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。

X

q 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：

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：

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 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）； 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：

M

H H K

V B

A -= （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

M

K

潜水

承压水