8第八章 地下水的补给与排泄

补给：recharge

径流：runoff

排泄：discharge

8．1概述

补给、径流、排泄是地下水参与自然界水循环的重要环节。

    地下水通过补给与排泄，获得、消耗并重新分布能量，保持不断流动和循环交替。

     地下水通过补给与排泄，获得与消耗并重新分布可溶气体及盐量，更新溶滤能力。

     地下水通过补给和排泄，保持不断流动循环支撑有关水文系统和生态环境系统正常运行。

8．2  地下水的补给

补给––––饱水带获得水量的过程。

1．大气降水（precipitation）

以松散沉积物为例，讨论降水入渗补给地下水的过程。

包气带截留的水量，用于补足降水间歇期由于蒸散造成的水分亏缺。

一次降水过程，除去植被截留以及包气带截留外，大气降水量最终转化为3部分：地表径流量、蒸散量及地下水补给量(图8.1)。

一次降水过程中，包气带水分变化及其对地下水补给的影响(图8.2)。

入渗机理：

1）活塞式下渗（piston type infiltration）→Green–Ampt模型：求地表处的入渗率（稳定时v→K）（P48,公式6.11；P72，图8.3），累积入渗量。

2）捷径式下渗（short-circuit type infiltration），或优势流（preferential flow）。

降水→地下水储量增加→地下水位抬高→势能增加。

降水转化为3种类型的水：

1地表水，地表径流（一般降水的10   20%产生为地表径流）；

2土壤水，腾发返回大气圈（一般大于50%的降水转为土壤水，华北平原有70%的降水转化为土壤水）；

3地下水，下渗补给含水层（一般20   30%降水渗入地下进入含水层）。

因此，落到地面的降水归结为三个去向：（1）地表径流；（2）土壤水（腾发返回大气圈）；（3）下渗补给含水层。

入渗补给地下水的水量：

    qx=p D ∆S

式中：qx––––降水入渗补给含水层的量；

p––––年降水总量；

D––––地表径流量；

∆S–––包气带水分滞留量。

单位：mm水柱。

大气降水补给地下水的影响因素：

降水入渗系数（ ）––––补给地下水的量与降水总量之比。

  （小数或%表示）

式中：α为入渗系数，无因次；qP为年降水单位面积补给地下水量，mm；P为年降水量，mm。

一般  =0.2   0.4。

定量计算（入渗系数法）：Q= ·p·F·1000 （注意单位统一，p：mm/a，F：km2，Q：m3/a）

影响降水入渗补给的因素：

1 年降水量大小：雨量大， 大；雨量小， 小；

2 降水强度及其时间分布：间歇性的小雨，构不成对地下水的有效补给（如华北平原，一次降水<10mm的为无效降雨）；连绵小雨有利于补给；集中暴雨→一部分转化为地表径流→不利于补给；

③ 包气带岩性：K大，有利于入渗；K小，不利于入渗；

④ 包气带厚度：厚，入渗量小，河北平原存在“最佳埋深”，一般4   6m，地下水位在“最佳埋深”时，入渗补给量最大，入渗系数 也最大；

⑤ 降雨前期土壤含水量：含水量高，有利于补给；含水量低，不利于补给；

地形地貌：坡度大→地表径流量大→不利于补给；地势平缓，有利于补给；

植被覆盖情况：植被发育，有利于拦蓄雨水和入渗；但浓密的植被，尤其是农作物，蒸腾量大，消耗的土壤水分多，不利于补给。

2．大气降水、河水补给地下水水量的确定

1）平原区：

① 大气降水入渗补给量（入渗系数法）：

Q=p·α· F ·1000

式中：Q––––降水入渗补给地下水的水量（m3/a）；

p––––年降水量（mm）；

α––––入渗系数（无量纲）；

F––––补给面积（km2）。

② 河水补给量：

   a 达西定律：qx=KAI；

   b 断面测流：qx=Q上 Q下。

2） 的确定

① 地中渗透仪（或蒸渗仪：lysimeter，P69，图7–8）：测定入渗到地下水的水量来计算α。

② 潜水位变幅（埋藏较浅）：观测降水入渗引起的地下水位变幅 h，来计算α：

3）山区：

由于山区“三水”（大气水、地表水、地下水）的转化规律较复杂，分别区分大气降水、地表水对地下水的补给量往往较困难，所以常常将大气降水补给量和地表水补给量统一放在一起，作为一个量来考虑––––地下水的补给量。

在山区，一般：地下水的补给量≈地下水的排泄量：

山区入渗系数α的计算：

式中：Q––––年地下水排泄量（≈ 补给量）（m3/a）；

f––––汇水面积（km2）；

p––––年降水量（mm/a）。

3．地表水

地表水对地下水的补给：

地表水补给地下水必须具备两个条件：①地表水水位高于地下水；②两者之间存在水力联系。

1）山区：一般排泄地下水（河水位低于地下水位，地下水补给河水），洪水期：补给地下水；

2）山前：常年补给地下水（河水位高于地下水位）；

3）平原：河水补给地下水（“地上河”）。

影响因素：① 河床的透水性；② 水位差（河水与地下水）。

定量计算：

1 达西定律：qx=KAI；

② 测定上、下游河流断面的流量（断面测流）：qx=Q上 Q下。

大气降水、地表水是地下水的两种主要补给来源。其特点：

1）从空间分布上看：大气水属于面状补给，范围大且均匀；

                   地表水（河流）为线状补给，局限于地表水体周边。

2）从时间分布上看：大气降水持续时间较短；

                   地表水（河流）持续时间较长，是经常性的；

简而言之：大气降水：面状补给，持续时间短；

              地表水：线状补给，经常性的，持续时间较长。

条件变化的影响：

地下水开采以后，由于水位的下降，水文地质条件的变化，大气降水、地表水的补给强度也要发生变化。地下水位下降后，由于包气带的加厚，降水补给量有可能减少；地表水与地下水水头差的加大，地表水的补给量有可能增大。

由于地表水归根结底来源于大气降水，所以降水量的多少→决定一个地区地下水资源量的多少。

补给特点：

    潜水：整个含水层分布面积上接受补给；

    承压水：仅在含水层出露面积上接受补给。

4．凝结水的补给

气温下降：气态水→液态水→凝结水。

对于高山、沙漠及昼夜温差大的地区有一定意义。

5．地下水人工补给

1农田灌溉

灌溉回归水––––灌溉渗漏补给含水层的水称之为灌溉回归水。

2人工补给地下水

6．含水层之间的补给（越流补给）

1）两个含水层之间存在弱透水层，且有水头差时，水头较高的补给水头较低的含水层，形成→越流。

越流（leakance）––––相邻含水层通过其间的弱透水层发生水量交换，称作越流。

2）隔水层分布不稳定，局部缺失，形成“天窗”→补给。

3）越流量的大小用Darcy定律计算：

  （单位时间、通过单位面积上的水流体积––––通量）

式中：V––––单位水平面积弱透水层的越流量（m/d）；

K––––弱透水层垂向渗透系数（m/d）；

HA––––含水层A的水头（m）；

HB––––含水层B的水头（m）；

M––––弱透水层的厚度（m）。

则，通过整个越流层的水量（m3/d）：Q=V· 。

由此可见，相邻含水层之间的水头差愈大，弱透水层厚度愈小，垂向透水性愈好，则越流量愈大。

尽管弱透水层的垂向渗透系数Kz相当小（可能比含水层小若干个数量级），但是由于驱动越流的水力梯度往往比水平流动大2～3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，越流量往往大于含水层的侧向流入量。

与含水层的过水断面（侧向）相比较，由于弱透水层分布面积（水平）大，越流量往往不容忽视。

8．3  地下水的排泄

泉

向地表水泄流

蒸发、蒸腾

越流排泄

凝结水

其它含水层等

排泄––––饱水带减少水量的过程。

1．泉（spring）

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。

泉的分类：

1）按含水层性质：上升泉：由承压含水层补给。符号（尾巴上升）：

                 下降泉：由潜水含水层补给。符号（尾巴不上升）：

2）按出露原因（进一步分，P75图7–17）：

例子，泉城济南：

在岩浆岩与石灰岩的接触带上形成泉群。

O石灰岩呈一单斜构造（强含水层），下伏地层为Є（相对隔水层），大气降水渗入地下转化为地下水，地下水顺O石灰岩倾斜方向运动，遇岩浆岩（隔水层）受阻，溢出地表成泉。如著名的趵突泉等。

2．泄流（discharge flow）（向河流排泄）

泄流––––当河流切割含水层时，地下水沿河呈带状排泄，称作地下水的泄流。

通过对河流流量过程线的分割→地下水泄流量。

关于分割流量过程线，更多的例子可参考有关《水文学》方面的著作。

3．蒸发（evaporation E）

干旱气候条件下，地势低平的平原与盆地，蒸发→地下水的主要排泄方式。

地下水的蒸发排泄可分为两种：一种是土壤水的蒸发；另一种是潜水的蒸发。

1）土壤水的蒸发：不直接消耗饱水带的水，但影响饱水带接受大气降水的补给。

2）潜水的蒸发：

紧接潜水面存在支持毛细水带，潜水沿潜水面不断上升（以毛细方式），然后由液态水转化为气态水→向大气蒸发（潜水埋藏浅的条件下）。

水分沿毛细带不断蒸发，盐分浓集于地表（土壤积盐），降水时，盐分淋洗，返回潜水（土壤脱盐），当积盐量>脱盐量时→土壤盐渍化。

强烈蒸发条件下→地下水浓缩盐化。

不合理的灌溉，使潜水面抬升，原先没有盐渍化的土壤产生盐渍化––––次生盐渍化。

影响潜水蒸发的因素：

① 气候：愈干燥，蒸发量愈大（定量：蒸发量E与气象因素的关系式）；

② 潜水面埋深：埋深小，E大；埋深大，E小（E=0，极限地下水埋深）（定量：E与埋深的关系，阿维里扬诺夫公式）；

岩性：

砂：毛细上升高度小（不利于蒸发）；

粘土：毛细上升速度太慢（不利于蒸发）；

亚砂土、粉砂土：毛细上升高度较大，速度快→蒸发强烈。

4．蒸腾（transpiration T）

叶面蒸发––––蒸腾。

根系吸收水分→叶面蒸发。

生产1kg小麦，需耗水1200 ~ 1300kg。

实际工作中：土面蒸发量E、植物蒸腾量T，常常作为一个量来计算，称为腾发量ET（evapotranspiration）或蒸散量。

具体计算ET的方法：可参阅有关《农业气象》方面的著作。

5．人工排泄

用井孔开采地下水、矿坑疏干、开发地下空间排水、农田排水等，都属于地下水人工排泄。随着现代化进程，我国许多地区，尤其是北方工农业发达地区，大强度开采地下水已经引起一系列不良后果，导致河流基流消减甚至断流，损害生态环境，引起与地下水有关的各种地质灾害。

8．4  含水层之间的补给和排泄

常见的含水层(含水系统)之间水力联系的方式有：含水层之间通过叠合接触部分发生补给(排泄)，如图8.14a，b所示；含水层之间通过导水断裂发生补给(排泄)，如图8.14c所示；含水层之间通过穿越其间的井孔发生补给(排泄)，如图8.14d所示；含水系统内部通过弱透水层越流而形成统一水力联系(图8.14e)。

松散沉积物中，通过粘性土弱透水层越流，沟通砂砾含水层，构成具有统一水力联系的含水系统。值得注意的是，松散沉积物含水系统中，通过含水层顺层输运的水量，往往没有经由弱透水层的越流量大。

思考题

1.地下水补给?

2.凝结作用?

3.地下水排泄?

4.泉?

5.上升泉?

6.下降泉?

7.侵蚀(下降)泉?

8.接触泉?

9.溢流泉?

10.断层泉?

11.接触带泉?

12.地下水的泄流?

13.试解释图8.3所示入渗速率随时间变化的原因。

14.利用定水位埋深的地中蒸渗仪求取降水入渗系数时，可能产生哪些误差?原因是什么?

15.降水分别以活塞式或捷径式入渗时，对地下水补给有何不同?

16.平原中微小的地形起伏，对于降水补给地下水有何影响?

17.试分析地下水径流条件对干旱半干旱地区水土盐化的影响。

18.湿润平原区的潜水同样存在蒸发消耗，为什么水土不会盐化?

19.试分析图8.14中影响含水层之间补给(排泄)量的因素。

20.补给、径流、排泄是地下水参与自然界           的重要环节。

21.地下水补给的研究包括          、          与           。

22.地下水的天然补给来源有           、           、          、           。

23.与人类活动有关的地下水主要补给源有           、            以及专门性的           。

24.松散沉积物中大气降水的入渗有两种方式：          、           。

25.降水转化为3种类型的水：          、          、           。

26.落到地面的降水，归根结底的三个去向是         、         和         。

27.影响大气降水补给地下水的因素主要有         、         、         、

            和         。

28.由于地表水归根结底来源于大气降水，所以         的多少决定一个地区地下水资源的多少。

29.研究含水层的排泄包括         、         与         等。

30.地下水的天然排泄方式有          、          、          、          、

           。

31.根据补给泉的含水层性质，可将泉分为         及         两大类。

32.根据泉的

33.成因，下降泉可分为         、         与         。

34.上升泉按其成因可分为         、         与         。

35.影响潜水蒸发的因素是         、         、         及         。

36.将补给、排泄结合起来，我们可以将地下水循环划分为         和         两大类。

37.地下水补给的研究内容有哪些?地下水的补给来源有哪些？

38.松散沉积物中存在哪两种降水入渗形式？二者有什么不同?

39.河水补给地下水时，补给量的大小取决于哪些因素?

40.河水补给地下水时，补给量的定量计算方法？

41.地表水对地下水的补给，在山区与平原有什么不同？

42.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？

43.地下水开采后，由于水位的下降，其补给将发生怎样的变化？

44.潜水、承压水接受补给的特点？

45.平原区大气降水补给地下水水量的确定方法？

46.山区如何确定地下水的补给量？

47.为什么平原区计算含水层的补给量时，越流量往往不容忽视？

48.含水层之间进行水量交换时，必须具有水力联系，常见的联系形式有哪几种?

49.地下水排泄的研究内容和地下水的排泄方式有哪些?

50.简述泉的分类？

51.地下水的补给与排泄对地下水的水质是如何影响的?

52.影响大气降水补给地下水的主要因素有哪些？如何影响?

53.影响河水补给地下水的主要因素有哪些？如何影响?

54.如何确定地下水的泄流量？

55.平原区确定入渗系数的常用方法有哪几种？各方法的使用条件是什么?

56.画图说明泉的分类?

57.影响地下水蒸发的因素有哪些？如何影响?

58.水位埋藏浅的平原或盆地，潜水蒸发会产生什么结果？

59.有一潜水含水层，潜水位为100米，其下部有一承压含水层，测压水头为80米，两含水层之间有一层10米厚的弱透水层，其垂向渗透系数为0．00l米/天，试计算单位时间、单位水平面积上的越流量。

60.一潜水含水层，潜水位为80米，其下部有一承压含水层，测压水头为70米，两含水层之间有一层5米厚的弱透水层，测得单位水平面积上的越流量为0．01立方米／天，试计算弱透水层的垂向渗透系数。

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