地下水垂向入渗补给机理及补给量的研究
降雨入渗补给地下水机理探讨
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降雨入渗补给与作物种类及长势的关系 由太谷均衡实验站包气带土壤水分动态说明， 土
壤的贮水量随季节而发生变化，因而补给量也发生变 化。当作物品种耗水量大， 蒸发蒸腾强烈时， 补给量减 小； 作物长势旺， 产量高时， 补给量相对小。反之， 当作 物品种耗水量小， 蒸发蒸腾减弱时， 补给量增大； 作物 长势弱， 产量低时， 补给量相对大。
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埋深（ *） 图, 地下水位上升高度与地下水埋深关系图
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降雨入渗补给与初始土壤含水率的关系 土壤初始剖面含水量对降雨入渗补给量的影响，
可用土壤剖面的前期影响雨量表示。所谓的前期影响 雨量， 就是由前期降雨所形成的影响本次降雨的补给， 并且贮藏在地下水面以上土壤非饱和带中的水量， 它 反映了本次降雨开始时土壤剖面含水量的大小。当土 壤质地及地下水埋深一定时，降雨入渗引起的地下水 位上升高度主要与初始剖面含水量及降雨量的大小有 关。初始含水量大时， 土壤亏缺量小， 同样的降雨所引 起的补给量就大。初始含水量小时， 土壤亏缺量大， 同 样的降雨所引起的补给量就小。
第 !’卷第 ’期
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文
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降雨入渗补给地下水机理探讨
王政友
(山西省水文水资源勘测局太谷均衡实验站，山西 太谷 "’")""*
摘 要： 通过降雨转化为地下水的过程分析， 论述了土壤水转化为地下水的内在原因及其必要条件和充
要条件。 关键词： 降雨入渗补给； 地下水； 土水势能； 重力水库容； 机理 中图分类号： +,%&-! 文献标识码： . 文章编号： &"""#")/!(!""’*"’#""’%#"’
地下水补给量和排泄量的确定
地下水补给量和排泄量的确定李恒太河北工程大学水电学院河北邯郸056021摘要：在地下水资源评价过程中，不管采用什么方法，其补给量和排泄量的确定是必需要完成的工作，本文就地下水的补给量和排泄量的确定进行了详尽地阐述。
关键词：地下水；补给量；排泄量；基流；越流地下水是人们赖以生存和使用的主要资源之一，但是存在于地下的水究竟有多少？又有多少能供我们利用？人们为了探究此问题，水行政管理部门专门组织专业技术人员进行定量评价与计算，在评价计算过程中，不管采用什么方法，不管其方法多先进，都得确定地下水补给量和排泄量，可见地下水补给量和排泄量的确定在地下水评价中的重要意义，因此，下面将详述地下水补给量和排泄量的确定。
1 地下水补给量地下水的补给来源主要有大气降水、地表水、凝结水、其他含水层（或含水系统）的水、侧给补给、人工补给、融雪水和融冻水等。
1.1大气降水入渗补给地下水降水入渗补给量是指降水（包括坡面漫流和填洼水）渗入到土壤中并在重力作用下渗透补给地下水的水量。
降水入渗补给量一般采用下列方法确定。
1.1.1 地中渗透仪法地中渗透仪是测量降水入渗量、潜水蒸发量和凝结水量的一种地下装置，该装置通过导水管与给水设备相连接的承受补给和蒸发的各种土柱圆筒和测量水量的马利奥特瓶组成，也称为地中蒸渗仪、地中渗透计。
该仪器在各地的地下水均衡试验场中被广泛应用。
由于该法测得的潜水蒸发量和降水入渗补给量虽然是实测值，但仍很难如实模拟天然的入渗补给条件。
其中，潜水面的埋深对潜水补给量有很大影响，同样，对潜水蒸发量也有一定影响。
潜水面在雨季因降水入渗补给而升高，旱季因蒸发排泄而降低，处于连续不断的变动中，而地中渗透仪的每一圆筒中的潜水面都是固定的，因而其实测结果的可靠性还有待进一步证实，且此法只适用于松散岩层，使其应用受到限制。
其结构装置如图1.1所示，工作原理如下：首先调整水位管14，使其内水面与渗透仪中的设计地下水面（6，相当于潜水埋深）保持在同一高度上。
地下水人工补给问题
地下水人工补给问题地下水是一种宝贵的自然资源,是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础。
许多地区过量开采地下水,造成地下水资源逐渐枯竭、水位急剧下降、地面沉降等一系列水资源与环境问题。
地下水人工补给(又称地下水回灌)的实质就是借助某些工程措施,人为地将地表水注入地下含水层中,以增加地下水的补给量、调节和控制地下水位。
在城镇供水、农田灌溉、盐碱化土壤改良、污染控制、环境保护以及石油开发等领域内,地下水人工补给都有广泛的应用。
世界上许多国家先后进行了地下水人工补给的试验研究工作,取得了许多研究成果。
1.中国地下水人工补给研究发展历程。
我国的地下水人工补给大约有近50年的历程。
北京第三棉纺织厂开展了大气制冷与地下水人工回灌试验研究。
北京市水文队先后开展了北京西郊西黄村地区利用废砂石坑进行人工补给地下水的试验、首都钢铁公司大口径井地下水回灌试验等研究。
地矿部水文所先后开展了华北平原地下水资源调蓄措施的研究,在江西、广东、湖南、广西、福建等通过人工补给扩大地下热水流。
20世纪70年代,为合理开发和调节渭北地下水源,李佩成等在黄土地区开展过较大规模的人工补给修建地下水库试验。
90年代李云峰等以高泥沙含量的河水作为补给水源在永济市工业区开展了引黄回灌试验研究。
上海、北京、天津、杭州、西安、沈阳等许多城市均采用过管井回灌,大多为了提供冷却用水,而上海的是为了控制地面沉降。
山东桓台、临清、河北获鹿、南宫、江平原等地治理沼泽地、开垦荒地,进行了人工补给试验,获得成功。
蒿城等地,由于农业用井的大量开采或者为了蓄水抗旱,也进行了回灌工作。
李静在实际调查的基础上运用经济学原理,定量分析了山东某地下水回灌工程的经济效益,为类似问题提供了经验。
我国的地下水人工补给是先从城市地面沉降开始的。
随着20世纪60年代基本查明了地面城市地面沉降机理,70年代基本得到控制,80年代从定性化向走向定量化,为控制地面沉降或调蓄储能、增加地下水的补给,科研工作者通过试验研究,探讨了人工补给渗入机制,总结了不同水文地质条件下的人工补给经验。
7第七章地下水的补给与排泄
第七章地下水的补给与排泄补给：recharge径流：runoff排泄：discharge补给、径流、排泄是地下水参与自然界水循环的重要环节。
7．1 地下水的补给补给––––含水层或含水系统从外界获得水量的过程。
1．大气降水（precipitation）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）（P49,公式5–14；P65，图7–3），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）。
渗入地面以下的水：①滞留于包气带→土壤水，通过腾发ET（evapotranspiration）→返回大气圈；②其余下渗补给含水层→地下水。
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=X-D-∆S式中：q x ––––降水入渗补给含水层的量；X ––––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。
降水入渗系数（α）––––补给地下水的量与降水总量之比。
Xq x =α （小数或%表示） 一般α =0.2 ~ 0.5。
定量计算（入渗系数法）：Q=α·X ·F （注意单位统一，X ：mm/a ，F ：km 2，Q ：m 3/a ） 影响降水入渗补给的因素：① 降水量大小：雨量大，α大；雨量小，α小；② 降水强度：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。
地下水超采区的回灌补源技术与模型分析
（ Ｈ） （ Ｈ） （ Ｈ） ｈ （ ） ｋ ｋ ｋ ＋ ＋ ＝Ｓ １ ｘ ｚ ｓ ｙ ｔ ｘ ｙ ｚ ｘ ｙ ｚ 式中 ： Ｈ 为渗流场的 水 头 ； ｋ ｋ ｋ ｘ、 ｚ 为３个主渗透方向的渗透 ｙ、 系数 ； Ｓ ｓ 为贮水率 。 边界条件为 ：
Ｈ（ ｘ， ｚ） ｘ， ｚ） ｜ ＝ φ（ ｙ， ｙ， Γ １ Ｈ ｋ ｘ， ｚ） ＝ ｑ（ ｙ， ｎ Γ２ Ｈ ＝Ｚ
。 ） ） 边界条件 ， 自由面边界须同时满足式 （ 和式 （ ３ ４
（ ） ２ （ ） ３ （ ） ４
） 式中 ： 第二类边界条件 ； 式（ 为可能逸出面 ４ Γ Γ １， ２ 分别为第一 、
２． ２ 模型的解法
图 １ 回灌补源工程位置 Ｆ ｉ ． １ Ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ａ ｏ ｆ ｒ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｒ ｏ ｅ ｃ ｔ ｇ ｐ ｇ ｐ ｊ
６ ９
（ ） 文章编号 ： ２ ０ ０ ０ ０ ７ ２ ８ ４ ２ ０ １ ５ ０ ２ ０ ９ ６ ３ １ － － －
中国农村水利水电 ·２ ０ １ ５ 年第 ２ 期
地下水超采区的回灌补源技术与模型分析
２ ２ ２ ， ， ， 刘青勇１， 陈学群１， 高 坤３ 管清花１，
（ 山东省水利科学研究院 ， 济南 ２ 山东省水资源与水环境重点实验室 ， 济南 ２ ５ ０ ０ ０ ０； ２． ５ ０ ０ １ ３； １． ） 博兴县水利局 ， 山东 澳洲 ２ ３． ５ ６ ５ ０ ０
５］ 、 律的各向异性 ［ 不可压缩连续渗透介 质 渗 流 场 的 数 学 控 制 方
（ ） 计算时段 。 ２ ０ ０ ９ ３ １ １－２ ０ １ ２ ２ １。 时 间 步 长 以 １ 个 － ０ － ０ － １ － ３ 月计算 ， 时间步长和时间段与模拟 阶 段 相 同 。 在 整 个 拟 合 校 正 过程中 ， 以研 究 区 内 观 测 孔 实 际 观 测 水 位 作 为 模 型 识 别 的 依 据 。 区域水位拟合见图 ４， 各观测孔计算水位和观测水位拟合
降水入渗补给量随地下水埋深变化的实验研究
当 某 一 时 段 （ Ｐ＋Ｉ－ Ｅｔ） ＜０ 时 ， 表 明 这 是 蒸 散 发 时 段 ， 土 壤 储 水量减少的部分形成蒸散发。可以分层计算土壤水减少量 ΔＷｈｉ （ΔＷｈｉ 为负值）。逐层计算某一深度 ｈｉ 的蒸散发量 Ｅｔｈｉ＝－ （ Ｐ＋Ｉ－ Ｅｔ） － ΔＷｈｉ， 可得到各深度向上的蒸散发量。当 Ｅｔｈｉ＝０ 时， ｈｉ 就是这一 时段的最大蒸散发深度。
第⑤栏 是 ０．２ｍ 一 层 的 土 壤 饱 和 储 水 量 与 雨 前 实 测 储 水 量 之差。即分层饱和库容差。冉庄实验站蒸渗仪实测的饱和含水 量为 ３８％（ 体积含水量） ， ０．２ｍ 一层的饱和储水量为 ７６ｍｍ。这样 根据雨前每一层的实测土壤储水量， 可以算得每次雨前相应层 的饱和库容差。
第⑥栏产流量的计算。首先假设某一计算层就是地下水埋 深， 再看进入这一层的可入渗水量是否充满相应的饱和库容 差， 蓄满后多余的水量即为产流量。
如计算 ７ 月 ７ 日的产流量， 首先假设地下水埋深 为 ０．２ｍ， ７ 月 １ 日 的 饱 和 库 容 差 为 ３１．３ｍｍ， 可 入 渗 水 量 为 ２６．９４ｍｍ， 不 能 充满， 即不产流。
收稿日期： ２００６－ １０－ ２５ 作者简介： 李亚峰（ １９６９－ ） ， 男， 河北高碑店， 工程师， 学士， 从事水文水资源工作。
第５期
李亚峰等： 降水入渗补给量随地下水埋深变化的实验研究
５９
综 合 绘 制 Ｐ（ 降 水 量 ） ～Δ（ 地 下 水 埋 深 ） ～Ｐｒ（ 入 渗 补 给 量 ） 关 系 曲 线。由于实测资料缺乏， 影响因素复杂多变， 确定曲线上这“两个 点”的具体位置是很困难的。我们利用冉庄水资源实验站 ８ｍ 定 埋深大型地中蒸渗仪的试验资料， 根据蓄满产流理论， 采用分层 计算还原分析的方法， 对降水入渗补给量随地下水埋深变化规 律进行研究探讨， 分析最佳埋深和稳定点的存在及其位置， 以供 在实际工作中参考。
地质大水文地质学基础讲义07地下水的补给与排泄
第七章地下水经常不断地参与着自然界的水循环。
含水层或含水系统经由补给从外界获得水量，通过径流将水量由补给处输送到排泄处向外界排出。
在补给与排泄过程中，含水层与含水系统除了与外界交换水量外，还交换能量、热量与盐量。
因此，补给、排泄与径流决定着地下水水量水质在空间与时间上的分布。
关于地下水的径流（流动），我们将在第八章加以地下水的补给与排泄讨论。
7．1 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。
补给除了获得水量，还获得一定盐量或热量，从而使含水层或含水系统的水化学与水温发生变化。
补给获得水量，抬高地下水位，增加了势能，使地下水保持不停的流动。
由于构造封闭，或由于气候干旱，地下水长期得不到补给，便将停滞而不流动。
补给的研究包括补给来源、补给条件与补给量。
地下水的补给来源有大气降水、地表水、凝结水，来自其它含水层或含水系统的水等。
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。
7．1．1 大气降水对地下水的补给7．1．1．1 大气降水入渗机制松散沉积物组成的包气带，降水入渗过程相当复杂。
迄今为止，降水入渗补给地下水的机制尚未充分阐明。
我们以松散沉积物为例，讨论降水入渗补给地下水。
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（图7—1）。
活塞式下渗（Piston type infiltration ）：鲍得曼（Bodman ）等人于1943—1944年对均质砂进行室内入渗模拟试验的基础上提出，简而言之，这种入渗方式是入渗水的湿锋面整体向下推进，犹如活塞的运移。
在理想情况下，包气带水分趋于稳定，不下渗也无蒸发、蒸腾时，均质土包气带水分分布如图7—2（c ）中九所示。
包气带上部保持残留含水量（0W ），一定深度以下，由于支持毛细水的存在，含水量大于0W 并向下渐增，接近地下水面的毛细饱和带以及饱水带，含水量达到饱和含水量（s W ）。
实际情况下，只有在雨季过后包气带水分稳定时最接近此理想情况，雨季之前，由于旱季的土面蒸发与叶面蒸腾，包气带上部的含水量已低于残留含水量0W ，而造成所谓的水分亏缺（图7—2a ，（0t ））。
水文地质参数的计算 降水入渗补给系数—概念
1.3 渠系渗漏补给系数 —计算
m渠 (1 )
消耗水量包括湿润渠道两岸包气带土壤（称 浸润带――下同）和浸润带蒸发的水量、渠系水 面蒸发量、渠系退水量和闸门漏水量
0.3～0.9
1.4 灌溉入渗补给系数 —概念
Q入渗 Q灌
可根据灌水后地下水 水位的平均升幅与变 幅带给水度计算
可采用引灌水量或根 据次灌溉定额与年灌 溉次数计算
影响因素主要是包气带岩性、地下水埋深、 灌溉定额及耕地的平整程度。
1.4 灌溉入渗补给系数 —计算
根据野外灌溉试验资料，确定不同土壤岩 性、地下水埋深、次灌溉定额时的值 在缺乏地下水水位动态观测资料和有关试 验资料的地区，可采用降水前土壤含水量 较低、次降水量大致相当于次灌溉定额情 况下的次降水入渗补给系数值近似地代表 灌溉入渗补给系数值
1.1 降水入渗补给系数—水均衡法
在浅层地下水开采强度大、地下水埋藏较深且已形成地 下水水位持续下降漏斗的平原区（又称超采区），可采用水量 平衡法及多元回归分析法推求降水入渗补给系数值。
1.1 降水入渗补给系数—经验值
分区 包气带岩性 中砂、粗砂 细砂、粉砂 冲洪积 平原区 粉土 粉质粘土 水位埋深（m） <2 0.28—0.30 0.26—0.28 0.14—0.23 0.11—0.16 2 —4 0.35—0.45 0.28—0.32 0.23—0.33 0.16—0.24 4—6 6 —8 0.30—0.35 0.28—0.30 0.28—0.25 0.18—0.16 >8
在侧向径流较微弱、地下水埋藏较浅的平原区，可根
据降水后地下水水位升幅、变幅带相应埋深段给水度值 的乘积与降水量的关系计算值。计算公式为：
年