水文地质学 第6章 地下水的补给与排泄

1、大气降水入渗机制
❖ “活塞式”入渗
—— 均匀砂土层
❖ “捷径式”下渗
t1
——空隙大小极悬殊
t2
活塞式与捷径式区别：
① 捷径式下渗，新水可以 超过老水，优先达含水 层；
② 捷径式下渗，不必包气 带达到饱和即可补给下 方含水层。
捷径式下渗图
6.1.1 大气降水对地下水的补给
2、降水补给的影响因素 ▪ P = R + E +ΔS + G ▪ 气候因素（P，E）：
④ 井孔灌注。
6.2 地下水的排泄
❖ 地下水排泄的研究包括： ▪ 排泄方式、排泄机制、影响因素、排泄量的确定
❖ 排泄方式： ▪ 泉（点状排泄） ▪ 向地表水体泄流（河流—线状）、向相邻含水层的排泄 ▪ 蒸发蒸腾（面状排泄） ▪ 人工排泄
❖ 前三种排泄方式称为径流排泄，与蒸发排泄的区别：
▪ 径流排泄—水分（盐分）呈液态排出,盐随水去 ▪ 蒸发排泄—水分呈气态排出，盐分积累下来，水去盐留
▪ 天然：大气降水、地表水、凝结水及相邻含水层的补给等 ▪ 人类活动有关的：灌溉水入渗、水库渗漏及人工回灌
6.1.1 大气降水对地下水的补给
讨论：入渗机制？影响因素？？补给量的确定？？？
1、大气降水入渗机制
▪ 包气带是降水对地下水补给的枢纽，包气带的岩性结 构和含水量状况对降水人渗补给起着决定性作用
2、下寒武为隔水层，仅断层带局部 导水；中寒武是较好的含水层；上寒 武基本上可看作隔水层。
3、奥陶系厚层灰岩中，地表水系不 发育；泉数量不多而涌水量大，为110L/s，个别大于10L/s；大多出露于 与其他地层交接处，说明富水性强， 是本区最好的含水层。 4、个别地段的断裂带出露泉而流量为 1-10L/s，说明断层有一定导水能力。
（4）人工补给地下水：采用有计划的人为措施补充含水层的水量。
目的： ① 补充与储存地下水资源，抬升地下水位； ② 储存热源、冷源； ③ 控制论地面沉降； ④ 防止海水倒灌、咸水入侵； ⑤ 改善生态环境
6.1地下水的补给
人工补给地下水的方式
人工补①给地地下面水的方式有： ① 地面②，河②渠河渠，③ 坑池 蓄水渗③补，坑④池蓄井孔水灌渗注补。
水文地质学
Hydrogeology
第六章 地下水的补给与排泄
提要
要求掌握地下水补给来源（降水、地表水、凝结水等）、 地下水排泄途径（泉、泄流、蒸发、蒸腾等）、地下水径 流特征的基本概念、基本理论和基本方法；地下水补给与 排泄对地下水水质的影响；人类活动对地下水水量水质的 影响。
本章内容
6.1地下水的补给
降水初期 t1 ： 土层干燥，吸水能力很强，雨水下渗快
降水延续 t2 ： 土层达到一定的含水量，毛细力与重力共同作用， 下渗趋于稳定——渗润阶段，渗漏与渗透阶段
降水再持续： 当土层湿锋面推进到支持毛细水带时， 含水量获得补给，潜水位上升
降水入渗过程
t1 t2
地面
湿 锋 面
潜水面
（降水入渗能力）垂向渗透流速v=Q/t，取决于包气带 岩性
❖ 地表水补给地下水的必要条件有哪些： ▪ 存在水力联系 ▪ 地表水水位高于地下水水位（存在水头差） 作业：比较长年性河流与季节性河流对地下水的补给的 异同点？
河流不同部位地表水与地ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ水之间的补给关系
季节性河流补给地下水
丰水期
6.1.3 含水层之间的补给（自学）
❖ 越流——地下水 量的内部转化
▪ 侵蚀泉： （a、b）
地形切割到潜水面
▪ 接触泉：（c）
地形切割至隔水底板 出露
▪ 溢流泉：（d、e、f、g）
水流在前方受阻，水 位抬升，而溢流成泉
2. 上升泉（出露于承压含水层中的泉）
侵蚀上升泉：
侵蚀作用下，地形切割揭 露承压含水层的隔水顶板 形成的泉。（h）
接触带泉：
岩脉或岩浆岩侵入体与围 岩的接触带，地下水沿冷 凝收缩形成的裂隙上升成 泉。（j）
含水层或含水系统从外界获得水量的过程。
6.2 地下水的排泄
含水层或含水系统失去水量的过程。
6.3 地下水径流
地下水从补给区向排泄区运动的过程。
6.4 地下水补给、径流与排泄对地下水水质的影响
❖ 基本概念
地下水是通过补给与排泄两个环节参与自然界的水循环。 补给：含水层或含水系统从外界获得水量的过程，水量增加的 同时，盐量、能量等也随之增加。
排泄：含水层或含 水系统向外界排出 水量的过程，减少 水量的同时，盐量 和能量等也随之减 少。
❖ 基本概念
根据地下水循环位置，可分为补给区、径流区、排泄区。
➢ 径流区是含水层中的地下水从补给区至排泄区的流经范围。 ➢ 补给区（recharge area）是含水层出露或接近地表接受 大气降水和地表水等入渗补给的地区。 ➢ 排泄区（dischage area）含水层或含水系统失去水量的 过程。 ➢ 水文地质条件是 地下水埋藏、分布、 补给、径流和排泄 条件、水质和水量 及其形成地质条件 等的总称。
6.1 地下水的补给
补给使含水层的水量、水化学特征和水温发生变化 ❖ 思考：补给获得水量后，含水层或含水系统会发生什么
变化？
▪ 地下水位上升，增加了势能，使地下水保持不停的流动 ▪ 由于构造封闭或气候干旱，得不到补给，地下水的流动将
停滞
补给的研究包括：补给来源、补给机制、影响因素、补给量
地下水的补给来源有：
6.2 .1 泉 spring
❖ 定义：
泉是地下水的天然露头。
多为“点”状，属径流排泄
❖ 分类：根据补给泉的含水层类型可将泉划分为上升 泉、下降泉。
根据出露成因将上升泉可分为：侵蚀（上升）泉、断层泉和 接触带泉。
根据出露条件又将下降泉分为：侵蚀泉、接触泉、溢流泉
1.下降泉——出露潜水含水层中的泉
a. 泉出露两侧岩层的含水性：含水层；隔水湖层南省娄底市娄星区石井乡山泉村 b. 泉出露处断层的导水性 c. 泉的流量大小：导水性的好坏 d. 泉的温度：地下水循环深度 e. 泉流量大小或水化学：补给与径流条件的好坏
不同岩性岩石的富水性比较
1、变质岩及花岗岩，泉多而分散， 流量小，说明富水性差。接触带出现 上升泉，说明部分接触带张开而形成 导水通道。
潜水和承压水含水层接受降水及地表水补给的条件不同。潜水在 整个含水层分布面积上都能直接接受补给，而承压水仅在含水层出 露于地表，或与地表连通处方能获得补给。因此，地质构造与地形 的配合关系，对承压含水层的补给影响极大。
含水层出露于地形高处， 充其量只能得到出露范围 （补给区）大气降水的补给。 出露于低处，则整个汇水 范围内的降水都有可能汇集 补充。 切穿承压含水层隔水顶板 的导水断层，在有利的地形 条件下，也能将大范围内的 降水引入含水层。 汇水区的大小也影响潜水 含水层接受补给
6.1.2 地表水对地下水的补给
❖ 地表水对地下水的补给（要求以自学为主）
❖ 补给来源：地表水体（河、湖、水库等） ❖ 补给机制: 因地而异（空间上），不同部位，岩性等；
因时而异（时间上），不同季节，不同补排关系 ▪ 河流补给的主要影响因素有哪些？
▪ 如何确定河水对地下水的补给量？ Qsr = KIATsinq
3、降水入渗补给量 ❖ （1）平原区大气降水入渗补给量
一般采用入渗系数法（α） ▪ 降水入渗系数多用年平均值表示，由经验与实验等方法得出
全年降水入渗补给量： Q = ·P ·F ·1000 式中：Q ----降水入渗补给地下水量（m3/a）； P ---- 年降水量（mm）； ---- 降水入渗系数； F ---- 补给区面积（km2）。 ▪ 确定 的常用方法：入渗试验仪、地中渗透仪来测定 ▪ 书中P74-75,介绍了天然潜水位动态法
▪ 目前认为，松散沉积物的降水入渗有两种方式： 降水入渗的现象— 两类空隙的入渗过程——总结：
均匀砂土层——活塞式 (piston/diffuse) 含裂隙的土层——捷径式 (bypass)
山西黄土及其入渗
6.1.1 大气降水对地下水的补给
1、大气降水入渗机制
❖ “活塞式”入渗 ——适用条件： 均匀的砂土层
5、第四系出现流量大的温泉，断裂的 深循环地下水，导水性良好。
6.2 地下水的排泄
（5）实例：地形、地质、水文地质条件巧妙地结合 形成大泉。
❖ 济南泉水：2.60km2内有106个泉，Qmax= 5m3/s。 ❖ 广西地苏暗河：4.0~489.0 m3/s（F=1000km2）。 ❖ 山 西 晋 祠 泉 ： 1.90 m3/s ， 黑 龙 洞 泉 ： 4.6~38.5 m3/s
6.1.4 凝结水的补给 凝结作用指气温下降到一定程度由气态水转化为液态水的过程。 一般情况下，凝结形成的地下水相当有限。但是，高山、沙漠等 昼夜温差大的地方，凝结水对地下水补给很重要。 6.1.5 地下水的其它补给来源
（1）水库渗漏。 （2）灌溉渗漏：灌溉渠系、灌溉田间渗漏补给。 （3）工业及生活废污水的渗漏补给。
qG
P
1.年降水量
2.降水强度和延续时间
E
总量大，强度适中，间隔短，时间 长的绵绵细雨最有利。温度适中，温差 较小，相对湿度大，蒸发强度小。
▪ 地质:
3.包气带：a岩性、b厚度、c含水量
▪ 4.地形: 高或低，陡或缓
▪ 5.地下水位埋深：
▪ 6.植被发育
▪ 人类工程
P R
S G
6.1.1 大气降水对地下水的补给
含水层通过钻孔发 生水力联系
6.1.3 含水层之间的补给
多层松散层中含水层通过天窗及越流发生补给。 越流量计算公式：
Ql
FKIT
FK
HA HB M
T
式中Ql ----越流补给量（m3/a）； K ---- 弱透水层的渗透系数（m/d）； M----弱透水层的厚度（m）； HA、HB ---- 含水层A和B的水头（m）；I---水力梯度； F---- 越流面积（m2）；T----越流时间（d/a）。