水文地质学地下水的补给和排泄课件.ppt

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1、第七章 地下水的补给与排泄,过程：含水层（或含水系统）经由补给从外界获得水量，通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的分布。,第七章 地下水的补给与排泄,7.1 地下水的补给,定义：含水层或含水系统从外界获得水量（盐量、热量）的过程,补给来源（人工）：灌溉回归水、水库渗漏水，以及专门性的人工补给,研究内容：补给来源、补给条件、补给量。,补给来源（自然）：大气降水、地表水、凝结水，来自其它含水层或含水系统的水等,一、大气降水入渗机制,7.1.1

2、大气降水对地下水的补给,第七章 地下水的补给与排泄,目前认为，松散沉积物中的降水入渗存在活塞式与捷径式两种：,第七章 地下水的补给与排泄,实际上，从微观的角度看，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的孔隙外，还存在根孔、虫孔与裂缝等大的孔隙通道。,活塞式下渗是在理想的均质土（均质砂）中室内试验得出的。,第七章 地下水的补给与排泄,捷径式下渗与活塞式下渗比较：1）活塞式下渗是年龄较新的水推动其下的年龄较老的水，始终是“老”水先到达含水层；捷径式下渗时“新”水可以超前于“老”水到达含水层；2）对于捷径式下渗，入渗水不必全部补充包气带水分亏缺，即可下渗补给含水层。,

3、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。,第七章 地下水的补给与排泄,上层毛细水带,支持毛细水带,毛细饱和带,第七章 地下水的补给与排泄,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 所示。实际情况下，只有在雨季过后包气带水分稳定时最接近此理想情况.雨季之前，由于旱季的土面蒸发与叶面蒸腾，包气带上部的含水量已低于残留含水量W0，而造成水分亏缺（t0）。,第七章 地下水的补给与排泄,第七章 地下水的补给与排泄,在降雨强度超过地表入渗能力时，便将产生地表坡流。,第七章 地下水的补给与排泄,二、影响大气降水补给地

4、下水的因素,渗入地面以下的水 补给含水层（潜水）的水,土面蒸发,叶面蒸腾,土壤水,大气水,第七章 地下水的补给与排泄,影响大气降水补给地下水的因素比较复杂，其中主要有年降水总量、降水特征、包气带的岩性和厚度、地形、植被等。,降水特征也影响值的大小。间歇性的小雨 过分集中的暴雨 不超过地面入渗速率的连绵细雨,降水量中相当一部分要补足水分亏缺，因此年降水量过小时，能够补给地下水的有效降水量就很小；年降水量大则有利于补给地下水，值较大。,第七章 地下水的补给与排泄,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），则包气带滞留的水分也大，不利于地下水的补给。但潜水埋藏过浅（厚度过

5、小），毛细饱和带达到地面，也不利于降水入渗。,地形：当降水强度超过地面入渗速率时，地形坡度大会使地表坡流迅速流走，使地表径流增加。平缓与局部低洼的地势，有利于滞积表流，增加降水入渗的份额。见下图,第七章 地下水的补给与排泄,潜水和承压水含水层接受降水及地表水补给的条件不同,第七章 地下水的补给与排泄,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的因素是相互制约、互为条件的整体，不能孤立地割裂开来加以分析。,浓密的植被，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。尤其在气候干旱的地区，农作物复种指数的提高，会使降水补给地下水的份额明显降低。,第七

6、章 地下水的补给与排泄,入渗水补足水分亏缺后，其余部分继续下渗，达到含水层时，构成地下水的补给。平原地区降水入渗补给地下水水量为：,单位：mm,X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的量,令：,为降水入渗补给系数。,含义：每年总降水量补给地下水的份额，常以小数表示。,第七章 地下水的补给与排泄,7.1.2 地表水对地下水的补给,一、河流与地下水的补给关系沿河流纵断面的变化,第七章 地下水的补给与排泄,7.1.2 地表水对地下水的补给,第七章 地下水的补给与排泄,一般说来，山区河谷深切，河水位常低于地下水位。河谷起排泄地下水的作用（图a），洪水期则河

7、水补给地下水。,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（图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（图c）。,而在某些冲积平原中，河床因强烈的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的补给过程,第七章 地下水的补给与排泄,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）。河水不断下渗，水丘逐渐抬高与扩大，与河水联成一体（图b）。汛期结束，河水撤走，水丘逐渐趋平，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的补给过程,第七章 地下水的补给与排泄,河水补给地下水时，补给量的

8、大小取决于下列因素：,对于常年性河流，为了确定河水渗漏补给地下水的水量，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的水量；但是，对于过水时间很短的间歇性河流？,透水河床的长度与浸水周界的乘积（相当于过水断面）河床透水性（渗透系数）河水位与地下水位的高差（影响水力梯度）河床过水时间,第七章 地下水的补给与排泄,四、潜水和承压水含水层接受降水及地表水补给的条件不同,第七章 地下水的补给与排泄,7.1.3 大气降水及河水补给地下水水量的确定,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的量通常可用下式

9、确定：,Q降水入渗补给地下水量（m3/a）；X年降水量；入渗系数；F补给区面积（km2）。,确定入渗系数常用的方法有以下两种：,1）利用地中渗透仪测定,2）利用天然潜水位变幅确定,第七章 地下水的补给与排泄,二、山区降水与河水入渗量,基岩山区大气降水、地表水与地下水的转换情况比较复杂，单独求算山区的大气降水入渗补给地下水量很困难，通常的做法是统一 求取山区大气降水与地表水对地下水的补给量。,山区地形切割，地下水位埋藏深度大，地下水的蒸发排泄量可以忽略，大体上可认为山区地下水的补给量等于其排泄量，故可通过测定地下水排泄量反求其补给量。,第七章 地下水的补给与排泄,二、山区降水与河水入渗量,山区地

10、下水全部以大泉形式集中排泄时，可通过定期测定泉流量求得全年排泄量。,如地下水分散泄流，可通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的那部分水流，完全由地下水补给。,第七章 地下水的补给与排泄,二、山区降水与河水入渗量,如果山区地下水有一部分以地下径流形式排入相邻的平原或盆地，则必须另行计算这一部分水量加入排泄量中。,山区的入渗系数是全年降水与河水补给地下水的量与年降水量的比值：,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）。,第七章 地下水的补给与排泄,三、大气降水与地表水作为地下水补给来源的比较,从空间分布上看，

11、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，局限于地表水体周边。,从时间分布比较，大气降水持续时间有限而地表水体持续时间长，或是经常性的。在地表水体附近，地下水接受降水及地表水补给，开采后这一补给还可加强，因此地下水格外丰富。,从总体上说，降水量的多寡决定着一个地区地下水的丰富程度,就其水源而言，地表水是由大气降水转化而来的，即使对于干旱山间盆地，作为地下水主要补给来源的河水，仍然来源于山区降水，或以冰雪形式积累起来的高山降水。,绝对湿度只能说明某一时刻空气中水汽含量的多少，而不能表明此时空气中水汽含量的饱和程度。因此又有相对湿度的概念。,空气中所能容纳的最大水汽数量随着气

12、温升高而增大（表1-2）。某一温度下，空气中可容纳的最大水汽数量，称为该温度下的饱和水汽含量，同样也可用重量单位（代号为M），或压力单位（代号为E）表示。,第七章 地下水的补给与排泄,7.1.4 凝结水的补给,第七章 地下水的补给与排泄,饱和湿度随温度降低，温度降到一定程度，空气中的绝对湿度与饱和湿度相等。温度继续下降，超过饱和湿度的那一部分水汽，便凝结成水。这种由气态水转化为液态水的过程称作【凝结作用】。,第一阶段：夏季的白天，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，在土壤孔隙中水汽达到饱和，凝结成水滴，绝对湿度随之降低。第二阶段：由于此时气温较高，地面大气的

13、绝对湿度较土中为大，水汽由大气向土壤孔隙运动，如此不断补充，不断凝结，当形成足够的液滴状水时，便下渗补给地下水。,7.1.4 凝结水的补给,第七章 地下水的补给与排泄,7.1.5 含水层之间的补给,两个含水层之间存在水头差且有联系的通路，则水头较高的含水层便补给水头较低者,第七章 地下水的补给与排泄,第七章 地下水的补给与排泄,隔水层分布不稳定时，在其缺失部位的相邻的含水层便通过“天窗”发生水力联系。松散沉积物及基岩都有可能存在透水的“天窗”。,第七章 地下水的补给与排泄,切穿隔水层的导水断层往往成为基岩含水层之间的联系通路,第七章 地下水的补给与排泄,穿越数个含水层的钻孔或止水不良的分层钻孔

14、，都将人为地构成水由高水头含水层流入低水头含水层的通道。,第七章 地下水的补给与排泄,相邻含水层通过其间的弱透水层发生水量交换，称作越流。越流经常发生于松散沉积物中，粘性土层构成弱透水层。,第七章 地下水的补给与排泄,根据Q=KI，在一维流动条件下，单位水平面积弱透水层的越流量V为：,K弱透水层垂向渗透系数；I驱动越流的水力梯度；HA含水层A的水头；HB含水层B的水头；M弱透水层厚度（等于渗透途径）。,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。,第七章 地下水的补给与排泄,7.1.6 地下水的其它补给来源,“无意识”补给：建造水库、进行灌溉以及工业与

15、生活废水的排放都使地下水获得新的补给。,灌溉渠道的渗漏河流的入渗补给线状田面灌水入渗降水入渗补给面状 灌水的田面入渗量取决于灌水方式。习惯上将灌溉渗漏补给含水层的水(包括渠道与田面渗漏)称之为灌溉回归水。灌溉回归水往往可占灌水总量的20%40%。平原、盆地中不适当的灌溉可引起潜水位大幅度上升，引起土壤次生沼泽化与盐渍化。,第七章 地下水的补给与排泄,采用“有计划”的人为措施补充含水层的水量称之为人工补给地下水。人工补给地下水的目的主要是补充与储存地下水资源，抬高地下水位以改善地下水开采条件，同时还有以下目的：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，防止海水倒灌与咸水入侵淡含

16、水层等等。,人工补给地下水通常采用地面、河渠、坑池蓄水渗补及井孔灌注等方式,地面,河渠,井孔灌注,坑池蓄水渗补,第七章 地下水的补给与排泄,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称作排泄。在排泄过程中，含水层与含水系统的水质也发生相应变化。研究内容：研究含水层（含水系统）的排泄包括排泄去路、排泄条件与排泄量等。排泄方式：地下水通过泉、向河流泄流及蒸发、蒸腾等方式向外界排泄。此外，还存在一个含水层（含水系统）向另一含水层（含水系统）的排泄。（越流）用井孔抽汲地下水，或用渠道、坑道等排除地下水，均属地下水的人工排泄。,第七章 地下水的补给与排泄,7.2.1 泉,定义：泉是地下水

17、的天然露头，在地形面与含水层或含水通道相交点地下水出露成泉。,地下水集中排泄于河、湖或海的底部时，便形成水下泉,第七章 地下水的补给与排泄,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,第七章 地下水的补给与排泄,沟谷切割揭露潜水含水层时，形成侵蚀（下降）泉（a、b）地形切割达到含水层隔水底板时，地下水被迫从两层接触处出露成泉，这便是接触泉（c）。大的滑坡体前缘常有泉出露。这是由于滑坡体破碎、透水性良好，而滑坡床相对隔水，实质上这也是一种接触泉 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）。,

18、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（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，就叫作接触带泉（j）。,第七章 地下水的补给与排泄,2）根据泉的流量可以确定含水层的富水程度。,3）根据泉水的物理性质、化学成分，可以了解各含水层的水质特征。,4）通过泉的动态观测，可以获得地下水动态的初步概念。,5）根据泉的流量，可以作为论证地下水允许开采量保证程度的依据。,1）根据泉的出露情况，可以判断岩层的含水性。,泉的水文地质意义,第七章 地下水的补给与排泄,6）根据泉

19、的流量，可以计算地下水径流模数。（Mc）,Q0为泉的总流量（m3/s）；F为地下水流域面积（km2）。,7）泉的研究有利于判断地质构造。许多泉出露在不同岩层的接触带或断裂带上。在断层线上，有时出现线状排列的上升泉，故根据泉的分布规律及形成条件的分析，有助于判断地质构造。当第四系沉积物不很厚时，在地面上可以见到与底层界线或构造带有关的泉，据此可以判断隐伏构造位置。,第七章 地下水的补给与排泄,7.2.2 泄流,当河流切割含水层时，地下水沿河呈带状排泄，称作地下水的泄流。在河流上选定断面，定期测定河水流量，可得出河流流线过程线，并分割得出地下水泄流量（图 721）。,第七章 地下水的补给与排泄,7

20、.2.2 泄流,最简单的分割方法如图 722 所示。在流量过程线起涨点 A 起引一水平线交于退水段的 B 点，则图中有阴线部分即相当于地下水泄流补给河水的量。在水文学中此水量称作河流的基流。,基流：径流过程线中表示河道内常年出现并基本稳定的那部分水流，完全由地下水补给。,包气带,7.2.3 蒸发,第七章 地下水的补给与排泄,【区域】低平地区，尤其干旱气候下松散沉积物构成的平原与盆地中，蒸发与蒸腾往往是地下水主要的排泄方式。土壤水的蒸发 潜水的蒸发,一、土壤水的蒸发包气带上部的水：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。

21、结果：间接影响饱水带接受降水补给的份额，但不会直接消耗饱水带的水量。土壤水季节性的浓缩，雨季得到降水补充而淡化,7.2.3 蒸发,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,第七章 地下水的补给与排泄,二、潜水的蒸发,紧接潜水面的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的，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，毛细弯液面上的水不断由液态转为气态，逸入大气；潜水则源源不断通过毛细作用上升补充支持毛细水，使蒸发得以持续进行。结果：水分沿毛细管源源上升又不断气化蒸发，水流带来的盐分便浓集于毛细带的上缘。降雨时

22、，入渗降水淋溶部分盐分重新返回潜水。因此，强烈的潜水蒸发将使土壤集盐（造成土壤盐渍化）与地下水不断浓缩盐化。,第七章 地下水的补给与排泄,影响潜水蒸发，从而决定土壤与地下水盐化程度的因素:,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%的西北，有的地方潜水矿化度可达100300g/L；相对湿度经常保持80%以上的川西平原，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，地下水流动系统的规模,第七章 地下水的补给与排泄,2）潜水面埋藏愈浅，蒸发愈强烈。地处半干旱地区的河北石家庄市，利用地中渗透仪测得潜水蒸发与其水位埋藏深度的关系（图723

23、）。,第七章 地下水的补给与排泄,有人发现，干旱地区即使山前埋深达数十米的潜水矿化度仍比较高。因此认为，这是干旱气候下气态的水分子从深部不断逸出而蒸发的结果。,从图中可见，水位埋藏深度小于2m时，随着潜水埋深变浅，蒸发量显著增大，深度大于2m，潜水蒸发明显减弱。,第七章 地下水的补给与排泄,3）包气带岩性主要通过其对毛细上升高度与速度的控制而影响潜水蒸发。砂太大毛细上升高度太小，而亚粘土与粘土的毛细上升速度又太低，均不利于潜水蒸发。粉质亚砂土、粉砂等组成的包气带，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。,含水系统,简单的流动系统（A）,区域流动系统（Br）,中间流动系统（Bi

24、）,局部流动系统（B1）,流动系统,复杂的流动系统（B）,级次性,第八章 地下水系统,第七章 地下水的补给与排泄,4）干旱、半干旱地区地下水流动系统的排泄区是蒸发浓缩作用最为强烈的地方。区域性流动系统的排泄区由于能够汇集更大范围地下水中的盐分，蒸发浓缩较局部流动系统排泄区更为发育。,干旱、半干旱的平原与盆地，常常由于利用地表水大量灌溉引起潜水面抬升，潜水蒸发增强，从而造成次生的土地盐渍化。,7.2.4 蒸腾,第七章 地下水的补给与排泄,7.3 地下水的径流,定义：地下水由补给区向排泄区流动的过程称作径流。,研究内容：径流方向、径流强度、径流量、影响径流的因素,意义：径流的强弱影响含水层水量与水

25、质的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的循环过程。,第四章 地下水运动的基本规律,第七章 地下水的补给与排泄,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：,在总的地势控制下，由山前向滨海地下水作纵向流动；同时，山前下降的潜水流在平原中某些部位上升；在局部地形的控制下，浅层潜水由地上河及古河道下降，越流补给深层水，而在河间洼地则由深部向浅部作上升越流运动。但不管地下水具体的径流路径如何复杂，都可以通过编制地下水等水位线图或等水压线图来分析研究。,第七章 地下水的补给与排泄,第十章 孔隙水,二、河流下游平原冲击层中的地下水

26、,第七章 地下水的补给与排泄,7.3.2 径流强度,单位时间内通过单位过水断面的水量渗透速度来表征。,与含水层的透水性、补给区到排泄区之间的水位差成正比，与补给区到排泄区的长度成反比。,7.3.3 径流量,定义：地下水流经某过水断面的流量,径流量大小取决于含水层厚度和地下水的补给排泄条件。,第七章 地下水的补给与排泄,第七章 地下水的补给与排泄,7.3 补给、径流、排泄对地下水水质的影响,地下水获得矿化度与化学类型不同的补给水，水质也因而发生变化。干旱地区的潜水往往因长期蒸发浓缩而成为高矿化水。在那些经常获得低矿化水补给的地段，如河流沿岸，季节性集水洼地，灌渠两侧等，常可找到适于饮用的淡水透镜

27、体。高矿化水与污染水的补给，则使含水层水质恶化，这多半是在人为影响下发生的。例如，工业废水与生活污水的不合理排放，降水淋滤废料与吸收废气后补给地下水等，过量抽汲滨海地区的或与咸水层有联系的淡水含水层，也可引起海水或咸水补给淡水层而引起水质恶化。,第七章 地下水的补给与排泄,地下水的排泄，根据其对水质影响可分为两大类：一类是径流排泄，包括以泉、泄流等方式的排泄在内，其特点是盐随水走，水量排走的同时也排走盐分。另一类是蒸发排泄，其特点是水走盐留。,将补给、排泄结合起来，我们可以划分为两大类地下水循环：渗入径流型 和 渗入蒸发型 前者，长期循环的结果，使岩土与其中赋存的地下水向溶滤淡化方向发展；后者，长期循环，使补给区的岩土与地下水淡化脱盐，排泄区的地下水盐化，土壤盐渍化（图725、图726）。,