8第八章 地下水的补给与排泄

第八章地下水的补给与排泄

补给：recharge

径流：runoff

排泄：discharge

8．1概述

补给、径流、排泄是地下水参与自然界水循环的重要环节。

地下水通过补给与排泄，获得与消耗并重新分布可溶气体及盐量，更新溶滤能力。

地下水通过补给和排泄，保持不断流动循环支撑有关水文系统和生态环境系统正常运行。

8．2 地下水的补给

补给––––饱水带获得水量的过程。

1．大气降水（precipitation）

以松散沉积物为例，讨论降水入渗补给地下水的过程。

包气带截留的水量，用于补足降水间歇期由于蒸散造成的水分亏缺。

一次降水过程，除去植被截留以及包气带截留外，大气降水量最终转化为3部分：地表径流量、蒸散量及地下水补给量(图8.1)。

一次降水过程中，包气带水分变化及其对地下水补给的影响(图8.2)。

入渗机理：

1）活塞式下渗（piston type infiltration）→Green–Ampt模型：求地表处的入渗率（稳定时

v→K）（P48,公式6.11；P72，图8.3），累积入渗量。

2）捷径式下渗（short-circuit type infiltration ），或优势流（preferential flow ）。

降水→地下水储量增加→地下水位抬高→势能增加。

降水转化为3种类型的水：

① 地表水，地表径流（一般降水的10 ~ 20%产生为地表径流）；

② 土壤水，腾发返回大气圈（一般大于50%的降水转为土壤水，华北平原有70%的降水转化为土壤水）；

③ 地下水，下渗补给含水层（一般20 ~ 30%降水渗入地下进入含水层）。

因此，落到地面的降水归结为三个去向：（1）地表径流；（2）土壤水（腾发返回大气圈）；（3）下渗补给含水层。

入渗补给地下水的水量：

q x =p -D -∆S

式中：q x ––––降水入渗补给含水层的量；

p ––––年降水总量；

D ––––地表径流量；

∆S –––包气带水分滞留量。

单位：mm 水柱。

大气降水补给地下水的影响因素：

降水入渗系数（α）––––补给地下水的量与降水总量之比。

p

q p =α （小数或%表示） 式中：α为入渗系数，无因次；q P 为年降水单位面积补给地下水量，mm ；P 为年降水量，mm 。

一般α =0.2 ~ 0.4。

定量计算（入渗系数法）：Q=α·p ·F ·1000 （注意单位统一，p ：mm/a ，F ：km 2，Q ：m 3/a ）

影响降水入渗补给的因素：

① 年降水量大小：雨量大，α大；雨量小，α小；

② 降水强度及其时间分布：间歇性的小雨，构不成对地下水的有效补给（如华北平

原，一次降水<10mm 的为无效降雨）；连绵小雨有利于补给；集中暴雨→一部分转化为地表径流→不利于补给；

③ 包气带岩性：K 大，有利于入渗；K 小，不利于入渗；

④ 包气带厚度：厚，入渗量小，河北平原存在“最佳埋深”，一般4 ~ 6m ，地下水位

在“最佳埋深”时，入渗补给量最大，入渗系数α也最大；

⑤ 降雨前期土壤含水量：含水量高，有利于补给；含水量低，不利于补给；

⑥ 地形地貌：坡度大→地表径流量大→不利于补给；地势平缓，有利于补给； ⑦ 植被覆盖情况：植被发育，有利于拦蓄雨水和入渗；但浓密的植被，尤其是农作物，蒸腾量大，消耗的土壤水分多，不利于补给。

2．大气降水、河水补给地下水水量的确定

1）平原区：

① 大气降水入渗补给量（入渗系数法）：

Q=p·α· F ·1000

式中：Q ––––降水入渗补给地下水的水量（m 3/a ）；

p ––––年降水量（mm ）；

α––––入渗系数（无量纲）；

F ––––补给面积（km 2）。

② 河水补给量：

a 达西定律：q x =KAI ；

b 断面测流：q x =Q 上-Q 下。

2）α的确定

① 地中渗透仪（或蒸渗仪：lysimeter ，P69，图7–8）：测定入渗到地下水的水量来计算α。

② 潜水位变幅（埋藏较浅）：观测降水入渗引起的地下水位变幅∆h ，来计算α：

X

h X q x ∆==

μα 3）山区：

由于山区“三水”（大气水、地表水、地下水）的转化规律较复杂，分别区分大气降水、地表水对地下水的补给量往往较困难，所以常常将大气降水补给量和地表水补给量统一放在一起，作为一个量来考虑––––地下水的补给量。

在山区，一般：地下水的补给量≈地下水的排泄量：

山区入渗系数α的计算： 1000⋅⋅=p f Q

α

式中：Q ––––年地下水排泄量（≈ 补给量）（m 3/a ）；

f ––––汇水面积（km 2）；

p ––––年降水量（mm/a ）。

3．地表水

地表水对地下水的补给：

地表水补给地下水必须具备两个条件：①地表水水位高于地下水；②两者之间存在水力联系。

1）山区：一般排泄地下水（河水位低于地下水位，地下水补给河水），洪水期：补给地下水；

2）山前：常年补给地下水（河水位高于地下水位）；

3）平原：河水补给地下水（“地上河”）。

影响因素：①河床的透水性；②水位差（河水与地下水）。

定量计算：

①达西定律：q x=KAI；

②测定上、下游河流断面的流量（断面测流）：q x=Q上 Q下。

大气降水、地表水是地下水的两种主要补给来源。其特点：

1）从空间分布上看：大气水属于面状补给，范围大且均匀；

地表水（河流）为线状补给，局限于地表水体周边。

2）从时间分布上看：大气降水持续时间较短；

地表水（河流）持续时间较长，是经常性的；

简而言之：大气降水：面状补给，持续时间短；

地表水：线状补给，经常性的，持续时间较长。

条件变化的影响：

地下水开采以后，由于水位的下降，水文地质条件的变化，大气降水、地表水的补给强度也要发生变化。地下水位下降后，由于包气带的加厚，降水补给量有可能减少；地表水与地下水水头差的加大，地表水的补给量有可能增大。

由于地表水归根结底来源于大气降水，所以降水量的多少→决定一个地区地下水资源量的多少。

补给特点：

潜水：整个含水层分布面积上接受补给；

承压水：仅在含水层出露面积上接受补给。

4．凝结水的补给

气温下降：气态水→液态水→凝结水。

对于高山、沙漠及昼夜温差大的地区有一定意义。

5．地下水人工补给

①农田灌溉

灌溉回归水––––灌溉渗漏补给含水层的水称之为灌溉回归水。

②人工补给地下水

6．含水层之间的补给（越流补给）

1）两个含水层之间存在弱透水层，且有水头差时，水头较高的补给水头较低的含水层，形成→越流。

越流（leakance）––––相邻含水层通过其间的弱透水层发生水量交换，称作越流。

2）隔水层分布不稳定，局部缺失，形成“天窗”→补给。