水文地质学 第七章__地下水的补给与排泄

第七章地下水的补给与排泄补给：recharge径流：runoff排泄：discharge补给、径流、排泄是地下水参与自然界水循环的重要环节。

径流7．1 地下水的补给补给––––含水层或含水系统从外界获得水量的过程。

1．大气降水（precipitation）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）（P49,公式5–14；P65，图7–3），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）。

渗入地面以下的水：①滞留于包气带→土壤水，通过腾发ET（evapotranspiration）→返回大气圈；②其余下渗补给含水层→地下水。

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=X-D-∆S式中：q x ––––降水入渗补给含水层的量；X ––––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。

降水入渗系数（α）––––补给地下水的量与降水总量之比。

Xq x=α （小数或%表示） 一般α =0.2 ~ 0.5。

定量计算（入渗系数法）：Q=α·X ·F （注意单位统一，X ：mm/a ，F ：km 2，Q ：m 3/a ） 影响降水入渗补给的因素：① 降水量大小：雨量大，α大；雨量小，α小；② 降水强度：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．地表水地表水对地下水的补给：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 =K ωI ；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。

3．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=X·α· F ·1000式中：Q ––––降水入渗补给地下水的水量（m 3/a ）；X ––––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 =K ωI ；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：Xh 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：① 地下水完全以大泉集中排泄：补给量≈ 排泄量（测泉流量）；② 地下水分散泄流（全部排泄）：分割河水流量过程线→河水排泄量→作为地下水补给量。

山区入渗系数α的计算：1000⋅⋅=X f Qα式中：Q ––––年地下水排泄量（≈ 补给量）（m 3/a ）；f ––––汇水面积（km 2）； X ––––年降水量（mm/a ）。

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．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。

3）越流量的大小用Darcy 定律计算：MH H KV BA -= （单位时间、通过单位面积上的水流体积––––通量） 式中：V ––––单位水平面积弱透水层的越流量（m/d ）；K ––––弱透水层垂向渗透系数（m/d ）； H A ––––含水层A 的水头（m ）； H B ––––含水层B 的水头（m ）； M ––––弱透水层的厚度（m ）。

则，通过整个越流层的水量（m 3/d ）：Q=V·ω。

由此可见，相邻含水层之间的水头差愈大，弱透水层厚度愈小，垂向透水性愈好，则越MK潜水承压水流量愈大。

尽管弱透水层的垂向渗透系数K z 相当小（可能比含水层小若干个数量级），但是由于驱动越流的水力梯度往往比水平流动大2～3数量级，产生越流的面积（全部弱透水层分布范围）更比含水层的过水断面大得多，对于松散沉积物构成的含水系统，越流量往往大于含水层的侧向流入量。

与含水层的过水断面（侧向）相比较，由于弱透水层分布面积（水平）大，越流量往往不容忽视。

6．其它补给来源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7．2 地下水的排泄排泄––––含水层或含水系统失去水量的过程称作排泄。

1．泉（spring ）泉––––是地下水的天然露头，在地形面与含水层或含水通道相交点，地下水出露成泉。

泉的分类：1）按含水层性质：上升泉：由承压含水层补给。

符号（尾巴上升）： 下降泉：由潜水含水层补给。

符号（尾巴不上升）： 2）按出露原因（进一步分，P75图7–17）：侵蚀泉：地形切割揭露潜水含水层—侵蚀（下降）泉接触泉：地形切割达到含水层隔水底板时，地下水从含水层与隔水层接触处出露成泉—接触泉溢流泉：潜水流前方透水性急剧变弱，潜水流受阻而涌溢于地表成泉侵蚀泉：图（a ），接触泉：图（c ），溢流泉：图（d ） 侵蚀(上升)泉：与侵蚀(下降)泉相似，(这里为承压水) 断层泉：地下水沿导水断层上升形成的泉接触带泉：地下水沿岩脉，或侵入体与围岩的接触带出露成泉侵蚀(上升)泉：图(h)，断层泉：图(i)，接触带泉：图(j)下降泉上升泉按出露原因P76，例子，泉城济南：在岩浆岩与石灰岩的接触带上形成泉群。

O 石灰岩呈一单斜构造（强含水层），下伏地层为Є（相对隔水层），大气降水渗入地下转化为地下水，地下水顺O 石灰岩倾斜方向运动，遇岩浆岩（隔水层）受阻，溢出地表成泉。

如著名的趵突泉等。

2．泄流（discharge flow ）（向河流排泄）泄流––––当河流切割含水层时，地下水沿河呈带状排泄，称作地下水的泄流。

通过对河流流量过程线的分割→地下水泄流量。

关于分割流量过程线，更多的例子可参考有关《水文学》方面的著作。

3．蒸发（evaporation E ）干旱气候条件下，地势低平的平原与盆地，蒸发→地下水的主要排泄方式。

涨水点 落水点地下水的蒸发排泄可分为两种：一种是土壤水的蒸发；另一种是潜水的蒸发。

1）土壤水的蒸发：不直接消耗饱水带的水，但影响饱水带接受大气降水的补给。

2）潜水的蒸发：紧接潜水面存在支持毛细水带，潜水沿潜水面不断上升（以毛细方式），然后由液态水转化为气态水→向大气蒸发（潜水埋藏浅的条件下）。

水分沿毛细带不断蒸发，盐分浓集于地表（土壤积盐），降水时，盐分淋洗，返回潜水（土壤脱盐），当积盐量>脱盐量时→土壤盐渍化。

强烈蒸发条件下→地下水浓缩盐化。

不合理的灌溉，使潜水面抬升，原先没有盐渍化的土壤产生盐渍化––––次生盐渍化。

影响潜水蒸发的因素：① 气候：愈干燥，蒸发量愈大（定量：蒸发量E 与气象因素的关系式）；② 潜水面埋深：埋深小，E 大；埋深大，E 小（E=0，极限地下水埋深）（定量：E 与埋深的关系，阿维里扬诺夫公式）； ③ 岩性：砂：毛细上升高度小（不利于蒸发）； 粘土：毛细上升速度太慢（不利于蒸发）；亚砂土、粉砂土：毛细上升高度较大，速度快→蒸发强烈。

4．蒸腾（transpiration −T ）叶面蒸发––––蒸腾。

根系吸收水分→叶面蒸发。

生产1kg 小麦，需耗水1200 ~ 1300kg 。

实际工作中：土面蒸发量E 、植物蒸腾量T ，常常作为一个量来计算，称为腾发量ET （evapotranspiration ）或蒸散量。

具体计算ET 的方法：可参阅有关《农业气象》方面的著作。

7．3 地下水补给与排泄对水质的影响将补给与排泄结合起来，划分为两大类型的地下水循环：① 渗入−径流型：长期循环的结果：地下水向淡化的方向发展；② 渗入−蒸发型：长期循环的结果：补给区地下水淡化，排泄区地下水盐化、土壤盐渍化。

地下水的补给水量：增加水质：① 低矿化水的补给→地下水淡化② 污水：工业废水、生活污水→地下水污染 ③ 沿海地区：过量开采淡水→咸水入侵地下水的排泄② 蒸发排泄：水走盐留（只排水，不排盐），TDS 增高① 径流排泄：泉、泄流等方式→盐随水走（排水的同时排盐） →地下水淡化。