第08講地下水文學(xué)

地下水水文學(xué)主講：

劉國(guó)東

教授GroundwaterHydrology電話mail:liugd988@163.com第8講第三章

地下水的補(bǔ)給、排泄與徑流

(地下水循環(huán))補(bǔ)給與排泄是含水層與外界發(fā)生聯(lián)系的兩個(gè)作用過(guò)程。補(bǔ)給與排泄的方式及其強(qiáng)度，決定著含水層內(nèi)部的徑流，以及水量與水質(zhì)的變化。這些變化在空間上的表現(xiàn)就是地下水的分布：在時(shí)間上的表現(xiàn)，便是地下水的動(dòng)態(tài)，而從補(bǔ)給與排泄的數(shù)量關(guān)系研究含水層水量及鹽量的增減，便是地下水的均衡。只有對(duì)地下水的補(bǔ)給、排泄、徑流建立起清晰的概念，才有可能正確地分析與評(píng)價(jià)地下水資源，采取合理有效的興利防害措施。地下水補(bǔ)給的概念定義：含水層自外界獲得水量的作用過(guò)程稱作補(bǔ)給。研究?jī)?nèi)容：包括補(bǔ)給來(lái)源、影響補(bǔ)給的因素和補(bǔ)給量。補(bǔ)給來(lái)源有：大氣降水、地表水、凝結(jié)水、灌溉回歸水、其它含水層的水和人工補(bǔ)給3.1地下水的補(bǔ)給大氣降水補(bǔ)給

大氣降水的入滲過(guò)程降雨初期：降水下滲土層(保存在包氣帶中)繼續(xù)降水：包氣帶上部飽和滲入飽和層，抬升地下水位土壤中降水的入滲速率可用下滲率（mm/h）表示。降水下滲率由大變小(圖2-1).包氣帶產(chǎn)生連續(xù)下滲水流以后，在砂性土中水流運(yùn)動(dòng)服從于達(dá)西定律。由于垂直滲流時(shí)，水頭差與滲透長(zhǎng)度相等，水力梯度等于1，所以下滲率等于包氣帶垂向滲透系數(shù)。3.1地下水的補(bǔ)給重力、顆粒吸附力、毛細(xì)力重力影響降水的因素降水強(qiáng)度定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的降水量，通常以每小時(shí)降水深度的毫米數(shù)表示降水強(qiáng)度超出包氣帶的入滲速率，部分降水便形成地表徑流，補(bǔ)給地下水的部分相應(yīng)減少。降水強(qiáng)度小而每次持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，入滲的水僅能濕潤(rùn)包氣帶，雨后又蒸發(fā)返回大氣，也不利于補(bǔ)給地下水。綿綿細(xì)雨對(duì)地下水的補(bǔ)給最為有利。（強(qiáng)度適中且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)有利）影響降水的因素包氣帶巖性包氣帶的透水性愈好，降水轉(zhuǎn)為地下水的份額便愈大。反之，包氣帶透水性不良，降水中的相當(dāng)一部分便轉(zhuǎn)為地表徑流。此外，包氣帶土質(zhì)愈是粘重，厚度愈大，滯留的入滲水便眾多，對(duì)地下水補(bǔ)給愈不利。

（透水性強(qiáng)，厚度小有利）影響降水的因素地形坡度降水強(qiáng)度超過(guò)包氣帶入滲速率時(shí)，地形坡度愈大，則轉(zhuǎn)為地表徑流的降水眾多；這種情況下，地形平緩，降水形成的坡流流動(dòng)緩慢，入滲時(shí)段延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)為地下水的部分就愈多。要注意只有當(dāng)降水強(qiáng)度超過(guò)包氣帶的入滲速率時(shí)，地形才能影響降水的入滲。（坡度緩有利）植被植被有利于降水補(bǔ)給地下水。其原因，一方面，植物阻滯了地表坡流；另一方面，林下土壤有機(jī)質(zhì)多，結(jié)構(gòu)性好，樹(shù)木根系使表土透水性加強(qiáng)，落葉可保護(hù)士壤結(jié)構(gòu)免遭雨滴的破壞。（植被覆蓋度高有利）大氣降水補(bǔ)給量的確定平原地區(qū)降水入滲量的確定采用地中滲透儀(圖2-2)通過(guò)觀測(cè)天然地下水位變幅求降水入滲量在不受開(kāi)采及地表水影響、地下徑流微弱的地方，選擇包氣帶巖性及地下水位埋深有代表性的地段，布置觀測(cè)井，觀測(cè)降水期間地下水位拾升值h，測(cè)定水位變幅帶的給水度。則降水入滲量Q：式中F為觀測(cè)井所代表的地段的面積。采用相關(guān)分析，建立的關(guān)系曲線(圖2-3)山區(qū)降水入滲量的確定一般與地表水補(bǔ)給量一起確定(見(jiàn)后續(xù)內(nèi)容)(圖2-3)3.1地下水的補(bǔ)給地表水補(bǔ)給補(bǔ)給源：河流、湖泊、水庫(kù)、海洋河流與地下水之間的補(bǔ)給，取決于河水位與地下水位之間的關(guān)系(圖2-4)山區(qū)河流：地下水河水山前沖(洪)積扇頂部：河水地下水沖(洪)積扇緣：(汛期)河水地下水河水(枯期)平原：河水地下水地表水補(bǔ)給影響因素：河床滲透性河水位與地下水位高差河床濕周(河床寬度)河床過(guò)水時(shí)間(圖2-5)地下水埋藏條件：潛水還是承壓水(圖2-6)地表水補(bǔ)給量的確定平原區(qū)地表水滲漏量的確定最簡(jiǎn)單的情況下，可通過(guò)實(shí)測(cè)河流流量變化來(lái)確定。在預(yù)計(jì)河流發(fā)生滲漏的上下游各測(cè)一斷面流量，分別為Q1及Q2,則地表水滲漏量Qd=Q1一Q2，此即為地表水補(bǔ)給地下水量。如涉及間歇性洪水，則消耗于包氣帶的水量占相當(dāng)比例，誤差較大。地表水補(bǔ)給量的確定山區(qū)降水與地表水入滲量的確定：當(dāng)?shù)叵滤约械娜蛉盒问脚判箷r(shí)，泉的總流量乘以相應(yīng)時(shí)間，即代表大氣降水及地表水對(duì)地下水的總補(bǔ)給量。地下水排泄比較分散時(shí)，可通過(guò)分割地表徑流過(guò)程線求得地下水泄流量，作為地下水補(bǔ)給量(后面要學(xué)習(xí))。山區(qū)的大氣降水入滲系數(shù)是全年降水及地表水入滲總量與降水量的比值：3.1地下水的補(bǔ)給凝結(jié)水的補(bǔ)給凝結(jié)作用溫度降低時(shí)，飽和濕度隨之降低，溫度降到一定程度，空氣中的絕對(duì)濕度與飽和濕度相等，溫度繼續(xù)下降，超過(guò)飽和濕度的那一部分水汽，便將凝結(jié)成水。這種由氣態(tài)水轉(zhuǎn)化為液態(tài)水的過(guò)程，稱為凝結(jié)作用凝結(jié)水補(bǔ)給夏季的白天，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(duì)濕度隨之降低。由于此時(shí)氣溫較高，地面大氣的絕對(duì)濕度較土中為大，水汽由大氣向土壤孔隙運(yùn)動(dòng)。如此不斷補(bǔ)充，不斷凝結(jié)，當(dāng)形成足夠的液滴狀水時(shí)，便下滲補(bǔ)給地下水。一般情況下，凝結(jié)形成的水相當(dāng)有限。但是，高山、沙漠等晝夜溫差大的地方(撒哈拉大沙漠晝夜溫差大于50℃)，凝結(jié)作用對(duì)地下水補(bǔ)給的作用不能忽視。據(jù)報(bào)道，我國(guó)內(nèi)蒙沙漠地帶，在風(fēng)成細(xì)沙中不同深度均有水汽凝結(jié)(表2—1)。3.1地下水的補(bǔ)給含水層之間的補(bǔ)給通過(guò)“天窗”或越流補(bǔ)給(圖2-7)通過(guò)導(dǎo)水?dāng)鄬友a(bǔ)給(圖2-8)通過(guò)鉆孔補(bǔ)給(圖2-9)承壓補(bǔ)給潛水(圖2-10)潛水補(bǔ)給承壓(圖2-11)其它補(bǔ)給來(lái)源灌溉水補(bǔ)給(渠道滲漏和田間滲漏)面狀和線狀補(bǔ)給與灌水定額(畝次灌水量)和灌溉方式有關(guān)在地下水排泄條件好的地區(qū)，可降低其礦化度在平原區(qū)抬升地下水位，產(chǎn)生次生沼澤化或鹽漬化人工補(bǔ)給3.2地下水排泄地下水排泄的概念定義：含水層失去水量的作用過(guò)程稱作排泄。研究?jī)?nèi)容：排泄去路及方式、影響因素及排泄量主要方式：泉(點(diǎn)狀排泄)、泄流(線狀排泄)及蒸發(fā)(面狀排泄)。蒸發(fā)排泄僅失水量，鹽分仍留在地下水中。其它種類的排泄，屬于徑流排泄，鹽分隨同水分同時(shí)排走泉在地形面與含水層或含水通道相交點(diǎn)，地下水出露成泉泉的類型下降泉：由潛水或上層滯水補(bǔ)給，水流作下降運(yùn)動(dòng)侵蝕(下降)泉：溝谷切割揭露潛水含水層時(shí)，形成侵蝕(下降)泉(圖2-12a、b)接觸泉：地形切割達(dá)到含水層隔水底板時(shí)，地下水被迫從兩層接觸處出露成泉(圖2-12c)溢流泉：當(dāng)潛水流前方透水性急劇變?nèi)?，或由于隔水底板隆起，潛水流?dòng)受阻而涌溢于地表成泉(圖2-12d、e、f、g)3.2地下水排泄上升泉：由承壓含水層補(bǔ)給，水流在壓力作用下呈上升運(yùn)動(dòng)侵蝕(上升)泉：當(dāng)河流、沖溝等切穿了承壓含水層的隔水頂板時(shí)，成泉(圖2-13a)斷層泉：地下水沿導(dǎo)水?dāng)鄬由仙?，在地面高程低于測(cè)壓水位處，涌溢地表，便成為斷層泉(圖2-13b)接觸帶泉：在巖脈或侵入體與圍巖接觸帶，常因冷凝收縮而產(chǎn)生隙縫，地下水沿此類接觸帶上升成泉(圖2-13c)大泉和泉群的成泉條件某些特殊條件(如筠連魚(yú)洞和濟(jì)南泉群)從不同含水介質(zhì)中出露的泉沖(洪)積扇：前緣有較多泉水出露風(fēng)化裂隙：泉多而量小構(gòu)造裂隙：泉相對(duì)集中，可出現(xiàn)大泉巖溶地區(qū)：泉集中，量大3.2地下水的排泄泄流定義：地下水以線狀方式排入河流影響因素：地下水位與河水位高差、含水層滲透性、河床斷面揭露含水層面積泄流量的確定直接測(cè)定：河流上下游流量差。誤差大基流分割流量過(guò)程線流量組成(圖2-15)：洪峰+基流直線分割法(圖2-16)地下水與河水無(wú)水力聯(lián)系的標(biāo)準(zhǔn)退水曲線法(圖2-17)地下水與河水有水力聯(lián)系的庫(kù)捷林分割法(圖2-18)不同情況的流量過(guò)程線分割方法(圖2-19)3.2地下水的排泄蒸發(fā)土面蒸發(fā)機(jī)理：地下水沿潛水面上的毛細(xì)孔隙上升，形成一個(gè)毛細(xì)水帶，當(dāng)潛水埋藏不很深時(shí)，毛細(xì)水帶上緣離地面較近，大氣相對(duì)濕度較低時(shí)，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(guò)毛細(xì)作用上升補(bǔ)給，使蒸發(fā)不斷進(jìn)行。影響因素：氣候：氣候干燥，相對(duì)濕度小，蒸發(fā)強(qiáng)烈潛水埋深：埋深愈淺，土面蒸發(fā)愈大(圖2-20)包氣帶巖性：主要通過(guò)其對(duì)毛細(xì)上升高度與速度的控制作用而影響潛水蒸發(fā)。粗粒的砂毛細(xì)上升高度小，亞粘土、粘土中毛細(xì)上升速度慢都不利于土面蒸發(fā)，亞砂土、粉土等組成包氣帶時(shí)，由于毛細(xì)上升高度大，可產(chǎn)生較大的水力坡度，而其滲透系數(shù)又有一定數(shù)值，故其毛細(xì)上升速度最大，土面蒸發(fā)最為劇烈。3.2地下水的排泄葉面蒸發(fā)：植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，經(jīng)由根系吸收水分，并通過(guò)葉面蒸發(fā)逸失。也稱作蒸騰。植被繁茂土壤全年蒸發(fā)量約為裸露土壤的兩倍，個(gè)別情況下甚至超過(guò)露天水面蒸發(fā)量。在俄羅斯中亞細(xì)亞林區(qū)，整個(gè)生長(zhǎng)期，林木的蒸騰量可達(dá)630—840mm。德國(guó)進(jìn)行水均衡計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)蒸騰量竟占總蒸發(fā)量的75％，年平均達(dá)377.53mm。成年樹(shù)木的耗水能力相當(dāng)大。一棵15年的柳樹(shù)每年可消耗90立方米以上的水。葉面蒸發(fā)只消耗水分而不帶走鹽類。植物根系吸收水分時(shí)，也吸收一部分溶解鹽類，但是，只有喜鹽植物才能吸收較大量的鹽分。土壤沼澤化與鹽漬化土壤沼澤化土壤長(zhǎng)期處于過(guò)濕狀態(tài)，以致地表滯水，植物遺體因氧化不完全而形成泥炭層堆積下來(lái)，便形成招澤，又稱濕地。土壤經(jīng)常處于過(guò)濕狀態(tài)而未發(fā)育泥炭層的，則稱為沼澤化地段。3.2地下水的排泄補(bǔ)給水源：地表水、地下水以及混合補(bǔ)給由大氣降水補(bǔ)給的沼澤，通常分布于位置較高的河間地帶，由于表土透水性不好(如為粘土、亞粘土)，地形為封閉或半封閉的洼地，有較充足的降水補(bǔ)給時(shí)，土壤中水分滯留而形成沼澤地勢(shì)低洼，或地下水流動(dòng)受阻，潛水面接近地表的地方，可形成潛水補(bǔ)給的沼澤土壤鹽漬化在比較干旱的氣候條件下，由細(xì)粒土組成的平原、盆地中，埋藏不深的潛水強(qiáng)烈蒸發(fā)，鹽分累積于土壤，便導(dǎo)致土壤的鹽漬化天然條件下，土壤鹽分的運(yùn)移存在著方向相反的兩個(gè)過(guò)程，一個(gè)是積鹽過(guò)程，地下水通過(guò)毛細(xì)上升蒸發(fā)，鹽分累積于土壤層中；另一個(gè)是脫鹽過(guò)程，水分通過(guò)包氣帶下滲，將土壤中的鹽分溶解并淋洗到地下水中排走3.3地下水的徑流定義地下水由補(bǔ)給區(qū)流向排泄區(qū)的作用過(guò)程稱作徑流徑流方向與交替類型徑流方向：地下水徑流方向由高水位向低水位運(yùn)動(dòng)，由補(bǔ)給區(qū)向排泄區(qū)流動(dòng)交替類型垂向交替:在內(nèi)陸盆地，地下水的補(bǔ)給來(lái)源以大氣降水入滲補(bǔ)給為主，或存在地表水的垂直滲漏補(bǔ)給，而地下水的排泄出路只有潛水蒸發(fā)。由此，地下水的交替循環(huán)主要是在垂向進(jìn)行，如圖2-21所示的滲入一蒸發(fā)型的平原潛水交替?zhèn)认蚪惶?在泉和地表水排泄處如排泄基準(zhǔn)面低，排泄條件良好，地下水的水交替循環(huán)主要是在水平方向上進(jìn)行，補(bǔ)給來(lái)源可以是各種形式混合交替:介于上述兩類型之間，兩類地下水水交替兼而有之，自然界中的地下水大都屬于混合交替，但有以垂向交替為主和以側(cè)向交替為主之別3.3地下水的徑流地下水的徑流強(qiáng)度與徑流模數(shù)徑流強(qiáng)度：指在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位斷面的地下水徑流量。常以地下徑流模數(shù)M或地下徑流系數(shù)表示地下徑流模數(shù)M

：表示1km2含水層分布面積F上的地下水徑流量，單位m3/km2.aQ—一年內(nèi)地下水徑流總量(m3/a);F—含水層分布面積或地下水徑流流域面積(km2)地下徑流系數(shù)：指地下水徑流量Q與同一時(shí)間內(nèi)含水層分布面積F上的降水總量P之比，即P—年降水量(mm)。影響地下水徑流強(qiáng)度的因素：地下水的補(bǔ)排條件、含水層巖性和含水層厚度3.3地下水的徑流地下水徑流基本類型與地下水徑流系統(tǒng)暢流型(圖2-22a):地下水的流線近似平行，水力梯度大且沿流向變化不大，側(cè)向交替占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，垂向交替極弱，補(bǔ)排條件良好，地下徑流通暢，水交替積極，形成水質(zhì)良好、礦化度很低的淡水資源。匯流型(圖2-22b)：地下水的流線在平面上呈匯集狀，水力梯度由小變大。水交替在承壓水屬側(cè)向交替，在潛水盆地則主要屬混合型，其中間部位垂向交替比重較大，而在邊緣處則以側(cè)向交替為主。排泄條件取決于出口條件，一般情況下水交替較積極。散流型(圖2-22c)地下水的流線與匯流型相反，在平面上呈散射狀，水力梯度由大變小。其水交替屬以側(cè)向?yàn)橹鞯幕旌闲?。但在潛水排泄區(qū)附近垂向交替比重加大。徑流交替強(qiáng)度沿程由強(qiáng)變?nèi)?，并形成水化學(xué)水平分帶規(guī)律。3.3地下水的徑流緩流型(圖2-22d):水力梯度很小，潛水面或地下水測(cè)壓水面近似水平，地下水流動(dòng)緩慢，流線大致平行或略有變化。水交替微弱，屬以垂向交替為主的混合型。地下水礦化度一般較高。滯流型(圖2-22e):水力梯度趨于零，地下徑流停滯，在潛水可為滲入一蒸發(fā)型，屬垂向水交替類型；在承壓水可為垂向越流補(bǔ)排。地下水的礦化度一般也較高，水質(zhì)不良。地下水徑流系統(tǒng)：指以流面為邊界的，具有統(tǒng)一補(bǔ)給、徑流和排泄的地下水單元河間地塊潛水徑流系統(tǒng)(圖2-23)均質(zhì)各向同性地下水盆地徑流系統(tǒng)(圖2-24)復(fù)雜徑流系統(tǒng)(圖2-25)注意：地下水徑流系統(tǒng)與含水系統(tǒng)的區(qū)別第8講結(jié)束降水入滲過(guò)程大氣降水抵達(dá)地表便向土壤扎隙滲入，如土壤初始含水率很小，則滲水首先形成薄膜水，待達(dá)到最大薄膜水后，又繼續(xù)充填毛細(xì)孔隙形成毛細(xì)水，只有當(dāng)土壤含水率超過(guò)最大持水量時(shí)，才形成重力水下滲補(bǔ)給地下水。對(duì)于均質(zhì)包氣帶，自地表往下大致可劃分為四個(gè)區(qū)：圖3-1積水入滲時(shí)土壤含水率分布和分區(qū)飽和區(qū)緊貼地表下存在數(shù)厘米厚接近飽和含水率的薄土層；過(guò)渡區(qū)上聯(lián)飽和區(qū)下接傳導(dǎo)區(qū)，其間土壤含水率有明顯降低；傳導(dǎo)區(qū)不斷接受上層水分向下傳輸，其間土壤含水率分布變化不大，且不再增加；濕潤(rùn)區(qū)土壤含水率自上向下急劇降低至初始含水率，其前緣稱為濕潤(rùn)鋒，在毛細(xì)力作用下不斷向下推進(jìn)。在《水文學(xué)原理》將詳細(xì)介紹“入滲模型”圖2-1降水下滲率隨入滲時(shí)間變化圖2-2地中滲透儀結(jié)構(gòu)圖(書(shū)中p111)圖2-2地中滲透儀結(jié)構(gòu)圖1—滲透(蒸發(fā))皿；2—導(dǎo)水管；3—地下觀測(cè)室；4—室邊排水溝；5—原狀土樣；6—皿內(nèi)水位；7—過(guò)濾層；8—過(guò)濾層；9—檢查管；10—防沉底座；11—支架；12—測(cè)壓管；13—馬里奧特瓶；14—水位調(diào)整管；15—接滲瓶；16—加水管；17—出水管；18—通氣管；19—接滲管；20—節(jié)門(mén)；21—防水墻圖2-3降水入滲系數(shù)與年降水量、潛水埋深關(guān)系曲線圖2-4地表水與地下水的補(bǔ)給關(guān)系初汛汛期汛末圖2-5季節(jié)河流補(bǔ)給引起的地下水位變化圖2-6含水層的補(bǔ)給區(qū)與匯水區(qū)圖2-7“天窗”及越流補(bǔ)給半隔水層天窗圖2-10承壓水補(bǔ)給潛水圖2-11潛水補(bǔ)給承壓水a(chǎn)侵蝕下降泉圖2-12下降泉的類型b侵蝕下降泉c接觸泉圖2-12下降泉的類型defg溢流泉a侵蝕上升泉b斷層泉c接觸帶泉圖2-13