地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座

第七章地下水补给、排泄与径流7.1地下水补给7.1.1大气降水对地下水补给7.1.2地表水对地下水补给7.1.5含水层之间补给7.1.6地下水其它补给起源7.1.3大气降水及河水补给地下水水量确实定7.1.4

凝结水补给7.2地下水排泄泉泄流蒸发蒸腾7.3地下水补给与排泄对地下水水质影响地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第1页第七章地下水补给、排泄与径流过程：含水层或含水系统经由补给从外界取得水量，经过径流将水量由补给处输送到排泄处向外界排出。

在补给与排泄过程中，含水层与含水系统除了与外界交换水量外，还交换能量、热量与盐量。意义：补给、排泄与径流决定着地下水水量、水质在空间与时间上分布。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第2页第七章地下水补给、排泄与径流7.1地下水补给定义：含水层或含水系统从外界取得水量（盐量、热量）过程补给起源（人工）：浇灌回归水、水库渗漏水，以及专门性人工补给研究内容：补给起源、补给条件、补给量。补给起源（自然）：大气降水、地表水、凝结水，来自其它含水层或含水系统水等一、大气降水入渗机制7.1.1大气降水对地下水补给地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第3页第七章地下水补给、排泄与径流

当前认为，涣散沉积物中降水入渗存在活塞式与捷径式两种：地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第4页第七章地下水补给、排泄与径流活塞式下渗：入渗水湿锋面整体向下推进，如同活塞运移。上层毛细水带支持毛细水带毛细饱和带地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第5页第七章地下水补给、排泄与径流

在理想情况下，包气带水分趋于稳定，不下渗也无蒸发、蒸腾时，均质土包气带水分分布如图中

t5

所表示。

实际情况下，只有在雨季过后包气带水分稳定时最靠近此理想情况.雨季之前，因为旱季土面蒸发与叶面蒸腾，包气带上部含水量已低于残留含水量W0，而造成水分亏缺（t0）。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第6页第七章地下水补给、排泄与径流地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第7页第七章地下水补给、排泄与径流在降雨强度超出地表入渗能力时，便将产生地表坡流。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第8页第七章地下水补给、排泄与径流

实际上，从微观角度看，并不存在均质土。

尤其是粘性土，除了粒间孔隙与颗粒集合体内和颗粒集合体间孔隙外，还存在根孔、虫孔与裂缝等大孔隙通道。活塞式下渗是在理想均质土（均质砂）中室内试验得出。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第9页第七章地下水补给、排泄与径流

捷径式下渗与活塞式下渗比较：

1）活塞式下渗是年纪较新水推进其下年纪较老水，一直是“老”水先抵达含水层；捷径式下渗时“新”水能够超前于“老”水抵达含水层；

2）对于捷径式下渗，入渗水无须全部补充包气带水分亏缺，即可下渗补给含水层。适用条件：在砂砾质土中主要为活塞式下渗，而在粘性土中则活塞式与捷径式下渗同时发生。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第10页第七章地下水补给、排泄与径流二、影响大气降水补给地下水原因降水地表下渗补给含水层蒸发地表径流渗透地面以下水

≠

补给含水层水土面蒸发叶面蒸腾土壤水大气水地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第11页第七章地下水补给、排泄与径流

入渗水补足水分亏缺后，其余部分继续下渗，到达含水层时，组成地下水补给。

平原地域降水入渗补给地下水水量为：单位：mmX——年总降水量D——地表径流量△S——包气带水分滞留量，即水分亏缺。qx——降水入渗补给含水层量令：为降水入渗补给系数。含义：每年总降水量补给地下水份额，常以小数表示。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第12页第七章地下水补给、排泄与径流

影响大气降水补给地下水原因比较复杂，其中主要有年降水总量、降水特征、包气带岩性和厚度、地形、植被等。降水特征也影响α值大小。

间歇性小雨

过分集中暴雨

不超出地面入渗速率连绵细雨降水量中相当一部分要补足水分亏缺，所以年降水量过小时，能够补给地下水有效降水量就很小；年降水量大则有利于补给地下水，α

值较大。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第13页第七章地下水补给、排泄与径流包气带渗透性好，有利于降水入渗补给。包气带厚度过大（潜水埋深过大），则包气带滞留水分也大，不利于地下水补给。但潜水埋藏过浅（厚度过小），毛细饱和带到达地面，也不利于降水入渗。地形：

当降水强度超出地面入渗速率时，地形坡度大会使地表坡流快速流走，使地表径流增加。

平缓与局部低洼地势，有利于滞积表流，增加降水入渗份额。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第14页第七章地下水补给、排泄与径流森林、草地可滞留地表坡流与保护土壤结构，有利于降水入渗。

影响降水入渗补给地下水原因是相互制约、互为条件整体，不能孤立地割裂开来加以分析。浓密植被，尤其是农作物，以蒸腾方式强烈消耗包气水，造成大量水分亏缺。

尤其在气候干旱地域，农作物复种指数提升，会使降水补给地下水份额显著降低。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第15页第七章地下水补给、排泄与径流7.1.2地表水对地下水补给一、河流与地下水补给关系沿河流纵断面改变地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第16页第七章地下水补给、排泄与径流7.1.2地表水对地下水补给地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第17页第七章地下水补给、排泄与径流普通说来，山区河谷深切，河水位常低于地下水位。河谷起排泄地下水作用（图a），洪水期则河水补给地下水。山前，因为河流堆积作用，河床处于高位，河水常年补给地下水（图b）。冲积平原与盆地一些部位，河水位与地下水位关系，随季节而变（图c）。而在一些冲积平原中，河床因强烈堆积作田而形成所谓“地上河”，河水经常补给地下水（图d）。二、间歇性河流对地下水补给过程地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第18页第七章地下水补给、排泄与径流

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）。河水不停下渗，水丘逐步抬高与扩大，与河水联成一体（图b）。

汛期结束，河水撤走，水丘逐步趋平，使一定范围内潜水位普遍抬高（图c）。二、间歇性河流对地下水补给过程地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第19页第七章地下水补给、排泄与径流

河水补给地下水时，补给量大小取决于以下原因：透水河床长度与浸水周界乘积（相当于过水断面）河床透水性（渗透系数）河水位与地下水位高差（影响水力梯度）河床过水时间

对于常年性河流，为了确定河水渗漏补给地下水水量，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水量；

不过，对于过水时间很短间歇性河流？？？？？地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第20页第七章地下水补给、排泄与径流三、大气降水与地表水作为地下水补给起源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，局限于地表水体周围。从时间分布比较，大气降水连续时间有限而地表水体连续时间长，或是经常性。在地表水体附近，地下水接收降水及地表水补给，开采后这一补给还可加强，所以地下水格外丰富。从总体上说，降水量多寡决定着一个地域地下水丰富程度

就其水源而言，地表水是由大气降水转化而来，即使对于干旱山间盆地，作为地下水主要补给起源河水，依然起源于山区降水，或以冰雪形式积累起来高山降水。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第21页第七章地下水补给、排泄与径流四、潜水和承压水含水层接收降水及地表水补给条件不一样地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第22页第七章地下水补给、排泄与径流7.1.3大气降水及河水补给地下水水量确实定一、平原区大气降水入渗补给量在平原区，大气降水入渗补给地下水量通常可用下式确定：Q——降水入渗补给地下水量（m3/a）；X——年降水量；α——入渗系数；F——补给区面积（km2）。确定入渗系数α惯用方法有以下两种：1）利用地中渗透仪测定2）利用天然潜水位变幅确定地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第23页第七章地下水补给、排泄与径流二、山区降水与河水入渗量

基岩山区大气降水、地表水与地下水转换情况比较复杂，单独求算山区大气降水入渗补给地下水量很困难，通常做法是统一

求取山区大气降水与地表水对地下水补给量。

山区地形切割，地下水位埋藏深度大，地下水蒸发排泄量能够忽略，大致上可认为山区地下水补给量等于其排泄量，故可经过测定地下水排泄量反求其补给量。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第24页第七章地下水补给、排泄与径流二、山区降水与河水入渗量山区地下水全部以大泉形式集中排泄时，可经过定时测定泉流量求得整年排泄量。如地下水分散泄流，可经过分割河水流量过程线求年排泄量（见图）。基流：径流过程线中表示河道内常年出现并基本稳定那部分水流，完全由地下水补给。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第25页第七章地下水补给、排泄与径流二、山区降水与河水入渗量假如山区地下水有一部分以地下径流形式排入相邻平原或盆地，则必须另行计算这一部分水量加入排泄量中。山区入渗系数α是整年降水与河水补给地下水量与年降水量比值：Q——年地下水排泄量，以前述方式求得；f——汇水区面积（km2）；X——年降水量（mm）。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第26页第七章地下水补给、排泄与径流

饱和湿度随温度降低，温度降到一定程度，空气中绝对湿度与饱和湿度相等。温度继续下降，超出饱和湿度那一部分水汽，便凝结成水。

这种由气态水转化为液态水过程称作【凝结作用】。

第一阶段：夏季白天，大气和土壤都吸热增温；到夜晚，土壤散热快而大气散热慢。地温降到一定程度，在土壤孔隙中水汽到达饱和，凝结成水滴，绝对湿度随之降低。

第二阶段：因为此时气温较高，地面大气绝对湿度较土中为大，水汽由大气向土壤孔隙运动，如此不停补充，不停凝结，当形成足够液滴状水时，便下渗补给地下水。7.1.4凝结水补给地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第27页第七章地下水补给、排泄与径流7.1.5含水层之间补给

两个含水层之间存在水头差且有联络通路，则水头较高含水层便补给水头较低者地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第28页第七章地下水补给、排泄与径流地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第29页第七章地下水补给、排泄与径流隔水层分布不稳定时，在其缺失部位相邻含水层便经过“天窗”发生水力联络。涣散沉积物及基岩都有可能存在透水“天窗”。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第30页第七章地下水补给、排泄与径流切穿隔水层导水断层往往成为基岩含水层之间联络通路地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第31页第七章地下水补给、排泄与径流穿越数个含水层钻孔或止水不良分层钻孔，都将人为地组成水由高水头含水层流入低水头含水层通道。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第32页第七章地下水补给、排泄与径流相邻含水层经过其间弱透水层发生水量交换，称作越流。越流经常发生于涣散沉积物中，粘性土层组成弱透水层。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第33页第七章地下水补给、排泄与径流

依据Q=KωI，在一维流动条件下，单位水平面积弱透水层越流量V为：

K——弱透水层垂向渗透系数；

I——驱动越流水力梯度；HA——含水层A水头；HB——含水层B水头；

M——弱透水层厚度（等于渗透路径）。

相邻含水层之间水头差愈大，弱透水层厚度愈小而其垂向透水性愈好，则单位面积越流量便愈大。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第34页第七章地下水补给、排泄与径流7.1.6地下水其它补给起源“无意识”补给：建造水库、进行浇灌以及工业与生活废水排放都使地下水取得新补给。浇灌渠道渗漏——河流入渗补给——线状田面灌水入渗——降水入渗补给——面状

灌水田面入渗量取决于灌水方式。

习惯上将浇灌渗漏补给含水层水(包含渠道与田面渗漏)称之为浇灌回归水。浇灌回归水往往可占灌水总量20%～40%。

平原、盆地中不适当浇灌可引发潜水位大幅度上升，引发土壤次生沼泽化与盐渍化。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第35页第七章地下水补给、排泄与径流

采取“有计划”人为办法补充含水层水量称之为人工补给地下水。

人工补给地下水目标主要是补充与储存地下水资源，抬高地下水位以改进地下水开采条件，同时还有以下目标：储存热源以用于锅炉用水，储存冷源用于空调冷却，控制地面沉降，预防海水倒灌与咸水入侵淡含水层等等。

人工补给地下水通常采取地面、河渠、坑池蓄水渗补及井孔灌注等方式地面地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第36页河渠井孔灌注坑池蓄水渗补地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第37页第七章地下水补给、排泄与径流7.2地下水排泄定义：含水层或含水系统失去水量过程称作排泄。

在排泄过程中，含水层与含水系统水质也发生对应改变。研究内容：研究含水层（含水系统）排泄包含排泄去路、排泄条件与排泄量等。排泄方式：地下水经过泉、向河流泄流及蒸发、蒸腾等方式向外界排泄。另外，还存在一个含水层（含水系统）向另一含水层（含水系统）排泄。（越流）用井孔抽汲地下水，或用渠道、坑道等排除地下水，均属地下水人工排泄。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第38页第七章地下水补给、排泄与径流7.2.1泉定义：泉是地下水天然露头，在地形面与含水层或含水通道相交点地下水出露成泉。泉补给泉含水层性质上升泉（承压水）下降泉（潜水）出露原因侵蚀泉接触泉溢流泉出露原因侵蚀（上升）泉断层泉接触带泉地下水集中排泄于河、湖或海底部时，便形成水下泉地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第39页第七章地下水补给、排泄与径流侵蚀（下降）泉接触泉溢流泉溢流泉溢流泉溢流泉侵蚀（上升）泉断层泉接触带泉地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第40页第七章地下水补给、排泄与径流

沟谷切割揭露潜水含水层时，形成侵蚀（下降）泉（a、b）

地形切割到达含水层隔水底板时，地下水被迫从两层接触处出露成泉，这便是接触泉（c）。大滑坡体前缘常有泉出露。这是因为滑坡体破碎、透水性良好，而滑坡床相对隔水，实质上这也是一个接触泉

潜水流前方透水性急剧变弱，或隔水底板隆起，潜水流动受阻而涌溢于地表成泉，这便是溢流泉（d、e、f、g）。当河流、冲沟等切穿承压含水层隔水顶板时，形成侵蚀（上升）泉（h）

地下水沿导水断层上升，在地面高程低于测压水位处涌溢地表，便成为断层泉（i）

岩脉或侵入体与围岩接触带，常因冷凝收缩而产生隙缝，地下水沿这类接触带上升成泉，就叫作接触带泉（j）。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第41页第七章地下水补给、排泄与径流2）依据泉流量能够确定含水层富水程度。3）依据泉水物理性质、化学成份，能够了解各含水层水质特征。4）经过泉动态观察，能够取得地下水动态初步概念。5）依据泉流量，能够作为论证地下水允许开采量确保程度依据。1）依据泉出露情况，能够判断岩层含水性。泉水文地质意义地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第42页第七章地下水补给、排泄与径流6）依据泉流量，能够计算地下水径流模数。（Mc）Q0——为泉总流量（m3/s）；F——为地下水流域面积（km2）。7）泉研究有利于判断地质结构。许多泉出露在不一样岩层接触带或断裂带上。在断层线上，有时出现线状排列上升泉，故依据泉分布规律及形成条件分析，有利于判断地质结构。当第四系沉积物不很厚时，在地面上能够见到与底层界限或结构带相关泉，据此能够判断隐伏结构位置。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第43页第七章地下水补给、排泄与径流7.2.2泄流

当河流切割含水层时，地下水沿河呈带状排泄，称作地下水泄流。在河流上选定断面，定时测定河水流量，可得出河流流线过程线，并分割得出地下水泄流量（图7—21）。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第44页第七章地下水补给、排泄与径流7.2.2泄流

最简单分割方法如图7—22所表示。在流量过程线起涨点A起引一水平线交于退水段B点，则图中有阴线部分即相当于地下水泄流补给河水量。在水文学中此水量称作河流基流。基流：径流过程线中表示河道内常年出现并基本稳定那部分水流，完全由地下水补给。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第45页第七章地下水补给、排泄与径流【区域】低平地域，尤其干旱气候下涣散沉积物组成平原与盆地中，蒸发与蒸腾往往是地下水主要排泄方式。

土壤水蒸发

潜水蒸发一、土壤水蒸发包气带上部水：孔角毛细水、悬挂毛细水乃至过路毛细水。

由液态转为气态而蒸发排泄，造成包气带水分亏缺

蒸发强度取决于气候与包气带岩性。结果：

间接影响饱水带接收降水补给份额，但不会直接消耗饱水带水量。

土壤水季节性浓缩，雨季得到降水补充而淡化7.2.3蒸发地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第46页包气带地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第47页打井出水毛细水带上层毛细水带支持毛细水带毛细饱和带地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第48页第七章地下水补给、排泄与径流二、潜水蒸发

紧接潜水面包气带中分布着支持毛细水。

支持毛细水是潜水沿着毛细孔隙上升而形成，与潜水密不可分。

当潜水面埋藏不深，支持毛细水带上缘离地表较近时，大气相对湿度小于饱和湿度，毛细弯液面上水不停由液态转为气态，逸入大气；

潜水则源源不停经过毛细作用上升补充支持毛细水，使蒸发得以连续进行。结果：

水分沿毛细管源源上升又不停气化蒸发，水流带来盐分便浓集于毛细带上缘。降雨时，入渗降水淋溶部分盐分重新返回潜水。

所以，强烈潜水蒸发将使土壤集盐（造成土壤盐渍化）与地下水不停浓缩盐化。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第49页第七章地下水补给、排泄与径流

影响潜水蒸发，从而决定土壤与地下水盐化程度原因:1）气候愈干燥，相对湿度越小，潜水蒸发便愈强烈。

相对湿度经常小于50%西北，有地方潜水矿化度可达100～300g/L；

相对湿度经常保持80%以上川西平原，尽管潜水位埋藏很浅，但其矿化度不到0.5g/L。气候、潜水埋藏深度、包气带岩性，地下水流动系统规模地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第50页第七章地下水补给、排泄与径流2）潜水面埋藏愈浅，蒸发愈强烈。

地处半干旱地域河北石家庄市，利用地中渗透仪测得潜水蒸发与其水位埋藏深度关系（图7—23）。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第51页第七章地下水补给、排泄与径流

有些人发觉，干旱地域即使山前埋深达数十米潜水矿化度仍比较高。

所以认为，这是干旱气候下气态水分子从深部不停逸出而蒸发结果。

从图中可见，水位埋藏深度小于2m时，伴随潜水埋深变浅，蒸发量显著增大，深度大于2m，潜水蒸创造显减弱。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第52页第七章地下水补给、排泄与径流3）包气带岩性主要经过其对毛细上升高度与速度控制而影响潜水蒸发。

砂太大毛细上升高度太小，而亚粘土与粘土毛细上升速度又太低，均不利于潜水蒸发。

粉质亚砂土、粉砂等组成包气带，毛细上升高度大，而毛细上升速度又较快，故潜水蒸发最为强烈。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第53页第七章地下水补给、排泄与径流4）干旱、半干旱地域地下水流动系统排泄区是蒸发浓缩作用最为强烈地方。

区域性流动系统排泄区因为能够聚集更大范围地下水中盐分，蒸发浓缩较局部流动系统排泄区更为发育。

干旱、半干旱平原与盆地，经常因为利用地表水大量浇灌引发潜水面抬升，潜水蒸发增强，从而造成次生土地盐渍化。7.2.4蒸腾地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第54页第八章地下水系统地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第55页第七章地下水补给、排泄与径流7.3地下水径流定义：地下水由补给区向排泄区流动过程称作径流。研究内容：径流方向、径流强度、径流量、影响径流原因意义：径流强弱影响含水层水量与水质形成过程及其时空分布。“补给→径流→排泄”是地下水形成过程中一个统一不可分割循环过程。地下水的补给排泄与径流专业知识专家讲座第56页第七章地下水补给、排泄与径流总体来说：从高处向低处流动。尤其是潜水7.3.1径流方向以我国华北平原为例：在总地势控制下，由山前向滨海地下水作纵向流动；同时，山前下降潜水流