水文地质学基础-地下水的补给与排泄Word版共52

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CompanyLogo

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。CompanyLogo

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。CompanyLogo7.1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)CompanyLogo1、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CompanyLogo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。CompanyLogo下渗过程水分分布渗润阶段渗漏、渗透阶段CompanyLogo7.1.1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CompanyLogo山西黄土土及其入入渗目前认为为，松散散沉积物物中的降降水入渗渗存在活活塞式与与捷径式式两种。CompanyLogo2、降水补补给的影影响因素素降水地表下渗补给含水层蒸发地表径流渗入地面面以下的的水补给含水水层的水水土面蒸发发叶面蒸腾腾土壤水大气水≠CompanyLogo（降水入入渗能力力）垂向渗透透流速v=Q/t，取决于于包气带带岩性K入渗速率率随时间间的变化化在降雨强强度超过地表入渗渗能力时时，便将将产生地表坡流流。CompanyLogo7.1.1大气降水水对地下下水的补补给2、降水补补给的影影响因素素P=R+E+ΔS+G气候因素素（P，E）：1.年降水量量2.降水强度度和延续续时间总量大，，强度适适中，间间隔短，，时间长的的绵绵细细雨最有有利。温度适中中，温差差较小，，相对湿度度大，蒸蒸发强度度小。地质:3.包气带：：a岩性、b厚度、c含水量4.地形:高或低，，陡或缓缓5.地下水位位埋深：：6.植被发育育人类工程程REPSGCompanyLogo0

2

4

6

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降雨入渗系数

水位埋深/m

m

粉细砂

亚粘土

夹层土

岩性及水水位埋深深对降雨雨入渗补补给的影影响问题：地地下水位位埋深的的影响？？???地下水接接受降水水补给的的最佳深深度一般般为2-2.5m.CompanyLogo7.1.1大气降水水对地下下水的补补给3、降水入入渗补给给量（1）平原区区大气降降水入渗渗补给量量一般采用用入渗系系数法（（α）降水入渗渗系数多用年平平均值表表示，由由经验与与实验等等方法得得出全年降水水入渗补补给量：：Q=a·P··F·1000式中：Q----降水入渗渗补给地地下水量量（m3/a）；P----年降水量量（mm）；a----降水入渗渗系数；；一般在００.２～～０.4之间。。在南方方岩溶地地区高达达０．８８以上,西北干干旱气候候的沙漠漠盆地接接近于0.F----补给区面面积（km2）。确定a的常用方方法：入渗试验验仪、地地中渗透透仪、经经验类比比法、利利用潜水水位天然然变幅确确定实际工作作中常用用CompanyLogo双环入渗渗试验装装置双环注水水法--剖面图——连续降水水CompanyLogo地中渗透透仪结构构图原状土样入渗皿导水管地下观测测室CompanyLogo河南郑州州均衡试试验场地地中渗透透仪试验土柱柱地下观测测室CompanyLogo7.1地下水的的补给3、降水入入渗补给给量（2）山区降降水入渗渗补给量量的确定定基岩山区区大气降降水、地地表水与与地下水水的转换情况况比较复复杂，单独求求算山区区的大气气降水入入渗补给给地下水水量很困困难，通通常的做做法是统一求取取山区大大气降水水与地表表水对地地下水的的补给量量。山区地形形切割，，地下水水位埋藏藏深度大大，地下水的的蒸发排排泄量可可以忽略略，大体上上可认为为山区地下下水的补补给量等等于其排排泄量，故可通通过测定地下下水排泄泄量反求求其补给给量。山区地下下水全部部以泉形式集集中排泄泄时，可通通过定期期测定泉泉流量求求得全年年排泄量量。如地下水水分散泄流流，可通过过分割河水水流量过过程线求年排泄泄量（见见下图）。基流：径流过程程线中表表示河道道内常年年出现并并基本稳稳定的那那部分水水流，完完全由地地下水补补给。如果山区区地下水水有一部部分以地地下径流流形式排排入相邻邻的平原原或盆地地，则必必须另行行计算这这一部分分水量加加入排泄泄量中。。山区地下下水的排排泄量CompanyLogo山区的入渗系数数α是全年降降水与河河水补给给地下水水的量与与年降水水量的比比值：Q——年地下水水排泄量（（m3/a），以前述方方式求得得；f——汇水区面面积（km2）；X——年降水量量（mm）。汇水区：：指某一一点上游游的所有有主支流流地区（（f就是汇水水区的总总面积））。CompanyLogo7.1.2地表水对对地下水水的补给给地表水对对地下水水的补给给补给来源：地地表水体（河、湖、水水库等）补给机制:因地而异（空空间上），不不同部位，岩岩性等；因时而异（时时间上），不不同季节，不不同补排关系系地表水补给地地下水的必要条件有哪些：（1）存在水水力联系（2）地表水水水位高于地地下水水位（（存在水头差差）思考：比较长年性河流与季节性河流对地下水的补补给的异同点点？CompanyLogo河流不同部位位地表水与地地下水之间的的补给关系CompanyLogo汛期开始，河水浸湿包包气带并发生生垂直下渗，，使河下潜水水面形成水丘丘（图a）。河水不断下渗渗，水丘逐渐抬抬高与扩大，，与河水联成成一体（图b）。汛期结束，河水撤走，，水丘逐渐趋趋平，使一定定范围内潜水水位普遍抬高高（图c）。季节性河流补补给地下水思考：如何确确定河水对地地下水的补给给量？CompanyLogo河水补给地下下水时，补给量的大小小取决于下列因因素：透水河床的长长度与浸水周周界的乘积（（相当于过水水断面）河床透水性（（渗透系数））河水位与地下下水位的高差差（影响水力力梯度）河床过水时间间对于常年性河流，为了确定河河水渗漏补给给地下水的水水量，可在渗渗漏河段上下下游分别测定定断面流量Q1及Q2，则河水渗漏漏量等于（Q1-Q2）t，t为河床过水时时间。此渗漏漏量即为河水水补给地下水水的水量；但是，对于过过水时间很短短的间歇性河流？河流对地下水水的补给量思考：大气降降水和河流补补给地下水的的异同？大气降水与地地表水作为地地下水补给来来源的比较从空间分布上看，大气降降水属于面状补给，范围普普遍且较均匀匀；地表水则则可看作线状补给，局限于于地表水体周周边。从时间分布比较，大气降水持续续时间有限而地表水体持续续时间长，或或是经常性的的。在地表水体体附近，地下下水接受降水水及地表水补补给，开采后后这一补给还还可加强，因因此地下水格格外丰富。从总体上说，降水量量的多寡决定定着一个地区区地下水的丰丰富程度就其水源而言言，地表水是是由大气降水水转化而来的的，即使对于于干旱山间盆盆地，作为地地下水主要补补给来源的河河水，仍然来来源于山区降降水，或以冰冰雪形式积累累起来的高山山降水。本段小结大气降水与地地表水对地下下水补给的区区别：(1)空间上:大气降水属于于面状补给，，范围普遍且且均匀；地表表水则可看作作线状补给，，局限于地表表水体周边。。(2)时间上:大气降水持续续时间有限而而地表水体持持续的时间长长，或是经常常性的。(3)影响因素：大气降水对地地下水的补给给不同地区受受气候因素（（主要是降雨雨）影响，河河流对地下水水的补给关系系沿着河流纵纵断面而有所所变化。潜水和承压水水含水层接受受降水及地表表水补给的区区别：潜水在整个含含水层分布面面积上都能直直接接受补给给，而承压水水仅在含水层层出露于地表表，或与地表表连通处方能能获得补给。。7.1.3含水层之间的的补给越流——地下水量的内内部转化潜水—承压水之间的的补给思考题：右图中泉水的的大小与哪些些因素有关！！CompanyLogo含水层通过钻孔发生水力联系系含水层通过导水断层发生水力联系系含水层之间的的水力联系CompanyLogo越流（Leakage）：具有一定水头头差的相邻含含水层，通过过其间的弱透透水岩层发生生水量交换的的过程。经常发生于松松散沉积物中中，粘性土层构成成弱透水层。。思考：越流量如何计计算？天窗、越流隔水层分布不不稳定时，隔隔水层缺失部部位称为天窗CompanyLogo越流补给量计计算用达西定律Q=KωI进行分析,单位水平面积积弱透水层越越流量Q为:M式中：K－弱透水层垂垂向渗透系数数I－驱动越流的的水力梯度HA-含水层A的水头HB-含水层B的水头M－弱透水层厚厚度虽然弱透水层层的垂向渗透系数相当当小，但水力梯度大，越流的面积大大，对于松散沉沉积物构成的的含水系统，，越流补给量可可能大于含水水层侧向流入入量。7.1.3含水层之间的的补给CompanyLogo7.1.4凝结水的补给给凝结作用指气气温下降到一一定程度由气气态水转化为为液态水的过过程。一般情况下，，凝结形成的的地下水相当当有限。但是，高山、、沙漠等昼夜夜温差大的地地方，凝结水水对地下水补补给很重要。。7.1.5地下水的其它它补给来源（1）水库渗漏。。（2）灌溉渗漏：：灌溉渠系、、灌溉田间渗渗漏补给。（3）工业及生活活废污水的渗渗漏补给。（4）人工补给地下下水：采用有计划的的人为措施补补充含水层的的水量。CompanyLogo人工补给地下下水人工补给地下下水的方式有：①地面，②②河渠，③③坑池蓄水水渗补，④井井孔灌注。。目的：①补充与储储存地下水资资源，抬升地地下水位；②储存热源源、冷源；③控制地面面沉降；④防止海水水倒灌、咸水水入侵；⑤改善生态态环境7.2地下水的排泄泄地下水排泄的的研究包括：排泄方式、排排泄机制、影影响因素、排排泄量的确定定排泄方式：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））呈液态排出出,盐随水去蒸发排泄—水分呈气态排排出，盐分积积累下来，水去盐留7.2.1泉spring定义：泉是地下水的的天然露头。。多为“点”状状，属径流排泄分类：根据补给泉的的含水层类型型可将泉划分分为上升泉、下降降泉。根据出露成因因可分为侵蚀泉、接触触泉和溢流泉泉、断层泉、、接接触带泉。根据出露条件件又将下降泉泉分为：侵蚀泉：地形形切割到潜水水面接触泉：地形形切割至隔水水底板溢流泉：水流流在前方受阻阻，水位抬升升，而溢流成成泉CompanyLogo下降泉侵蚀泉：地形切割到潜潜水面接触泉：地形切割至隔隔水底板出露露溢流泉：水流在前方受受阻，水位抬抬升，而溢流流成泉：出露潜水含水水层中的泉CompanyLogo上升泉2.上升泉（出露于承压含含水层中的泉泉）

上升泉根根据出露条件件分为：侵蚀泉，断层层泉，接触带带泉CompanyLogo7.2.1泉spring3.泉的水文地质质意义泉的出露标高高、流量、动动态、温度、水化学学特征a.泉出露两侧岩岩层的含水性性：含水层；；隔水层b.泉出露处断层层的导水性c.泉的流量大小小：导水性的的好坏d.泉的温度：地地下水循环深深度e.泉流量大小或或水化学：补补给与径流条条件的好坏CompanyLogo山东济南百脉脉泉在实际中泉的的成因与定名名是比较难判判定的P80-81为为济南全群成成因条件分析析-请自学CompanyLogo河流切割含水水层时，地下下水向河流的的排泄，称为为泄流地下水的泄流流量可通过分分割河流流量量过程线的方方法确定7.2.2泄流基流：径流过程线中中表示河道内内常年出现并并基本稳定的的那部分水流流，完全由地地下水补给。。CompanyLogo7.2.3蒸发和蒸腾水面蒸发：是潜水以气体体形式通过包包气带向大气气排泄水量的的过程。土面蒸发：潜水通过包气气带耗失水分分叶面蒸腾：通过植物根系系吸收潜水或或包气带水转转化为叶面水水而蒸发消耗耗（一株大的植植物，犹如一一台生物抽水水机）CompanyLogo7.2.3蒸发和蒸腾的的影响因素a.气候因素：干燥，气温高高，蒸发量愈愈大b.地下水位埋深深：超过蒸发极限限深度则蒸发→0如：华北地区区，水位埋深深>5m，基本不考虑虑蒸发干旱地区，极极限水位埋深深大；湿润地地区极限埋深深小c.包气带岩性：CompanyLogo7.2.3蒸发和蒸腾的的影响因素c.包气带岩性性：hc和毛细上升升速度Vc=KI容易产生盐盐碱化的是是哪类土？？岩性砂砾石粉砂亚砂粘土K大中小极小hc小/极小中大很大Vc小大中小CompanyLogo7.2.4蒸发量的测测定方法地中渗透仪仪潜水位动态态经验公式式中：ε----地下水（潜潜水）消耗耗于蒸发与与蒸腾的强强度(mm/d)；ε0----z=0时水面蒸发发强度(mm/d)；z-----地下水位埋埋深(m)；z0-----地下水位临临界埋深，，1~5m；n-----指数，一般般1≤n≤3；μ-----水位变动带带给水度；；△H----由于蒸发蒸蒸腾而产生生的地下水水位下降值值(mm/d)。地下水位埋埋深越浅，，蒸发越强强烈；地下水位埋埋深高于地地下水位埋埋深时，蒸蒸发停止。。CompanyLogo蒸发量的测测定方法地中渗透仪仪测蒸发量

地中渗透仪仪结构图CompanyLogo7.2地下水的排排泄7.2.4侧向径流和越流流排泄7.2.5人工开采具体表现为为：大城市市的集中抽水或或矿区的疏疏干排水。有些地方的的人工排水水量甚至大大于天然排排泄量，导导致地下水水位的显著著下降，甚甚至改变了了含水层补给给、径流和和排泄原始始条件。矿井抽水城市超抽地地下水湖南娄底煤煤矿开掘致致千年不竭竭的地下泉泉水干涸在湖南省娄娄底市娄星星区石井乡乡山泉村，，村民自古古以来靠着着地下的泉泉水生活和和生产，而而今，泉水水几乎全部部消失。从从今年开始始，很多农农田无法再再种植水稻