地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座

第三章

地下水補(bǔ)給、徑流與排泄地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第1頁地下水補(bǔ)給1地下水排泄2地下水徑流3地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第2頁地下水補(bǔ)給、徑流、排泄徑流補(bǔ)給與排泄含水層或含水系統(tǒng)與外界進(jìn)行水量、能量和鹽量交換步驟。含水層或含水系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行水量和鹽量積累和運(yùn)輸過程。這三個(gè)步驟決定地下水水量、水質(zhì)和水溫在時(shí)間和空間上改變地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第3頁地下水補(bǔ)給、徑流、排泄地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第4頁地下水補(bǔ)給、徑流、排泄

水文地質(zhì)條件

hydrogeologicalcondition

地下水埋藏、分布，補(bǔ)給、徑流和排泄條件，水質(zhì)和水量及其形成地質(zhì)條件等總稱。

地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第5頁

補(bǔ)給研究包含補(bǔ)給量影響補(bǔ)給原因補(bǔ)給起源地下水補(bǔ)給含水層或含水系統(tǒng)從外界取得水量作用過程稱作補(bǔ)給。地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第6頁地下水補(bǔ)給地下水補(bǔ)給來源大氣降水人工補(bǔ)給地表水其它含水層或含水系統(tǒng)水

其它還有：凝結(jié)水、側(cè)向補(bǔ)給、融雪（凍）水地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第7頁一、大氣降水對(duì)地下水補(bǔ)給降水去向：地表徑流、蒸發(fā)返回、土壤水和地下徑流大氣圈地面包氣帶含水層蒸發(fā)降水入滲下滲地表徑流土壤水地下徑流地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第8頁一、大氣降水對(duì)地下水補(bǔ)給普通情況下，入滲補(bǔ)給含水層水量?jī)H占降水量20～50%，其余水量經(jīng)過各種路徑耗失了。地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第9頁地下水溫度下滲水分在分子力作用下，被土壤顆粒吸收吸附形成薄膜水滲潤(rùn)階段滲漏階段滲透階段入滲過程下滲水分在毛管力、重力作用下做非穩(wěn)定流動(dòng)，逐步充滿土壤空隙水分在重力作用下呈穩(wěn)定流動(dòng)，抵達(dá)地下水面，補(bǔ)給地下水。一、大氣降水對(duì)地下水補(bǔ)給地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第10頁下滲過程中土壤水分帶過渡帶連接飽和帶和傳遞帶，含水率顯著降低。飽和帶土壤含水量靠近飽和含水量，厚度不超出1.5cm表面保持一定水深，均質(zhì)土壤地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第11頁下滲過程中土壤水分帶濕潤(rùn)帶含水量快速降低至初始含水量，前緣為濕潤(rùn)鋒。傳遞帶含水量基本保持在飽和含水量和田間持水量之間，沿垂線均勻分布。表面保持一定水深，均質(zhì)土壤地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第12頁地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第13頁降雨后包氣帶水下滲方式活塞式（pistontype）

是指上部新入滲水推進(jìn)下部較老水作面狀下移。這類下滲主要發(fā)生于比較均質(zhì)、孔隙大小差異不大砂層中。兩種方式捷徑式（short-circuittype）水流不作面狀推進(jìn)，而沿著一些通路優(yōu)先下滲。比如在粘性土中下滲水往往沿著一些大孔道——根孔、蟲孔及裂隙移動(dòng)。地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第14頁活塞式與捷徑式下滲地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第15頁

活塞式下滲是年紀(jì)較“新”水推進(jìn)其下年紀(jì)較“老”水，一直是“老”水比“新”水先抵達(dá)含水層；捷徑式下滲時(shí)“新”水能夠超前于“老”水抵達(dá)含水層。

對(duì)于捷徑式下滲，入滲水無須全部補(bǔ)充包氣帶水分虧缺，即可下滲補(bǔ)給含水層。而活塞式下滲，入滲水則需全部補(bǔ)足上層包氣帶水分虧缺，才會(huì)繼續(xù)下滲。捷徑式下滲與活塞式下滲比較活塞式捷徑式地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第16頁影響大氣降水補(bǔ)給地下水原因潛水分布區(qū)與補(bǔ)給區(qū)往往是一致T/F植被降水強(qiáng)度和連續(xù)時(shí)間降水量地下水埋深包氣帶巖性地形雨前土壤含水量地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第17頁雨前土壤含水量

雨前土壤含水量較小，干燥土將吸收大量滲透地表降水，少許降水只能形成薄膜水而不能形成重力水，因而無法補(bǔ)給地下水；若雨前土壤含水量較大，并靠近田間持水量，則滲透降水幾乎不再被土壤吸收而直接形成重力水，因而即便只有少許降水也會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生補(bǔ)給。在次降水量相等情況下，同一地域雨前土壤含水量較大時(shí)所引發(fā)潛水位升幅顯著大于雨前土壤含水量較小所引發(fā)潛水位升幅，且次降水量愈大，這種差異越顯著。地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第18頁包氣帶巖性、地下水埋深

巖性：透水性越好，入滲速率越大，降水轉(zhuǎn)化為地下水量也越大；反之則小。地下水埋深：經(jīng)過試驗(yàn)研究，降水入滲補(bǔ)給量隨地下水埋深不一樣而不一樣。包氣帶巖性地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第19頁降水量直接決定其上包氣帶蓄水能力。包氣帶越厚，其所消耗水量越多，補(bǔ)給給地下水有效雨量將隨地下水埋深增大而降低。地下水埋深：一般：地下水埋深

注意：這并不意味著地下水埋藏越淺時(shí)，地下水得到降水補(bǔ)給量就越多地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第20頁降水量對(duì)地下水補(bǔ)給起主要作用。在一定地下水埋深條件下，降水量越大，補(bǔ)給量也越大。降水量：一般：降水量地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第21頁降水強(qiáng)度、降水歷時(shí)降水強(qiáng)度降水歷時(shí)單位時(shí)間內(nèi)降水量。

降水強(qiáng)度超出包氣帶入滲率時(shí)，部分降水形成地面徑流，補(bǔ)給地下水部分對(duì)應(yīng)降低。指降水所連續(xù)時(shí)間。

降水強(qiáng)度小而歷時(shí)長(zhǎng)雨型，如毛毛雨，入滲水僅能濕潤(rùn)包氣帶，而后又蒸發(fā)返回大氣，不利于補(bǔ)給地下水；綿綿細(xì)雨，其降水強(qiáng)度中等，歷時(shí)長(zhǎng)，降水面積廣，對(duì)地下水補(bǔ)給最為有利。降水強(qiáng)度和降水歷時(shí)地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第22頁植被植被覆蓋率：植物越茂密，降水形成坡面流滯留時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)地下水補(bǔ)給越有利。植物形成有機(jī)物：有利于保護(hù)土層結(jié)構(gòu)免受降雨淋蝕，植物根系還能夠增加表土透水性。植被地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第23頁植被地形陡峻：降水抵達(dá)地表后不宜蓄積，不利于地下水補(bǔ)給；如黃土高原地形平緩：尤其是低洼處，有利于地下水補(bǔ)給；地形地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第24頁小結(jié)

上述補(bǔ)給影響原因是相互制約、互為條件整體，不能孤立地割裂開來看。要結(jié)合詳細(xì)情況分析，抓住其中主要影響原因?！?比如，強(qiáng)烈?guī)r溶地域，即使地形陡峭，地下水位埋深數(shù)百米，因?yàn)榘鼩鈳B透性極強(qiáng)，連續(xù)集中暴雨也能夠全部吸收，70%~90%降水可被吸收地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第25頁佛羅里達(dá)州落水洞地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第26頁實(shí)測(cè)法—地中滲透儀（地中蒸滲儀）

—地中滲透計(jì)

1－裝滿砂地中滲透計(jì)；2－礫石；3－濾網(wǎng)；4－導(dǎo)水管；5－三通；6－開關(guān)；7－測(cè)壓管；8－支架；9－試坑；10－馬利奧特瓶；11－漏斗；12－彎頭；13－水管；14－量筒大氣降水補(bǔ)給地下水水量確實(shí)定手動(dòng)調(diào)整補(bǔ)水，得到蒸發(fā)量自動(dòng)取得補(bǔ)水量，得到入滲補(bǔ)給值地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第27頁大氣降水補(bǔ)給地下水水量確實(shí)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，極小單位水量從一個(gè)平衡土水系統(tǒng)可逆地移動(dòng)到和它溫度相同、處于參比狀態(tài)水池時(shí)所做功。土水勢(shì)重力勢(shì)；壓力勢(shì)；基質(zhì)勢(shì)-；溶質(zhì)勢(shì)-；溫度勢(shì)；地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第28頁水分通量法

大氣降水補(bǔ)給地下水水量確實(shí)定零通量面法：依據(jù)不一樣時(shí)刻包氣帶水勢(shì)剖面，確定包氣帶水既不向上運(yùn)移，又不向下運(yùn)移零通量點(diǎn)(面)以及不一樣深度處土壤水分運(yùn)動(dòng)方向，結(jié)合不一樣時(shí)刻，不一樣深度包氣帶水分含量改變值觀察資料，最終計(jì)算出各時(shí)間段內(nèi)經(jīng)過包氣帶補(bǔ)給潛水入滲補(bǔ)給量和經(jīng)過地表蒸發(fā)蒸騰量

地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第29頁水分通量法

大氣降水補(bǔ)給地下水水量確實(shí)定定位通量法：以靠近潛水位位置作為計(jì)算邊界，依據(jù)這一計(jì)算邊界上下2只負(fù)壓計(jì)觀察數(shù)據(jù)算出這一位置水勢(shì)梯度，再依據(jù)達(dá)西定律及實(shí)際做出滲透系數(shù)與含水率曲線，算出這一邊界上水分通量，即為入滲量

地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第30頁式中：——滲透系數(shù)；

——地下水位變動(dòng)帶內(nèi)給水度；地下水動(dòng)態(tài)分析法：三觀察孔資料法大氣降水補(bǔ)給地下水水量確實(shí)定側(cè)向入流側(cè)向出流地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第31頁式中：——泰森多邊形面積；

——地下水位變動(dòng)帶內(nèi)給水度；

——為中央孔在時(shí)段內(nèi)水位變幅(m)——為流經(jīng)泰森多變形各邊交換流量之和(m3/d)；

——泰森多邊形內(nèi)入滲或蒸發(fā)量（m3/d）；

地下水動(dòng)態(tài)分析法：泰森多邊形法

大氣降水補(bǔ)給地下水水量確實(shí)定地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第32頁式中：——降水入滲補(bǔ)給量；

——地下水位變動(dòng)帶內(nèi)給水度；

——降水后觀察孔中最大水柱高度(m)——降水前觀察孔中水柱高度(m)；

——臨近降水前，地下水水位天然平均降（升）速（m/d）；

——觀察孔水柱高度從變到時(shí)間（d）；地下水動(dòng)態(tài)分析法：地下水位觀察資料估算

大氣降水補(bǔ)給地下水水量確實(shí)定沒考慮蒸發(fā)，不適用有承壓水和有水平排泄?jié)撍叵滤难a(bǔ)給徑流排泄專家講座第33頁水量平衡法

潛水均衡方程式為：

大氣降水補(bǔ)給地下水水量確實(shí)定地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第34頁降水入滲補(bǔ)給系數(shù)法大氣降水補(bǔ)給地下水水量確實(shí)定式中：Q——降雨入滲補(bǔ)給量，m3；

——年降水量,mm；

——降水入滲系數(shù)；

——補(bǔ)給區(qū)面積,km2；地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第35頁二、地表水對(duì)地下水補(bǔ)給河流與地下水補(bǔ)排關(guān)系沿著河流縱斷面而有所改變。河水補(bǔ)給地下水時(shí)，補(bǔ)給量大小取決于以下主要原因：透水河床長(zhǎng)度與浸水周界（相當(dāng)于一個(gè)過水?dāng)嗝妫┖哟餐杆裕B透系數(shù)）河水位與地下水位高差（影響水力梯度）河床過水時(shí)間人為原因影響，如傍河取水，加大了水力梯度地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第36頁地下水與地表水之間補(bǔ)排關(guān)系地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第37頁地下水與地表水之間補(bǔ)排關(guān)系地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第38頁地下水與地表水之間補(bǔ)排關(guān)系地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第39頁地下水與地表水之間補(bǔ)排關(guān)系地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第40頁大氣降水與地表水對(duì)地下水補(bǔ)給特征對(duì)比補(bǔ)給起源大氣降水地表水空間分布面狀補(bǔ)給，范圍普遍且較均勻線狀補(bǔ)給，局限于地表水體周圍時(shí)間分布連續(xù)時(shí)間有限連續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，或是經(jīng)常性地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第41頁水文分析法（適合用于無地下水動(dòng)態(tài)觀察資料河道）

——兩側(cè)站間水面蒸發(fā)量與兩岸浸潤(rùn)帶蒸發(fā)量之和占比率，由試驗(yàn)確定，普通數(shù)量很小，僅占滲漏補(bǔ)給量5%左右；——計(jì)算河道或河段長(zhǎng)度——兩測(cè)站間河段長(zhǎng)度地表水補(bǔ)給地下水水量確實(shí)定式中：地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第42頁實(shí)測(cè)河流上、下游流量直接推求（常年性河流）

地表水補(bǔ)給地下水水量確實(shí)定注意：計(jì)算范圍內(nèi)有支流入?yún)R時(shí)須考慮支流流量，對(duì)于間歇性河流，計(jì)算得到河流滲漏量要大于實(shí)際補(bǔ)給地下水量地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第43頁q=KhIW=qLT有實(shí)測(cè)地下水觀察資料時(shí)

地表水補(bǔ)給地下水水量確實(shí)定

q——單位長(zhǎng)度河流向一側(cè)滲漏量（m3/d.m）；

K——含水層平均滲透系數(shù)（m/d）I——地下水水力坡度式中：W——側(cè)向補(bǔ)給地下水總量(m3)L——河水與地下水存在水力聯(lián)絡(luò)河段長(zhǎng)度T——河道內(nèi)過水時(shí)間h——含水層平均厚度地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第44頁三、含水層之間補(bǔ)給承壓含水層與潛水含水層之間存在水頭差，就一定發(fā)生越流。（TorF）當(dāng)兩個(gè)含水層之間存在水頭差，且有聯(lián)絡(luò)通道，則水頭較高含水層便補(bǔ)給水頭較低者。

地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第45頁承壓水補(bǔ)給潛水潛水補(bǔ)給承壓水含水層之間補(bǔ)給地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第46頁含水層經(jīng)過導(dǎo)水?dāng)鄬影l(fā)生水力聯(lián)絡(luò)地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第47頁渙散沉積物中含水層經(jīng)過“天窗”及越流發(fā)生水力聯(lián)絡(luò)地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第48頁含水層經(jīng)過鉆孔發(fā)生水力聯(lián)絡(luò)地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第49頁Q越=KIA=K(HA-HB)A/M依據(jù)達(dá)西定律有

越流補(bǔ)給水量確實(shí)定

Q越——越流量（m3/d.m）；

A——發(fā)生越流面積（m/d）I——水力坡度式中：HB

——含水層B水頭M——弱透水層厚度HA

——含水層A水頭地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第50頁四、人工補(bǔ)給修建澆灌工程以及對(duì)淺層地下水采取地面、河渠、坑塘蓄水滲補(bǔ)，對(duì)深層地下水采取井、孔灌注等方式專門進(jìn)行地下水人工補(bǔ)給等人類活動(dòng)也會(huì)增加地下水補(bǔ)給。

地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第51頁地下水排泄

地下水經(jīng)過泉（點(diǎn)狀排泄）、向河流泄流（線狀排泄）及蒸發(fā)（面狀排泄）等形式向外界排泄。還有越流、地下水開采。

含水層失去水量作用過程稱作排泄。排泄研究包含排泄去路及方式、影響排泄原因及排泄量。地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第52頁泉一、泉泉是地下水天然露頭。地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第53頁泉僅僅依據(jù)泉口水是否冒涌來判斷是上升泉或下降泉，那是不適當(dāng)。上升泉：承壓水天然露頭。地下水在靜水壓力作用下，上升并溢出地表泉，由承壓水補(bǔ)給。依據(jù)補(bǔ)給泉含水層性質(zhì)下降泉：地下水受重力作用自由流出地表泉。由潛水或上層滯水補(bǔ)給。地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第54頁泉分類溢流泉接觸泉依據(jù)出露原因侵蝕泉斷層泉地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第55頁a、b侵蝕（下降）泉；c接觸（下降）泉；d、e、f、g溢流泉；h侵蝕（上升）泉;i斷層泉；j接觸帶泉泉地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第56頁泉地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第57頁老忠實(shí)泉(OldFaithfulGeyser)：

100多年來，每65分鐘噴5分鐘左右，高度30多m。老忠實(shí)泉地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第58頁HeihuSpring(黑虎泉)出流標(biāo)高為27.50m黑虎泉地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第59頁BaotuSpring“天下第一泉”趵突泉出流標(biāo)高為26.80m趵突泉地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第60頁JinciSpring(晉祠泉)晉祠泉地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第61頁地下水有時(shí)也集中排泄于河底、湖底或海底，這類水下泉與普通泉區(qū)分是出露于水下而不在地面。

如：大連金州海中龍眼、龍王廟大泉、大黑石海底大泉等不停地以泉方式排泄入海。泉地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第62頁河水與地下水之間聯(lián)絡(luò)情況潛水與河水無直接水力聯(lián)絡(luò)

潛水與河水有周期性直接水力聯(lián)絡(luò)

潛水與河水有直接水力聯(lián)絡(luò)

承壓水與河水有直接水力聯(lián)絡(luò)

二、泄流地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第63頁泄流多數(shù)情況下，地下水是分散排入地表水體。當(dāng)河流切割含水層時(shí)，地下水沿河呈線狀排泄。常年有水河流，枯水季節(jié)河水流量全由地下水泄流供給，汛期主要由流域內(nèi)降水匯聚形成，同時(shí)也可能包含部分泄流水量。地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第64頁Baseflow:contributiontostreamflowfromGW泄流地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第65頁泄流量影響原因地下水位與河水位高差河床切入含水層深度與長(zhǎng)度等原因含水層透水性能地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第66頁泄流量確實(shí)定可經(jīng)過分割河流流量過程線求地下水泄流量，即基流分割法推求地下水泄流量。地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第67頁標(biāo)準(zhǔn)退水曲線分割法適用條件：潛水與河水無直接水力聯(lián)絡(luò)泄流量確實(shí)定地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第68頁直線平割法

適用條件：洪水前期水量很枯，基流由承壓水補(bǔ)給平割法泄流量確實(shí)定地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第69頁斜割法適用條件：潛水與河水無直接水力聯(lián)絡(luò)泄流量確實(shí)定地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第70頁地下水蒸發(fā)排泄土面蒸發(fā)葉面蒸發(fā)地下水沿毛細(xì)孔隙上升，在潛水面之上形成一個(gè)毛細(xì)水帶。當(dāng)潛水埋深不大時(shí)，毛細(xì)水帶上緣離地面較近，大氣相對(duì)溫度較低時(shí)，毛細(xì)彎液面上水不停由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)，逸入大氣。潛水則源源不停地經(jīng)過毛細(xì)作用上升補(bǔ)給，使蒸發(fā)不停進(jìn)行。蒸發(fā)排泄地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第71頁地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第72頁影響土面蒸發(fā)主要原因潛水埋深愈淺，土面蒸發(fā)愈強(qiáng)烈。氣候愈干燥，相對(duì)濕度愈小，土面蒸發(fā)便愈強(qiáng)烈。氣候潛水埋深包氣帶巖性包氣帶巖性主要經(jīng)過其對(duì)毛細(xì)上升高度與速度控制影響潛水蒸發(fā)。粉質(zhì)亞砂土、粉砂等組成包氣帶，潛水蒸發(fā)最強(qiáng)烈。地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第73頁潛水蒸發(fā)量與水位埋深關(guān)系曲線地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第74頁阿維揚(yáng)諾夫公式沈立昌雙曲線型公式

葉水庭指數(shù)型公式地中蒸滲儀法潛水蒸發(fā)量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式法地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第75頁第三節(jié)地下水徑流地下水由補(bǔ)給處流向排泄處作用過程稱作徑流。研究地下水徑流包含徑流方向、徑流強(qiáng)度、徑流條件及徑流量等。補(bǔ)給排泄連接補(bǔ)給與排泄中間步驟，將地下水水量與鹽量由補(bǔ)給處傳輸?shù)脚判固?，從而影響含水層或含水系統(tǒng)水量與水質(zhì)時(shí)空分布。徑流地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第76頁總體上講，地下水徑流受地形控制，由高處流向低處。

地下水徑流地下水的補(bǔ)給徑流排泄專家講座第77頁洪積扇地下徑流示意圖

沿?cái)鄬恿鲃?dòng)地下水徑流