第四章 地下水的循环

二、地下水渗流运动的基本规律
相关物理量
1、过水断面A与实际过水断面Au: Au=A*ne 其中，ne为有效孔隙度。实际参与渗流的那部分孔隙度。
二、地下水渗流运动的基本规律
2、渗透流速（V）与实际流速（u）
渗透流速V：是假设水流通过整个岩层 断面（骨架+空隙）时所具有的虚拟的 平均流速。 地下水渗透流速 V=u ne，渗透流速等 于平均实际流速与有效空隙度的乘积。 实际流动速度（平均）要大于渗透速 度 意义：研究水量时，只考虑水流通过 的总量与平均流速，而不去追踪实际 水质点的运移轨迹——简化的研究。
一、地下水的补给
（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。
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；
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。
一、地下水的补给
六、其他含水层的补给
一、 基本概念
3 稳定流与非稳定流
稳定流——地下水的各个运动要素（水位、流速、流向 等）不随时间 改变。 非稳定流——地下水的各运动要素随流程、时间等不断
发生变化的水流。
一、 基本概念
注意：
1. 自然界中地下水都属于非稳定流。
⑴ 补给水源受水文、气象因素影响大，呈季节性变化； ⑵ 排泄方式具有不稳定性； ⑶ 径流过程中存在不稳定性。 2. 为了便于计算，常将某些运动要素变化微小，或实际考 虑时间尺度内某些运动要素变化变化不大的渗流，近似地 看作稳定流。
含水层或含水系统失去水量的过程称为排泄。
地下水排泄方式：泉、向河流排泄、蒸发、蒸腾、人
工排泄等。
三、地下水的排泄
1 、泉
（1） 定义：泉是地下水的天然露头。
（2）分类：
根据含水层性质： 上升泉：承压水的天然露头。地下水在静水压力作用下上 升并溢出地表的泉； 下降泉：地下水受重力作用自由流出地表的泉。
一、 基本概念
2、地下水流形态类型
根据流速大小，渗流分两种流态：层流、紊流 层流——在岩石空隙中渗流时，水质点作有秩序的、 互不混杂的流动。流速小，一般岩石空隙； 紊流——水质点无秩序地、互相混杂的流动 。流速大， 岩石大空隙（砾石层、溶洞）。
绝大多数情况下， 地下水属于层流，如第四系松散介质孔隙、细小 裂隙中的流水，但在大的岩溶洞穴、大裂隙中的地下水流则属于紊流。
一、 基本概念
4、水头
地下水是流动的，某一点上承受的
压力除了静水压强之外还有动水压强， 因此总水头（Hd）的表示式变成如下：
式中，p为静水压强；为水的容重； v为实际水流速度。 含水层中实际水流速度很小，较重力加速度小得多，可忽略不计，在一 般问题研究中，视测压水头与总水头相等。
二、地下水渗流运动的基本规律
三、地下水的排泄
泉的类型：
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三、地下水的排泄
2 泄流
泄流是指河流切割含水层时地下水沿河呈带状向河流排泄的现象。
可采用断面测流法、水文分割法和地下水动力学法确定。
在流量过程线上找到 起涨点A，以及退水
后流量趋于稳定的B
点，AB连线以下部 分即为泄流量，称为 基流。
三、地下水的排泄
3 蒸发蒸腾
与含水层透水性，补给区与排泄区之间的水位差成正
比；与补给区到排泄区之间的距离成反比。
径流强弱影响着含水层水量与水质的形成过程。
二、地下水的径流
（3）地下径流量：
用地下径流模数（或称地下径流率）。
地下径流模数（M）表示每年每平方公里含水层面积 上的径流量（m3· km-2· ａ-1），其物理意义、表达式 和河川径流模数一致，其值反映某地区地下径流量丰
2、 径流的指标（方向、强度和径流量）
（1）径流方向： 径流方向总趋势由补给区流向排泄区，由高水位流向 低水位。
受局部地形和含水层非均一性影响，具体的方向和路径 往往复杂，为了掌握地下水的流向，通常通过编制潜水 等水位线图或承压水等水压线图来分析确定。
二、地下水的径流
（2）径流强度：
含水层径流强度——地下水的渗流速度。
小循环 壳内循环 再生水
地质循环与水文循环关系示意图（据阿勃拉莫夫）
4.1 地球上的水循环
二、 水的地质循环 分类：
与岩浆活动有关的循环（如图中1）
与岩石循环相关的循环（如图中2、3、4）
特点：
循环周期长、循环缓慢
4.1 地球上的水循环
三、 水文循环
地下水是自然界水文循环的重要环节.
一、地下水的补给
地表水补给地下水影响因素
（ 1）透水河床的长度和浸水周界的乘积（相当于过水断面），过水断 面大，补给量就大。
（ 2）河床的透水性，亦即河床岩性的渗透系数，渗透系数大，补给量 就大。
（ 3）河水位与地下水的高差，影响水力梯度，水力梯度大补给量就大。
（4）河水过水时间，过水时间长有利于河水补给地下水。 （5）河水流向与地下水流向之间的夹角。
三、地下水的排泄
根据出露原因：侵蚀泉、接触泉、溢流泉和断层泉。

侵蚀泉是沟谷等侵蚀作用切割含水层而形成的泉。
接触泉是由于地形切割沿含水层和隔水层接触处出露的泉。
溢流泉是当潜水流前方透水性急剧变弱或由于隔水底板隆起潜水 流动受阻而溢出地表的泉。

断层泉是地下水沿断层带出露的泉。
接触带泉是地下水沿着岩脉或岩浆岩入侵体与围岩的接触带出露 成泉。
第四章 地下水的循环
4.1 地球上的水循环 4.2 地下水运动规律 4.3 地下水的补径排
4.1 地球上的水循环
一、水循环的分类 地质循环：发生于大气圈到地幔之间的水分交换。 水文循环：大气水、地表水和地壳浅表地下水之间的水 分交换。
4.1 地球上的水循环
初生水 小循环 大循环
埋藏水 地下径流
也愈大；反过来，水力梯度I愈大时，驱动水流运动的速度也愈大。 物理实质： 水在空隙中运动时，必须克服水与隙壁以及流动快慢不同的质点之 间的摩擦阻力（这种摩擦阻力随地下水流速增加而增大），从而消 耗机械能，造成水头损失。 水力梯度可以理解为水流通过单位长度渗透途径为克服摩擦阻力所 耗失的机械能。从另一个角度，也可以将水力梯度理解为驱动力， 即克服摩下水的补给
三、凝结水对地下水的补给
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。
一、地下水的补给
四、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。
欠，是评价地下水资源的一个重要参数。
二、地下水的径流
三、地下径流特点
地下水径流首先取决于水力梯度，地下水流向总是水力 梯度最大的方向。 径流受岩石透水性制约。 水流常呈层流运动，流速很小，动能通常不考虑。
径流强弱影响着含水层水量与水质的形成过程。
二、地下水的径流
三、地下水的排泄
续利用──也是可持续发展保证。
特点： 循环速度快、水交替迅速、强烈，水质更新较快 思考：目前可以人为改变水文循环条件吗？
4.1 地球上的水循环
水的水文循环和地质循环的区别？ 循环范围不同：水文循环局限于地球浅表；地质循环发 生于大气圈到地幔之间。
循环周期不同：水文循环周期小，转换交替迅速；地质
水等入渗补给的地区。 地下水补给来源主要有大气降水、地表水、凝结水、 相邻含水层之间的补给以及人工补给等。
一、地下水的补给
一、大气降水对地下水的补给
影响大气降水补给地下水的因素 年降水量：降水首先需要补足包气带的水分亏损，因此降水量小时 补给地下水的量就小。 降水特征：雨强及其时间分布都影响入渗，绵绵细雨有利于入渗。 包气带岩性：渗透性强（K大）时，容易补给，渗透性差时不利于 补给；持水性大时，滞留在包气带里的水多，补给地下水的就少。 水位埋深：大时消耗于包气带的水分多，不利于补给，而厚度小时 有利于补给。 地形：陡坡不利于补给，平缓有利于补给。 森林、草地：有利于补给，而农作物可能减少补给。 人类工程：都市化不利于补给。
4.1 地球上的水循环
水文循环分类： 路径不同：大循环（海-陆）和小循环（海-海或陆-陆） 时空尺度：全球水文循环，流域水文循环，水-土-生系 统
水文循环的运动规律：
海洋的蒸发量大于降水量 陆地的降水量大于蒸发量
4.1 地球上的水循环
水文循环的作用： 通过循环──水的质量得以净化、水的数量得以再生水 资源不断更新与再生，可以保证在其再生速度水平上的永
Darcy定律（线性渗透定律）
根据试验结果，得到关系式 Q = Kωh/l ----- （1） 根据 I=h/l 可以推出： Q = Kω I ----- （2） 根据水力学流速与流量的关系对上式转化： Q = ω ·V -----（3） 与（2）式比较得 V = K· I ----- （4） 称为渗透流速。
二、地下水渗流运动的基本规律
3、水力坡度（I）（hydraulic gradient）
水力学中水力梯度（I）:单位距离上的水头损失。是沿 渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度之比
二、地下水渗流运动的基本规律
3、水力梯度（I）
从达西公式: V = KI 来看：
当I 增大时，V 也愈大；即流速V 愈大，单位渗流途径上损失的能量
循环周期大，转换交替缓慢。 水文循环是以H2O分子态水进行转换；地质循环常伴有 水分子的分解和合成。
4.2 地下水运动规律
一、 基本概念
1 渗流
渗流：对实际的地下水进行概化，概化后的地下水流 称为渗流。所占据的空间区域称为渗流区（渗流场）。 特定：（1）通过任意断面的流量与真实水流相同；（2） 某一断面水头和压力与真实水流一样。 概化方法：不考虑含水层中固体颗粒的存在，认为含水 层完全被水所充满；不考虑实际流向的多变性，只考虑 单向流。