水文地质学基础-地下水的补给与排泄

防灾灾科科技技学学院院张张耀耀文文水文文地地质质学学基基础础FundamentalsofHydrogeology本章章内内容容7.1地下下水水的的补补给给7.2地下下水水的的排排泄泄7.3地下下水水径径流流7.4地下下水水补补给给、、径径流流与与排排泄泄对对地地下下水水水水质质的的影影响响CompanyLogo基本本概概念念地下下水水是是通通过过补补给给与与排排泄泄两两个个环环节节参参与与自自然然界界的的水水循循环环。。补给给：含水水层层或或含含水水系系统统从从外外界界获获得得水水量量的的过程程，，水量量增增加加的的同同时时，，盐盐量量、、能能量量等等也也随随之之增增加加。。排泄泄：含水水层层或或含含水水系系统统向向外外界界排排出出水水量量的的过程程，，减少少水水量量的的同同时时，，盐盐量量和和能能量量等等也也随随之之减减少少。。CompanyLogo基本本概概念念根据据地地下下水水循循环环位位置置，，可可分分为为补给给区区、、径径流流区区、、排排泄泄区区。径流区区是含水水层中中的地地下水水从补补给区区至排排泄区区的流流经范范围。。水文地地质条条件是地下下水埋埋藏、、分布布、补补给、、径流流和排排泄条条件、、水质质和水水量及及其形形成地地质条条件等等的总总称。。补给区区（rechargearea）是含含水层层出露露或接接近地地表接接受大大气降降水和和地表表水等等入渗渗补给给的地地区。。CompanyLogo7.1地下水水的补补给补给使使含水水层的的水量量、水水化学学特征征和水水温发发生变变化思考：补给给获得得水量量后，，含水水层或或含水水系统统会发发生什什么变变化？？地下水水位上上升，，增加了了势能能，使地地下水水保持持不停停的流流动。。由于构构造封封闭或或气候候干旱旱，得得不到到补给给，地地下水水的流流动将将停滞滞。补给的的研究究包括括：补给来来源、、补给给机制制、影影响因因素、补给量量地下水水的补给来来源有：天然：：大气降降水、、地表表水、、凝结结水及相邻含含水层层的补给给等人类活活动有有关的的：灌溉水水入渗渗、水水库渗渗漏及人工回回灌7.1.1大气降降水对对地下下水的的补给给讨论：：入渗渗机制制？影响因因素？？补给量量的确确定？？？？1、大气降降水入入渗机机制包气带带是降降水对对地下下水补补给的的枢纽纽，包包气带带的岩岩性结结构和和含水水量状状况对对降水水人渗渗补给给起着着决定定性作作用目前认认为，，松散散沉积积物的的降水水入渗渗有两种方方式：降水入入渗的的现象象—两类空空隙的的入渗渗过程程——总结：：均匀砂砂土层层——活塞式式(piston/diffuse)含裂隙隙的土土层——捷径式式(bypass)CompanyLogo1、大气气降水水入渗渗机制制“活塞塞式””入渗——适用条条件：：均匀的的砂土土层降水初期t1：土层干干燥，，吸水水能力力很强强，雨雨水下下渗快快-渗渗润阶阶段降水延续t2：土层达达到一一定的的含水水量，，毛细细力与与重力力共同同作用用，下渗趋趋于稳稳定——渗漏与与渗透透阶段段降水再持续续：当土层层湿锋锋面推推进到到支持持毛细细水带带时，，含水量量获得得补给给，潜潜水位位上升升7.1.1大气降降水对对地下下水的的补给给CompanyLogo湿锋面t1t2地面潜水面活塞式式下渗：：入渗水水的湿锋面面整体体向下下推进进，犹如如活塞塞的运运移。。CompanyLogo下渗过过程水水分分分布渗润阶段渗漏、渗透阶段CompanyLogo7.1.1大气降降水对对地下下水的的补给给1、大气降降水入入渗机机制“活塞塞式””入渗——均匀砂砂土层层“捷径径式””下渗渗——空隙大大小极极悬殊殊活塞式式与捷捷径式式区别别：①捷捷径式式下渗渗，新新水可可以超超过老老水，，优先先达含含水层层；②捷捷径式式下渗渗，不不必包包气带带达到到饱和和即可可补给给下方方含水水层。。捷径式式下渗渗图t1t2捷径式式下渗渗图CompanyLogo山西黄黄土及及其入入渗目前认认为，，松散散沉积积物中中的降降水入入渗存存在活活塞式式与捷捷径式式两种种。CompanyLogo2、降水水补给给的影影响因因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

8

0.0

0.2

0.4

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0.8

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源：地表表水体（河、湖湖、水库库等）补给机制制:因地而异异（空间间上），，不同部部位，岩岩性等；；因时而而异（（时间间上）），不不同季季节，，不同同补排排关系系地表水水补给给地下下水的的必要条条件有哪些些：（1））存在在水力力联系系（2））地表表水水水位高高于地地下水水水位位（存存在水水头差差）思考：：比较长年性性河流流与季节性性河流流对地下下水的的补给给的异异同点点？CompanyLogo河流不不同部部位地地表水水与地地下水水之间间的补补给关关系CompanyLogo汛期开开始，河水水浸湿湿包气气带并并发生生垂直直下渗渗，使使河下下潜水水面形形成水水丘（（图a）。河水不不断下下渗，水丘丘逐渐渐抬高高与扩扩大，，与河河水联联成一一体（（图b）。汛期结结束，河水水撤走走，水水丘逐逐渐趋趋平，，使一一定范范围内内潜水水位普普遍抬抬高（（图c）。季节性性河流流补给给地下下水思考：：如何何确定定河水水对地地下水水的补补给量量？CompanyLogo河水补补给地地下水水时，，补给量量的大大小取决于于下列列因素素：透水河河床的的长度度与浸浸水周周界的的乘积积（相相当于于过水水断面面）河床透透水性性（渗渗透系系数））河水位位与地地下水水位的的高差差（影影响水水力梯梯度））河床过过水时时间对于常年性性河流流，为了了确定定河水水渗漏漏补给给地下下水的的水量量，可可在渗渗漏河河段上上下游游分别别测定定断面面流量量Q1及Q2，则河河水渗渗漏量量等于于（Q1-Q2）t，t为河床床过水水时间间。此此渗漏漏量即即为河河水补补给地地下水水的水水量；；但是，，对于于过水水时间间很短短的间歇性性河流流？河流对对地下下水的的补给给量思考：：大气气降水水和河河流补补给地地下水水的异异同？？大气降降水与与地表表水作作为地地下水水补给给来源源的比较从空间分分布上看，，大气气降水水属于于面状补给，，范围围普遍遍且较较均匀匀；地地表水水则可可看作作线状补给，，局限限于地地表水水体周周边。。从时间分分布比较，，大气降降水持持续时时间有有限而地表表水水体体持持续续时时间间长长，，或或是是经经常常性性的的。在在地地表表水水体体附附近近，，地地下下水水接接受受降降水水及及地地表表水水补补给给，，开开采采后后这这一一补补给给还还可可加加强强，，因因此此地地下下水水格格外外丰丰富富。。从总体体上说说，，降降水水量量的的多多寡寡决决定定着着一一个个地地区区地地下下水水的的丰丰富富程程度度就其其水水源源而而言言，，地地表表水水是是由由大大气气降降水水转转化化而而来来的的，，即即使使对对于于干干旱旱山山间间盆盆地地，，作作为为地地下下水水主主要要补补给给来来源源的的河河水水，，仍仍然然来来源源于于山山区区降降水水，，或或以以冰冰雪雪形形式式积积累累起起来来的的高高山山降降水水。。本段段小小结结大气气降降水水与与地地表表水水对对地地下下水水补补给给的的区区别别：：(1)空间间上上:大气气降降水水属属于于面面状状补补给给，，范范围围普普遍遍且且均均匀匀；；地地表表水水则则可可看看作作线线状状补补给给，，局局限限于于地地表表水水体体周周边边。。(2)时间间上上:大气气降降水水持持续续时时间间有有限限而而地地表表水水体体持持续续的的时时间间长长，，或或是是经经常常性性的的。。(3)影响响因因素素：：大气气降降水水对对地地下下水水的的补补给给不不同同地地区区受受气气候候因因素素（（主主要要是是降降雨雨））影影响响，，河河流流对对地地下下水水的的补补给给关关系系沿沿着着河河流流纵纵断断面面而而有有所所变变化化。。潜水水和和承承压压水水含含水水层层接接受受降降水水及及地地表表水水补补给给的的区区别别：：潜水水在在整整个个含含水水层层分分布布面面积积上上都都能能直直接接接接受受补补给给，，而而承承压压水水仅仅在在含含水水层层出出露露于于地地表表，，或或与与地地表表连连通通处处方方能能获获得得补补给给。。7.1.3含水水层层之之间间的的补补给给越流流———地下下水水量量的的内内部部转转化化潜水水—承压压水水之之间间的的补补给给思考考题题：：右图图中中泉泉水水的的大大小小与与哪哪些些因因素素有有关关！！CompanyLogo含水水层层通通过过钻孔孔发生生水水力力联联系系含水水层层通通过过导水水断断层层发生生水水力力联联系系含水水层层之之间间的的水水力力联联系系CompanyLogo越流流（Leakage）：：具有有一一定定水水头头差差的的相相邻邻含含水水层层，，通通过过其其间间的的弱弱透透水水岩岩层层发发生生水水量量交交换换的的过过程程。。经常常发发生生于于松松散散沉沉积积物物中中，，粘性性土土层层构构成成弱透透水水层层。。思考考：：越流流量量如如何何计计算算？？天窗窗、、越越流流隔水水层层分分布布不不稳稳定定时时，，隔隔水水层层缺缺失失部部位位称称为为天窗窗CompanyLogo越流流补补给给量量计计算算用达达西西定定律律Q=KωI进行行分分析析,单位位水水平平面面积积弱弱透透水水层层越越流流量量Q为:M式中中：：K－弱弱透透水水层层垂垂向向渗渗透透系系数数I－驱驱动动越越流流的的水水力力梯梯度度HA-含水水层层A的水水头头HB-含水水层层B的水水头头M－弱弱透透水水层层厚厚度度虽然然弱弱透透水水层层的的垂垂向向渗透透系系数数相相当当小小，但但水力力梯梯度度大大，越流流的的面面积积大大，对对于于松松散散沉沉积积物物构构成成的的含含水水系系统统，，越流流补补给给量量可可能能大大于于含含水水层层侧侧向向流流入入量量。7.1.3含水水层层之之间间的的补补给给CompanyLogo7.1.4凝结结水水的的补补给给凝结结作作用用指指气气温温下下降降到到一一定定程程度度由由气气态态水水转转化化为为液液态态水水的的过过程程。。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补补充与与储存存地下下水资资源，，抬升升地下下水位位；②储储存热热源、、冷源源；③控控制地地面沉沉降；；④防防止海海水倒倒灌、、咸水水入侵侵；⑤改改善生生态环环境7.2地下水水的排排泄地下水水排泄泄的研研究包括：：排泄方方式、、排泄泄机制制、影影响因因素、、排泄泄量的的确定定排泄方方式：泉（点状排泄））向地表表水体体泄流（河流流—线状）、向向相邻含含水层层的排泄蒸发蒸蒸腾（（面状排泄））人工排排泄前三种种排泄泄方式式称为为径流排排泄，与蒸发排排泄的区别：径流排排泄—水分（（盐分分）呈呈液态态排出出,盐随水水去蒸发排排泄—水分呈呈气态态排出出，盐盐分积积累下下来，，水去盐盐留7.2.1泉spring定义：泉是地地下水水的天天然露露头。。多为““点””状，，属径流排排泄分类：根据补补给泉泉的含含水层层类型型可将将泉划划分为为上升泉泉、下下降泉泉。根据出出露成成因可可分为为侵蚀泉泉、接接触泉泉和溢溢流泉泉、断断层泉泉、接接触带带泉。根据出出露条条件又又将下下降泉泉分为为：侵蚀泉泉：地地形切切割到到潜水水面接触泉泉：地地形切切割至至隔水水底板板溢流泉泉：水水流在在前方方受阻阻，水水位抬抬升，，而溢溢流成成泉CompanyLogo下降泉泉侵蚀泉泉：地形切切割到到潜水水面接触泉泉：地形切切割至至隔水水底板板出露露溢流泉泉：水流在在前方方受阻阻，水水位抬抬升，，而溢溢流成成泉：出露潜潜水含含水层层中的的泉CompanyLogo上升泉泉2.上升泉泉（出露于于承压压含水水层中中的泉泉）上上升泉泉根据据出露露条件件分为为：侵蚀泉泉，断断层泉泉，接接触带带泉CompanyLogo7.2.1泉spring3.泉的水水文地地质意意义泉的出出露标标高、、流量量、动动态、、温度、、水化化学特特征a.泉出露露两侧侧岩层层的含含水性性：含含水层层；隔隔水层层b.泉出露露处断断层的的导水水性c.泉的流流量大大小：：导水水性的的好坏坏d.泉的温温度：：地下下水循循环深深度e.泉流量量大小小或水水化学学：补补给与与径流流条件件的好好坏CompanyLogo山东济济南百百脉泉泉在实际际中泉泉的成成因与与定名名是比比较难难判定定的P80-81为济济南全全群成成因条条件分分析-请自学学CompanyLogo河流切切割含含水层层时，，地下下水向向河流流的排排泄，，称为为泄流地下水水的泄泄流量量可通通过分分割河河流流流量过过程线线的方方法确确定7.2.2泄流基流：径流过过程线线中表表示河河道内内常年年出现现并基基本稳稳定的的那部部分水水流，，完全全由地地下水水补给给。CompanyLogo7.2.3蒸发和和蒸腾腾水面蒸蒸发：是潜水水以气气体形形式通通过包包气带带向大大气排排泄水水量的的过程程。土面蒸蒸发：潜水通通过包包气带带耗失失水分分叶面蒸蒸腾：通过植植物根根系吸吸收潜潜水或或包气气带水水转化化为叶叶面水水而蒸蒸发消消耗（一株大的的植物，犹犹如一台生生物抽水机机）CompanyLogo7.2.3蒸发和蒸腾腾的影响因因素a.气候因素：干燥，气温温高，蒸发发量愈大b.地下水位埋埋深：超过蒸发极极限深度则蒸发→0如：华北地地区，水位位埋深>5m，基本不考考虑蒸发干旱地区，，极限水位位埋深大；；湿润地区区极限埋深深小c.包气带岩性性：CompanyLogo7.2.3蒸发和蒸腾腾的影响因因素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