水文地质学基础——地下水的补给与排泄

7.2 .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。
根据出露成因可分为侵蚀泉、接触泉和溢流泉、断层泉、 接触带泉。
根据出露条件又将下降泉分为：
侵蚀泉：地形切割到潜水面
接触泉：地形切割至隔水底板 溢流泉：水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉
7.1.2 地表水对地下水的补给 地表水对地下水的补给
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 地表水补给地下水的必要条件有哪些： （1）存在水力联系 （2）地表水水位高于地下水水位（存在水头差）
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
活塞式下渗：入渗水的湿锋面整体向下推进，犹如活塞的运移。
地面
t1
湿 锋 面
t2
潜水面
下渗过程水分分布
渗润阶段
渗漏、渗透阶段
7.1.1 大气降水对地下水的补给
等的总称。
7.1 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
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；一般在０.２～０.4之间。在南方岩溶地区 高达０．８以上,西北干旱气候的沙漠盆地接近于0. F ---- 补给区面积（km2）。
确定 的常用方法：入渗试验仪、地中渗透仪、经验类比法、利用潜水位天然
经常发生于松散沉积物中，粘性土层构成弱透水层 。
思考：越流量如何计算？
7.1.3 含水层之间的补给
越流补给量计算
用达西定律Q=Kω I进行
分析,单位水平面积弱透水 层越流量Q为: M
Q KI K
式中：
HA HB M
K－弱透水层垂向渗透系数 I－驱动越流的水力梯度 HA-含水层A的水头 HB-含水层B的水头
7.1.3 含水层之间的补给 越流 —— 地下水 量的内部转化 潜水 — 承压水之 间的补给 思考题：
右图中泉水的大 小与哪些因素有 关！
含水层之间的水力联系
含水层通过导水断层
发生水力联系
含水层通过钻孔发生水力联系
天窗、越流
隔水层分布不稳定时，隔水层缺失部位称为天窗
越流（Leakage）：具有一定水头差的相邻含水层，通 过其间的弱透水岩层发生水量交换的过程 。
泄量可以忽略，大体上可认为山区地下水的补给量等于其排 泄量，故可通过测定地下水排泄量反求其补给量。
山 区 地 下 水 的 排 泄 量
山区地下水全部以泉形式集中排泄时，可通过定期测定泉 流量求得全年排泄量。 如地下水分散泄流，可通过分割河水流量过程线求 年排泄量（见下图）。 如果山区地下水有一部分以地下径流形式排入相邻的平原 或盆地，则必须另行计算这一部分水量加入排泄量中。
1、大气降水入渗机制 “活塞式”入渗
—— 均匀砂土层
“捷径式”下渗 ——空隙大小极悬殊 t1 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 捷径式下渗图
山西黄土及其入渗
目前认为，松散沉积物中的降水 入渗存在活塞式与捷径式两种。
下降泉
侵蚀泉：
：出露潜水含水层中的泉
地形切割到潜水面
接触泉：
地形切割至隔水底 板出露
溢流泉：
水流在前方受阻， 水位抬升，而溢流 成泉
上升泉
2. 上升泉（出露于承压含水层中的泉）
上升泉根据出露条件分为：侵蚀泉，断层泉，接触带泉
7.2.1 泉 spring
3. 泉的水文地质意义 泉的出露标高、流量、动态、温度、水化学特征
思考：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下水之间的补给关系
季节性河流补给地下水
汛期开始，河水浸湿包气带
并发生垂直下渗，使河下潜水 面形成水丘（图a）。
河水不断下渗，水丘逐渐抬 高与扩大，与河水联成一体 （图b）。
汛期结束，河水撤走，水丘 逐渐趋平，使一定范围内潜水 位普遍抬高（图c）。
对于常年性河流，为了确定河水渗漏补给地下水的水 量，可在渗漏河段上下游分别测定断面流量Q1及Q2，则河 水渗漏量等于（Q1-Q2）t，t为河床过水时间。此渗漏量即 为河水补给地下水的水量； 但是，对于过水时间很短的间歇性河流？ 思考：大气降水和河流补给地下水的异同？
大气降水与地表水作为地下水补给来源的比较 从空间分布上看，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。
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、水库渗漏及人工回灌
7.1.1 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
本段小结
大气降水与地表水对地下水补给的区别： (1) 空间上:大气降水属于面状补给，范围普遍且均匀； 地表水则可看作线状补给，局限于地表水体周边。 (2) 时间上:大气降水持续时间有限而地表水体持续的时 间长，或是经常性的。 (3)影响因素：大气降水对地下水的补给不同地区受气候 因素（主要是降雨）影响，河流对地下水的补给关系沿着河 流纵断面而有所变化。 潜水和承压水含水层接受降水及地表水补给的区别： 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。
S
G
6.植被发育
人类工程
岩性及水位埋深对降雨入渗补给的影响
0.0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
2
地下水接受 降雨入渗系数 降水补给的 最佳深度一 般为2-2.5m.
4
粉细砂 亚粘土 夹层土
6 水位埋深/m m
8
问题：地下水位埋深的影响？
7.1.1 大气降水对地下水的补给
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
思考：如何确定河水对地下水的补给量？
河流对地下水的补给量 河水补给地下水时，补给量的大小取决于下列因素： 透水河床的长度与浸水周界的乘积（相当于过水断面） 河床透水性（渗透系数） 河水位与地下水位的高差（影响水力梯度） 河床过水时间
W Q t V t K I t
P = R + E +ΔS + G 气候因素（P，E）：
qG P
P E R
1.年降水量
2.降水强度和延续时间 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：
7.2 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
水文地质学基础 Fundamentals of Hydrogeology
防灾科技学院
张耀文
本章内容
7.1地下水的补给
7.2 地下水的排泄
7.3 地下水径流
7.4 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
从时间分布比较，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。在地表水体附近，地下水接受 降水及地表水补给，开采后这一补给还可加强，因此地下 水格外丰富。
从总体上说，降水量的多寡决定着一个地区地下水的丰富 程度 就其水源而言，地表水是由大气降水转化而来的，即使 对于干旱山间盆地，作为地下水主要补给来源的河水，仍然 来源于山区降水，或以冰雪形式积累起来的高山降水。
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
根据地下水循环位臵，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。 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
a. 泉出露两侧岩层的含水性：含水层；隔水层 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
虽然弱透水层的垂向渗透系数相当小，但水力梯度 大，越流的面积大，对于松散沉积物构成的含水系统， 越流补给量可能大于含水层侧向流入量。
M－弱透水层厚度
7.1.4 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。
7.1.5 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。
（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。
人工补给地下水
人工补给地下水的方式有： ① 地面，② 河渠，③ 坑 池蓄水渗补，④ 井孔灌注。 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 控制地面沉降； ④ 防止海水倒灌、咸水 入侵； ⑤ 改善生态环境
变幅确定
实际工作中常用
双环入渗试验装臵
双环注水法--剖面图——连续降水
地中渗透仪结构图
原状土样
地 下 观 测 室 导水管
入渗皿
河南郑州均衡试验场地中渗透仪
试验土柱
地下观测室
7.1地下水的补给 3、降水入渗补给量 （2）山区降水入渗补给量的确定 基岩山区大气降水、地表水与地下水的转换情况比较复杂， 单独求算山区的大气降水入渗补给地下水量很困难，通常的做 法是统一求取山区大气降水与地表水对地下水的补给量。 山区地形切割，地下水位埋藏深度大，地下水的蒸发排
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)
7.1.1 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
降水初期 t1 ： 土层干燥，吸水能力很强，雨水下渗快-渗润阶段
基流：径流过程线中表示河道内 常年Baidu Nhomakorabea现并基本稳定的那部分水 流，完全由地下水补给。
山区的入渗系数α是全年降水与河水补给地下水的量与 年降水量的比值： Q f X 1000
Q——年地下水排泄量（m3/a） ，以前述方式求得； f——汇水区面积（km2）；
X——年降水量（mm）。
汇水区：指某一点上游的所有主支流地区（f就是汇水区的总面积）。
2、降水补给的影响因素 蒸发 地表 下渗补给含水层 降水 地表径流
渗入地面以下的水
≠
补给含水层的水
叶面蒸 腾
土壤水
大气水
土面蒸 发
（降水入渗能力）垂向渗透流速v=Q/t，取决于包气带岩性
在降雨强度超过地表入渗能力时，便将产生地表坡流。
K
入渗速率随时间的变化
7.1.1 大气降水对地下水的补给
2、降水补给的影响因素