第5章地下水的补给、排泄与径流

1、本章内容本章内容地下水是通过补给与排泄两个环节参与自然界的水循环地下水是通过补给与排泄两个环节参与自然界的水循环 补给补给：含水层或含水系统从外界获得水量的含水层或含水系统从外界获得水量的过程过程 排泄排泄：含水层或含水系统向外界排出水量的含水层或含水系统向外界排出水量的过程过程第一节第一节 地下水的补给地下水的补给第二节第二节 地下水的排泄地下水的排泄第三节第三节 地下水的径流地下水的径流第一节第一节 地下水的补给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补给使含水层的水量、水化学特征和水温发生变化 思考思考：补给获得水量后，含水层或含水系统会发生补给获得水量后，含水层或含水系

2、统会发生 什么变化？什么变化？ 地下水位上升，地下水位上升，增加了势能增加了势能，使地下水保持不停的流使地下水保持不停的流动动 由于构造封闭或气候干旱，得不到补给，地下水的流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动将停滞 补给的研究包括：补给的研究包括：补给来源、影响因素与补给量补给来源、影响因素与补给量 地下水的补给来源有：地下水的补给来源有： 天然天然：大气降水、地表水、凝结水及相邻含水层：大气降水、地表水、凝结水及相邻含水层的补给等的补给等 人类活动有关的人类活动有关的：灌溉水入渗、水库渗漏：灌溉水入渗、水库渗漏及及人工回灌人工回灌讨论：入渗机制？影响因素？讨论：入渗机制

3、？影响因素？补给量的确定？补给量的确定？ （一）大气降水入渗补给机制（一）大气降水入渗补给机制 包气带是降水对地下水补给包气带是降水对地下水补给的枢纽，包气带的岩性结构和的枢纽，包气带的岩性结构和含水量状况对降水入渗补给起含水量状况对降水入渗补给起着决定性作用着决定性作用 目前认为，松散沉积物的降目前认为，松散沉积物的降水入渗有水入渗有两种方式：两种方式： 均匀砂土层均匀砂土层活塞式活塞式 含裂隙的土层（粘性土）含裂隙的土层（粘性土）捷径式捷径式一、大气降水补给一、大气降水补给大气圈大气圈地面地面包气带包气带（水分滞留）（水分滞留）含水层含水层（获得补给）（获得补给）地表地表径流径流蒸蒸发发降

4、降水水入入渗渗Rs E X S qX 图5-1降水入渗补给含水层框图 湿湿 锋锋 面面 t1 t2 地面地面 潜水面潜水面 降水入渗过程降水入渗过程 活塞式下渗图“活塞式活塞式”入渗入渗 适用条件：适用条件： 均匀的砂土层均匀的砂土层 降水初期降水初期 t1： 土层干燥，吸水能力很强，雨水下渗快土层干燥，吸水能力很强，雨水下渗快 降水延续降水延续 t2： 土层达到一定的含水量，毛细力与重力共同作用，土层达到一定的含水量，毛细力与重力共同作用， 下渗趋于稳定下渗趋于稳定渗润阶段，渗漏与渗透阶段渗润阶段，渗漏与渗透阶段 降水再持续：降水再持续： 当土层湿锋面推进到支持毛细水带时，当土层湿锋面推进到

5、支持毛细水带时， 含水量获得补给，潜水位上升含水量获得补给，潜水位上升 降水入渗过程中包气带水分分布曲线图降水入渗过程中包气带水分分布曲线图W0残留含水量；Ws饱和含水量 )(ZhZkVctVt入渗率入渗率Z湿润前锋推进距地面深度的距离湿润前锋推进距地面深度的距离hc毛细压力水头毛细压力水头(mm/h)入渗速率随时间的变化入渗速率随时间的变化见图5-2Ks下渗水流运移模式下渗水流运移模式的条件？的条件？ 饱和带饱和带- 厚度厚度1.5cm 水分传输带水分传输带 过渡带过渡带 湿润带湿润带 含水量变化大含水量变化大 湿润锋（面）湿润锋（面） 含水量含水量%深深度度cm风干土风干土 田田间间持持水

6、水量量饱饱和和含含水水量量饱和带饱和带过渡带过渡带水分传输带水分传输带湿润带湿润带湿润锋湿润锋下渗过程中水分分布带下渗过程中水分分布带“捷径式捷径式”下渗下渗 空隙大小极悬殊空隙大小极悬殊 捷径式下渗，新水可以捷径式下渗，新水可以超过老水，优先达含水超过老水，优先达含水层；层； 捷径式下渗，不必包气捷径式下渗，不必包气带达到饱和即可补给下带达到饱和即可补给下方含水层。方含水层。t1t2捷径式下渗图捷径式下渗图见图5-3山西黄土垂直裂隙及其捷径下渗山西黄土垂直裂隙及其捷径下渗平原区降水入渗的补给量方程平原区降水入渗的补给量方程qX=X-Rs-E-SqX 降水入渗补给含水层量降水入渗补给含水层量X

7、 年年降水总量降水总量Rs 地表径流地表径流量量E 蒸发强度蒸发强度S 包气带水分滞留包气带水分滞留量量降水强度降水强度,降水频率；降水延续时间降水频率；降水延续时间 总量大，强度适中，间隔短，时间长的绵绵细雨最有利。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。温度适中，温差较小，相对湿度大。 地形地形: 高或低，陡或缓高或低，陡或缓 地质地质: 包气带岩性包气带岩性 地下水位埋深地下水位埋深： 其他其他：植被、城市化植被、城市化（二）影响降水补给的影响因素（二）影响降水补给的影响因素 XhXqX：降水入渗系数：降水入渗系数; qx：年降水入渗量：年降水

8、入渗量(mm);X：年降水量：年降水量(mm).（三）四种不同时间尺度地补给（三）四种不同时间尺度地补给1）短期补给）短期补给:干、湿季节分明地区一次大雨后；干、湿季节分明地区一次大雨后；2）季节性补给：）季节性补给：有规律的季节性；有规律的季节性；3）永久性补给：）永久性补给：湿润的热带地区，总有向下的水入渗补湿润的热带地区，总有向下的水入渗补给；给；4）历史性或古补给：）历史性或古补给：古代埋藏水。古代埋藏水。（四）降水入渗的研究方法及入渗系数的测定（四）降水入渗的研究方法及入渗系数的测定1、测试方法、测试方法 降水入渗系数降水入渗系数可用可用地中渗透仪法、中子水分仪来测定来测定地中渗透仪

9、结构图地中渗透仪结构图河南郑州均衡试验场地中渗透仪河南郑州均衡试验场地中渗透仪 试验土柱试验土柱 地下观测室地下观测室l适用于温带地区地下水埋深不适用于温带地区地下水埋深不大、易扰动土壤结构大、易扰动土壤结构双环注水法双环注水法-剖面剖面图图连续降水连续降水双环入渗试验装置双环入渗试验装置零通量面法 零通量面(DZFP)可作为测算陆面蒸发蒸腾量和地下水入渗补给量的分界面。该面以上，蒸发与蒸腾；该面以下，补给潜水。 Z0为零通量面位置深度（四）降水入渗的研究方法及入渗系数的测定（四）降水入渗的研究方法及入渗系数的测定2、利用天然潜水变幅求入渗系数：、利用天然潜水变幅求入渗系数：先根据潜水面的上升

10、值，求出入渗量Xi,再求出入渗系数。3、降水降水入渗系数的经验数值入渗系数的经验数值降水入渗系数与岩性和地下水埋深的关系，见表5-1降水入渗系数与年降水量和地下水埋深的关系见表5-2山区降水入渗系数的经验数值，见表5-3根据入渗系数求年入渗补给量根据入渗系数求年入渗补给量全年降水入渗补给量：全年降水入渗补给量：Q =XF1000 m3/a，mm，无量纲，无量纲，km2 降水入渗系数多用年平均值表示 ，通常0.20.5，南方岩溶地区达0.8，西北干旱地区趋于0。XhXqX：降水入渗系数：降水入渗系数; qx：年降水入渗量：年降水入渗量(mm);X：年降水量：年降水量(mm).地表水补给地下水的必

11、要条件：1、两者之间必须具有水力联系 2、地表水位必须高于地下水位（实例 5-10）地表水补给地下水的时间上变化，见图5-11、图5-12地表水补给地下水的空间上变化地表水补给地下水的影响因素：河床透水性、河床与地下水有联系部分的长度及河床湿周、河水位与地下水位的高差、河床过水时间 二、地表水对地下水的补给二、地表水对地下水的补给5-12 河水补给引起地下水位抬高河流不同部位地表水与地下水之间的补给关系河流不同部位地表水与地下水之间的补给关系地中渗透计直接测定法地中渗透计直接测定法 注意：只适合于宽度不大的小型渠道。由于渗透箱入渗水的渗透途径短，测得的入渗量偏大。地表水对地下水的补给量的确定方

12、法地表水对地下水的补给量的确定方法地表水对地下水的补给量的确定方法地表水对地下水的补给量的确定方法测流法： 在有渗漏的河、渠段的上、下游断面上实测河、渠流量，其流量减少的差值，即为河、渠水对地下水的入渗补给量。 （Q1-Q2）t注意：所选择的测流段最好没有支流；如有人工开采量时，应扣除；当水面宽度很大时，应扣除水面蒸发量。大气降水补给与河流补给的特点大气降水补给是面状补给，范围广比较均匀地表水是线状（河流）和点状（小湖、坑、塘）补给，局限于地表水体周边大气降水补给持续时间有限地表水体补给持续时间长，或是经常性的。l承压水的补给：与潜水的区别主要在于补给区域与面积，见图5-13三、凝结水的补给三

13、、凝结水的补给温度降低时，饱和湿度降低，温度降到一定程度，温度降低时，饱和湿度降低，温度降到一定程度，绝对湿度与饱和湿度相等，继续下降，超过饱和湿绝对湿度与饱和湿度相等，继续下降，超过饱和湿度的那部分水汽凝结成水，由气态水转化成液态水度的那部分水汽凝结成水，由气态水转化成液态水的过程称为凝结作用。的过程称为凝结作用。四、含水层之间的补给四、含水层之间的补给含水层之间补给的条件：1.两个含水层之间有水力联系 2.存在水头差补给的类型：直接补给和间接补给“天窗”的概念及实例。图5-15.弱透水层的概念及实例，图5-16.承压水补给潜水潜水补给承压水松散沉积物中含水层通过“天窗”及越流渗透发生水力联

14、系含水层通过导水断层发生水力联系五、地下水的人工补给五、地下水的人工补给地下水的人工补给主要方法：人工专门补给（回灌、诱导补给）、非专门性人工补给（修建水库、渠道渗漏、农业灌溉等），见图5-18、图5-20人工补给的目的：1、补充水量 2 、调节水温 3、防止地面沉降 4 、改善地下水质 5、防止或减少海水入侵人工补给的原则：不能引起不良的水文地质和工程地质现象。第二节第二节 地下水的排泄地下水的排泄长白山温泉趵突泉地下水排泄的研究包括：地下水排泄的研究包括： 排泄方式、影响因素、排泄量的确定排泄方式、影响因素、排泄量的确定 排泄方式：排泄方式： 泉（点状排泄）泉（点状排泄） 向地表水体泄流（

15、河流向地表水体泄流（河流线状）、向相邻含水层的排泄线状）、向相邻含水层的排泄 蒸发（面状排泄）蒸发（面状排泄） 前三种排泄方式称为径流排泄，与蒸发排泄的前三种排泄方式称为径流排泄，与蒸发排泄的区别：区别： 径流排泄径流排泄水分（盐分）呈液态排出水分（盐分）呈液态排出,盐随水去盐随水去 蒸发排泄蒸发排泄水分呈气态排出，盐分积累下来，水去盐留水分呈气态排出，盐分积累下来，水去盐留v泉是地下水的天然露头，多为泉是地下水的天然露头，多为“点点”状，属状，属径流排泄。径流排泄。 v形成原因：地形受到侵蚀、地下水受阻水位升高、承压含水形成原因：地形受到侵蚀、地下水受阻水位升高、承压含水层有通道与地表相通。

16、层有通道与地表相通。v根据补给泉的含水层类型可将泉划分为根据补给泉的含水层类型可将泉划分为下降泉下降泉上层滞水和潜水补给，流量和水质季节性变化上层滞水和潜水补给，流量和水质季节性变化上升泉上升泉承压水补给，流量稳定，水质较好承压水补给，流量稳定，水质较好泉按出露成因分类：1、侵蚀泉 2、接触泉 3、溢流泉4、断层泉一、一、泉泉一、一、泉泉侵蚀泉：侵蚀泉： 地形切割到潜水面地形切割到潜水面 接触泉：接触泉： 地形切割至隔水底地形切割至隔水底板板 溢流泉：溢流泉： 水流在前方受阻，水流在前方受阻，水位抬升，而溢流水位抬升，而溢流成泉成泉下降泉下降泉侵蚀下降泉侵蚀下降泉接触泉溢流下降泉溢流下降泉溢流

17、下降泉溢流下降泉一、一、泉泉2. 上升泉（出露于承压含水层中的泉）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：上升泉根据出露条件分为：侵蚀泉，断层泉，接触带泉侵蚀泉，断层泉，接触带泉实例：泉城济南见图5-24、趵突泉、黑虎泉、珍珠泉断层泉侵蚀上升泉接触泉7.2.1泉泉spring（续（续2）一、一、泉泉3. 3. 研究泉的意义？研究泉的意义？ 直接直接得到水文地质资料；得到水文地质资料；间接间接分析出水文地质信息。分析出水文地质信息。 通过泉的出露标高、流量、动态、温度、水化学，可以综合通过泉的出露标高、流量、动态、温度、水化学，可以综合分析与泉水成因有关地质、分析与泉水成因有关地

18、质、水文地质条件水文地质条件 地下水位标高，地下水位标高，岩层的含水性（透水性），岩层的含水性（透水性）， 含水岩层的补给，循环（交替），含水岩层的补给，循环（交替），地质构造、断层等，地质构造、断层等， 供水水源（直接利用）。供水水源（直接利用）。 温泉山东济南百脉泉二、二、泄流泄流泄流：当河流、湖泊、海洋等侵蚀到含水层时，地下水分散地沿地表水体周界排泄称为泄流。河水与地下水的联系状况潜水与河水无直接水力联系（图5-25）潜水与河水有直接水力联系（图5-11）潜水与河水有周期性水力联系（图5-26）承压水与河水有直接水力联系（图5-27）二、二、泄流泄流泄流量测定方法：水文过程线：河流某一断

19、面上流量与时间关系的曲线，称为水文过程线（流量过程线）。基流：向河流排泄的地下水流量称为基流。水文过程线分割法：通过绘制流量与时间的关系曲线，在曲线上分割出降水补给量和地下水的补给量（基流）。基本原理：认为正常情况下河水由两部分组成，一部分是降水补给，另一部分是地下水补给。具体分割方法：1、直线分割法（图5-28）（包括直线分割法和斜割法）适用于地下水与河水无直接水力联系缺点：随意性大，误差大优点：简便易行2、标准退水曲线法具体步骤：确定标准退水线：图5-30确定洪峰段确定起涨点A和退水点B将标准退水线绘于过程线上（图5-29）求出基流适用：河流与潜水无直接水力联系、地下水径流不受河水涨落影响

20、。优点：一定程度反映了地下水泄流规律3、库捷林分割法（图5-31）适用：河水与潜水有直接水力联系原理：枯水期，河流由地下水泄流组成，洪水期，地下水泄流为零。4、全年连续多峰过程线的分割（图5-32）先分割出深层地下水补给线然后按每一个洪峰分割出浅层地下水 5、化学成分分割法 Q河水的流量 C河水中某一化学组分的浓度 Qs排入河流的地表径流流量 Cs地表径流中某组分浓度 Qg排泄入河的地下水量 Cg地下水中某一组分浓度ggssQCQCCQgsQQQsgsgCCCCQQ1.土面蒸发土面蒸发 包气带水分直接耗失包气带水分直接耗失降低包气带水分降低包气带水分含量，加大亏损量，潜水通过支持毛细水带将含量

21、，加大亏损量，潜水通过支持毛细水带将水传输到包气带蒸发，使地下水位下降水传输到包气带蒸发，使地下水位下降 蒸发速度大于毛细上升速度则支持毛细蒸发速度大于毛细上升速度则支持毛细水带下降，水带下降，VC上升，至蒸发速度上升，至蒸发速度VEVC时，维时，维持稳定的蒸发排泄，排泄的结果，水分不断消持稳定的蒸发排泄，排泄的结果，水分不断消耗，地下水位下降，盐分不断积累在土层上部！耗，地下水位下降，盐分不断积累在土层上部！ 毛细上升速度毛细上升速度: VC =KH/L L 有有蒸蒸发发 无无蒸蒸发发 H a.气候因素气候因素： 干燥，气温高，蒸发量愈干燥，气温高，蒸发量愈大大 b.地下水位埋深地下水位埋深

22、： 超过蒸发极限深度超过蒸发极限深度 则蒸发则蒸发0 如：华北地区，水位埋深如：华北地区，水位埋深5m，不考虑蒸发，不考虑蒸发 干旱地区，极限水位埋深干旱地区，极限水位埋深大；湿润地区极限埋深小大；湿润地区极限埋深小c.包气带岩性包气带岩性：潜水蒸发量与水位埋深关系曲线潜水蒸发量与水位埋深关系曲线河北石家庄，据河北省地质局水文地质观测总站影响地面蒸发的因素影响地面蒸发的因素c.包气带岩性包气带岩性： 蒸发与毛细上升速度蒸发与毛细上升速度 Vc = KI 有关有关 岩性岩性砂砾石砂砾石粉砂粉砂亚砂亚砂粘土粘土K大中小极小hc小/极小中大很大Vc小大中小问：问：容易产生盐碱化的是哪类土？容易产生盐

23、碱化的是哪类土？影响地面蒸发的因素影响地面蒸发的因素蒸发强度：单位时间的潜水蒸发量。 柯夫达公式 潜水蒸发极限埋深、 潜水埋深 蒸发强度、 水面蒸发强度00n)1 (00bak)1 (0bakh)1 (0)1lg(lglglg0bakh沈立昌公式2、叶面蒸腾、叶面蒸腾：叶面蒸发量大于土壤蒸发量，甚至为土壤蒸发量的两倍。饥饿草原护田对潜水位的影响定义：植物生长过程中，经由根定义：植物生长过程中，经由根系吸收水分，在叶面转化成气态系吸收水分，在叶面转化成气态水而蒸发。水而蒸发。蒸腾的深度受植物根系分布深度蒸腾的深度受植物根系分布深度的控制。在潜水位深埋的干旱、的控制。在潜水位深埋的干旱、半干旱地区

24、，某些灌木根系深达半干旱地区，某些灌木根系深达地下数十米。地下数十米。蒸腾只消耗水分而不带走盐类。蒸腾只消耗水分而不带走盐类。（一株大的植物，犹如一台生物抽水机）（一株大的植物，犹如一台生物抽水机）成年树木的耗水成年树木的耗水能力能力 第三节第三节 地下水的径流地下水的径流最简单的情况下，含水层自一个集中补给区流向集最简单的情况下，含水层自一个集中补给区流向集中排泄区，具有单一径流方向。中排泄区，具有单一径流方向。一、径流方向、强度的影响因素一、径流方向、强度的影响因素 径流的定义：地下水由补给区向排泄区流动的过程称作径流。 对于潜水来说，对于潜水来说，山区地下水的山区地下水的循环属于渗循环属

25、于渗入入径流型径流型干旱半干旱地区地形低平的细土堆积平原，径流很弱。干旱半干旱地区地形低平的细土堆积平原，径流很弱。属于渗入属于渗入蒸发型蒸发型 可用单位时间通过单位断面的流量表示，即以渗透流速衡量。 根据达西定律V=KI 故径流强度与 含水层的透水性成正比 补绐区及排泄区之间的水位差成正比 与补给区到排泄区的距离成反比与含水系统的构造有关 构造开启程度，图5-36 断层的导水性，图5-37 二、地下水径流系统和径流带 地下水径流系统：实质上是以流面为边界的具有统一补给、径流与排泄的地下水单元。 与地下水系统的区别（地下水含水系统则是具有隔水或相对隔水边界的沉积单元或构造单元。） 地下径流系统

26、的几种模式 裘不依假设（平面流） 哈伯特的河间地块流动模式，图5-38 托思的均质各向同性潜水盆地的理想水流模式，图5-39 费特提出两径流系统的交接处可能存在驻点，图5-40 实例，图5-41、图5-42 强径流带：在某些发育不均一的泾流场中，强径流区段往往成不规则的带状展布，故称之为强径流带或集中径流带。 强径流带的意义 三、径流强度、居留时间和水质的关系 每平方公里含水层面积上地下水的流量。升每平方公里含水层面积上地下水的流量。升/秒秒平方公里。平方公里。 86400365103cFQM四、地下水径流量计算四、地下水径流量计算1. 地下水径流模数（地下水径流模数（Mc） 每平方公里含水层

27、分布面积上地下水年补给量为若千万立每平方公里含水层分布面积上地下水年补给量为若千万立方米，方米， 万立方米万立方米/年年平方公里。平方公里。 在山区，补给模数与地下径流模数（在山区，补给模数与地下径流模数（Mc）的换算关系为）的换算关系为 2. 地下水补给模数（地下水补给模数（Mb）410FQMbccbMMM15. 3101036586400433.地下径流系数地下径流系数 地下径流量与同一时间内降落在含水层补给面积地下径流量与同一时间内降落在含水层补给面积上的降水量之比，百分数或小数表示。上的降水量之比，百分数或小数表示。 说明在每年降雨入渗后地下参与径流的多少。说明在每年降雨入渗后地下参与

28、径流的多少。 与地下径流模数与地下径流模数Mc的关系的关系XFQ001. 061036586400XMc 1、山区地下水天然补给量、排泄量与径流量、山区地下水天然补给量、排泄量与径流量的估算的估算 渗入渗入径流型循环径流型循环 补给量径流量排泄量补给量径流量排泄量步骤：步骤：(1)如排泄以集中的泉式泉群形式出现，则测定泉的总流量，乘以如排泄以集中的泉式泉群形式出现，则测定泉的总流量，乘以相应时间，得全年排泄量。相应时间，得全年排泄量。 (2)如排泄以向河流泄流形式出现，则通过分割河流流量过程线求如排泄以向河流泄流形式出现，则通过分割河流流量过程线求得全年排泄量。得全年排泄量。 (3)查得含水层

29、分布面积，求箅地下径流模数或地下水补给模数。查得含水层分布面积，求箅地下径流模数或地下水补给模数。 (4)如有必要且资料允许时，可对各个含水层分别计算排泄量，并如有必要且资料允许时，可对各个含水层分别计算排泄量，并求分层的地下径流模数或地下水补给模数。求分层的地下径流模数或地下水补给模数。 1）浅层水）浅层水 渗入一蒸发、径流型渗入一蒸发、径流型 渗入一蒸发型循环渗入一蒸发型循环 补给排泄量；径流量补给排泄量；径流量补给量补给量(排泄量排泄量)。 2、平原及山间盆地地下水天然补给量、排泄量及、平原及山间盆地地下水天然补给量、排泄量及径流量的估算径流量的估算2）深层承压水）深层承压水 补给来源有：补给来源有： (1)山前冲洪积平原砾石带潜水的下渗；山前冲洪积平原砾石带潜水的下渗； (2)毗邻山区的侧向补给；毗邻山区的侧向补给； (3)来自深部基岩含水层的补给。