs為圖中aabcd的面積（陰影面積），Qg為圖中adde的面積（空白面積）。（2）表面通量法表面通量法是以地表處的入滲量（Qs0）或蒸發(fā)量（Qs0）作為已知條件。入滲量可實(shí)測(cè)或用經(jīng)驗(yàn)公式估算。地表的蒸發(fā)量一般利用氣象資料由Penman公式或其他經(jīng)驗(yàn)公式估算。在t1至t2時(shí)段內(nèi)，當(dāng)?shù)乇硖巻挝幻娣e上的入滲量或蒸發(fā)量Qs已知時(shí)，

28、由式（267）則知土壤任一斷面 z處單位面積上流過(guò)的水量Q（z）為：式中，H為地表處的垂直坐標(biāo)，即至潛水面的距離。當(dāng)z0時(shí)，上式所得為t時(shí)段內(nèi)潛水面處單位面積上流過(guò)的水量，即潛水面處入滲補(bǔ)給量。地表通量的估算，直接影響到本方法的可靠性。地表騰發(fā)量的估算不僅需要較為完善的氣象觀測(cè)資料，而且還涉及到一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。目前還不能有把握地用此方法對(duì)田間土壤水量平衡進(jìn)行可靠的分析。（3）定位通量法定位通量法即在土壤剖面中選定一個(gè)合適的位置，上下安裝兩支負(fù)壓計(jì)（水柱或水銀柱式）用以監(jiān)測(cè)這兩點(diǎn)的基質(zhì)勢(shì)m，同時(shí)用其他方法測(cè)得該處土壤的非飽和導(dǎo)水率和基質(zhì)勢(shì)的關(guān)系K（m）。設(shè)這兩點(diǎn)的垂直坐標(biāo)分別為z1和z2，z*（z

29、1+z2）/2，zz2z1，以ml和m2分別表示在這兩點(diǎn)測(cè)得的基質(zhì)勢(shì)，由達(dá)西定律可知z*（定位點(diǎn)）處的通量為：式中，（ml +m2）/2（平均值）。由此，可以得到t1至t2時(shí)段內(nèi)單位面積上流過(guò)的土壤水的水量Q（z*）（定位點(diǎn)通量），而任一斷面z處相應(yīng)的水量Q（z）由下式給出：當(dāng)zH時(shí)（地表），所得為地表處的Q（蒸發(fā)量）；z0時(shí)（潛水面），所得為潛水面處的Q（入滲補(bǔ)給量）。定位通量法應(yīng)用的注意事項(xiàng)：采用此方法除了需有含水率分布和定位點(diǎn)基質(zhì)勢(shì)的觀測(cè)資料外，關(guān)鍵是要測(cè)得土壤非飽和導(dǎo)水率K（m）。因此，在零通量不存在時(shí)，可首先考慮采用此法。為了提高成果精度，定位點(diǎn)宜選在土層較厚且均一處。此方法還可和零

30、通量面法結(jié)合使用。在零通量面存在時(shí)，利用零通量面法進(jìn)行水量平衡分析；當(dāng)零通量不存在時(shí)，則用定位通量法進(jìn)行水量平衡計(jì)算。如果只是為了監(jiān)測(cè)潛水的入滲補(bǔ)給量或蒸發(fā)消耗量，則可將定位點(diǎn)選在鄰近潛水面處。由于潛水面以上一定范圍內(nèi)含水率變化很小，故定位點(diǎn)處測(cè)得的通量便可近似為潛水面處的通量。因此，可不必進(jìn)行土壤剖面含水率的測(cè)定，此方法變得更為簡(jiǎn)單。又由于該定位點(diǎn)處的土壤接近飽和，相對(duì)而言，K（m）的測(cè)定比較有把握。通量法的優(yōu)點(diǎn)：由于該方法僅以鉆孔中子水分儀測(cè)定的土壤含水率為依據(jù)，故與地中滲透儀法相比，成本較低，可在多處設(shè)點(diǎn)觀測(cè)。所測(cè)值的精度比經(jīng)驗(yàn)公式和動(dòng)態(tài)觀測(cè)法要高。3近似計(jì)算法（入滲系數(shù)法）近似計(jì)算降水

31、入滲補(bǔ)給量的方法很多，大多數(shù)的近似計(jì)算法是首先計(jì)算出某些時(shí)段和典型地段的降水入滲系數(shù)，再推廣到計(jì)算出全年或全區(qū)的降水入滲補(bǔ)給量（或蒸發(fā)量）。 根據(jù)次降水量引起的潛水水位動(dòng)態(tài)變化h計(jì)算大氣降水入滲系數(shù)。對(duì)于地下徑流滯緩、水位埋藏不深的平原區(qū)，降水入滲和蒸發(fā)消耗將是引起潛水面上升或下降的最主要影響因素。因此，可以根據(jù)次降水量（Pi）引起的潛水位上升幅度（h）和水位變動(dòng)帶的給水度（），近似計(jì)算出大氣降水的入滲系數(shù)（）：根據(jù)不同降水強(qiáng)度的次降水量算得的降水入滲系數(shù)，取其平均值（或加權(quán)平均值），再乘以全年的降水量（或有效降水量，即有入滲補(bǔ)給意義的次降水量之和），即得到全年的大氣降水入滲補(bǔ)給總量。 根據(jù)全

32、排型泉水流量計(jì)算大氣降水入滲補(bǔ)給量在某些丘陵山區(qū)（特別是干旱半干旱的巖溶區(qū)），當(dāng)降水是地下水的唯一補(bǔ)給源，泉水是唯一的排泄方式時(shí)（地下水的蒸發(fā)量、儲(chǔ)存量變化量可忽略不計(jì)），泉水的年流量總和近似等于降水的年入滲補(bǔ)給量。因此，取其泉水年總流量與該泉域內(nèi)大氣降水總量的比值，即為該泉域的大氣降水入滲系數(shù)值（）。如再將該泉域的值用到地質(zhì)一水文地質(zhì)條件類似的更大區(qū)域，即可得到大區(qū)域的降水入滲補(bǔ)給量。同理，對(duì)于某些封閉型的水文地質(zhì)單元，當(dāng)降水是地下水唯一補(bǔ)給源，而地下水的開(kāi)采量（最大降深的穩(wěn)定開(kāi)采量）又已達(dá)到極限（其他地下水消耗量可忽略）時(shí)，其年開(kāi)采總量（近似等于地下水補(bǔ)給量）除以該水文地質(zhì)單元的年總降水量，亦可得出該水文地質(zhì)單元的大氣降水入滲系數(shù)（）。也可推廣到條件類似的更大區(qū)域，進(jìn)行降水入滲總量的計(jì)算。4潛水蒸發(fā)量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式法目前，國(guó)內(nèi)外計(jì)算潛水蒸發(fā)量時(shí)，使用最廣泛的經(jīng)驗(yàn)公式是阿維揚(yáng)諾夫公式，其形式為：式中：h潛水埋藏深度；l極限蒸發(fā)深度；n蒸發(fā)指數(shù)，多取值為13；0水面蒸發(fā)強(qiáng)度；潛水蒸發(fā)強(qiáng)度。分析上式可以看出，潛水的蒸發(fā)強(qiáng)度隨水面蒸發(fā)強(qiáng)度0的增加而增加，但由公式右端括號(hào)項(xiàng)