(精品)第5章 地下水的补给、排泄与径流.ppt

第五章第五章 地下水的补给、排泄与径流地下水的补给、排泄与径流本章内容本章内容地下水是通地下水是通过补给与排泄两个与排泄两个环节参与自然界的水循参与自然界的水循环 补给：含水含水层或含水系或含水系统从外界从外界获得水量的得水量的过程程 排泄排泄：含水含水层或含水系或含水系统向外界排出水量的向外界排出水量的过程程第一节第一节 地下水的补给地下水的补给第二节第二节 地下水的排泄地下水的排泄第三节第三节 地下水的径流地下水的径流第一节第一节 地下水的补给地下水的补给补给使含水使含水层的水量、水化学特征和水温的水量、水化学特征和水温发生生变化化 思考思考：补给获得水量后，含水得水量后，含水层或含水系或含水系统会会发生生 什么什么变化？化？地下水位上升，地下水位上升，增加了增加了势能能，使地下水保持不停的流使地下水保持不停的流动 由于构造封由于构造封闭或气候干旱，得不到或气候干旱，得不到补给，地下水的流，地下水的流动将停滞将停滞 补给的研究包括：的研究包括：补给来源、影响因素与来源、影响因素与补给量量 地下水的地下水的补给来源有：来源有：天然天然：大气降水、地表水、凝：大气降水、地表水、凝结水及相水及相邻含水含水层的的补给等等 人人类活活动有关的有关的：灌：灌溉水入渗、水水入渗、水库渗漏渗漏及及人工回灌人工回灌讨论：入渗机制？影响因素？：入渗机制？影响因素？补给量的确定？量的确定？1、大气降水入渗机制、大气降水入渗机制 包气包气带是降水是降水对地下水地下水补给的枢的枢纽，包气，包气带的岩性的岩性结构和构和含水量状况含水量状况对降水入渗降水入渗补给起起着决定性作用着决定性作用 目前目前认为，松散沉，松散沉积物的降物的降水入渗有水入渗有两种方式：两种方式：均匀砂土均匀砂土层活塞式活塞式 含裂隙的土含裂隙的土层捷径式捷径式一、大气降水补给一、大气降水补给大气圈大气圈地面地面包气带包气带（水分滞留）（水分滞留）含水层含水层（获得补给）（获得补给）地表地表径流径流蒸蒸发发降降水水入入渗渗Rs E X S qX 见图5-1湿湿 锋 面面 t1 t2 地面地面 潜水面潜水面 降水入渗降水入渗过程程（一）大气降水入渗补给机制（一）大气降水入渗补给机制“活塞式活塞式”入渗入渗 适用条件：适用条件：均匀的砂土层均匀的砂土层 降水初期降水初期 t1：土土层干燥，吸水能力很干燥，吸水能力很强，雨水下渗快，雨水下渗快 降水延降水延续 t2：土土层达到一定的含水量，毛达到一定的含水量，毛细力与重力共同作用，力与重力共同作用，下渗下渗趋于于稳定定渗渗润阶段，渗漏与渗透段，渗漏与渗透阶段段 降水再持降水再持续：当土当土层湿湿锋面推面推进到支持毛到支持毛细水水带时，含水量含水量获得得补给，潜水位上升，潜水位上升一、大气降水补给一、大气降水补给平原区降水入渗的补给量方程平原区降水入渗的补给量方程qX=X-Rs-E-SqX 降水入渗降水入渗补给含水含水层量量X 年年降水降水总量量Rs 地表径流地表径流量量E 蒸蒸发强度度S 包气带水分滞留包气带水分滞留量量降水降水强度度,降水降水频率；降水延率；降水延续时间 总量大，量大，强度适中，度适中，间隔短，隔短，时间长的的绵绵细雨最有利。雨最有利。温度适中，温差温度适中，温差较小，相小，相对湿度大。湿度大。地形地形:高或低，陡或缓高或低，陡或缓 地质地质:包气带岩性包气带岩性 地下水位埋深地下水位埋深：其他其他：植被、城市化植被、城市化（二）影响降水补给的影响因素（二）影响降水补给的影响因素（三）四种不同时间尺度地补给（三）四种不同时间尺度地补给1）短期补给）短期补给:干、湿季节分明地区一次大雨后；干、湿季节分明地区一次大雨后；2）季节性补给：）季节性补给：有规律的季节性；有规律的季节性；3）永久性补给：）永久性补给：湿润的热带地区，总有向下的水入渗补湿润的热带地区，总有向下的水入渗补给；给；4）历史性或古补给：）历史性或古补给：古代埋藏水。古代埋藏水。（四）降水入渗的研究方法及入渗系数的测定（四）降水入渗的研究方法及入渗系数的测定1、测试方法方法 降水入渗系数降水入渗系数可用可用地中渗透仪法、中子水分仪来来测定定地中渗透地中渗透仪结构构图（四）降水入渗的研究方法及入渗系数的测定（四）降水入渗的研究方法及入渗系数的测定2、利用天然潜水、利用天然潜水变幅求入渗系数：幅求入渗系数：先根据潜水面的上升值，求出入渗量Xi,再求出入渗系数。3、降水降水入渗系数的入渗系数的经验数数值降水入渗系数与岩性和地下水埋深的关系，见表5-1降水入渗系数与年降水量和地下水埋深的关系见表5-2山区降水入渗系数的经验数值，见表5-3根据入渗系数求年入渗补给量根据入渗系数求年入渗补给量全年降水入渗全年降水入渗补给量：量：Q =XF1000 m3/a，mm，无量，无量纲，km2 降水入渗系数多用年平均值表示，通常0.20.5，南方岩溶地区达0.8，西北干旱地区趋于0。：降水入渗系数：降水入渗系数;qx：年降水入渗量：年降水入渗量(mm);X：年降水量：年降水量(mm).地表水补给地下水的必要条件：1、两者之间必须具有水力联系 2、地表水位必须高于地下水位（实例）地表水补给地下水的时间上变化，见图5-11、图5-12地表水补给地下水的空间上变化地表水补给地下水的影响因素：河床的透水性、河道的宽度及补给段的长度、河水水位高度二、地表水对地下水的补给二、地表水对地下水的补给二、地表水对地下水的补给二、地表水对地下水的补给地表水地表水对地下水的地下水的补给量的确定方法量的确定方法测流法：在有渗漏的河、渠段的上、下游断面上实测河、渠流量，其流量减少的差值，即为河、渠水对地下水的入渗补给量。（Q1-Q2）t注意：所选择的测流段最好没有支流；如有人工开采量时，应扣除；当水面宽度很大时，应扣除水面蒸发量。大气降水补给与河流补给的特点大气降水补给是面状补给，范围广比较均匀地表水是线状（河流）和点状（小湖、坑、塘）补给，局限于地表水体周边大气降水补给持续时间有限地表水体补给持续时间长，或是经常性的。l承压水的补给：与潜水的区别主要在于补给区域与面积，见图5-13三、凝结水的补给三、凝结水的补给温度降低时，饱和湿度降低，温度降到一定程度，温度降低时，饱和湿度降低，温度降到一定程度，绝对湿度与饱和湿度相等，继续下降，超过饱和湿绝对湿度与饱和湿度相等，继续下降，超过饱和湿度的那部分水汽凝结成水，由气态水转化成液态水度的那部分水汽凝结成水，由气态水转化成液态水的过程称为凝结作用。的过程称为凝结作用。四、含水层之间的补给四、含水层之间的补给含水层之间补给的条件：1.两个含水层之间有水力联系 2.存在水头差补给的类型：直接补给和间接补给“天窗”的概念及实例。图5-15.弱透水层的概念及实例，图5-16.承压水补给潜水潜水补给承压水松散沉积物中含水层通过“天窗”及越流渗透发生水力联系含水层通过导水断层发生水力联系五、地下水的人工补给五、地下水的人工补给地下水的人工补给主要方法：人工专门补给（回灌、诱导补给）、非专门性人工补给（修建水库、渠道渗漏、农业灌溉等），见图5-18、图5-20人工补给的目的：1、补充水量 2、调节水温 3、防止地面沉降 4、改善地下水质 5、防止或减少海水入侵人工补给的原则：不能引起不良的水文地质和工程地质现象。第二节第二节 地下水的排泄地下水的排泄长白山温泉趵突泉地下水排泄的研究包括：地下水排泄的研究包括：排泄方式、影响因素、排泄量的确定排泄方式、影响因素、排泄量的确定 排泄方式：排泄方式：泉（点状排泄）泉（点状排泄）向地表水体泄流（河流向地表水体泄流（河流线状）、向相状）、向相邻含水含水层的排泄的排泄 蒸蒸发（面状排泄）（面状排泄）前三种排泄方式称为径流排泄，与蒸发排泄的前三种排泄方式称为径流排泄，与蒸发排泄的区别：区别：径流排泄径流排泄水分（水分（盐分）呈液分）呈液态排出排出,盐随水去随水去 蒸蒸发排泄排泄水分呈气水分呈气态排出，排出，盐分分积累下来，水去累下来，水去盐留留v泉是地下水的天然露头，多为泉是地下水的天然露头，多为“点点”状，属状，属径流排泄。径流排泄。v形形成成原原因因：地地形形受受到到侵侵蚀蚀、地地下下水水受受阻阻水水位位升升高高、承承压压含含水水层有通道与地表相通。层有通道与地表相通。v根据补给泉的含水层类型可将泉划分为根据补给泉的含水层类型可将泉划分为下降泉下降泉上层滞水和潜水补给，流量和水质季节性变化上层滞水和潜水补给，流量和水质季节性变化上升泉上升泉承压水补给，流量稳定，水质较好承压水补给，流量稳定，水质较好泉按出露成因分类：1、侵蚀泉 2、接触泉 3、溢流泉4、断层泉一、一、泉泉一、一、泉泉侵蚀泉：侵蚀泉：地形切割到潜水面地形切割到潜水面 接触泉：接触泉：地形切割至隔水底地形切割至隔水底板板 溢流泉：溢流泉：水流在前方受阻，水流在前方受阻，水位抬升，而溢流水位抬升，而溢流成泉成泉下降泉下降泉一、一、泉泉2.上升泉（出露于承上升泉（出露于承压含水含水层中的泉）中的泉）上升泉根据出露条件分上升泉根据出露条件分为：侵侵蚀泉，断泉，断层泉，接触泉，接触带泉泉7.2.1泉泉spring（续（续2）一、一、泉泉3.3.研究泉的意义？研究泉的意义？直接直接得到水文地质资料；得到水文地质资料；间接间接分析出水文地质信息。分析出水文地质信息。通通过过泉泉的的出出露露标标高高、流流量量、动动态态、温温度度、水水化化学学，可可以以综综合合分析与泉水成因有关地质、分析与泉水成因有关地质、水文地质条件水文地质条件 地下水位标高，地下水位标高，岩层的含水性（透水性），岩层的含水性（透水性），含水岩层的补给，循环（交替），含水岩层的补给，循环（交替），地质构造、断层等，地质构造、断层等，供水水源（直接利用）。供水水源（直接利用）。温泉山东济南百脉泉二、二、泄流泄流泄流：当河流、湖泊、海洋等侵蚀到含水层时，地下水分散地沿地表水体周界排泄称为泄流。河水与地下水的联系状况潜水与河水无直接水力联系（图5-25）潜水与河水有直接水力联系（图5-11）潜水与河水有周期性水力联系（图5-26）承压水与河水有直接水力联系（图5-27）二、二、泄流泄流泄流量测定方法：水文过程线：河流某一断面上流量与时间关系的曲线，称为水文过程线（流量过程线）。基流：向河流排泄的地下水流量称为基流。水文过程线分割法：通过绘制流量与时间的关系曲线，在曲线上分割出降水补给量和地下水的补给量（基流）。基本原理：认为正常情况下河水由两部分组成，一部分是降水补给，另一部分是地下水补给。具体分割方法：1、直线分割法（图5-28）（包括直线分割法和斜割法）适用于地下水与河水无直接水力联系缺点：随意性大，误差大优点：简便易行2、标准退水曲线法具体步骤：确定标准退水线：图5-30确定洪峰段确定起涨点A和退水点B将标准退水线绘于过程线上（图5-29）求出基流适用：河流与潜水无直接水力联系、地下水径流不受河水涨落影响。优点：一定程度反映了地下水泄流规律3、库捷林分割法（图5-31）适用：河水与潜水有直接水力联系原理：枯水期，河流由地下水泄流组成，洪水期，地下水泄流为零。4、全年连续多峰过程线的分割（图5-32）先分割出深层地下水补给线然后按每一个洪峰分割出浅层地下水三、蒸发排泄三、蒸发排泄1.土面蒸土面蒸发 包气包气带水分直接耗失水分直接耗失降低包气降低包气带水分含水分含量，加大量，加大亏损量，潜水通量，潜水通过支持毛支持毛细水水带将水将水传输到包气到包气带蒸蒸发，使地下水位下降，使地下水位下降 蒸发速度大于毛细上升速度则支持毛细水蒸发速度大于毛细上升速度则支持毛细水带下降，带下降，VC上升，至蒸发速度上升，至蒸发速度VEVC时，维持时，维持稳定的蒸发排泄，排泄的结果，水分不断消耗，稳定的蒸发排泄，排泄的结果，水分不断消耗，地下水位下降，盐分不断积累在土层上部！地下水位下降，盐分不断积累在土层上部！毛细上升速度毛细上升速度:VC=KH/L L 有有蒸蒸发 无无蒸蒸发 H 三、蒸发排泄三、蒸发排泄2、叶面蒸腾、叶面蒸腾：叶面蒸发量大于土壤蒸发量，甚至为土壤蒸发量的两倍。饥饿草原护田对潜水位的影响定义：植物生长过程中，经由根定义：植物生长过程中，经由根系吸收水分，在叶面转化成气态系吸收水分，在叶面转化成气态水而蒸发。水而蒸发。蒸腾的深度受植物根系分布深度蒸腾的深度受植物根系分布深度的控制。在潜水位深埋的干旱、的控制。在潜水位深埋的干旱、半干旱地区，某些灌木根系深达半干旱地区，某些灌木根系深达地下数十米。地下数十米。蒸腾只消耗水分而不带走盐类。蒸腾只消耗水分而不带走盐类。（一株大的植物，犹如一台生物抽水机）（一株大的植物，犹如一台生物抽水机）成年树木的耗水成年树木的耗水能力能力 第三节第三节 地下水的径流地下水的径流最简单的情况下，含水层自一个集中补给区流向集最简单的情况下，含水层自一个集中补给区流向集中排泄区，具有单一径流方向。中排泄区，具有单一径流方向。一、径流方向、强度的影响因素一、径流方向、强度的影响因素径流的定义：地下水由补给区向排泄区流动的过程称作径流。对于潜水来说，对于潜水来说，山区地下水的山区地下水的循环属于渗入循环属于渗入径流型径流型干旱半干旱地区地形低平的细土堆积平原，径流很弱。干旱半干旱地区地形低平的细土堆积平原，径流很弱。属于渗入属于渗入蒸发型蒸发型可用单位时间通过单位断面的流量表示，即以渗透流速衡量。根据达西定律V=KI 故径流强度与 含水层的透水性成正比 补绐区及排泄区之间的水位差成正比 与补给区到排泄区的距离成反比与含水系统的构造有关构造开启程度，图5-36断层的导水性，图5-37径流强度径流强度 二、地下水径流系统和径流带地下水径流系统：实质上是以流面为边界的具有统一补给、径流与排泄的地下水单元。与地下水系统的区别（地下水含水系统则是具有隔水或相对隔水边界的沉积单元或构造单元。）地下径流系统的几种模式裘不依假设（平面流）哈伯特的河间地块流动模式，图5-38托思的均质各向同性潜水盆地的理想水流模式，图5-39费特提出两径流系统的交接处可能存在驻点，图5-40实例，图5-41、图5-42强径流带：在某些发育不均一的泾流场中，强径流区段往往成不规则的带状展布，故称之为强径流带或集中径流带。强径流带的意义三、径流强度、居留时间和水质的关系每平方公里含水层面积上地下水的流量。升每平方公里含水层面积上地下水的流量。升/秒秒平方公平方公里。里。四、地下水径流量计算四、地下水径流量计算1.地下水径流模数（地下水径流模数（Mc）每平方公里含水层分布面积上地下水年补给量为若千万立每平方公里含水层分布面积上地下水年补给量为若千万立方米，方米，万立方米万立方米/年年平方公里。平方公里。在山区，补给模数与地下径流模数（在山区，补给模数与地下径流模数（Mc）的换算关系为）的换算关系为 2.地下水补给模数（地下水补给模数（Mb）3.地下径流系数地下径流系数地下径流量与同一时间内降落在含水层补给面积地下径流量与同一时间内降落在含水层补给面积上的降水量之比，百分数或小数表示。上的降水量之比，百分数或小数表示。说明在每年降雨入渗后地下参与径流的多少。说明在每年降雨入渗后地下参与径流的多少。与地下径流模数与地下径流模数Mc的关系的关系1、山区地下水天然补给量、排泄量与径流量、山区地下水天然补给量、排泄量与径流量的估算的估算渗入渗入径流型循环径流型循环补给量径流量排泄量补给量径流量排泄量四、地下水天然补给量、排泄量四、地下水天然补给量、排泄量与径流量的估算与径流量的估算步骤：步骤：(1)如排泄以集中的泉式泉群形式出现，则测定泉的总流量，乘以如排泄以集中的泉式泉群形式出现，则测定泉的总流量，乘以相应时间，得全年排泄量。相应时间，得全年排泄量。(2)如排泄以向河流泄流形式出现，则通过分割河流流量过程线求如排泄以向河流泄流形式出现，则通过分割河流流量过程线求得全年排泄量。得全年排泄量。(3)查得含水层分布面积，求箅地下径流模数或地下水补给模数。查得含水层分布面积，求箅地下径流模数或地下水补给模数。(4)如有必要且资料允许时，可对各个含水层分别计算排泄量，并如有必要且资料允许时，可对各个含水层分别计算排泄量，并求分层的地下径流模数或地下水补给模数。求分层的地下径流模数或地下水补给模数。1）浅层水）浅层水 渗入一蒸发、径流型渗入一蒸发、径流型渗入一蒸发型循环渗入一蒸发型循环 补给排泄量；径流量补给排泄量；径流量补给量补给量(排泄量排泄量)。2、平原及山间盆地地下水天然补给量、排泄量及、平原及山间盆地地下水天然补给量、排泄量及径流量的估算径流量的估算2）深层承压水）深层承压水补给来源有：补给来源有：(1)山前冲洪积平原砾石带潜水的下渗；山前冲洪积平原砾石带潜水的下渗；(2)毗邻山区的侧向补给；毗邻山区的侧向补给；(3)来自深部基岩含水层的补给。来自深部基岩含水层的补给。排泄量补给量排泄量补给量利用达西定律可以求算某一断面承压含水层的径流量。利用达西定律可以求算某一断面承压含水层的径流量。概念模型提出的意义概念模型的定义：水文地质概念模型是从现场和实验所收集到的具体数据的综合，也就是表示有关含水层结构和作用以及含水系统特征方面的数据图，即“概念示意图”。水文地质概念模型的资料水文地质建造特征介质状况：边界面、厚度、岩性、粒度或裂隙发育程度等地质边界条件和水动力学边界条件水位和入流量、出流量水动力学参数及其在空间上的分布实例1 图5-45 实例2 图5-46五、水文地质概念模型本章小结补给径流排泄形式影响因素作用形式影响因素作用影响因素作用环境介质运动物化性质补径排掌握地下水的补给来源有哪些，以及影响不同补给来源补给地下水的因素，不同补给来源补给量的计算方法，了解大气降水的入渗机制；掌握地下水排泄的主要方式，学习分析泉的成因类型。学会根据泉的出露数量、位置及总流量大小、水化学特征等分析地层水文地质意义。