水文地質(zhì)學(xué)地下水的補給與排泄

1、第七章 地下水的補給與排泄7.1 地下水的補給7.1.1 大氣降水對地下水的補給7.1.2 地表水對地下水的補給7.1.5 含水層之間的補給7.1.6 地下水的其它補給來源7.1.3 大氣降水及河水補給地下水水量的確定7.1.4 凝結(jié)水的補給7.2 地下水的排泄泉泄流蒸發(fā)蒸騰7.3 地下水補給與排泄對地下水水質(zhì)的影響人類抽排水活動1第七章 地下水的補給與排泄過程：含水層（或含水系統(tǒng)）經(jīng)由補給從外界獲得水量，通過徑流將水量由補給處輸送到排泄處向外界排出。 在補給與排泄過程中，含水層與含水系統(tǒng)除了與外界交換水量外，還交換能量、熱量與鹽量。意義：補給、排泄與徑流決定著地下水水量、水質(zhì)在空間與時間上的

2、分布。2第七章 地下水的補給與排泄7.1 地下水的補給定義：含水層或含水系統(tǒng)從外界獲得水量（鹽量、熱量）的過程補給來源（人工）：灌溉回歸水、水庫滲漏水，以及專門性的人工補給研究內(nèi)容：補給來源、補給條件、補給量。補給來源（自然）：大氣降水、地表水、凝結(jié)水，來自其它含水層或含水系統(tǒng)的水等一、大氣降水入滲機制7.1.1 大氣降水對地下水的補給3第七章 地下水的補給與排泄 目前認(rèn)為，松散沉積物中的降水入滲存在活塞式與捷徑式兩種：4第七章 地下水的補給與排泄 實際上，從微觀的角度看，并不存在均質(zhì)土。 尤其是粘性土，除了粒間孔隙與顆粒集合體內(nèi)和顆粒集合體間的孔隙外，還存在根孔、蟲孔與裂縫等大的孔隙通道?；?/p>

3、塞式下滲是在理想的均質(zhì)土（均質(zhì)砂）中室內(nèi)試驗得出的。5第七章 地下水的補給與排泄 捷徑式下滲與活塞式下滲比較： 1）活塞式下滲是年齡較新的水推動其下的年齡較老的水，始終是“老”水先到達(dá)含水層；捷徑式下滲時“新”水可以超前于“老”水到達(dá)含水層； 2）對于捷徑式下滲，入滲水不必全部補充包氣帶水分虧缺，即可下滲補給含水層。 適用條件：在砂礫質(zhì)土中主要為活塞式下滲，而在粘性土中則活塞式與捷徑式下滲同時發(fā)生。6第七章 地下水的補給與排泄上層毛細(xì)水帶支持毛細(xì)水帶毛細(xì)飽和帶7第七章 地下水的補給與排泄 在理想情況下，包氣帶水分趨于穩(wěn)定，不下滲也無蒸發(fā)、蒸騰時，均質(zhì)土包氣帶水分分布如圖中 t5 所示。 實際情

4、況下，只有在雨季過后包氣帶水分穩(wěn)定時最接近此理想情況. 雨季之前，由于旱季的土面蒸發(fā)與葉面蒸騰，包氣帶上部的含水量已低于殘留含水量W0，而造成水分虧缺（t0）。8第七章 地下水的補給與排泄9第七章 地下水的補給與排泄在降雨強度超過地表入滲能力時，便將產(chǎn)生地表坡流。10第七章 地下水的補給與排泄二、影響大氣降水補給地下水的因素降水地表滲入地下蒸發(fā)地表徑流滲入地面以下的水 補給含水層（潛水）的水土面蒸發(fā)葉面蒸騰土壤水大氣水11第七章 地下水的補給與排泄 影響大氣降水補給地下水的因素比較復(fù)雜，其中主要有年降水總量、降水特征、包氣帶的巖性和厚度、地形、植被等。降水特征也影響值的大小。 間歇性的小雨 過

5、分集中的暴雨 不超過地面入滲速率的連綿細(xì)雨降水量中相當(dāng)一部分要補足水分虧缺，因此年降水量過小時，能夠補給地下水的有效降水量就很?。荒杲邓看髣t有利于補給地下水， 值較大。12第七章 地下水的補給與排泄包氣帶滲透性好，有利于降水入滲補給。包氣帶厚度過大（潛水埋深過大），則包氣帶滯留的水分也大，不利于地下水的補給。但潛水埋藏過淺（厚度過?。?，毛細(xì)飽和帶達(dá)到地面，也不利于降水入滲。地形： 當(dāng)降水強度超過地面入滲速率時，地形坡度大會使地表坡流迅速流走，使地表徑流增加。 平緩與局部低洼的地勢，有利于滯積表流，增加降水入滲的份額。見下圖13第七章 地下水的補給與排泄?jié)撍统袎核畬咏邮芙邓暗乇硭a給的

6、條件不同14第七章 地下水的補給與排泄森林、草地可滯留地表坡流與保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)，有利于降水入滲。 影響降水入滲補給地下水的因素是相互制約、互為條件的整體，不能孤立地割裂開來加以分析。濃密的植被，尤其是農(nóng)作物，以蒸騰方式強烈消耗包氣水，造成大量水分虧缺。 尤其在氣候干旱的地區(qū)，農(nóng)作物復(fù)種指數(shù)的提高，會使降水補給地下水的份額明顯降低。15第七章 地下水的補給與排泄 入滲水補足水分虧缺后，其余部分繼續(xù)下滲，達(dá)到含水層時，構(gòu)成地下水的補給。 平原地區(qū)降水入滲補給地下水水量為：單位：mmX年總降水量D地表徑流量S包氣帶水分滯留量，即水分虧缺。qx降水入滲補給含水層的量令：為降水入滲補給系數(shù)。含義：每年總降

7、水量補給地下水的份額，常以小數(shù)表示。16第七章 地下水的補給與排泄7.1.2 地表水對地下水的補給一、河流與地下水的補給關(guān)系沿河流縱斷面的變化17第七章 地下水的補給與排泄7.1.2 地表水對地下水的補給18第七章 地下水的補給與排泄一般說來，山區(qū)河谷深切，河水位常低于地下水位。河谷起排泄地下水的作用（圖a），洪水期則河水補給地下水。山前，由于河流的堆積作用，河床處于高位，河水常年補給地下水（圖b）。沖積平原與盆地的某些部位，河水位與地下水位的關(guān)系，隨季節(jié)而變（圖c）。而在某些沖積平原中，河床因強烈的堆積作田而形成所謂“地上河”，河水經(jīng)常補給地下水（圖d）。二、間歇性河流對地下水的補給過程19

8、第七章 地下水的補給與排泄 汛期開始，河水浸濕包氣帶并發(fā)生垂直下滲，使河下潛水面形成水丘（圖a）。河水不斷下滲，水丘逐漸抬高與擴大，與河水聯(lián)成一體（圖b）。 汛期結(jié)束，河水撤走，水丘逐漸趨平，使一定范圍內(nèi)潛水位普遍抬高（圖c）。二、間歇性河流對地下水的補給過程20第七章 地下水的補給與排泄 河水補給地下水時，補給量的大小取決于下列因素： 對于常年性河流，為了確定河水滲漏補給地下水的水量，可在滲漏河段上下游分別測定斷面流量Q1及Q2，則河水滲漏量等于（Q1-Q2）t，t為河床過水時間。此滲漏量即為河水補給地下水的水量； 但是，對于過水時間很短的間歇性河流？透水河床的長度與浸水周界的乘積（相當(dāng)于過

9、水?dāng)嗝妫┖哟餐杆裕B透系數(shù)）河水位與地下水位的高差（影響水力梯度）河床過水時間21第七章 地下水的補給與排泄四、潛水和承壓水含水層接受降水及地表水補給的條件不同22第七章 地下水的補給與排泄7.1.3 大氣降水及河水補給地下水水量的確定一、平原區(qū)大氣降水入滲補給量在平原區(qū)，大氣降水入滲補給地下水的量通?？捎孟率酱_定：Q降水入滲補給地下水量（m3/a）；X年降水量；入滲系數(shù)；F補給區(qū)面積（km2）。確定入滲系數(shù)常用的方法有以下兩種：1）利用地中滲透儀測定2）利用天然潛水位變幅確定23第七章 地下水的補給與排泄二、山區(qū)降水與河水入滲量 基巖山區(qū)大氣降水、地表水與地下水的轉(zhuǎn)換情況比較復(fù)雜，單獨求算

10、山區(qū)的大氣降水入滲補給地下水量很困難，通常的做法是統(tǒng)一 求取山區(qū)大氣降水與地表水對地下水的補給量。 山區(qū)地形切割，地下水位埋藏深度大，地下水的蒸發(fā)排泄量可以忽略，大體上可認(rèn)為山區(qū)地下水的補給量等于其排泄量，故可通過測定地下水排泄量反求其補給量。24第七章 地下水的補給與排泄二、山區(qū)降水與河水入滲量山區(qū)地下水全部以大泉形式集中排泄時，可通過定期測定泉流量求得全年排泄量。如地下水分散泄流，可通過分割河水流量過程線求年排泄量（見圖）?；鳎簭搅鬟^程線中表示河道內(nèi)常年出現(xiàn)并基本穩(wěn)定的那部分水流，完全由地下水補給。25第七章 地下水的補給與排泄二、山區(qū)降水與河水入滲量如果山區(qū)地下水有一部分以地下徑流形式

11、排入相鄰的平原或盆地，則必須另行計算這一部分水量加入排泄量中。山區(qū)的入滲系數(shù)是全年降水與河水補給地下水的量與年降水量的比值：Q年地下水排泄量，以前述方式求得；f匯水區(qū)面積（km2）；X年降水量（mm）。26第七章 地下水的補給與排泄三、大氣降水與地表水作為地下水補給來源的比較從空間分布上看，大氣降水屬于面狀補給，范圍普遍且較均勻；地表水則可看作線狀補給，局限于地表水體周邊。從時間分布比較，大氣降水持續(xù)時間有限而地表水體持續(xù)時間長，或是經(jīng)常性的。在地表水體附近，地下水接受降水及地表水補給，開采后這一補給還可加強，因此地下水格外豐富。從總體上說，降水量的多寡決定著一個地區(qū)地下水的豐富程度 就其水源

12、而言，地表水是由大氣降水轉(zhuǎn)化而來的，即使對于干旱山間盆地，作為地下水主要補給來源的河水，仍然來源于山區(qū)降水，或以冰雪形式積累起來的高山降水。27 絕對濕度只能說明某一時刻空氣中水汽含量的多少，而不能表明此時空氣中水汽含量的飽和程度。因此又有相對濕度的概念。 空氣中所能容納的最大水汽數(shù)量隨著氣溫升高而增大（表1-2）。某一溫度下，空氣中可容納的最大水汽數(shù)量，稱為該溫度下的飽和水汽含量，同樣也可用重量單位（代號為M），或壓力單位（代號為E）表示。第七章 地下水的補給與排泄7.1.4 凝結(jié)水的補給28第七章 地下水的補給與排泄 飽和濕度隨溫度降低，溫度降到一定程度，空氣中的絕對濕度與飽和濕度相等。溫

13、度繼續(xù)下降，超過飽和濕度的那一部分水汽，便凝結(jié)成水。 這種由氣態(tài)水轉(zhuǎn)化為液態(tài)水的過程稱作【凝結(jié)作用】。 第一階段：夏季的白天，大氣和土壤都吸熱增溫；到夜晚，土壤散熱快而大氣散熱慢。地溫降到一定程度，在土壤孔隙中水汽達(dá)到飽和，凝結(jié)成水滴，絕對濕度隨之降低。 第二階段：由于此時氣溫較高，地面大氣的絕對濕度較土中為大，水汽由大氣向土壤孔隙運動，如此不斷補充，不斷凝結(jié)，當(dāng)形成足夠的液滴狀水時，便下滲補給地下水。7.1.4 凝結(jié)水的補給29第七章 地下水的補給與排泄7.1.5 含水層之間的補給 兩個含水層之間存在水頭差且有聯(lián)系的通路，則水頭較高的含水層便補給水頭較低者30第七章 地下水的補給與排泄31第

14、七章 地下水的補給與排泄隔水層分布不穩(wěn)定時，在其缺失部位的相鄰的含水層便通過“天窗”發(fā)生水力聯(lián)系。松散沉積物及基巖都有可能存在透水的“天窗”。32第七章 地下水的補給與排泄切穿隔水層的導(dǎo)水?dāng)鄬油蔀榛鶐r含水層之間的聯(lián)系通路33第七章 地下水的補給與排泄穿越數(shù)個含水層的鉆孔或止水不良的分層鉆孔， 都將人為地構(gòu)成水由高水頭含水層流入低水頭含水層的通道。 34第七章 地下水的補給與排泄相鄰含水層通過其間的弱透水層發(fā)生水量交換，稱作越流。越流經(jīng)常發(fā)生于松散沉積物中，粘性土層構(gòu)成弱透水層。35第七章 地下水的補給與排泄 根據(jù)Q=KI，在一維流動條件下，單位水平面積弱透水層的越流量V為： K弱透水層垂向

15、滲透系數(shù)； I驅(qū)動越流的水力梯度；HA含水層A的水頭；HB含水層B的水頭； M弱透水層厚度（等于滲透途徑）。 相鄰含水層之間水頭差愈大，弱透水層厚度愈小而其垂向透水性愈好，則單位面積越流量便愈大。36第七章 地下水的補給與排泄7.1.6 地下水的其它補給來源“無意識”補給：建造水庫、進(jìn)行灌溉以及工業(yè)與生活廢水的排放都使地下水獲得新的補給。灌溉渠道的滲漏河流的入滲補給線狀田面灌水入滲降水入滲補給面狀 灌水的田面入滲量取決于灌水方式。 習(xí)慣上將灌溉滲漏補給含水層的水(包括渠道與田面滲漏)稱之為灌溉回歸水。灌溉回歸水往往可占灌水總量的20%40%。 平原、盆地中不適當(dāng)?shù)墓喔瓤梢饾撍淮蠓壬仙?，?/p>

16、起土壤次生沼澤化與鹽漬化。37第七章 地下水的補給與排泄 采用“有計劃”的人為措施補充含水層的水量稱之為人工補給地下水。 人工補給地下水的目的主要是補充與儲存地下水資源，抬高地下水位以改善地下水開采條件，同時還有以下目的：儲存熱源以用于鍋爐用水，儲存冷源用于空調(diào)冷卻，控制地面沉降，防止海水倒灌與咸水入侵淡含水層等等。 人工補給地下水通常采用地面、河渠、坑池蓄水滲補及井孔灌注等方式地面38河渠井孔灌注坑池蓄水滲補39第七章 地下水的補給與排泄7.2 地下水的排泄定義：含水層或含水系統(tǒng)失去水量的過程稱作排泄。 在排泄過程中，含水層與含水系統(tǒng)的水質(zhì)也發(fā)生相應(yīng)變化。研究內(nèi)容：研究含水層（含水系統(tǒng)）的排

17、泄包括排泄去路、排泄條件與排泄量等。排泄方式：地下水通過泉、向河流泄流及蒸發(fā)、蒸騰等方式向外界排泄。此外，還存在一個含水層（含水系統(tǒng)）向另一含水層（含水系統(tǒng)）的排泄。（越流）用井孔抽汲地下水，或用渠道、坑道等排除地下水，均屬地下水的人工排泄。40第七章 地下水的補給與排泄7.2.1 泉定義：泉是地下水的天然露頭，在地形面與含水層或含水通道相交點地下水出露成泉。泉補給泉的含水層的性質(zhì)上升泉（承壓水）下降泉（潛水）出露原因侵蝕泉接觸泉溢流泉出露原因侵蝕（上升）泉斷層泉接觸帶泉地下水集中排泄于河、湖或海的底部時，便形成水下泉41第七章 地下水的補給與排泄侵蝕（下降）泉接觸泉溢流泉溢流泉溢流泉溢流泉侵

18、蝕（上升）泉斷層泉接觸帶泉42第七章 地下水的補給與排泄 溝谷切割揭露潛水含水層時，形成侵蝕（下降）泉（a、b） 地形切割達(dá)到含水層隔水底板時，地下水被迫從兩層接觸處出露成泉，這便是接觸泉（c）。大的滑坡體前緣常有泉出露。這是由于滑坡體破碎、透水性良好，而滑坡床相對隔水，實質(zhì)上這也是一種接觸泉 潛水流前方透水性急劇變?nèi)?，或隔水底板隆起，潛水流動受阻而涌溢于地表成泉，這便是溢流泉（d、e、f、g）。 當(dāng)河流、沖溝等切穿承壓含水層的隔水頂板時，形成侵蝕（上升）泉（h） 地下水沿導(dǎo)水?dāng)鄬由仙?，在地面高程低于測壓水位處涌溢地表，便成為斷層泉（i） 巖脈或侵入體與圍巖的接觸帶，常因冷凝收縮而產(chǎn)生隙縫，地

19、下水沿此類接觸帶上升成泉，就叫作接觸帶泉（j）。43第七章 地下水的補給與排泄2）根據(jù)泉的流量可以確定含水層的富水程度。3）根據(jù)泉水的物理性質(zhì)、化學(xué)成分，可以了解各含水層的水質(zhì)特征。4）通過泉的動態(tài)觀測，可以獲得地下水動態(tài)的初步概念。5）根據(jù)泉的流量，可以作為論證地下水允許開采量保證程度的依據(jù)。1）根據(jù)泉的出露情況，可以判斷巖層的含水性。泉的水文地質(zhì)意義44第七章 地下水的補給與排泄6）根據(jù)泉的流量，可以計算地下水徑流模數(shù)。（Mc）Q0為泉的總流量（m3/s）； F為地下水流域面積（km2）。7）泉的研究有利于判斷地質(zhì)構(gòu)造。 許多泉出露在不同巖層的接觸帶或斷裂帶上。在斷層線上，有時出現(xiàn)線狀排列

20、的上升泉，故根據(jù)泉的分布規(guī)律及形成條件的分析，有助于判斷地質(zhì)構(gòu)造。當(dāng)?shù)谒南党练e物不很厚時，在地面上可以見到與底層界線或構(gòu)造帶有關(guān)的泉，據(jù)此可以判斷隱伏構(gòu)造位置。45第七章 地下水的補給與排泄7.2.2 泄流 當(dāng)河流切割含水層時， 地下水沿河呈帶狀排泄， 稱作地下水的泄流。 在河流上選定斷面，定期測定河水流量，可得出河流流線過程線，并分割得出地下水泄流量（圖 721）。46第七章 地下水的補給與排泄7.2.2 泄流 最簡單的分割方法如圖 722 所示。在流量過程線起漲點 A 起引一水平線交于退水段的 B 點，則圖中有陰線部分即相當(dāng)于地下水泄流補給河水的量。在水文學(xué)中此水量稱作河流的基流?；鳎簭?/p>

21、流過程線中表示河道內(nèi)常年出現(xiàn)并基本穩(wěn)定的那部分水流，完全由地下水補給。47包氣帶7.2.3 蒸發(fā)48第七章 地下水的補給與排泄【區(qū)域】低平地區(qū)，尤其干旱氣候下松散沉積物構(gòu)成的平原與盆地中，蒸發(fā)與蒸騰往往是地下水主要的排泄方式。 土壤水的蒸發(fā) 潛水的蒸發(fā)一、土壤水的蒸發(fā)包氣帶上部的水：孔角毛細(xì)水、懸掛毛細(xì)水乃至過路毛細(xì)水。 由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)而蒸發(fā)排泄，造成包氣帶水分虧缺 蒸發(fā)強度取決于氣候與包氣帶巖性。結(jié)果： 間接影響飽水帶接受降水補給的份額，但不會直接消耗飽水帶的水量。 土壤水季節(jié)性的濃縮，雨季得到降水補充而淡化7.2.3 蒸發(fā)49打井出水毛細(xì)水帶上層毛細(xì)水帶支持毛細(xì)水帶毛細(xì)飽和帶50第七章 地

22、下水的補給與排泄二、潛水的蒸發(fā) 緊接潛水面的包氣帶中分布著支持毛細(xì)水。 支持毛細(xì)水是潛水沿著毛細(xì)孔隙上升而形成的，與潛水密不可分。 當(dāng)潛水面埋藏不深，支持毛細(xì)水帶上緣離地表較近時，大氣相對濕度小于飽和濕度，毛細(xì)彎液面上的水不斷由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)，逸入大氣； 潛水則源源不斷通過毛細(xì)作用上升補充支持毛細(xì)水，使蒸發(fā)得以持續(xù)進(jìn)行。結(jié)果： 水分沿毛細(xì)管源源上升又不斷氣化蒸發(fā)，水流帶來的鹽分便濃集于毛細(xì)帶的上緣。降雨時，入滲降水淋溶部分鹽分重新返回潛水。 因此，強烈的潛水蒸發(fā)將使土壤集鹽（造成土壤鹽漬化）與地下水不斷濃縮鹽化。51第七章 地下水的補給與排泄 影響潛水蒸發(fā)，從而決定土壤與地下水鹽化程度的因素:1

23、）氣候愈干燥，相對濕度越小，潛水蒸發(fā)便愈強烈。 相對濕度經(jīng)常小于50%的西北，有的地方潛水礦化度可達(dá)100300g/L； 相對濕度經(jīng)常保持80%以上的川西平原，盡管潛水位埋藏很淺，但其礦化度不到0.5g/L。氣候、潛水埋藏深度、包氣帶巖性，地下水流動系統(tǒng)的規(guī)模52第七章 地下水的補給與排泄2）潛水面埋藏愈淺，蒸發(fā)愈強烈。 地處半干旱地區(qū)的河北石家莊市，利用地中滲透儀測得潛水蒸發(fā)與其水位埋藏深度的關(guān)系（圖723）。53第七章 地下水的補給與排泄 有人發(fā)現(xiàn)，干旱地區(qū)即使山前埋深達(dá)數(shù)十米的潛水礦化度仍比較高。 因此認(rèn)為，這是干旱氣候下氣態(tài)的水分子從深部不斷逸出而蒸發(fā)的結(jié)果。 從圖中可見，水位埋藏深度

24、小于2m時，隨著潛水埋深變淺，蒸發(fā)量顯著增大，深度大于2m，潛水蒸發(fā)明顯減弱。54第七章 地下水的補給與排泄3）包氣帶巖性主要通過其對毛細(xì)上升高度與速度的控制而影響潛水蒸發(fā)。 砂太大毛細(xì)上升高度太小，而亞粘土與粘土的毛細(xì)上升速度又太低，均不利于潛水蒸發(fā)。 粉質(zhì)亞砂土、粉砂等組成的包氣帶，毛細(xì)上升高度大，而毛細(xì)上升速度又較快，故潛水蒸發(fā)最為強烈。55含水系統(tǒng)簡單的流動系統(tǒng)（A）區(qū)域流動系統(tǒng)（Br）中間流動系統(tǒng)（Bi）局部流動系統(tǒng)（B1）流動系統(tǒng)復(fù)雜的流動系統(tǒng)（B）級次性56第八章 地下水系統(tǒng)57第七章 地下水的補給與排泄4）干旱、半干旱地區(qū)地下水流動系統(tǒng)的排泄區(qū)是蒸發(fā)濃縮作用最為強烈的地方。 區(qū)

25、域性流動系統(tǒng)的排泄區(qū)由于能夠匯集更大范圍地下水中的鹽分，蒸發(fā)濃縮較局部流動系統(tǒng)排泄區(qū)更為發(fā)育。 干旱、半干旱的平原與盆地，常常由于利用地表水大量灌溉引起潛水面抬升，潛水蒸發(fā)增強，從而造成次生的土地鹽漬化。7.2.4 蒸騰58第七章 地下水的補給與排泄7.3 地下水的徑流定義：地下水由補給區(qū)向排泄區(qū)流動的過程稱作徑流。研究內(nèi)容：徑流方向、徑流強度、徑流量、影響徑流的因素意義：徑流的強弱影響含水層水量與水質(zhì)的形成過程及其時空分布?！把a給徑流排泄”是地下水形成過程中一個統(tǒng)一不可分割的循環(huán)過程。59第四章 地下水運動的基本規(guī)律60第七章 地下水的補給與排泄總體來說：從高處向低處流動。尤其是潛水7.3.1 徑流方向以我國華北平原為例： 在總的地勢控制