第5章 地下水的補給、排泄與徑流課件

第五章地下水的補給、排泄與徑流第5章-地下水的補給、排泄與徑流本章內(nèi)容地下水是通過補給與排泄兩個環(huán)節(jié)參與自然界的水循環(huán)補給：含水層或含水系統(tǒng)從外界獲得水量的過程排泄：含水層或含水系統(tǒng)向外界排出水量的過程第一節(jié)地下水的補給第二節(jié)地下水的排泄第三節(jié)地下水的徑流第5章-地下水的補給、排泄與徑流第一節(jié)地下水的補給第5章-地下水的補給、排泄與徑流補給使含水層的水量、水化學(xué)特征和水溫發(fā)生變化思考：補給獲得水量后，含水層或含水系統(tǒng)會發(fā)生什么變化？地下水位上升，增加了勢能，使地下水保持不停的流動由于構(gòu)造封閉或氣候干旱，得不到補給，地下水的流動將停滯補給的研究包括：補給來源、影響因素與補給量地下水的補給來源有：天然：大氣降水、地表水、凝結(jié)水及相鄰含水層的補給等人類活動有關(guān)的：灌溉水入滲、水庫滲漏及人工回灌第5章-地下水的補給、排泄與徑流討論：入滲機制？影響因素？？補給量的確定？？？（一）大氣降水入滲補給機制包氣帶是降水對地下水補給的樞紐，包氣帶的巖性結(jié)構(gòu)和含水量狀況對降水入滲補給起著決定性作用目前認為，松散沉積物的降水入滲有兩種方式：

均勻砂土層——活塞式含裂隙的土層（粘性土）——捷徑式一、大氣降水補給大氣圈地面包氣帶（水分滯留）含水層（獲得補給）地表徑流蒸發(fā)降水入滲Rs

E

X

S

qX

圖5-1降水入滲補給含水層框圖第5章-地下水的補給、排泄與徑流濕鋒面

t1

t2

地面

潛水面

降水入滲過程

活塞式下滲圖第5章-地下水的補給、排泄與徑流“活塞式”入滲——適用條件：均勻的砂土層降水初期t1：土層干燥，吸水能力很強，雨水下滲快降水延續(xù)t2：土層達到一定的含水量，毛細力與重力共同作用，下滲趨于穩(wěn)定——滲潤階段，滲漏與滲透階段降水再持續(xù)：當土層濕鋒面推進到支持毛細水帶時，含水量獲得補給，潛水位上升第5章-地下水的補給、排泄與徑流

降水入滲過程中包氣帶水分分布曲線圖W0—殘留含水量；Ws—飽和含水量第5章-地下水的補給、排泄與徑流Vt——入滲率Z——濕潤前鋒推進距地面深度的距離hc——毛細壓力水頭(mm/h)入滲速率隨時間的變化見圖5-2Ks第5章-地下水的補給、排泄與徑流下滲水流運移模式的條件？

飽和帶--

厚度1.5cm水分傳輸帶

過渡帶

濕潤帶

含水量變化大濕潤鋒（面）

含水量%深度cm風(fēng)干土田間持水量飽和含水量飽和帶過渡帶水分傳輸帶濕潤帶濕潤鋒下滲過程中水分分布帶第5章-地下水的補給、排泄與徑流“捷徑式”下滲——空隙大小極懸殊①捷徑式下滲，新水可以超過老水，優(yōu)先達含水層；②捷徑式下滲，不必包氣帶達到飽和即可補給下方含水層。t1t2捷徑式下滲圖見圖5-3第5章-地下水的補給、排泄與徑流山西黃土垂直裂隙及其捷徑下滲第5章-地下水的補給、排泄與徑流平原區(qū)降水入滲的補給量方程qX=X-Rs-E-ΔSqX

降水入滲補給含水層量X年降水總量Rs地表徑流量E蒸發(fā)強度ΔS包氣帶水分滯留量降水強度,降水頻率；降水延續(xù)時間總量大，強度適中，間隔短，時間長的綿綿細雨最有利。溫度適中，溫差較小，相對濕度大。地形:高或低，陡或緩地質(zhì):包氣帶巖性地下水位埋深：其他：植被、城市化（二）影響降水補給的影響因素

α：降水入滲系數(shù);qx：年降水入滲量(mm);X：年降水量(mm).第5章-地下水的補給、排泄與徑流（三）四種不同時間尺度地補給1）短期補給:干、濕季節(jié)分明地區(qū)一次大雨后；2）季節(jié)性補給：有規(guī)律的季節(jié)性；3）永久性補給：濕潤的熱帶地區(qū)，總有向下的水入滲補給；4）歷史性或古補給：古代埋藏水。第5章-地下水的補給、排泄與徑流（四）降水入滲的研究方法及入滲系數(shù)的測定1、測試方法降水入滲系數(shù)可用地中滲透儀法、中子水分儀來測定地中滲透儀結(jié)構(gòu)圖第5章-地下水的補給、排泄與徑流河南鄭州均衡試驗場地中滲透儀

試驗土柱

地下觀測室適用于溫帶地區(qū)地下水埋深不大、易擾動土壤結(jié)構(gòu)第5章-地下水的補給、排泄與徑流雙環(huán)注水法--剖面圖——連續(xù)降水雙環(huán)入滲試驗裝置第5章-地下水的補給、排泄與徑流零通量面法

零通量面(DZFP)可作為測算陸面蒸發(fā)蒸騰量和地下水入滲補給量的分界面。該面以上，蒸發(fā)與蒸騰；該面以下，補給潛水。

Z0為零通量面位置深度第5章-地下水的補給、排泄與徑流（四）降水入滲的研究方法及入滲系數(shù)的測定2、利用天然潛水變幅求入滲系數(shù)：先根據(jù)潛水面的上升值，求出入滲量Xi,再求出入滲系數(shù)。3、降水入滲系數(shù)的經(jīng)驗數(shù)值降水入滲系數(shù)與巖性和地下水埋深的關(guān)系，見表5-1降水入滲系數(shù)與年降水量和地下水埋深的關(guān)系見表5-2山區(qū)降水入滲系數(shù)的經(jīng)驗數(shù)值，見表5-3根據(jù)入滲系數(shù)求年入滲補給量全年降水入滲補給量：Q=X·α·F·1000

m3/a，mm，無量綱，km2

降水入滲系數(shù)多用年平均值表示，通常0.2~0.5，南方巖溶地區(qū)達0.8，西北干旱地區(qū)趨于0。α：降水入滲系數(shù);qx：年降水入滲量(mm);X：年降水量(mm).第5章-地下水的補給、排泄與徑流地表水補給地下水的必要條件：1、兩者之間必須具有水力聯(lián)系2、地表水位必須高于地下水位（實例5-10）地表水補給地下水的時間上變化，見圖5-11、圖5-12地表水補給地下水的空間上變化地表水補給地下水的影響因素：河床透水性、河床與地下水有聯(lián)系部分的長度及河床濕周、河水位與地下水位的高差、河床過水時間

二、地表水對地下水的補給5-12河水補給引起地下水位抬高第5章-地下水的補給、排泄與徑流河流不同部位地表水與地下水之間的補給關(guān)系第5章-地下水的補給、排泄與徑流地中滲透計直接測定法

注意：只適合于寬度不大的小型渠道。由于滲透箱入滲水的滲透途徑短，測得的入滲量偏大。地表水對地下水的補給量的確定方法第5章-地下水的補給、排泄與徑流地表水對地下水的補給量的確定方法測流法：在有滲漏的河、渠段的上、下游斷面上實測河、渠流量，其流量減少的差值，即為河、渠水對地下水的入滲補給量。（Q1-Q2）t注意：所選擇的測流段最好沒有支流；如有人工開采量時，應(yīng)扣除；當水面寬度很大時，應(yīng)扣除水面蒸發(fā)量。第5章-地下水的補給、排泄與徑流大氣降水補給與河流補給的特點大氣降水補給是面狀補給，范圍廣比較均勻地表水是線狀（河流）和點狀（小湖、坑、塘）補給，局限于地表水體周邊大氣降水補給持續(xù)時間有限地表水體補給持續(xù)時間長，或是經(jīng)常性的。承壓水的補給：與潛水的區(qū)別主要在于補給區(qū)域與面積，見圖5-13第5章-地下水的補給、排泄與徑流三、凝結(jié)水的補給溫度降低時，飽和濕度降低，溫度降到一定程度，絕對濕度與飽和濕度相等，繼續(xù)下降，超過飽和濕度的那部分水汽凝結(jié)成水，由氣態(tài)水轉(zhuǎn)化成液態(tài)水的過程稱為凝結(jié)作用。第5章-地下水的補給、排泄與徑流四、含水層之間的補給含水層之間補給的條件：1.兩個含水層之間有水力聯(lián)系

2.存在水頭差補給的類型：直接補給和間接補給“天窗”的概念及實例。圖5-15.弱透水層的概念及實例，圖5-16.承壓水補給潛水潛水補給承壓水松散沉積物中含水層通過“天窗”及越流滲透發(fā)生水力聯(lián)系含水層通過導(dǎo)水斷層發(fā)生水力聯(lián)系第5章-地下水的補給、排泄與徑流五、地下水的人工補給地下水的人工補給主要方法：人工專門補給（回灌、誘導(dǎo)補給）、非專門性人工補給（修建水庫、渠道滲漏、農(nóng)業(yè)灌溉等），見圖5-18、圖5-20人工補給的目的：1、補充水量2、調(diào)節(jié)水溫3、防止地面沉降4、改善地下水質(zhì)5、防止或減少海水入侵人工補給的原則：不能引起不良的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)現(xiàn)象。第5章-地下水的補給、排泄與徑流第二節(jié)地下水的排泄長白山溫泉趵突泉第5章-地下水的補給、排泄與徑流地下水排泄的研究包括：排泄方式、影響因素、排泄量的確定排泄方式：泉（點狀排泄）向地表水體泄流（河流—線狀）、向相鄰含水層的排泄蒸發(fā)（面狀排泄）前三種排泄方式稱為徑流排泄，與蒸發(fā)排泄的區(qū)別：徑流排泄—水分（鹽分）呈液態(tài)排出,鹽隨水去蒸發(fā)排泄—水分呈氣態(tài)排出，鹽分積累下來，水去鹽留第5章-地下水的補給、排泄與徑流泉是地下水的天然露頭，多為“點”狀，屬徑流排泄。形成原因：地形受到侵蝕、地下水受阻水位升高、承壓含水層有通道與地表相通。根據(jù)補給泉的含水層類型可將泉劃分為下降泉——上層滯水和潛水補給，流量和水質(zhì)季節(jié)性變化上升泉——承壓水補給，流量穩(wěn)定，水質(zhì)較好泉按出露成因分類：1、侵蝕泉2、接觸泉3、溢流泉4、斷層泉一、泉第5章-地下水的補給、排泄與徑流一、泉侵蝕泉：地形切割到潛水面接觸泉：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蝕下降泉侵蝕下降泉接觸泉溢流下降泉溢流下降泉溢流下降泉溢流下降泉第5章-地下水的補給、排泄與徑流一、泉2.上升泉（出露于承壓含水層中的泉）

上升泉根據(jù)出露條件分為：侵蝕泉，斷層泉，接觸帶泉實例：泉城濟南見圖5-24、趵突泉、黑虎泉、珍珠泉斷層泉侵蝕上升泉接觸泉第5章-地下水的補給、排泄與徑流7.2.1泉spring（續(xù)2）一、泉3.研究泉的意義？

直接得到水文地質(zhì)資料；間接分析出水文地質(zhì)信息。通過泉的出露標高、流量、動態(tài)、溫度、水化學(xué)，可以綜合分析與泉水成因有關(guān)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

①地下水位標高，②巖層的含水性（透水性），③含水巖層的補給，循環(huán)（交替），④地質(zhì)構(gòu)造、斷層等，⑤供水水源（直接利用）。溫泉山東濟南百脈泉第5章-地下水的補給、排泄與徑流二、泄流泄流：當河流、湖泊、海洋等侵蝕到含水層時，地下水分散地沿地表水體周界排泄稱為泄流。河水與地下水的聯(lián)系狀況潛水與河水無直接水力聯(lián)系（圖5-25）潛水與河水有直接水力聯(lián)系（圖5-11）潛水與河水有周期性水力聯(lián)系（圖5-26）承壓水與河水有直接水力聯(lián)系（圖5-27）第5章-地下水的補給、排泄與徑流二、泄流泄流量測定方法：水文過程線：河流某一斷面上流量與時間關(guān)系的曲線，稱為水文過程線（流量過程線）?；鳎合蚝恿髋判沟牡叵滤髁糠Q為基流。水文過程線分割法：通過繪制流量與時間的關(guān)系曲線，在曲線上分割出降水補給量和地下水的補給量（基流）。基本原理：認為正常情況下河水由兩部分組成，一部分是降水補給，另一部分是地下水補給。具體分割方法：1、直線分割法（圖5-28）（包括直線分割法和斜割法）適用于地下水與河水無直接水力聯(lián)系缺點：隨意性大，誤差大優(yōu)點：簡便易行第5章-地下水的補給、排泄與徑流2、標準退水曲線法具體步驟：確定標準退水線：圖5-30確定洪峰段確定起漲點A和退水點B將標準退水線繪于過程線上（圖5-29）求出基流適用：河流與潛水無直接水力聯(lián)系、地下水徑流不受河水漲落影響。優(yōu)點：一定程度反映了地下水泄流規(guī)律3、庫捷林分割法（圖5-31）適用：河水與潛水有直接水力聯(lián)系原理：枯水期，河流由地下水泄流組成，洪水期，地下水泄流為零。4、全年連續(xù)多峰過程線的分割（圖5-32）先分割出深層地下水補給線然后按每一個洪峰分割出淺層地下水第5章-地下水的補給、排泄與徑流5、化學(xué)成分分割法Q河水的流量C河水中某一化學(xué)組分的濃度Qs排入河流的地表徑流流量Cs地表徑流中某組分濃度Qg排泄入河的地下水量Cg地下水中某一組分濃度第5章-地下水的補給、排泄與徑流三、蒸發(fā)排泄1.土面蒸發(fā)包氣帶水分直接耗失—降低包氣帶水分含量，加大虧損量，潛水通過支持毛細水帶將水傳輸?shù)桨鼩鈳д舭l(fā)，使地下水位下降

蒸發(fā)速度大于毛細上升速度則支持毛細水帶下降，VC上升，至蒸發(fā)速度VE≈VC時，維持穩(wěn)定的蒸發(fā)排泄，排泄的結(jié)果，水分不斷消耗，地下水位下降，鹽分不斷積累在土層上部！

毛細上升速度:VC=KΔH/L

L

有蒸發(fā)

無蒸發(fā)

ΔH

第5章-地下水的補給、排泄與徑流a.氣候因素：干燥，氣溫高，蒸發(fā)量愈大b.地下水位埋深：超過蒸發(fā)極限深度則蒸發(fā)→0如：華北地區(qū)，水位埋深>5m，不考慮蒸發(fā)干旱地區(qū)，極限水位埋深大；濕潤地區(qū)極限埋深小c.包氣帶巖性：潛水蒸發(fā)量與水位埋深關(guān)系曲線〔河北石家莊，據(jù)河北省地質(zhì)局水文地質(zhì)觀測總站〕影響地面蒸發(fā)的因素第5章-地下水的補給、排泄與徑流c.包氣帶巖性：蒸發(fā)與毛細上升速度Vc=KI有關(guān)巖性砂礫石粉砂亞砂粘土K大中小極小hc小/極小中大很大Vc小大中小問：容易產(chǎn)生鹽堿化的是哪類土？影響地面蒸發(fā)的因素第5章-地下水的補給、排泄與徑流蒸發(fā)強度ε：單位時間的潛水蒸發(fā)量?？路蜻_公式

潛水蒸發(fā)極限埋深、潛水埋深ε蒸發(fā)強度、水面蒸發(fā)強度沈立昌公式第5章-地下水的補給、排泄與徑流三、蒸發(fā)排泄2、葉面蒸騰：葉面蒸發(fā)量大于土壤蒸發(fā)量，甚至為土壤蒸發(fā)量的兩倍。饑餓草原護田對潛水位的影響定義：植物生長過程中，經(jīng)由根系吸收水分，在葉面轉(zhuǎn)化成氣態(tài)水而蒸發(fā)。蒸騰的深度受植物根系分布深度的控制。在潛水位深埋的干旱、半干旱地區(qū)，某些灌木根系深達地下數(shù)十米。蒸騰只消耗水分而不帶走鹽類。（一株大的植物，猶如一臺生物抽水機）成年樹木的耗水能力第5章-地下水的補給、排泄與徑流第三節(jié)地下水的徑流第5章-地下水的補給、排泄與徑流最簡單的情況下，含水層自一個集中補給區(qū)流向集中排泄區(qū)，具有單一徑流方向。一、徑流方向、強度的影響因素徑流的定義：地下水由補給區(qū)向排泄區(qū)流動的過程稱作徑流。第5章-地下水的補給、排泄與徑流

對于潛水來說，山區(qū)地下水的循環(huán)屬于滲入—徑流型干旱半干旱地區(qū)地形低平的細土堆積平原，徑流很弱。屬于滲入—蒸發(fā)型第5章-地下水的補給、排泄與徑流可用單位時間通過單位斷面的流量表示，即以滲透流速衡量。根據(jù)達西定律V=KI

故徑流強度與含水層的透水性成正比補紿區(qū)及排泄區(qū)之間的水位差成正比與補給區(qū)到排泄區(qū)的距離成反比與含水系統(tǒng)的構(gòu)造有關(guān)構(gòu)造開啟程度，圖5-36斷層的導(dǎo)水性，圖5-37徑流強度

第5章-地下水的補給、排泄與徑流二、地下水徑流系統(tǒng)和徑流帶地下水徑流系統(tǒng)：實質(zhì)上是以流面為邊界的具有統(tǒng)一補給、徑流與排泄的地下水單元。與地下水系統(tǒng)的區(qū)別（地下水含水系統(tǒng)則是具有隔水或相對隔水邊界的沉積單元或構(gòu)造單元。）地下徑流系統(tǒng)的幾種模式裘不依假設(shè)（平面流）哈伯特的河間地塊流動模式，圖5-38托思的均質(zhì)各向同性潛水盆地的理想水流模式，圖5-39費特提出兩徑流系統(tǒng)的交接處可能存在駐點，圖5-40實例，圖5-41、圖5-42強徑流帶：在某些發(fā)育不均一的涇流場中，強徑流區(qū)段往往成不規(guī)則的帶狀展布，故稱之為強徑流帶或集中徑流帶。強徑流帶的意義三、徑流強度、居留時間和水質(zhì)的關(guān)系第5章-地下水的補給、排泄與徑流每平方公里含水層面積上地下水的流量。升/秒·平方公里。

四、地下水徑流量計算1.地下水徑流模數(shù)（Mc）每平方公里含水層分布面積上地下水年補給量為若千萬立方米，萬立方米/年·平方公里。

在山區(qū)，補給模數(shù)與地下徑流模數(shù)（Mc）的換算關(guān)系為

2.地下水補給模數(shù)（Mb）第5章-地下水的補給、排泄與徑流3.地下徑流系數(shù)η地下徑流量與同一時間內(nèi)降落在含水層補給面積上的降水量之比，百分數(shù)或小數(shù)表示。說明在每年降雨入滲后地下參與徑流的多少。與地下徑流模數(shù)Mc的關(guān)系第5章-地下水的補給、排泄與徑流1、山區(qū)地下水天然補給量、排泄量與徑流量的估算滲入—徑流型循環(huán)補給量＝徑流量＝排泄量四、地下水天然補給量、排泄量與徑流量的估算步驟：(1)如排泄以集中的泉式泉群形式出現(xiàn)，則測定泉的總流量，乘以相應(yīng)時間，得全年排泄量。

(2)如排泄以向河流泄流形式出現(xiàn)，則通過分割河流流量過程線求得全年排泄量。

(3)查得含水層分布面積，求箅地下徑流模數(shù)或地下水補給模數(shù)。

(4)如有必要且資料允許時，可對各個含水層分別計算排泄量，并求分層的地下徑流模數(shù)或地下水補給模數(shù)。第5章-地下水的補給、排泄與徑流1）淺層水滲入一蒸發(fā)、徑流型滲入一蒸發(fā)型循環(huán)補給＝排泄量；徑流量<補給量(排泄量)。2、平原及山間盆地地下水天然補給量、排泄量及徑流量的估算2）深層承壓水補給來源有：(1)山前沖洪積平原礫石帶潛水的下滲；(2)毗鄰山區(qū)的側(cè)向補給；(3)來自深部基巖含水層的補給。排泄量＝補給量第5章-地下水的補給、排泄與徑流利用達西定律可以求算某一斷面承壓含水層的徑流量。第5章-地下水的補給、排泄與徑流概念模型提出的意義概念模型的定義：水文地質(zhì)概念模型是從現(xiàn)場和實驗所收集到的具體數(shù)據(jù)的綜合，也就是表示有關(guān)含水層結(jié)構(gòu)和作用以及含水系統(tǒng)特征方面的數(shù)據(jù)圖，即“概念示意圖”。水文地質(zhì)概念模型的資料水文地質(zhì)建造特征介質(zhì)狀況：邊界面、厚度、巖性、粒度或裂隙發(fā)育程度等地質(zhì)邊界條件和水動力學(xué)邊界條件水位和入流量、出流量水動力學(xué)參數(shù)及其在空間上的分布五、水文地質(zhì)概念模型第5章-地下水的補給、排泄與徑流實例一

淮北巖溶水系第5章-地下水的補給、排泄與徑流按水文意義劃分，本區(qū)以東南向的宿北斷層為界，可以劃分為兩個大的水文地質(zhì)單元，宿北斷層以北為淮北巖溶水系，其南為宿州巖溶水系統(tǒng)?；幢毕到y(tǒng)北界丘陵山地分水嶺，東界支河斷層，南界宿北斷層，西界劉橋井田灰?guī)r頂面