地下水補給量和排泄量的確定

地下水補給量和排泄量的確定李恒太河北工程大學水電學院 河北邯鄲 摘 要： 在地下水資源評價過程中，不管采用什么方法，其補給量和排泄量的確定是必需要完成的工作，本文就地下水的補給量和排泄量的確定進行了詳盡地闡述。關(guān)鍵詞： 地下水；補給量；排泄量；基流；越流地下水是人們賴以生存和使用的主要資源之一，但是存在于地下的水究竟有多少？又有多少能供我們利用？人們?yōu)榱颂骄看藛栴}，水行政管理部門專門組織專業(yè)技術(shù)人員進行定量評價與計算，在評價計算過程中，不管采用什么方法，不管其方法多先進，都得確定地下水補給量和排泄量，可見地下水補給量和排泄量的確定在地下水評價中的重要意義，因此，下面將詳述地下水補給量和排泄量的確定。1 地下水補給量地下水的補給來源主要有大氣降水、地表水、凝結(jié)水、其他含水層（或含水系統(tǒng)）的水、側(cè)給補給、人工補給、融雪水和融凍水等。1.1 大氣降水入滲補給地下水 降水入滲補給量是指降水（包括坡面漫流和填洼水）滲入到土壤中并在重力作用下滲透補給地下水的水量。降水入滲補給量一般采用下列方法確定。1.1.1 地中滲透儀法 地中滲透儀是測量降水入滲量、潛水蒸發(fā)量和凝結(jié)水量的一種地下裝置，該裝置通過導水管與給水設(shè)備相連接的承受補給和蒸發(fā)的各種土柱圓筒和測量水量的馬利奧特瓶組成，也稱為地中蒸滲儀、地中滲透計。該儀器在各地的地下水均衡試驗場中被廣泛應(yīng)用。由于該法測得的潛水蒸發(fā)量和降水入滲補給量雖然是實測值，但仍很難如實模擬天然的入滲補給條件。其中，潛水面的埋深對潛水補給量有很大影響，同樣，對潛水蒸發(fā)量也有一定影響。潛水面在雨季因降水入滲補給而升高，旱季因蒸發(fā)排泄而降低，處于連續(xù)不斷的變動中，而地中滲透儀的每一圓筒中的潛水面都是固定的，因而其實測結(jié)果的可靠性還有待進一步證實，且此法只適用于松散巖層，使其應(yīng)用受到限制。其結(jié)構(gòu)裝置如圖1.1所示，工作原理如下：首先調(diào)整水位管14，使其內(nèi)水面與滲透儀中的設(shè)計地下水面（6，相當于潛水埋深）保持在同一高度上。當滲透儀中的地柱接受降水入滲或凝結(jié)水的補給時，其補給量將會通過導水管2流入接滲瓶15內(nèi)，可直接讀出補給水量；當土柱內(nèi)的水面產(chǎn)生蒸發(fā)時，便可由水位調(diào)整管14供給水量，再從馬利奧特瓶13讀出供水水量（即潛水蒸發(fā)消耗量）。1.1.2 有限差分法該方法是利用同一剖面上三個觀測孔水位資料，按有限差分方程式計算降水入滲量Q雨滲。圖1.2 同一剖面上觀測孔的水位變化圖如圖1.2所示，其有限差分方程為： （1）式中：Q雨滲為降雨入滲量；K為滲透系數(shù)；為給水度；t為兩次時間間隔；其它意義如圖中所示。1.1.3 泰森多邊形法在典型地段布置觀測孔組，并有一個水文年以上的水位觀測資料時，可用差分方法計算均衡期的降水入滲補給量或潛水蒸發(fā)量，只要觀測資料可靠，計算結(jié)果便有代表性。如圖1.3所示，其計算過程如下： （2）式中：Q滲為泰森多邊形內(nèi)的入滲量或蒸發(fā)量，m3/d；F為泰森多邊形面積，m2；為給水度（無量綱）；t為中央孔在時段的水位變幅，m；T為導水系數(shù)，m2/d；Hi、Ho為i號孔和中央孔O的水位，m；bi-o、ri-o為中央孔和周圍各孔之間過水斷面的寬度和距離，m。 圖1.3 泰森多邊形示意圖1.1.4 利用降水前后地下水觀測資料估算這種方法適用于地下水位埋藏深度較大的平原區(qū)。根據(jù)降水前后的地下水水位觀測資料，Q雨滲可近似求得： Q雨滲=（Hmax-HHt） （3）式中：Q雨滲為降水入滲補給量，m；為地下水位變動帶內(nèi)的給水度（無量綱）；Hmax為降水后觀測孔中的最大水柱高度，m；H為降水前觀測孔中的水柱高度，m；H為臨近降水前，地下水水位的天然平均降（升）速，m/d；t為觀測孔水柱高度從H變到Hmax的時間，d。1.1.5 水量平衡法因大氣降水主要補給潛水，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，建立研究區(qū)的潛水水量平衡方程，可確定降水入滲補給量。潛水均衡方程為： A-B=H （4） H=（Q雨滲+Q河滲+Q凝結(jié)+Q側(cè)入+Q越入）-（Q蒸發(fā)+Q溢出+Q側(cè)出） （5）式中：A為潛水的收入項；B為潛水的支出項；為給水度；H為潛水位變幅；Q雨滲為降水入滲補給量；Q河滲為地表水入滲補給量；Q凝結(jié)為凝結(jié)水補給量；Q側(cè)入為上游斷面潛水流入量；Q越入為下覆承壓含水層越流補給潛水水量，若潛水向承壓水越流排匯，則其前符號相反；Q蒸發(fā)為潛水蒸發(fā)量（包括土面蒸發(fā)及葉面蒸騰）；Q溢出為潛水以泉或泄流形式的排泄量；Q側(cè)出為下游斷面潛水流出量。1.1.6 降水入滲系數(shù)法 降水入滲系數(shù)是一個地區(qū)單位面積上降水入滲補給地下水的量與總降水量的比值則一個無量綱系數(shù)。它不是一個常數(shù)，其值在0-1之間，并隨空間和時間的變化而變化。其地下水量可以用下式計算。 （6）式中，Pr為降水入滲補給量（萬m3）；P為有效降水量（mm）；為降水入滲補給系數(shù)（無因次）；F為均衡計算區(qū)計算面積（km2）。 有效降水量是指一次降水能實際形成地下水補給量的降水量。根據(jù)多年降水系列資料，用皮爾遜III型曲線進行頻率分析，得出不同保證率（如P=50%, P=75%和P=95%）條件下的降水量，然后分別計算出不同保證率條件下的入滲補給量。該方法的優(yōu)點是應(yīng)用方便，只要有徑流和降水兩項資料即能求得，但方法本身也存在著缺點和不足，例如在均衡方程中沒有考慮包氣帶的作用，且當存在其他補排條件時但不能應(yīng)用，因此只能是近似解。1.1.7 水文學法在缺乏地下水長期觀測資料，但有河流流量資料的地區(qū)，可用水文學方法推求流域平均的降水入滲補給量，主要有水文分割法。降雨按照水流進入河道的路徑可分為地表徑流(直接徑流)、壤中流(快速表層流)和基流(地下徑流)三種。洪水分析中經(jīng)常需要將流量過程線分割成不同的徑流成分，因而需要進行基流分割。通過分割河流流量過程線把地表徑流和地下徑流區(qū)分開來的方法稱為水文分割法。目前對于基流分割存在許多方法?？偟膩碚f，就我國而言，徑流的劃分主要有兩步：先是從總徑流過程中割去所謂的深層地下徑流，采用的方法一般是取歷年最枯流量的平均值或本年汛前最枯流量用水平線分割：然后再將剩下的徑流劃分為地面徑流(又叫直接徑流)和淺層地下徑流，采用的方法一般是斜線分割法。而國外的徑流水源劃分一般是將總徑流直接劃分為地面徑流和基流兩個部分，基流的分割方法有單線性水庫法，雙線性水庫法、滑動最小值法、數(shù)字濾波法等。1.1.7.1直線分割法 直線分割法分為水平線分割法和斜線分割法。要將流量過程線分割成部分流量過程線，首先需要判斷地表徑流開始點，即流量過程線與前期穩(wěn)定基流消退曲線的分叉點，即圖中a點。接下來的關(guān)鍵就是要確定地表徑流的終止點。 （1）水平線分割法 從實測流量過程線的起漲點a作一水平線交過程線的退水段于e點，即把e點作為地表徑流的終止點。水平線ae就是該次洪水的地表地下徑流分割線，ac線以下的就是基流。 （2）斜線分割法 將同一流域上的多條流量退水曲線組合在一起，畫在同一坐標紙上，使其下部重疊，這樣得到的組合線的下包線即為標準退水曲線。將標準退水曲線移繪到透明紙上，再將其覆蓋到要分割的流量過程線的退水段上(注意比例尺要一致)，使橫軸重合，然后左右平移使兩者退水段尾部吻合，則兩線開始重疊的時刻，就可以作為地面徑流的終止點。從實測流量過程線的起漲點a到地面徑流終止點e連一斜線ae，ae線以下的即為基流。另外也可以用半對數(shù)退水曲線來確定地表徑流終止點。 1.1.7.2參數(shù)分割法 以地下徑流形成的基本規(guī)律為基礎(chǔ)，建立水庫的蓄泄方程和水量平衡方程。聯(lián)立求解，推導出地下徑流分割的計算公式，再進行參數(shù)的優(yōu)選。 1.1.7.3滑動最小值法 滑動最小值法由英國水文研究所提出，它將整個流量序列劃分成以5天為一個單元的互不嵌套的塊。然后確定這些塊中的最小值，采用一定的規(guī)則確定由這些最小值所組成的拐點，將各個拐點連接起來得到基流序列。 1.1.7.4濾波法 濾波法為近年來國際上研究最為廣泛的基流分割方法。它試圖通過數(shù)字濾波器將信號分解為高頻和低頻信號，相應(yīng)地將徑流過程劃分為地表徑流和基流兩個部分。 1.1.7.5水文模擬法 通常采用單一線性水庫模型演算地下徑流過程，也有用兩個線性水庫串聯(lián)去分割河川基流。 1.1.8 水分通量法水分通量是指單位時間內(nèi)垂直通過單位面積所傳遞的水量。水分通量法是計算降水入滲補給量的一種重要物理方法。該方法無需考慮水分在土壤中的實際運動過程，通過已知斷面的水分通推求降水入滲補給量。水分通量法一般是零通量面（ZFP）法和定位能量面法相結(jié)合使用。1.1.8.1 零通量面（ZFP）法零通量面是指在包氣帶中通過土壤水勢梯度為零的點的水平斷面。此斷面以上的水分全部消耗于蒸發(fā)蒸騰(土壤水分向上運動),該斷面以下的水分全部消耗于補給潛水(土壤水分向F運動),通過該斷面的土壤水分通量為零。零通量面隨時間而變,并不固定。由達西定律，土壤水分通量為：，當時，q=0，即為零通量面，圖1.4中的A、B兩斷面均為零通量面。圖1.4 土壤剖面水勢分布及零通面應(yīng)用零通量面法計算土壤水分通量時，在t1至t2計算時段內(nèi)，根據(jù)零通量面的發(fā)育狀況不同，可分為ZFP穩(wěn)定條件下的計算公式和ZFP移動條件下的計算公式。（1）ZFP穩(wěn)定條件下的的計算公式在t1至t2時段內(nèi)，零通量面以下某一深度Z處下滲量計算公式為： （7）式中D為t1至t2時段內(nèi)在土壤剖面深度Z處的下滲量。（2）ZFP移動條件下的計算公式零通量面隨時間的變化實際上是移動的，ZFP的位置是時間的函數(shù)，即Zo (t)。它的發(fā)育受多種因素影響，所以，零通量面的位置是隨時間不斷地變化，在這種情況下，土壤下滲量的計算公式為： （8）1.1.8.2 定位通量面法 當土壤水分長期處于蒸發(fā)或入滲狀態(tài)時，土壤剖面上并不一定存在零通量面，在這種情況下，若能己知某一斷面上的土壤水分通量，則可利用己知斷面通量，推求其它斷面通量，這種方法稱為己知通量法。常用的己知通量法是定位通量法。定位通量法與ZFP法一樣，它的理論基礎(chǔ)仍然是達西定律和質(zhì)量守恒原理。由達西定律計算某一選定邊界，即定位邊界處土壤水分通量通過的水量，利用土壤剖面含水量分布資料，計算土壤水分的變化量。這種計算通過任意斷面Z處的土壤水分通量 q（Z），或水量Q（Z）的方法，稱為定位通量法。1.2 地表水對地下水的補給 地表水是地球表面的各種形式天然水的總稱。主要指河流、水庫、湖泊、坑塘等地表水體，當?shù)乇硭w與地下水之間存在水頭差，且地表水位高于沿岸地下水位時，地表水便可能入滲補給地下水。1.2.1 河流滲漏量的確定 當河道水位高于河道岸邊地下水水位時，河水滲漏補給地下水。1.2.1.1 利用實測河流上、下游流量直接推求 這是一種最簡單、最直接的方法，只需在河流可能發(fā)生滲漏地段的上、下游段各測一斷面流量，則河流的滲漏量可用下式計算： Q河滲=Q1-Q2 （9）式中：Q河滲為河流的滲漏量；Q1和Q2分別為河流上、下游斷面流量。1.2.1.2 水文分析法該法適用于河道附近無地下水水位動態(tài)觀測資料但具有完整的計量河水流量資料的地區(qū)。計算公式： （10）式中，Q河補為河道滲漏補給量（萬m3）；Q上，Q下分別為河道上、下水文斷面實測河川徑流量（萬m3）；Q區(qū)入為上、下游水文斷面區(qū)間匯入該河段的河川徑流量（萬m3）；Q區(qū)出為上、下游水文斷面區(qū)間引出該河段的河川徑流量（萬m3）；為修正系數(shù)，即上、下兩個水文斷面間河道水面蒸發(fā)量、兩岸浸潤帶蒸發(fā)量之和占(Q上Q下Q區(qū)入Q區(qū)出)的比率（無因次），可根據(jù)有關(guān)測試資料分析確定 ；L為計算河道或河段的長度（m）；L為上、下兩水文斷面間河段的長度（m）。1.2.1.3 地下水動力學法（剖面法）當河道水位變化比較穩(wěn)定時，可沿河道岸邊切割剖面，通過該剖面的水量即為河水對地下水的補給量。單側(cè)河道滲漏補給量采用達西公式計算： Q河補10-4KIALt （11）式中，Q河補為單側(cè)河道滲漏補給量（萬m3）；K為剖面位置的滲透系數(shù)（m/d）；I為垂直于剖面的水力坡度（無因次）；A為單位長度河道垂直于地下水流向的剖面面積（m2/m）；L為河道或河段長度（m）；t為河道或河段過水（或滲漏）時間（d）。1.2.2 庫塘滲漏補給量當位于平原區(qū)的水庫、湖泊、塘壩等蓄水體的水位高于岸邊地下水水位時，庫塘等蓄水體滲漏補給岸邊地下水。要求對位于平原區(qū)的、總庫容大于1000萬m3的大中型水庫和湖泊的滲漏補給量進行計算。要求將跨水資源一級區(qū)調(diào)水形成的庫塘滲漏補給量單獨列出。1.2.2.1 地下水動力學法當岸邊巖性均一、隔水層埋藏不深且水平時，其滲漏補給量可按下式計算： （12） Q庫滲=qB （13）式中：q為水庫單寬剖面滲透流量，m3/（d.m）；Q庫滲為水庫總滲漏流量，m3/d；K為庫岸巖土的滲透系數(shù)，m/d；H1為水庫水位距隔水底板的高度，m；H2為鄰谷水位距隔水底板的高度，m；L為水庫與鄰谷的距離，m；B為水庫滲漏斷面的總長度，m。1.2.2.2 出入庫塘水量平衡法計算公式： Q庫Q入庫P庫E0Q出庫E浸Q庫蓄 （14）式中，Q庫為庫塘滲漏補給量；Q入庫、Q出庫分別為入庫塘水量和出庫塘水量；E0為庫塘的水面蒸發(fā)量（采用E601蒸發(fā)器的觀測值或換算成E601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量）；P庫為庫塘水面的降水量；E浸為庫塘周邊浸潤帶蒸發(fā)量；Q庫蓄為庫塘蓄變量（即年初、年末庫塘蓄水量之差，當年初庫塘蓄水量較大時取“”值，當年末庫塘蓄水量較大時取“”值）。（單位均為萬m3）。1.3 山前側(cè)向補給 山前側(cè)向補給量是指發(fā)生在山丘區(qū)與平原區(qū)交界面上，山丘區(qū)地下水以地下潛流形式補給平原區(qū)淺層地下水的水量。山前側(cè)向補給量可采用剖面法利用達西公式計算： Q山前側(cè)10-4KIAt （15）式中，Q山前側(cè)為年山前側(cè)向補給量（萬m3）；K為剖面位置的滲透系數(shù)（m/d）；I為垂直于剖面的水力坡度（無因次）；A為剖面面積（m2）；t為時間，采用365d。采用公式(15)計算多年平均山前側(cè)向補給量時，應(yīng)同時滿足以下4點技術(shù)要求：（1）水力坡度I應(yīng)與剖面相垂直，不垂直時，應(yīng)根據(jù)剖面走向與地下水流向間的夾角，對水力坡度I值按余弦關(guān)系進行換算；剖面位置應(yīng)盡可能靠近補給邊界（即山丘區(qū)與平原區(qū)界線）；（2）滲透系數(shù)K值，可采用垂向全剖面混合試驗成果，也可采用分層試驗成果。采用后者時，應(yīng)按不同含水層和弱透水層的厚度取用加權(quán)平均值；（3）在計算多年平均山前側(cè)向補給量時，水力坡度I值采用多年平均值。（4）切割剖面的底界一般采用當?shù)販\層地下水含水層的底板；沿山前切割的剖面線一般為折線，應(yīng)分段分別計算各折線段剖面的山前側(cè)向補給量，并以各分段計算結(jié)果的總和作為全剖面的山前側(cè)向補給量。1.4 含水層之間的補給當兩個含水層之間具有水力聯(lián)系，且存在水頭差時，則水頭高的含水層向水頭低的含水層補給，按達西定律，單位水平面積弱透水層的越流量為： （16）式中：K為弱透水層垂向滲透系數(shù)；I為驅(qū)動越流的水力梯度；HA為含水層A的水頭；HB為含水層B的水頭；M為弱透水層厚度（等于滲透途徑）；A為發(fā)生越流的面積。1.5 凝結(jié)水的補給凝結(jié)水可分為兩部分進行計算：第一部分，土壤孔隙中水蒸氣由于溫度變化，而發(fā)生凝結(jié)作用所產(chǎn)生的水量；第二部分，由于土壤中絕對濕度的降低，空氣中水蒸氣向土壤中擴散的那部分水量。則凝結(jié)水補給地下水的總量為： Zc=W1+W2 （17）式中：W1為土壤孔隙中水蒸氣凝結(jié)所產(chǎn)生的水量；W2為空氣中水蒸氣向土壤中擴散的水量。1.6 人為因素影響下的補給 由于人類活動，修建灌溉工程以及對潛水采用地面、河渠、坑塘蓄水滲補，對承壓水采用井、孔灌注等方式進行地下水人工補給等人類活動也會增加地下水的補給。1.6.1 渠系滲漏補給渠系是指干、支、斗、農(nóng)、毛各級渠道的統(tǒng)稱。渠系水位一般均高于其岸邊的地下水水位，故渠系水一般均補給地下水。渠系水補給地下水的水量稱為渠系滲漏補給量。1.6.1.1地下水動力學法（剖面法）沿渠系岸邊切割剖面，計算渠系水通過剖面補給地下水的水量，采用達西公式計算，技術(shù)要求與利用公式計算河道滲漏補給量時相同。1.6.1.2渠系滲漏補給系數(shù)法由于水流經(jīng)過渠系過程中，沿途水面蒸發(fā)損失、濕潤包氣帶水量損失、入滲過程中的蒸發(fā)損失以及退水填底損失等，從而導致渠首引水量與經(jīng)由渠系輸送到田間的凈灌水量有一定的差值，把渠系滲漏補給地下水的水量與渠首引水量的比值定義為渠系滲漏補給系數(shù)。計算公式： Q渠系mQ渠首 （18）式中，Q渠首引為渠首引水量（萬m3）；m為渠系滲漏補給系數(shù)（無因次）。1.6.2 污水滲漏補給 污水補給量主要指計算區(qū)內(nèi)，諸如粉煤灰處理場、排污渠系等污水滲漏對地下水的滲漏補給，其計算方法參見渠系滲漏補給公式。1.6.3 灌溉回歸及井灌回歸補給渠灌田間入滲補給量是指渠灌水進入田間后，入滲補給地下水的水量。 Q渠灌渠Q渠田 （19）式中，Q渠灌為渠灌田間入滲補給量（萬m3）；渠為渠灌田間入滲補給系數(shù)（無因次）；Q渠田為渠灌水進入田間的水量（應(yīng)用斗渠渠首引水量，萬m3）。井灌回歸補給量是指井灌水（系淺層地下水）進入田間后，入滲補給地下水的水量，井灌回歸補給量包括井灌水輸水渠道的滲漏補給量。井灌回歸補給量可利用下式計算：Q井灌井Q井田 (20)式中，Q井灌為井灌回歸補給量（萬m3）；井為井灌回歸補給系數(shù)（無因次）；Q井田為井灌水進入田間的水量（使用淺層地下水實際開采量中用于農(nóng)田灌溉的部分，萬m3）。人工回灌補給量是指通過井孔、河渠、坑塘或田面等方式，人為地將地表水等灌入地下且補給地下水的水量?？筛鶕?jù)不同的回灌方式采用不同的計算方法。例如，井孔回灌，可采用調(diào)查統(tǒng)計回灌量的方法；河渠、坑塘或田面等方式的人工回灌補給量，可分別按計算河道滲漏補給量、渠系滲漏補給量、庫塘滲漏補給量或渠灌田間入滲補給量的方法進行計算。2 地下水排泄 地下水的排泄主要是指地下水從含水層中以不同方式排泄于地表或另一個含水層中的過程。其途徑有：泉排、向河流的排泄、蒸散發(fā)、人工開采及向不同含水層之間的排泄等。2.1 泉排 泉是地下水的天然露頭，在地表面與含水層或含水通道相交點出露成泉，一般在山丘區(qū)及崗前地帶的溝谷與坡腳泉水出露較多，泉流量通過實測泉流量得到。2.2 淺層蒸發(fā) 潛水蒸發(fā)量是指潛水在毛細管作用下，通過包氣帶巖土向上運動造成的蒸發(fā)量（包括棵間蒸發(fā)量和被植物根系吸收造成的葉面蒸散發(fā)量兩部分）。計算方法主要有以下兩種。（1）潛水蒸發(fā)系數(shù)法計算公式：E10-1E0CF (21)式中，E為潛水蒸發(fā)量（萬m3）；E0為水面蒸發(fā)量（mm，采用E601型蒸發(fā)器的觀測值或換算成E601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量）；C為潛水蒸發(fā)系數(shù)（無因次）；F為計算面積（km2）。 （2）經(jīng)驗公式計算法計算蒸發(fā)量一般需先確定潛水蒸發(fā)強度，常采用如下方法：1） 阿維里揚諾夫公式（1965）： （22）2） 沈立昌雙曲線型公式： （23）3） 葉水庭指數(shù)公式：