第8章 地下水的補(bǔ)給與排泄課件

第8章地下水的補(bǔ)給與排泄第1節(jié)地下水補(bǔ)給第2節(jié)地下水排泄第3節(jié)地下水補(bǔ)給與排泄對(duì)地下水水質(zhì)的影響第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄相關(guān)概念1、地下水補(bǔ)給含水層或含水系統(tǒng)從外界獲得水量的過(guò)程。補(bǔ)給不僅反映水量增加，還體現(xiàn)了鹽量、能量的增加。2、地下水徑流地下水從補(bǔ)給區(qū)向排泄區(qū)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。3、地下水排泄含水層或含水系統(tǒng)失去水量的過(guò)程。排泄不僅反映水量減少，同時(shí)反映鹽量與能量的減少。作用：地下水通過(guò)補(bǔ)給與排泄，保持其不斷循環(huán)流動(dòng)，與外界發(fā)生水量、鹽量和能量的交換，在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)水量、鹽量和能量的時(shí)空演變。因此，補(bǔ)給、排泄與徑流決定著地下水水量水質(zhì)在空間與時(shí)間上的分布。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄第1節(jié)地下水補(bǔ)給地下水補(bǔ)給使含水層的水量、水化學(xué)特征和水溫發(fā)生變化

1、思考：

補(bǔ)給獲得水量后，含水層或含水系統(tǒng)會(huì)發(fā)生什么變化？（1）地下水水位上升，增加了勢(shì)能，使地下水保持不停的流動(dòng)（2）由于構(gòu)造封閉或氣候干旱，得不到補(bǔ)給，地下水的流動(dòng)將停滯2、補(bǔ)給研究包括：補(bǔ)給來(lái)源、影響因素（補(bǔ)給條件）與補(bǔ)給量3、地下水補(bǔ)給來(lái)源：（1）天然：大氣降水、地表水、凝結(jié)水及相鄰含水層的補(bǔ)給等（2）人類活動(dòng)？灌溉水入滲、水庫(kù)滲漏及人工回灌等第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄一、大氣降水入滲補(bǔ)給討論：入滲機(jī)制？影響因素？？補(bǔ)給量的確定？？？

1、大氣降水入滲機(jī)制包氣帶是降水對(duì)地下水補(bǔ)給的樞紐，包氣帶的巖性結(jié)構(gòu)和含水量狀況對(duì)降水入滲補(bǔ)給起著決定性作用。目前認(rèn)為，松散沉積物的降水入滲有兩種方式：

（1）均勻砂土層——活塞式（piston/diffuseinfiltration）

（2）含裂隙的土層——捷徑式（bypass/short-circuitinfiltration）第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄（1）均質(zhì)沙土——活塞式入滲入滲水的濕鋒面整體向下推進(jìn)，猶如活塞的運(yùn)移。活塞式入滲——適用條件：均勻的砂土層

①降水初期t1：土層干燥，吸水能力很強(qiáng)，雨水下滲快

t1t2潛水面第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄（1）均質(zhì)沙土——活塞式入滲

②降水延續(xù)t2：土層達(dá)到一定的含水量，毛細(xì)力與重力共同作用下滲趨于穩(wěn)定——滲潤(rùn)階段，滲漏與滲透階段

t1t2潛水面第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄（1）均質(zhì)沙土——活塞式入滲

③降水再持續(xù)：當(dāng)土層濕鋒面推進(jìn)到支持毛細(xì)水帶時(shí)，含水量獲得補(bǔ)給，潛水位上升。t1t2潛水面第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄?jié)B潤(rùn)階段滲漏、滲透階段旱季末期，包氣帶上部含水量低于W0，水分虧缺。雨季初期，降水補(bǔ)足水分虧缺降水補(bǔ)虧多余，下滲下滲水進(jìn)入地下水面，地下水儲(chǔ)量增加，地下水位抬升第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄（2）含裂隙的土層——捷徑式入滲——空隙大小極懸殊

①捷徑式入滲，新水可以超過(guò)老水，優(yōu)先達(dá)含水層

②捷徑式入滲，不必包氣帶達(dá)到飽和即可補(bǔ)給下方含水層t1t2潛水面

當(dāng)降水強(qiáng)度較大，細(xì)小孔隙來(lái)不及吸收全部水量時(shí)，一部分雨水將沿著滲透性良好的大孔隙通道優(yōu)先快速下滲，并沿下滲通道水分向細(xì)小孔隙擴(kuò)散。存在比較連續(xù)的較強(qiáng)降雨時(shí)，下滲水通過(guò)大孔道的捷徑優(yōu)先到達(dá)地下水面。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄捷徑式下滲與活塞式下滲的兩點(diǎn)不同：（1）活塞式下滲是較“新”的推動(dòng)其下的較“老”的水，始終是“老”水先到達(dá)含水層；（2）捷徑式下滲時(shí)“新”水可以超前于“老”水到達(dá)含水層；對(duì)于捷徑式下滲，入滲水不必全部補(bǔ)充包氣帶水分虧缺，即可下滲補(bǔ)給含水層。這兩點(diǎn)對(duì)于分析污染物質(zhì)在包氣帶的運(yùn)移很有意義。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄

2、降水補(bǔ)給影響因素降水量=地表徑流量+蒸發(fā)量+包氣帶滯留量+補(bǔ)給含水層量（1）氣候因素（P，E）降水總量、強(qiáng)度、頻率、持續(xù)時(shí)間總量大，強(qiáng)度適中，間隔短，時(shí)間長(zhǎng)的綿綿細(xì)雨最有利，溫度適中，溫差較小，相對(duì)濕度大，蒸發(fā)強(qiáng)度小。（2）地形：高或低，陡或緩（3）地質(zhì)：滲透性愈大愈有利（4）地下水位埋深（5）其它PEΔSRSqS地表徑流第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄

入滲系數(shù)（α）——大氣降水補(bǔ)給地下水的份額，常以小數(shù)表示。入滲水補(bǔ)足水分虧缺后，其余部分繼續(xù)下滲，達(dá)到含水層時(shí)，構(gòu)成地下水的補(bǔ)給。我國(guó)，入滲系數(shù)α通常變化于0.2~0.4之間，南方巖溶地區(qū)可高達(dá)0.8以上，西北極端干旱的山間盆地則趨于零。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄降水入滲系數(shù)與年降水量、潛水埋深關(guān)系曲線潛水埋藏深度（m）（1）降雨量與補(bǔ)給量之間呈近似線性關(guān)系（定埋深）；（2）降雨量中有一部分要補(bǔ)充水分虧損，才有補(bǔ)給地下水；（3）地下水埋深越淺，補(bǔ)給量越大（定降雨量）第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄

地下水埋深：通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，降水入滲補(bǔ)給量隨地下水埋深的不同而不同。

最佳埋深:降水入滲補(bǔ)給量為最大時(shí)的地下水埋深。

最大降水入滲補(bǔ)給量：與最佳埋深相應(yīng)的降水入滲補(bǔ)給量。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄

3、補(bǔ)給量確定方法（1）平原區(qū)一般采用入滲系數(shù)法（α）降水入滲系數(shù)多用年平均值表示由經(jīng)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)等方法得出全年降水入滲補(bǔ)給量：

Q=P×

α×F×1000Q：m3/a；P：mm；

α

：無(wú)量綱；F：km2降水入滲系數(shù)可用入滲試驗(yàn)儀、地中滲透儀來(lái)測(cè)定第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄地中滲透儀結(jié)構(gòu)圖在若干個(gè)入滲皿中放入本區(qū)代表性原狀土柱，以水位調(diào)節(jié)管控制不同的地下水位埋深，經(jīng)過(guò)若干年觀測(cè)，可以得到不同包氣帶巖性、地下水位埋深及不同年降水量條件下降水入滲系數(shù)α做成圖表可以得出各種條件下α值的大小。③地下觀測(cè)室地中滲透儀的主要用途：①降水入滲補(bǔ)給量②潛水蒸發(fā)量③凝結(jié)水量第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄

3、補(bǔ)給量確定方法利用天然潛水位變幅確定（水位動(dòng)態(tài)法）應(yīng)用地下水長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，根據(jù)天然地下水位變化幅度求。選擇符合下列條件的典型地段：①?zèng)]有開(kāi)采或地下水不受開(kāi)采的影響②沒(méi)有地表水補(bǔ)給③地下水水平徑流和垂向越流及蒸發(fā)微弱④包氣帶巖性及地下水位埋深有代表性布置觀測(cè)井，觀測(cè)降水期間地下水位抬升值△h，然后測(cè)定水位變幅帶的給水度u。則第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄

3、補(bǔ)給量確定方法（2）山區(qū)降水入滲確定方法山區(qū)由于地形切割，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(bǔ)給量等于其排泄量，故可通過(guò)測(cè)定地下水排泄量反求其補(bǔ)給量。山區(qū)的入滲系數(shù)α是匯水區(qū)排泄量（泉、河流）與全年降水、匯水區(qū)面積的比值：Q—

年地下水排泄量f—

匯水區(qū)面積（km2）X—

年降水量（mm）第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄二、地表水對(duì)地下水補(bǔ)給地表水體：河、湖、水庫(kù)等都可以成為地下水的補(bǔ)給來(lái)源河流補(bǔ)給：因地而異（空間上），不同部位、巖性等因時(shí)而異（時(shí)間上），不同季節(jié)，不同補(bǔ)排關(guān)系（1）比較常年性河流與季節(jié)性河流對(duì)地下水的補(bǔ)給的異同點(diǎn)（2）河流補(bǔ)給的主要影響因素有哪些？（3）如何確定河水對(duì)地下水的補(bǔ)給量？補(bǔ)給必要條件：（1）有水力聯(lián)系（2）地表水水位高于地下水水位第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄二、地表水對(duì)地下水補(bǔ)給季節(jié)性河流補(bǔ)給地下水第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄二、地表水對(duì)地下水補(bǔ)給河流不同部位地表水與地下水之間的補(bǔ)給關(guān)系第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄

（1）山區(qū)：河流深切，河水位常年低于地下水位，起排泄地下水的作用；

（2）山前：堆積作用加強(qiáng)，河床抬高，地下水埋深大，則河水經(jīng)常補(bǔ)給地下水；（3）沖積平原中上游：河水位與地下水位接近，汛期河水補(bǔ)給地下水，非汛期河水排泄地下水；（4）沖積平原中下游：堆積作用強(qiáng)烈，形成“地上河”（尤其在北方），如黃河下游，此時(shí)，河水常年補(bǔ)給地下水。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄三、含水層之間的補(bǔ)給

兩個(gè)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(bǔ)給水頭較低者。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄三、含水層之間的補(bǔ)給

兩個(gè)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(bǔ)給水頭較低者。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄三、含水層之間的補(bǔ)給

隔水層分布不穩(wěn)定時(shí)，在其缺失部位的相鄰的含水層便通過(guò)“天窗”發(fā)生水力聯(lián)系。

越流（Leakage）：具有一定水頭差的相鄰含水層，通過(guò)其間的弱透水巖層發(fā)生水量交換的過(guò)程。通常發(fā)生于松散沉積物中，粘性土層構(gòu)成弱透水層。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄三、含水層之間的補(bǔ)給

含水層通過(guò)切穿隔水層的導(dǎo)水?dāng)鄬影l(fā)生水力聯(lián)系第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄三、含水層之間的補(bǔ)給

穿越數(shù)個(gè)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第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄三、含水層之間的補(bǔ)給

越流量如何計(jì)算？

1、影響越流補(bǔ)給量大小的因素（1）兩個(gè)含水層之間的水頭差；（2）裂隙、斷層的透水性；（3）弱透水層的透水性及厚度。

2、越流補(bǔ)給量的確定

K——

弱透水層垂向滲透系數(shù)；

I——

驅(qū)動(dòng)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）；

W——

越流面積

第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄四、人工補(bǔ)給灌溉回歸水的補(bǔ)給將灌溉滲漏補(bǔ)給含水層的水（包括渠道與田面滲漏）稱之為灌溉回歸水。

渠系入滲：大型溝渠滲漏相當(dāng)于地表水入滲補(bǔ)給

田面入滲：當(dāng)灌溉水量超過(guò)地下水面以上包氣帶土層的蓄水能力時(shí)，能對(duì)地下水產(chǎn)生補(bǔ)給。灌水入滲過(guò)程與大氣降水入滲過(guò)程基本相同。進(jìn)入田間的水量與渠道總輸水量的比值，稱為渠系有效利用系數(shù)。一般大型灌溉系統(tǒng)的有效利用系數(shù)為

0.4~0.6。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄人工回灌

采用有計(jì)劃的人為措施補(bǔ)充含水量的水量稱為人工補(bǔ)給地下水。其目的有：

（1）補(bǔ)充、儲(chǔ)存地下水資源；

（2）抬高地下水位以改善地下水開(kāi)采條件；

（3）儲(chǔ)存熱源以用于鍋爐用水；

（4）儲(chǔ)存冷源用于空調(diào)冷卻；（5）控制地面沉降；

（6）防止海水倒灌與咸水入侵含水層。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄實(shí)例1某一水源地（均衡區(qū)）位于平原地帶，區(qū)域面積為100Km2，年平均降水量為600mm，降水入滲系數(shù)為0.2，地下水位埋深較淺，蒸發(fā)強(qiáng)度為0.00008m3/（m2.d）。有一條河流補(bǔ)給地下潛水，河床的補(bǔ)給長(zhǎng)度為8Km，單寬流量為5m3/（m.d），水源地開(kāi)采量為每年2000萬(wàn)m3。回答以下問(wèn)題：（1）列出該水源地進(jìn)行水均衡計(jì)算的表達(dá)式。（2）根據(jù)收入項(xiàng)和支出項(xiàng)，計(jì)算該水源地是正均衡還是負(fù)均衡？第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄（1）列出該水源地進(jìn)行水均衡計(jì)算的表達(dá)式式中：—降水入滲補(bǔ)給量；—地表水入滲補(bǔ)給量；

—潛水蒸發(fā)量；—開(kāi)采量；—潛水存儲(chǔ)變化量

（2）根據(jù)收入項(xiàng)和支出項(xiàng)，計(jì)算該水源地是正均衡還是負(fù)均衡？

=0.6×0.2×108×=1.2×107（m3）；

=5×8000×365=1.46×107（m3）；

=0.00008×108×365=0.29×107（m3）；

=2.0×107（m3）。收入項(xiàng)=2.66×107（m3）＞支出項(xiàng)=2.29×107（m3）為正均衡。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄實(shí)例2在某河流的一次水文試驗(yàn)觀測(cè)中，記錄了兩個(gè)距離不遠(yuǎn)的斷面的河流流量差變化曲線

Q(t)，以及地下水向該河泄流量的變化曲線Qw(t)，觀測(cè)過(guò)程中有一次強(qiáng)降雨從t0開(kāi)始，在t1結(jié)束，降水強(qiáng)度為W，這次強(qiáng)降水引起地表徑流和地下徑流的升降，直到t2恢復(fù)初始狀態(tài)，初始徑流量為

Q0（下圖所示）。已知觀測(cè)段對(duì)應(yīng)的流域面積為A。分析以下問(wèn)題：（1）觀測(cè)時(shí)期地下水與河流的關(guān)系？（2）地表、地下徑流量的峰值出現(xiàn)時(shí)間為何不同？（3）基流量

Q0主要由哪些部分組成？地下水泄流量Qw為何先增大，后減??？（4）計(jì)算一下本次強(qiáng)降水的入滲補(bǔ)給系數(shù)。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄實(shí)例2

（1）在觀測(cè)使其地下水與河流是相互補(bǔ)給的關(guān)系：在t0-t1為河流補(bǔ)給地下水；在t1-t2為地下水補(bǔ)給河流。（2）根據(jù)上圖分析可知，在這次強(qiáng)降水過(guò)程中，河流得到迅速補(bǔ)給，并很快使虧缺部分得到補(bǔ)足，很快達(dá)到地表徑流量的峰值；在此同時(shí)多余水分下滲補(bǔ)給地下水，但由于下滲的水少且由于地質(zhì)條件原因下滲速率慢，地下徑流量的峰值必定居后。（3）基流量

Q0主要由：包氣帶中的結(jié)合水(包括吸濕水和薄膜水)和毛管水，飽和帶中的重力水（包括潛水和承壓水）。在這次強(qiáng)降水初期，地下水位小于地表水位，所以地表水補(bǔ)給地下水，Qw先增大；當(dāng)強(qiáng)降水結(jié)束后，地下水通過(guò)不斷的地表水補(bǔ)給達(dá)到峰值，同時(shí)由于氣候，地質(zhì)，植被等條件影響，地下水位大于地表水位，地下水補(bǔ)給地表水，Qw后減小。（4）根據(jù)Q=X*a*f*1000可知，入滲補(bǔ)給系數(shù)

a=Q/(X*f*1000)=∫(t0-t2)Qwd(t)/(∫

t0-t2)

Q(t)*A*1000d(t))。

(注∫(t0-t2)d（t）表示從t0-t2段積分)第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄第2節(jié)地下水排泄地下水排泄研究包括：排泄方式、影響因素、排泄量的確定排泄方式：泉（點(diǎn)狀排泄）向地表水體泄流（河流—線狀）向相鄰含水層的排泄蒸發(fā)（面狀排泄）前三種排泄方式稱為徑流排泄，與蒸發(fā)排泄的區(qū)別：徑流排泄——水分（鹽分）呈液態(tài)排出，鹽隨水去蒸發(fā)排泄——水分呈氣態(tài)排出，鹽分積累下來(lái)，水去鹽留第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄一、泉1、泉

——地下水的天然露頭，多為“點(diǎn)”，屬?gòu)搅髋判埂Ｈ某雎妒堑匦?、地質(zhì)與水文地質(zhì)條件有機(jī)結(jié)合的結(jié)果

2、泉的分類（1）按補(bǔ)給源（補(bǔ)給泉含水層類型）：上升泉、下降泉（2）按出露條件：侵蝕泉——地形切割到潛水面接觸泉——地形切割至隔水底板溢流泉——水流在前方受阻，水位抬升，溢流成泉下降泉第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄泉的類型：下降泉：a,b侵蝕泉；c接觸泉；d,e,f,g溢流泉。上升泉：h侵蝕泉；I斷層泉；j接觸泉第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄3、研究泉的意義？（1）直接得到水文地質(zhì)資料通過(guò)泉的出露標(biāo)高、流量、動(dòng)態(tài)、溫度、水化學(xué)，可以綜合分析與泉水成因有關(guān)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件。如①地下水位標(biāo)高②巖層的含水性（透水性）③含水巖層的補(bǔ)給，循環(huán)（交替）④地質(zhì)構(gòu)造、斷層⑤供水水源（2）間接分析水文地質(zhì)信息①泉出露兩側(cè)巖層的含水性：含水層、隔水層；②泉出露處斷層的導(dǎo)水性；③泉流量大小：導(dǎo)水性的好壞；④泉的溫度：地下水循環(huán)深度；⑤泉流量大小或水化學(xué)：補(bǔ)給與徑流條件的好壞。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄二、地下水的排泄——泄流1、泄流當(dāng)河流切割含水層時(shí)，地下水沿河呈帶狀排泄，稱作地下水的泄流。2、泄流量的估算對(duì)流量比較穩(wěn)定的承壓含水層泄流量，通過(guò)流量過(guò)程線采用直線分割法。3、基流在流量過(guò)程線上找到起漲點(diǎn)A，以及退水后流量趨于穩(wěn)定的B點(diǎn)，AB連線以下部分即為泄流量，稱為基流。第8章-地下水的補(bǔ)給與排泄二、地下水的排泄——蒸發(fā)1、蒸發(fā)類型（1）與飽水帶無(wú)直接聯(lián)系的土壤水蒸發(fā)

包氣帶上部的水，包括孔角毛細(xì)水、懸掛毛細(xì)水乃至過(guò)路毛細(xì)水（包括結(jié)合水）都不與潛水面發(fā)生直接聯(lián)系。這部分水由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)而蒸發(fā)排泄，造成包氣帶水分虧缺。土壤水的蒸發(fā)強(qiáng)度取決于氣候及包氣帶巖性。它使土壤水鹽分