水文地质学基础——地下水的补给与排泄

防灾科技学院张耀文水文地质学基础FundamentalsofHydrogeology本章内容7.1地下水的补给7.2地下水的排泄7.3地下水径流7.4地下水补给、径流与排泄对地下水水质的影响基本概念地下水是通过补给与排泄两个环节参与自然界的水循环。补给：含水层或含水系统从外界获得水量的过程，水量增加的同时，盐量、能量等也随之增加。排泄：含水层或含水系统向外界排出水量的过程，减少水量的同时，盐量和能量等也随之减少。基本概念根据地下水循环位置，可分为补给区、径流区、排泄区。径流区是含水层中的地下水从补给区至排泄区的流经范围。水文地质条件是地下水埋藏、分布、补给、径流和排泄条件、水质和水量及其形成地质条件等的总称。补给区（rechargearea）是含水层出露或接近地表接受大气降水和地表水等入渗补给的地区。7.1地下水的补给补给使含水层的水量、水化学特征和水温发生变化思考：补给获得水量后，含水层或含水系统会发生什么变化？地下水位上升，增加了势能，使地下水保持不停的流动。由于构造封闭或气候干旱，得不到补给，地下水的流动将停滞。补给的研究包括：补给来源、补给机制、影响因素、补给量地下水的补给来源有：天然：大气降水、地表水、凝结水及相邻含水层的补给等人类活动有关的：灌溉水入渗、水库渗漏及人工回灌7.1.1大气降水对地下水的补给讨论：入渗机制？影响因素？？补给量的确定？？？1、大气降水入渗机制包气带是降水对地下水补给的枢纽，包气带的岩性结构和含水量状况对降水人渗补给起着决定性作用目前认为，松散沉积物的降水入渗有两种方式：降水入渗的现象—两类空隙的入渗过程——总结：均匀砂土层——活塞式(piston/diffuse)含裂隙的土层——捷径式(bypass)1、大气降水入渗机制“活塞式”入渗——适用条件：均匀的砂土层降水初期t1：土层干燥，吸水能力很强，雨水下渗快-渗润阶段降水延续t2：土层达到一定的含水量，毛细力与重力共同作用，下渗趋于稳定——渗漏与渗透阶段降水再持续：当土层湿锋面推进到支持毛细水带时，含水量获得补给，潜水位上升7.1.1大气降水对地下水的补给湿锋面t1t2地面潜水面活塞式下渗：入渗水的湿锋面整体向下推进，犹如活塞的运移。下渗过程水分分布渗润阶段渗漏、渗透阶段7.1.1大气降水对地下水的补给1、大气降水入渗机制“活塞式”入渗——均匀砂土层“捷径式”下渗——空隙大小极悬殊活塞式与捷径式区别：①捷径式下渗，新水可以超过老水，优先达含水层；②捷径式下渗，不必包气带达到饱和即可补给下方含水层。捷径式下渗图t1t2捷径式下渗图山西黄土及其入渗目前认为，松散沉积物中的降水入渗存在活塞式与捷径式两种。2、降水补给的影响因素降水地表下渗补给含水层蒸发地表径流渗入地面以下的水补给含水层的水土面蒸发叶面蒸腾土壤水大气水≠（降水入渗能力）垂向渗透流速v=Q/t，取决于包气带岩性K入渗速率随时间的变化在降雨强度超过地表入渗能力时，便将产生地表坡流。7.1.1大气降水对地下水的补给2、降水补给的影响因素P=R+E+ΔS+G气候因素（P，E）：1.年降水量2.降水强度和延续时间总量大，强度适中，间隔短，时间长的绵绵细雨最有利。温度适中，温差较小，相对湿度大，蒸发强度小。地质:3.包气带：a岩性、b厚度、c含水量4.地形:高或低，陡或缓5.地下水位埋深：6.植被发育人类工程REPSGPqG024680.00.20.40.60.8降雨入渗系数水位埋深/mm粉细砂亚粘土夹层土岩性及水位埋深对降雨入渗补给的影响问题：地下水位埋深的影响？地下水接受降水补给的最佳深度一般为2-2.5m.7.1.1大气降水对地下水的补给3、降水入渗补给量（1）平原区大气降水入渗补给量一般采用入渗系数法（α）降水入渗系数多用年平均值表示，由经验与实验等方法得出全年降水入渗补给量：Q=·P·F·1000式中：Q----降水入渗补给地下水量（m3/a）；P----年降水量（mm）；----降水入渗系数；一般在０.２～０.4之间。在南方岩溶地区高达０．８以上,西北干旱气候的沙漠盆地接近于0.F----补给区面积（km2）。确定的常用方法：入渗试验仪、地中渗透仪、经验类比法、利用潜水位天然变幅确定实际工作中常用双环入渗试验装置双环注水法--剖面图——连续降水地中渗透仪结构图原状土样入渗皿导水管地下观测室河南郑州均衡试验场地中渗透仪试验土柱地下观测室7.1地下水的补给3、降水入渗补给量（2）山区降水入渗补给量的确定基岩山区大气降水、地表水与地下水的转换情况比较复杂，单独求算山区的大气降水入渗补给地下水量很困难，通常的做法是统一求取山区大气降水与地表水对地下水的补给量。山区地形切割，地下水位埋藏深度大，地下水的蒸发排泄量可以忽略，大体上可认为山区地下水的补给量等于其排泄量，故可通过测定地下水排泄量反求其补给量。山区地下水全部以泉形式集中排泄时，可通过定期测定泉流量求得全年排泄量。如地下水分散泄流，可通过分割河水流量过程线求年排泄量（见下图）。基流：径流过程线中表示河道内常年出现并基本稳定的那部分水流，完全由地下水补给。如果山区地下水有一部分以地下径流形式排入相邻的平原或盆地，则必须另行计算这一部分水量加入排泄量中。山区地下水的排泄量山区的入渗系数α是全年降水与河水补给地下水的量与年降水量的比值：1000XfQQ——年地下水排泄量（m3/a），以前述方式求得；f——汇水区面积（km2）；X——年降水量（mm）。汇水区：指某一点上游的所有主支流地区（f就是汇水区的总面积）。7.1.2地表水对地下水的补给地表水对地下水的补给补给来源：地表水体（河、湖、水库等）补给机制:因地而异（空间上），不同部位，岩性等；因时而异（时间上），不同季节，不同补排关系地表水补给地下水的必要条件有哪些：（1）存在水力联系（2）地表水水位高于地下水水位（存在水头差）思考：比较长年性河流与季节性河流对地下水的补给的异同点？河流不同部位地表水与地下水之间的补给关系汛期开始，河水浸湿包气带并发生垂直下渗，使河下潜水面形成水丘（图a）。河水不断下渗，水丘逐渐抬高与扩大，与河水联成一体（图b）。汛期结束，河水撤走，水丘逐渐趋平，使一定范围内潜水位普遍抬高（图c）。季节性河流补给地下水思考：如何确定河水对地下水的补给量？河水补给地下水时，补给量的大小取决于下列因素：透水河床的长度与浸水周界的乘积（相当于过水断面）河床透水性（渗透系数）河水位与地下水位的高差（影响水力梯度）河床过水时间tIKtVtQW对于常年性河流，为了确定河水渗漏补给地下水的水量，可在渗漏河段上下游分别测定断面流量Q1及Q2，则河水渗漏量等于（Q1-Q2）t，t为河床过水时间。此渗漏量即为河水补给地下水的水量；但是，对于过水时间很短的间歇性河流？河流对地下水的补给量思考：大气降水和河流补给地下水的异同？大气降水与地表水作为地下水补给来源的比较从空间分布上看，大气降水属于面状补给，范围普遍且较均匀；地表水则可看作线状补给，局限于地表水体周边。从时间分布比较，大气降水持续时间有限而地表水体持续时间长，或是经常性的。在地表水体附近，地下水接受降水及地表水补给，开采后这一补给还可加强，因此地下水格外丰富。从总体上说，降水量的多寡决定着一个地区地下水的丰富程度就其水源而言，地表水是由大气降水转化而来的，即使对于干旱山间盆地，作为地下水主要补给来源的河水，仍然来源于山区降水，或以冰雪形式积累起来的高山降水。本段小结大气降水与地表水对地下水补给的区别：(1)空间上:大气降水属于面状补给，范围普遍且均匀；地表水则可看作线状补给，局限于地表水体周边。(2)时间上:大气降水持续时间有限而地表水体持续的时间长，或是经常性的。(3)影响因素：大气降水对地下水的补给不同地区受气候因素（主要是降雨）影响，河流对地下水的补给关系沿着河流纵断面而有所变化。潜水和承压水含水层接受降水及地表水补给的区别：潜水在整个含水层分布面积上都能直接接受补给，而承压水仅在含水层出露于地表，或与地表连通处方能获得补给。7.1.3含水层之间的补给越流——地下水量的内部转化潜水—承压水之间的补给思考题：右图中泉水的大小与哪些因素有关！含水层通过钻孔发生水力联系含水层通过导水断层发生水力联系含水层之间的水力联系越流（Leakage）：具有一定水头差的相邻含水层，通过其间的弱透水岩层发生水量交换的过程。经常发生于松散沉积物中，粘性土层构成弱透水层。思考：越流量如何计算？天窗、越流隔水层分布不稳定时，隔水层缺失部位称为天窗越流补给量计算用达西定律Q=KωI进行分析,单位水平面积弱透水层越流量Q为:MHHKKIQBAM式中：K－弱透水层垂向渗透系数I－驱动越流的水力梯度HA-含水层A的水头HB-含水层B的水头M－弱透水层厚度虽然弱透水层的垂向渗透系数相当小，但水力梯度大，越流的面积大，对于松散沉积物构成的含水系统，越流补给量可能大于含水层侧向流入量。7.1.3含水层之间的补给7.1.4凝结水的补给凝结作用指气温下降到一定程度由气态水转化为液态水的过程。一般情况下，凝结形成的地下水相当有限。但是，高山、沙漠等昼夜温差大的地方，凝结水对地下水补给很重要。7.1.5地下水的其它补给来源（1）水库渗漏。（2）灌溉渗漏：灌溉渠系、灌溉田间渗漏补给。（3）工业及生活废污水的渗漏补给。（4）人工补给地下水：采用有计划的人为措施补充含水层的水量。人工补给地下水人工补给地下水的方式有：①地面，②河渠，③坑池蓄水渗补，④井孔灌注。目的：①补充与储存地下水资源，抬升地下水位；②储存热源、冷源；③控制地面沉降；④防止海水倒灌、咸水入侵；⑤改善生态环境7.2地下水的排泄地下水排泄的研究包括：排泄方式、排泄机制、影响因素、排泄量的确定排泄方式：泉（点状排泄）向地表水体泄流（河流—线状）、向相邻含水层的排泄蒸发蒸腾（面状排泄）人工排泄前三种排泄方式称为径流排泄，与蒸发排泄的区别：径流排泄—水分（盐分）呈液态排出,盐随水去蒸发排泄—水分呈气态排出，盐分积累下来，水去盐留7.2.1泉spring定义：泉是地下水的天然露头。多为“点”状，属径流排泄分类：根据补给泉的含水层类型可将泉划分为上升泉、下降泉。根据出露成因可分为侵蚀泉、接触泉和溢流泉、断层泉、接触带泉。根据出露条件又将下降泉分为：侵蚀泉：地形切割到潜水面接触泉：地形切割至隔水底板溢流泉：水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉下降泉侵蚀泉：地形切割到潜水面接触泉：地形切割至隔水底板出露溢流泉：水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉：出露潜水含水层中的泉上升泉2.上升泉（出露于承压含水层中的泉）上升泉根据出露条件分为：侵蚀泉，断层泉，接触带泉7.2.1泉spring3.泉的水文地质意义泉的出露标高、流量、动态、温度、水化学特征a.泉出露两侧岩层的含水性：含水层；隔水层b.泉出露处断层的导水性c.泉的流量大小：导水性的好坏d.泉的温度：地下水循环深度e.泉流量大小或水化学：补给与径流条件的好坏山东济南百脉泉在实际中泉的成因与定名是比较难判定的P80-81为济南全群成因条件分析-请自学河流切割含水层时，地下水向河流的排泄，称为泄流地下水的泄流量可通过分割河流流量过程线的方法确定7.2.2泄流基流：径流过程线中表示河道内常年出现并基本稳定的那部分水流，完全由地下水补给。7.2.3蒸发和蒸腾水面蒸发：是潜水以气体形式通过包气带向大气排泄水量的过程。土面蒸发：潜水通过包气带耗失水分叶面蒸腾：通过植物根系吸收潜水或包气带水转化为叶面水而蒸发消耗（一株大的植物，犹如一台生物抽水机）7.2.3蒸发和蒸腾的影响因素a.气候因素：干燥，气温高，蒸发量愈大b.地下水位埋深：超过蒸发极限深度则蒸发→0如：华北地区，水位埋深5m，基本不考虑蒸发干旱地区，极限水位埋深大；湿润地区极限埋深小c.包气带岩性：7.2.3蒸发和蒸腾的影响因素c