水文地质学基础：第八章 地下水系统

1、第八章 地下水系统系统概念8.1地下水系统的概念8.2地下水含水系统8.3地下水流动系统8.47.1 概述地下水作为水圈的重要组成部分，一方面积极地参与了全球的水循环过程，同时在一定的环境条件下，一定区域范围内的地下水自身通过不断地获得补给、产生径流而后排泄等环节，发生周而复始的运动，形成相对独立的地下水循环系统。循环系统的强度规模主要决定于补给与排泄这一对矛盾。如果补给充足、排泄畅通，地下水径流过程就强烈；如果补给来源充足，但排泄不畅，必然促使地下水位抬升，甚至溢出地表，并在一定的环境条件下使地表沼泽化。反之排泄通畅，但补给水源不足，迫使含水层中的地下水逐渐减少，甚至形成枯竭，地下水循环受到

2、抑制，以至中断。由此可见，地下水补给和排泄，是决定地下水循环的两个基本环节，是地下径流形成的基本因素，补给来源和排泄方式的不同，以及补给量和排泄量的时空变化，直接影响到地下径流过程以及水量、水质的动态变化。 7.2 地下水的补给补给含水层自外界获得水量的过程称为，补给的研究内容：补给来源、影响补给的因素和补给量。含水层的补给来源：降水入渗补给、地表水补给、凝结水补给、来自其他含水层的补给以及人工补给等。在以上各种补给来源中，凝结水的补给量有限，但对降水量稀少、昼夜温差大的沙漠干旱地区，凝结水的补给具有重要意义；至于来自其他含水层的补给，则是发生在地下水内部的一种水量交换过程。所以从整体上说，地

3、下水的主要来源，还是大气降水和地表水的入渗补给，而人工补给则随着人类活动日益扩展，其重要性与日俱增。7.1.1大气降水对地下水的补给大气降水入渗机制其补给的一般过程是：（1）薄膜下渗：如雨前土壤相当干燥，则到达地面的降水先被土壤颗粒表面吸附力所吸引，形成薄膜水，可称薄膜下渗。（2）毛管下渗：当土壤吸附的薄膜水达最大持水量时，继续下渗的雨水将被吸入细小的毛管孔隙，形成毛管悬着水，形成毛管下渗；（3）持续补给：当包气带土层中的结合水、毛管悬着水达到极限以后，后续的雨水将在重力作用下，通过静水压力的传递，不断而稳定地补给地下水。在地下水埋藏较深的地方，这一过程需要很长时间才能完成降水的入渗过程是在分

4、子力、毛管力以及重力的综合作用下进行的。地下水自降水获得的补给量除了与降水本身的强度、降水总量等有关外，还与土层蓄水能力有关。只有降水入渗量超过土层的蓄水能力，多余的降水才能补给潜水。如土层的蓄水能力以W。表示，则Wv=(-hn)(Wmax-Wo) (5-7)式中，为降雨前地下水埋深（米）；hn为地下水面以上毛管水上升高度（米）；Wmax为田间持水率，以体积比计；Wo为土层雨前平均含水率。对于一次降水，其入渗补给量Xr为：Xr=P-Rr-(-hn)(Wmax-Wo) (5-8)式中，P为降水量（毫米）；Rr为地表径流量（毫米）。降水入渗系数在同一面积上降水入渗量占降水量的百分数。a=Xr/P。

5、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均匀砂土层活塞式(piston/diffuse)含裂隙的土层捷径式(bypass) 山西黄土及其入渗1、大气降水入渗机制“活塞式”入渗适用条件： 均匀的砂土层（1）降水初期t1 ： 土层干燥，吸水能力很强，雨水下渗快（2）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， 下渗趋于稳定渗润阶段，渗漏与渗透阶段（3）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，潜水位上升入渗速率随时间的变化下渗过程水分分

6、布下渗过程水分分带性下渗过程水分分带性饱水带：地表以下数厘米深度内出现水分完全饱和的薄层；水分传输带：含水量大约相当于饱和含水量的80%，而不再增加，不断由地表接受水分并向下传输；湿润带：位于传输带以下，此带含水量自上而下逐渐降低；湿润前锋：湿润带的边缘，与下部未湿润带之间含水量突变，在毛细力作用下向下推进。入渗率Vt=k.(z+hc)/z7.1.1 大气降水对地下水的补给高渗透性优势路径在全部入渗面积中仅占很小比例，但通过的补给量占50%.优势路径:颗粒较粗、空隙较大或虫孔发育、圣恩植物根系等处。下渗的湿润前锋不是一个平面，而是一个曲面。7.1.1 大气降水对地下水的补给影响大气降水入渗补给

7、的因素（一）降水本身的特点（1）降水量大小：其他条件相同时，降雨量越大，潜水获得补给量越大，但降雨强度超过入渗率后，多余的水转化为地表径流，不能形成对潜水的补给；（2）降水类型：固体降水（冰、雹、雪等）和降雨（二）（1）地形坡度愈大，降水易转化为坡面径流流失，不利于入渗补给，在地形低洼地区，汇水面积大，水流下渗时间长，对潜水的补给量大（2）植被覆盖：利于潜水获得补给。（3）其他：包气带土壤或岩石的湿度、透水性和地下水埋深。包气带湿度越大、透水性越好、地下水埋深越小（不能太小），包气带截留的水分越小，同样降雨条件下，潜水获得的也越多。降水入渗系数：a=qx/Xqx年降水入渗量，mmX年降水量，m

8、m四种不同时间尺度的补给（1）短期补给：干、湿季节分明地区一次大雨后；（2）季节性补给：有规律的季节性出现。温带地区：雪融期开始干、湿季节分明地区：雨季降水频繁，持续补给（3）永久性补给：湿润的热带地区，局部地区，如亚马逊河热带雨林，降水量6000mm/a（4）历史性或古补给：补给发生于很久以前。澳大利亚一大型承压盆地中古埋藏水年龄350万年，向上补给浅层地下水。撒哈拉沙漠一些地下水的补给也发生在2万年前。7.1.1 大气降水对地下水的补给降水入渗研究方法和入渗系数的测定一、测试方法（1）仪器：地中渗透仪法、中子水分仪、电阻率法、超声波法、热重力计法、压力传感式张力计法、电磁地导仪法、化学和同

9、位素示踪法等（2）利用天然潜水变幅求入渗系数 a=qx/x=.h/X双环入渗试验装置地中渗透仪结构图7.1.2 地表水对地下水的补给地表水对地下水的补给地表水体（河、湖、水库等）都可以成为地下水的补给来源河流补给: 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？河流补给的主要影响因素有哪些？如何确定河水对地下水的补给量？地表水补给地下水的必要条件有哪些：有水力联系地表水水位高于地下水水位间歇性河流对地下水的补给过程 （a）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。（b）汛期河水不断下渗，水丘

10、逐渐抬高与扩大，与河水联成一体（c）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。河流不同部位地表水与地下水之间的补给关系沿着河流纵断面河流与地下水的补给关系具有分段性的特点： 山区河谷深切，河水位常低于地下水位，其排泄地下水的作用（a）。山前由于河流的堆积作用，河床处于高位，河水常年补给地下水（b）。冲积平原与盆地的某些部位，河水位与地下水位的关系，随季节而变（c）；在某些特殊的冲积平原中，河床因强烈的堆积作用而形成所谓的“地上河”，河水经常补给地下水（d）。河水补给地下水的影响因素河流与河床：透水河床的长度与侵水湿周的乘积（相当于过水断面），河床透水性（渗透系数）河流与地下

11、水：河水位与地下水位的高差（影响水力梯度），河床至地下水位间的岩性的透水性。河床过水时间：根据河床的过水时间，河流分为常年性和间歇性。补给量的大小及持续时间，除了与河床的透水性能，河床的周界有关外，主要决定于江河水位高低以及高水位持续时间的长短。河流对于地下水的补给，主要取决于河水位与地下水位的相对关系。这种关系对于大江大河来说，在不同河段往往存在明显的差别。通常上游山区河段，河流深切，河水水位常年低于地下水位，河水无法补给地下水；进入中下游地区，堆积作用加强，河床抬高，地下水埋藏深度加大，河水位一旦高于地下水位，即可发生补给地下水的现象。补给量的大小及持续时间，除了与河床的透水性能，河床的周

12、界有关外，主要决定于江河水位高低以及高水位持续时间的长短。江河对地下水的补给与降水入渗补给还存在明显的不同点：前者的补给局限于河槽边界，呈线状补给，补给面比较窄；而降水补给呈面状，在一次降水期间普遍而均匀，但雨停后，降水补给亦很快停止，所以时间上断断续续；江河的补给，只要河水位高于两岸地下水位，就可持续进行。（三）地下水的人工补给人工补给在地下水各种补给来源中愈来愈重要。在国外有些国家里，用人工回灌补给地下水量已占到地下水利用总量的30左右。人工补给可区分为两大类，一类是人类修建水库、引水灌溉农田，城市工矿企业排放工业废水以及城镇生活污水排放，因渗漏而补给地下水，这是一种无计划的盲目的补给，虽

13、然可以增加地下水的贮量，但常常引起土壤发生次生盐渍化、地下水遭到污染的矛盾；另一类则是人类为了有效地保护和改善地下水资源，改善水质，控制地下漏斗以及地面沉降现象的出现，而采取的一种有计划、有目的的人工回灌。在我国水资源供需矛盾比较突出的一些北方省区，以及过量开采地下水的大中城市，也开展了这方面的工作。如河北省的南宫“地下水库”回灌工程，设计总蓄水量达4.8亿米3，可调蓄水量达1亿米3以上。上海市采用人工回灌方法，控制由于过量开采深层地下水而引起的地面沉降，取得了举世瞩目的成就。河流渗漏补给量的确定简单的确定方法： 常年性河流：在有渗漏的河段上下游，分别测定断面流量Q1及Q2，则河流渗漏量qx=

14、（Q1-Q2）t，其中t为河床过水时间。 大气降水和地表水补给地下水的区别大气降水与地表水对地下水补给的区别：a）从空间分布上看，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。江河的补给局限于河槽边界，呈线状补给，补给面比较窄；而降水补给呈面状。b）从时间分布上比较，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。在一次降水期间普遍而均匀，但雨停后，降水补给亦很快停止，所以时间上断断续续；江河的补给，只要河水位高于两岸地下水位，就可持续进行。c）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

15、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 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：图7-11（右图）中泉水的大小与哪些因素有关！7.1.3 含水层之间的补给动力：两个含水层之间存在水头差且有联系通道，则水头较高的含水层补给水头较低者。方式： （1）承压水补给潜水 （2）潜水补给承压水 （3）松散沉积物中含水层“天窗”及越流发生水力联系 （4）含水层通过导水断层发生水力联系 （5）含水层通过钻孔发生水力联系 7.1.3 含水层之间的补给越流补给量

16、的大小：单位水平面积弱透水层的越流量：V=KI=K.(HA-HB)/M影响因素：相邻含水层之间水头差愈大，弱透水层厚度愈小而垂向透水性愈好，则单位面积越流量便愈大。越流：相邻含水层通过其间的弱透水层发生水量交换。常发生于松散沉积物中，粘性土层构成弱透水层7.1.4 地下水的其他不给来源1、凝结水的补给：水汽凝结 在夏季白天，大气和包气带都吸热，但地表气温高于包气带上层中空气温度，使大 气中的水汽向包气带内移动，从而增大了包气带空气湿度。在夜晚，土壤散热比大气快、当地温降到一定程度时，土壤孔隙中水汽达到饱和凝结成水滴，形成重力水下渗补给地下水。 2、地下水的人工补给人工补给在地下水各种补给来源中

17、愈来愈重要。在国外有些国家里，用人工回灌补给地下水量已占到地下水利用总量的30左右。人工补给可区分为两大类，一类是人类修建水库、引水灌溉农田，城市工矿企业排放工业废水以及城镇生活污水排放，因渗漏而补给地下水，这是一种无计划的盲目的补给，虽然可以增加地下水的贮量，但常常引起土壤发生次生盐渍化、地下水遭到污染的矛盾；另一类则是人类为了有效地保护和改善地下水资源，改善水质，控制地下漏斗以及地面沉降现象的出现，而采取的一种有计划、有目的的人工回灌。在我国水资源供需矛盾比较突出的一些北方省区，以及过量开采地下水的大中城市，也开展了这方面的工作。如河北省的南宫“地下水库”回灌工程，设计总蓄水量达4.8亿米

18、3，可调蓄水量达1亿米3以上。上海市采用人工回灌方法，控制由于过量开采深层地下水而引起的地面沉降，取得了举世瞩目的成就。7.2 地下水的排泄定义：含水层或含水系统失去水量的过程。7.2.1 泉泉是地下水的天然露头，多为“点”状，属径流排泄。泉的出露是地形、地质与水文地质条件有机结合的结果据补给泉的含水层类型可将泉划分为上升泉、下降泉。1.下降泉(出露潜水含水层中的泉） 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溢流泉：水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉上升泉

19、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。当河流、冲沟等切穿承压含水层的隔水顶板时，形成侵蚀（上升）泉（图717h）。地下水沿导水断层上升，在地面高程低于测压水头处涌溢地表，便形成断层泉（图717i）。岩脉或侵入体与围岩的接触带，常因冷凝收缩而产生隙缝，地下水沿此类接触带上升成泉，就叫做接触带泉（图717j）。研究泉的水文地质意义7.2.2 泄流（1）河流切割含水层时，地下水通过地下途径直接排入河道或其他地表水体，称为泄流排泄。（2）泄流只在地下水位高于地表水位的情况下发生，泄流量的大小，决定于含水层的透水性能、河床切穿含水层的面积，以及地下水位与地表水位之间的高差。 （3）地下水的泄流量可通过分割河流流量过程线的方法确定7.2.3 蒸发和蒸腾蒸发分为：（1）土壤水直接蒸发 （2）潜水的蒸发：通过包气带岩土水分蒸发和植物的蒸腾来完成的。蒸发与蒸散腾(evaporation & evapotranspiration)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