地下水补给量和排泄量的确定

地下水补给量和排泄量的确定

李恒太

河北工程大学水电学院河北邯郸056021

摘要：在地下水资源评价过程中，不管采用什么方法，其补给量和排泄量的确定是必需要完成的工作，本文就地下水的补给量和排泄量的确定进行了详尽地阐述。

关键词：地下水；补给量；排泄量；基流；越流

地下水是人们赖以生存和使用的主要资源之一，但是存在于地下的水究竟有多少？又有多少能供我们利用？人们为了探究此问题，水行政管理部门专门组织专业技术人员进行定量评价与计算，在评价计算过程中，不管采用什么方法，不管其方法多先进，都得确定地下水补给量和排泄量，可见地下水补给量和排泄量的确定在地下水评价中的重要意义，因此，下面将详述地下水补给量和排泄量的确定。

1 地下水补给量

地下水的补给来源主要有大气降水、地表水、凝结水、其他含水层（或含水系统）的水、侧给补给、人工补给、融雪水和融冻水等。

1.1大气降水入渗补给地下水

降水入渗补给量是指降水（包括坡面漫流和填洼水）渗入到土壤中并在重力作用下渗透补给地下水的水量。降水入渗补给量一般采用下列方法确定。

1.1.1 地中渗透仪法

地中渗透仪是测量降水

入渗量、潜水蒸发量和凝结

水量的一种地下装置，该装

置通过导水管与给水设备相

连接的承受补给和蒸发的各

种土柱圆筒和测量水量的马

利奥特瓶组成，也称为地中

蒸渗仪、地中渗透计。该仪

器在各地的地下水均衡试验

场中被广泛应用。由于该法

测得的潜水蒸发量和降水入渗补给量虽然是实测值，但仍很难如实模拟天然的入渗补给

条件。其中，潜水面的埋深对潜水补给量有很大影响，同样，对潜水蒸发量也有一定影响。潜水面在雨季因降水入渗补给而升高，旱季因蒸发排泄而降低，处于连续不断的变动中，而地中渗透仪的每一圆筒中的潜水面都是固定的，因而其实测结果的可靠性还有待进一步证实，且此法只适用于松散岩层，使其应用受到限制。

其结构装置如图1.1所示，工作原理如下：首先调整水位管14，使其内水面与渗透仪中的设计地下水面（6，相当于潜水埋深）保持在同一高度上。当渗透仪中的地柱接受降水入渗或凝结水的补给时，其补给量将会通过导水管2流入接渗瓶15内，可直接读出补给水量；当土柱内的水面产生蒸发时，便可由水位调整管14供给水量，再从马利奥特瓶13读出供水水量（即潜水蒸发消耗量）。

1.1.2 有限差分法

该方法是利用同一剖面上三个观测孔水位资料，按有限差分方程式计算降水入渗量Q 雨渗。

B

图1.2 同一剖面上观测孔的水位变化图

如图1.2所示，其有限差分方程为：

()()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+--++∆-

∆=----21111121222l H H h h l H H h h l l t K H Q C B C B B A B A B μ雨渗 （1） 式中：Q 雨渗为降雨入渗量；K 为渗透系数；μ为给水度；Δt 为两次时间间隔；其它意

义如图中所示。

1.1.3 泰森多边形法

在典型地段布置观测孔组，并有一个水文年以上的水位观测资料时，可用差分方法

计算均衡期的降水入渗补给量或潜水蒸发量，只要观测资料可靠，计算结果便有代表性。

如图1.3所示，其计算过程如下：

∑=----∆∆=n i O i O i O i O r H H Tb t h F Q 1μ渗 （2） 式中：Q 渗为泰森多边形内的入渗量或蒸发量，m 3/d ；

F 为泰森多边形面积，m 2；μ为给水度（无量纲）；

Δt 为中央孔在时段的水位变幅，m ；T 为导水系数，

m 2/d ；H i 、H o 为i 号孔和中央孔O 的水位，m ；b i-o 、

r i-o 为中央孔和周围各孔之间过水断面的宽度和距离，m 。 图1.3 泰森多边形示意图

1.1.4 利用降水前后地下水观测资料估算

这种方法适用于地下水位埋藏深度较大的平原区。根据降水前后的地下水水位观测资料，Q 雨渗可近似求得：

Q 雨渗=μ（H max -H ±ΔHt ） （3） 式中：Q 雨渗为降水入渗补给量，m ；μ为地下水位变动带内的给水度（无量纲）；H max 为降水后观测孔中的最大水柱高度，m ；H 为降水前观测孔中的水柱高度，m ；ΔH 为临近降水前，地下水水位的天然平均降（升）速，m/d ；t 为观测孔水柱高度从H 变到Hmax 的时间，d 。

1.1.5 水量平衡法

因大气降水主要补给潜水，根据质量守恒定律，建立研究区的潜水水量平衡方程，可确定降水入渗补给量。

潜水均衡方程为：

A-B=μΔH （4） μΔH=（Q 雨渗+Q 河渗+Q 凝结+Q 侧入+Q 越入）-（Q 蒸发+Q 溢出+Q 侧出） （5）

式中：A 为潜水的收入项；B 为潜水的支出项；μ为给水度；ΔH 为潜水位变幅；Q 雨渗为降水入渗补给量；Q 河渗为地表水入渗补给量；Q 凝结为凝结水补给量；Q 侧入为上游断面

潜水流入量；Q 越入为下覆承压含水层越流补给潜水水量，若潜水向承压水越流排汇，则

其前符号相反；Q 蒸发为潜水蒸发量（包括土面蒸发及叶面蒸腾）；Q 溢出为潜水以泉或泄

流形式的排泄量；Q 侧出为下游断面潜水流出量。

4

5

1.1.6 降水入渗系数法

降水入渗系数α是一个地区单位面积上降水入渗补给地下水的量与总降水量的比值则一个无量纲系数。它不是一个常数，其值在0-1之间，并随空间和时间的变化而变化。其地下水量可以用下式计算。

F P P r ⋅⋅⋅=-α110 （6） 式中，Pr 为降水入渗补给量（万m 3）；P 为有效降水量（mm ）；α为降水入渗补给系数（无因次）；F 为均衡计算区计算面积（km 2）。

有效降水量是指一次降水能实际形成地下水补给量的降水量。根据多年降水系列资料，用皮尔逊III 型曲线进行频率分析，得出不同保证率（如P=50%, P=75%和P=95%）条件下的降水量，然后分别计算出不同保证率条件下的入渗补给量。

该方法的优点是应用方便，只要有径流和降水两项资料即能求得，但方法本身也存在着缺点和不足，例如在均衡方程中没有考虑包气带的作用，且当存在其他补排条件时但不能应用，因此只能是近似解。

1.1.7 水文学法

在缺乏地下水长期观测资料，但有河流流量资料的地区，可用水文学方法推求流域平均的降水入渗补给量，主要有水文分割法。

降雨按照水流进入河道的路径可分为地表径流(直接径流)、壤中流(快速表层流)和基流(地下径流)三种。洪水分析中经常需要将流量过程线分割成不同的径流成分，因而需要进行基流分割。通过分割河流流量过程线把地表径流和地下径流区分开来的方法称为水文分割法。

目前对于基流分割存在许多方法。总的来说，就我国而言，径流的划分主要有两步：先是从总径流过程中割去所谓的深层地下径流，采用的方法一般是取历年最枯流量的平均值或本年汛前最枯流量用水平线分割：然后再将剩下的径流划分为地面径流(又叫直接径流)和浅层地下径流，采用的方法一般是斜线分割法。而国外的径流水源划分一般是将总径流直接划分为地面径流和基流两个部分，基流的分割方法有单线性水库法，双线性水库法、滑动最小值法、数字滤波法等。

1.1.7.1直线分割法

直线分割法分为水平线分割法和斜线分割法。要将流量过程线分割成部分流量过程线，首先需要判断地表径流开始点，即流量过程线与前期稳定基流消退曲线的分叉点，