8第八章 地下水的补给与排泄

第八章地下水的补给与排泄补给：recharge径流：runoff排泄：discharge8．1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：q x =p -D -∆S式中：q x ––––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（α）––––补给地下水的量与降水总量之比。

pq p =α （小数或%表示） 式中：α为入渗系数，无因次；q P 为年降水单位面积补给地下水量，mm ；P 为年降水量，mm 。

一般α =0.2 ~ 0.4。

定量计算（入渗系数法）：Q=α·p ·F ·1000 （注意单位统一，p ：mm/a ，F ：km 2，Q ：m 3/a ）影响降水入渗补给的因素：① 年降水量大小：雨量大，α大；雨量小，α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α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；⑥ 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； ⑦ 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（m 3/a ）；p ––––年降水量（mm ）；α––––入渗系数（无量纲）；F ––––补给面积（km 2）。

② 河水补给量：a 达西定律：q x =KAI ；b 断面测流：q x =Q 上-Q 下。

2）α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：Xh X q x ∆==μα 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： 1000⋅⋅=p f Qα式中：Q ––––年地下水排泄量（≈ 补给量）（m 3/a ）；f ––––汇水面积（km 2）；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：q x=KAI；②测定上、下游河流断面的流量（断面测流）：q x=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：MH H K V B A -= （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 ）；H A ––––含水层A 的水头（m ）；H B ––––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（m 3/d ）：Q=V·ω。

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K z 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 排泄––––饱水带减少水量的过程。

1．泉（spring ）M K潜水承压水泉––––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）涨水点落水点干旱气候条件下，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）；③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)。