地下水的补给与排泄

第七章地下水的补给与排泄第一节地下水的补给含水层或含水系统从外界获得水量的过程称作补给。

补给研究包括补给来源、补给条件与补给量。

地下水补给来源有天然与人工补给。

天然补给包括大气降水、地表水、凝结水和来自其他含水层或含水系统的水；与人类活动有关的地下水补给有灌溉回归水、水库渗漏水，以及专门性的人工补给（利用钻孔）。

一、大气降水对地下水的补给（1）大气降水入渗机制松散沉积物中的降水入渗存在活塞式与捷径式两种（见图7－1）：活塞式下渗是入渗水的湿锋面整体向下推进，犹如活塞的运移如图7－1（a）。

图7—1活塞式与捷径式下渗（a）活塞式下渗；（b）捷径式与活塞式下渗的结合图7—2 降水入渗过程中包气带水分分布曲线—残留含水量；—饱和含水量活塞式下渗过程：a）雨季之前（）时，包气带水分分布曲线如图7—2（a）所示，近地表面水分出现亏缺。

b）雨季初期~时，入渗的降水首先补充包气带水分分布曲线的亏缺部分，如图7—2（a）和所示。

c）随着降雨的继续，多余的入渗水分开始下渗，近地表面出现高含水量带，水分分布特征如图7—2（b）时的状况；如果连续降雨高含水量带将向下推进，如果此时停止降雨，高含水量带的水分向下缓慢消散（如图7—2（b）所示）。

d）停止降雨后，理想情况下，包气带水分向下运移最终趋于稳定，不下渗也无蒸发、蒸腾时，含水层获得补给，地下水水位抬升，此时均质土包气带水分分布如图7－2（c）所示。

活塞式下渗是在理想的均质土中室内试验得出的。

实际上，从微观的角度看，并不存在均质土。

尤其是粘性土，捷径式入渗往往十分普遍。

捷径式入渗：当降雨强度较大，细小孔隙来不及吸收全部水量时，一部分雨水将沿着渗透性良好的大孔隙通道优先快速下渗，并沿下渗通道水分向细小孔隙扩散。

存在比较连续的较强降雨时，下渗水通过大孔道的捷径优先到达地下水面。

如图7－1（b）所示。

捷径式下渗与活塞式下渗比较，主要有两点不同：（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先到达含水层；（b）对于捷径式下渗，入渗水不必全部补充包气带水分亏缺，即可下渗补给含水层。

通常情况下，砂砾质土中主要为活塞式下渗，而在粘性土中则活塞式与捷径式下渗同时发生。

（2）影响大气降水补给地下水的因素落到地面的降水，归根结底有三个去向：转化为地表径流，蒸发返回大气圈，下渗补给含水层，如图（7－4）。

由下渗过程可知，渗入到地面以下的水不等于全部补给含水层的水。

其中，相当一部分水滞留在包气带中构成土壤水，通过土面蒸发与叶面蒸腾的方式从包气带水直接转化为大气水。

以平原地区降水入渗补给地下水水量表达式：式中：——降雨入渗补给含水层的量，mm；X——年总降水量，mm；D——地表径流量，mm；——包气带水分滞留量，mm；令则，α称为降雨入渗系数，即每年总降雨量补给地下水的份额，常以小数表示。

图7—4 降水入渗补给含水层框图由降雨入渗表达式，我们可以分析出大气降水补给地下水的影响因素：气候（气象）、包气带的岩性和厚度、地形与植被覆盖等。

气候（气象）包括：年降水总量、降水强度与历时、降水频率，以及温度和蒸发强度。

包气带特征包括：包气带岩性的渗透性和厚度其他因素主要有：地形坡度、地表覆盖程度以及覆盖物的储水-透水特征等。

影响降水入渗补给地下水的因素是相互制约、互为条件的整体，不能孤立的割裂开来加以分析。

二、地表水对地下水的补给（1）河流与地下水的补给关系沿着河流纵断面河流与地下水的补给关系具有分段性的特点（图7－5）。

山区河谷深切，河水位常低于地下水位，其排泄地下水的作用（图7－5a）。

山前由于河流的堆积作用，河床处于高位，河水常年补给地下水（图7－5b）。

冲积平原与盆地的某些部位，河水位与地下水位的关系，随季节而变（图7－5c）；在某些特殊的冲积平原中，河床因强烈的堆积作用而形成所谓的“地上河”，河水经常补给地下水（图7－5d）。

（2）河水补给地下水的影响因素河流与河床：透水河床的长度与侵水湿周的乘积（相当于过水断面），河床透水性（渗透系数）河流与地下水：河水位与地下水位的高差（影响水力梯度），河床至地下水位间的岩性的透水性。

河床过水时间：根据河床的过水时间，河流分为常年性和间歇性。

图7—5 地表水与地下水的补给关系1—基岩；2—松散沉积物；3—地表水位（纵剖面）；4—地下水位；5—地表水位（横剖面）间歇性河流对地下水的补给过程：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7—6a）。

汛期河水不断下渗，水丘逐渐抬高与扩大，与河水联成一体（图7—6b）。

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7—6c）。

图7—6 河水补给地下水1—原地下水位；2—抬高后地下水位；3—地下水位抬高部分；4—河水位；5—补给方向（3）河流渗漏补给地下水的水量的确定简单的确定方法，可以在有渗漏的河段上下游，分别测定断面流量Q1及Q2，则河流渗漏量等于，其中t为河床过水时间。

三、大气降水及河水补给地下水水量的确定（1）平原区大气降水入渗补给量在平原区，大气降水入渗补给地下水的量通常可用下式确定：（7—2）式中：——降水入渗补给地下水量（m3/a）；——年降水量；——入渗系数；——补给区面积（）。

确定入渗系数常用的方法有以下两种：利用地中渗透仪测定地中渗透仪的基本结构如图7—8所示。

在若干个入渗皿中放入本区代表性原状土柱，以水位调节管控制不同的地下水位埋深，经过若干年观测，可以得到不同包气带岩性、地下水位埋深及不同年降水量条件下降水入渗系数。

利用天然潜水位变幅确定在研究区地下水水平径流及垂向越流与蒸发都很微弱、不受开采影响的地段里，观测不同包气带岩性、地下水位埋深，由降水入渗引起的地下水抬升值，同时观测降水量，结合测定地下水位变动带的给水度则：（7—3）注意：一个地区的植被不同，蒸腾量很不相同，值就不相同。

因此，应当选用植被情况不同的地段求取值。

（2）山区降水与河水入渗量山区的大气降水入渗补给地下水量：由于山区地形切割，地下水位埋藏深度大，地下水的蒸发排泄量可以忽略，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。

山区地下水全部以大泉形式集中排泄时，可通过定期测定泉流量求得全年排泄量。

图7—8 地中渗透仪结构图〔据河北省地质局水文地质观测总站〕1—入渗（蒸发）皿；2—导水管；3—地下观测室；4—室边排水沟；5—原状土样；6—皿内水位；7—过滤层；8—过滤管；9—检查管；10—防沉底座；11—支架；12—测压管；13—马里奥特瓶；14—水位调整管；15—接渗瓶；16—加水管；17—出水管；18—通气管；19—接渗管；20—截门；21—防水墙如果地下水为分散泄流排泄，可通过分割河水流量过程线求年排泄量。

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。

山区的入渗系数是全年降水与河水补给地下水的量与年降水量的比值：（7—4）式中：——年地下水排泄量，以前述方式求得；——汇水区面积（km2）；——年降水量（mm）。

四、凝结水的补给在某些地方，水汽的凝结对地下水的补给有一定意义。

凝结作用：饱和湿度随温度降低，温度降到一定程度，空气中的绝对湿度与饱和湿度相等。

温度继续下降，超过饱和湿度的那一部分水汽，便凝结成水。

这种由气态水转化为液态水的过程称作凝结作用。

一般情况下，凝结形成的水相当有限。

五、含水层之间的补给（1）两个含水层相邻：两个含水层之间存在水头差且有联系的通路，则水头较高的含水层便补给水头较低者（图7—10、7—11）。

图7—10 承压水补给潜水1—含水层；2—隔水层；3—潜水位；4—承压水测压水位；5—下降泉；6—地下水流向图7—11 潜水补给承压水1—含水层；2—隔水层；3—潜水位；4—承压水测压水位；5—上升泉；6—地下水流向图7—12 松散沉积物中含水层通过“天窗”及越流发生水力联系1—基岩；2—含水层；3—弱透水层；4—降水补给；5—地下水流向（2）两个含水层间隔水层分布不稳定：在其缺失部位的相邻的含水层便通过“天窗”发生水力联系（图7—12）。

（3）两个含水层间为弱透水层——越流：相邻含水层通过其间的弱透水层发生水量交换。

越流经常发生于松散沉积物中，粘性土层构成弱透水层。

越流补给量的大小，也可用达西定律进行分析。

根据，在一维流动条件下，单位水平面积弱透水层的越流量为：（7—6）式中：——弱透水层垂向渗透系数；——驱动越流的水力梯度；——含水层A的水头；——含水层B的水头；——弱透水层厚度（等于渗透途径）。

尽管弱透水层的垂向渗透系数相当小，但是，由于驱动越流的水力梯度往往比水平流动的大上2—3个数量级，产生越流的面积（全部弱透水层分布范围）更比含水层的过水断面大得多，对于松散沉积物构成的含水系统，越流补给量往往会大于含水层侧向流入量。

（4）两个含水层间有导水断层：切穿隔水层的导水断层往往成为基岩含水层之间的联系通路（图7—13）。

同理，穿越数个含水层的钻孔或止水不良的分层钻孔，都将人为地构成水由高水头含水层流入低水头含水层的通道。

图7—13 含水层通过导水断层发生水力联系1—隔水层；2—含水层；3—导水断层；4—地下水流向；5—泉六、地下水的其它补给来源建造水库、进行灌溉以及工业与生活废水的排放都使地下水获得新的补给。

灌溉渠道的渗漏以及田面灌水入渗常使浅层地下水获得额外的补给。

采用有计划的人为措施补充含水层的水量称之为人工补给地下水。

第二节地下水的排泄排泄定义：含水层或含水系统失去水量的过程。

排泄方式：天然排泄有泉、向河流泄流、蒸发和蒸腾等，以及一个含水层（含水系统）向另一个含水层（含水系统）的排泄。

人工排泄有用井孔抽汲地下水，或用渠道、坑道等排除地下水等。

一、泉泉是地下水的天然露头，在地形面与含水层或含水通道相交点地下水出露成泉。

根据补给泉的含水层性质分类：上升泉和下降泉两大类。

上升泉由承压含水层补给，下降泉由潜水或上层滞水补给。

根据出露原因下降泉可分为：侵蚀泉、接触泉与溢流泉。

沟谷切割潜水含水层时，形成侵蚀（下降）泉（图7－17a、b）。

地形切割达到含水层隔水底板时，地下水被迫从两层接触处出露成泉，这便是接触泉（图7－17c）。

图7—17 泉的类型1—透水层；2—隔水层；3—坚硬基岩；4—岩脉；5—风化裂隙；6—断层；7—潜水位；8—测压水位；9—地下水流向；10—下降泉；11—上升泉按出露原因上升泉可分为：侵蚀（上升）泉、断层泉及接触带泉。

当河流、冲沟等切穿承压含水层的隔水顶板时，形成侵蚀（上升）泉（图7－17h）。

地下水沿导水断层上升，在地面高程低于测压水头处涌溢地表，便形成断层泉（图7－17i）。