第8章 地下水的补给与排泄

地下水的补给来源有： 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、水库渠道渗漏、生产生活 排水及人工回灌
第一节 一、大气降水对地下水的补给
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。 理想条件下，降水入渗过程中包气带中的水分分布变化如 图8-1所示。
测水分损失量
接渗瓶 实验场 观测室
地中渗透仪结构图
隔水板
供水 开关
测筒 径流管
给 水 控制管
潜水位 控制筒
滤层 连通管
径流量 储水瓶 入渗量 储水瓶
地中渗透仪示意图
山区大气降水入渗量的确定
在山区，潜水蒸发可忽略不计。从多年平均 的角度来说，含水层的补给量（大气降水、地表水 ）大体上与其排泄量（泉、泄流）相等。由此可知
1.2.2 水库对地下水的补给
一般说来，水库应选址于隔水性能良好的地区，但有些 地区，尤其在岩溶区的水库，渗漏量往往很大，不能忽略。 对同一水库，水库的水位愈高，其渗漏量越大，补给含 水层的水量亦越大。 如陕西某水库（O2）的渗漏情况。
Hale Waihona Puke 表8-1 陕西某水库的渗漏情况观测（1974年）
观测时间
库水位变化(m)
K 式中 称为越流系数[T -1]。对于松散沉积物 b 构成的含水系统，虽然K’很小，但因越流面积 A 很大，因此越 流补给量往往大于含水层的侧向流入量。
K
弱透水层 主含水层
b
T
图8-8 越流示意图
1.4.3 越流实例
地下水是江苏省新沂市的唯一水源（约6万m3/d ）。开采中 心位于西郊工业区, 降落漏斗在枯水期约32km2（24m等水位线 计算）, 丰水期 21 km2 （25m等水位线计算） 。 根据水资源评价结果，本区深层地下水的允许开采量不超 过5万m3/d ，而自1989年以来并未发现漏斗扩大和加深，只是随 着枯、丰水作季节性的变化，保持动态平衡，表明开采层的补 给量与开采量处于平衡状态。有趣的是，除了开采层的降落漏 斗外，未开采的浅层潜水也形成相应的降落漏斗（图8-9），说 明越流确实存在。
α = Q / （P · f ·1000） 需要注意的是，对某一时段来说，排泄量并不等于 同期的入渗补给量。
第一节 二、地表水对地下水的补给
地表水体（河、湖、水库等）都可以成为地下水的补给来源。 在自然界，一般大气降水量大的地区地表水多，地下水丰 富。同时应注意地表水对地下水的影响，即地下水丰富的地区 地表水也多，且其水量稳定，由此说明地表水和地下水是相关 的。
灌 溉 水 入 渗 补 给 量 ( mm )
80 70 60 50
=1m
=1
=2
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 灌溉定额 ( m 3/ 亩 )
20 10 0
图8-7 灌水定额与灌水入渗补给量的关系
（以地下水埋深为参数）
m
30
.5
40
m
1.3.2 渠道水对地下水的渗漏补给
在河流能够对地下水进行补给的前提下（即河水位高 于地下水位；两者有水力联系），河流与地下水的补给量 取决于：
a) 透水河床的长度与浸水周界的乘积；
b) 河床透水性； c) 河水位与地下水位的高差； d) 河流的过水时间。
河流对地下水补给量的确定：
确定河水渗漏补给地下水的水量，可在渗漏河段的上下 游A、B断面分别测定其断面流量QA、QB，如果河床的过水
Pr ( P P0 ) Pr 0
当P P0 时 当P P0 时
式中α为某一系数，它是衡量降水补给地下水多少的指标， 称为降水入渗补给系数。即
Pr ( P P0 ) 0 当P P0 时 当P P0 时
实际计算入渗系数时，常简单地取为α=Pr /P。
第一节 地下水的补给 Recharge of G.W.
补给使含水层的水量、水化学特征和水温发生变化 问：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、影响因素与补给量
第一节 一、大气降水对地下水的补给
目前认为，松散沉积物的降水入渗有两种方式 （图8-2）：
活塞式 （Piston type infiltration）：下渗水的湿锋面 整体向下推进，犹如活塞一样。 捷径式 （Short-circuit type infiltration）：入渗水沿 着渗透性良好的大孔隙通道（根孔、虫孔和裂缝等） 快速优先下渗。
具体说来，影响大气降水补给地下水的因素有：
a) 年降水量的大小 b) 降水组合特征 c) 包气带特征（含水率、厚度、渗透性） d) 地形 e) 植被 如何影响： 降水总量大，降水强度适中，包气带岩性粗和厚 度小，地形平缓，植被较茂盛时，降水补给地下水的量大 ；反之，降水总量小，降水强度太小或太大，包气带岩性 细或厚度大，地形较陡，植被较稀疏时，降水补给地下水 的量少。
1.4.2 越流
两个含水层通过其间的弱透水层发生水量交换的现象，称 为越流（图8-8）。越流常发生于松散沉积物中，粘性土构成弱 透水层。 根据Darcy定律可计算越流量的大小。假设上下含水层的水 头分别为H1和H2，则单位水平面积弱透水层的越流量（渗透流 速 v）为
H1 H 2 v K J K H 1 H 2 b
水
湿 锋 面
潜水面 （ a） （ b）
图8-2 降水入渗模式 （a）活塞式下渗 （b）活塞式与捷径式下渗组合
第一节
一、大气降水对地下水的补给

“活塞式”入渗 均匀的砂土
实验：在有机玻璃管中装入均质的白色石英砂，向试样管中滴入颜色水或用颜 色水和无颜色水交替方式滴入试样管，观察入渗现象。
特点：年龄新的水推动年龄老的水下移，“老”水在前， “新”水在后。
渗漏量(m3/s)
3.10-3.31
4. 1-4.30
740.00-747.85
747.85-749.65
0.194
0.542
5.1-5.31
6.26-7.8
749.65-751.96
757.41-756.75
0.698
1.700
大气降水与地表水对地下水补给的比较：
从空间分布上看，大气降水属面状补给，补给范围普遍 且均匀；而地表水则可视为线状补给（河流），或局部 面状补给（水库），仅局限于地表水体的周边。 从时间上说，大气降水持续时间相对较短，而地表水体 持续时间长，甚至是常年性的。
第一节 一、大气降水对地下水的补给
2. 降水补给的影响因素
先来看看大气降水的去向（图8-3）。 很显然，降落到地面的水分不能直接到达地下水面，因为 在地面和地下水面之间隔着一个包气带。入渗的水必须首先满 足包气带的需要，多余的水分才向下运移到达地下水面。为此 ，我们引入一个概念——降水入渗补给系数。 所有影响降水入渗补给系数的因素（降水量和临界降水量 ）即是影响降水补给地下水的因素。
时间为t，则河水的渗漏补给量Ql为
Ql = ( QA - QB ) ·t a) 对于常年性河流，此渗漏量即为河流对含水层的补给量Qr ； b) 对于过水时间比较短的间歇性河流（图8-6）来说，渗漏补给 量Ql有相当大一部分消耗于包气带，故河流对含水层的补给 量Qr远小于河流的渗漏量Ql。
思考题：大气降水与地表水是地下水的两种补给来源 ，从空间和时间分布上二者有什么不同？ 空间分布看：大气降水属于面状补给，范围普遍且较均匀； 地表水则可看作线状补给，局限于地表水体周边。 时间上：大气降水持续时间有限而地表水体持续时间长或是 经常性的。

“捷径式”下渗 粘性土（空隙大小悬殊的介质）
的结构，试样管中滴入颜色水，观察入渗现象。
实验：在有机玻璃管中装入上下不同粒径的白石英砂和玻璃砾，构成上粗下细
特点：新水可以超过老水，优先达含水层，捷径式下渗，不 必包气带达到饱和即可补给下方含水量。
活塞式下渗与捷径式下渗的区别（图8-2）：
a) 活塞式下渗是年龄较新的水推动其下的年龄较老的水， 始终是“老”水先到达含水层；捷径式下渗时“新”水 可以超前于“老”水到达含水层。 b) 对于捷径式下渗，入渗水不必全部补充包气带的水分亏 缺，就可下渗补给含水层；而活塞式下渗时，只有全部 补充包气带的水分亏缺后，多余的水分才能下渗到达含 水层。 以上两点对于分析污染物在包气带中的运移很有意义。
(C)
河流与地下水的补给关系是沿着河流纵剖面而变化的：
1) 山区河谷深切，一般地下水补给河水（洪水季节河水可 补给地下水）； 2) 山前地带，河床较高，河水补给地下水； 3) 冲积平原或盆地的某些部位，季节性互补；
4) 冲积平原（下游），常表现为“地上河”。
图8-6 间歇性河流补给地下水示意图
河流对地下水补给量的确定：
渠道对地下水的渗漏补给与地表水相似，只是灌渠密度
大，且有时为半挖半填的地上渠形式，故渗漏量相当大。 大型渠道灌溉时输水损失近50%，除了蒸发和湿润包气 带外，相当一部分补给了地下水。
1.4 含水层（或含水系统）之间的补给
1.4.1 含水层之间的联系方式
两个含水层之间存在水头差并且有联系通道时，那么水头较 高的含水层便会补给水头较低的含水层。含水层之间联系的方式 有： 直接方式（直接接触、天窗） 间接方式（越流、导水断层） 人为方式（导水钻孔） 在含水层与含水层之间的补给中，越流作为一种间接补给方 式，在含水层的补给源中占有很重要的意义。
不论地表水是动态的还是静态的，地表水、地下水的补给 关系有三种：