水文地质学地下水的补给与排泄精品文稿.ppt
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1、水文地质学地下水的补给与排泄第1页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄过程: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2页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄7.1 地下水的补给地下水的补给定义: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
2、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 大气降水对地下水的补给第3页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄 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4页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄 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5页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与
3、排泄 捷径式捷径式下渗与下渗与活塞式活塞式下渗比下渗比较较:1)活塞式下渗是年)活塞式下渗是年龄较龄较新的水推新的水推动动其下其下的年的年龄较龄较老的水,始老的水,始终终是是“老老”水先到达含水水先到达含水层层;捷径式下渗;捷径式下渗时时“新新”水水可以超前于可以超前于“老老”水到水到达含水达含水层层;2)对对于捷径式下渗,入渗水不必全部于捷径式下渗,入渗水不必全部补补充包充包气气带带水分水分亏亏缺,即可下渗缺,即可下渗补给补给含水含水层层。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。第6页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄
4、上层毛细水带支持毛细水带毛细饱和带第7页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄 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8页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄第9页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄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10页,本讲稿共68页第七章第七章
5、地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄二、影响大气降水补给地下水的因素降水地表渗入地下蒸发地表径流渗入地面以下的水渗入地面以下的水 补给补给含水含水层层(潜水)(潜水)的水的水土面蒸土面蒸发发叶面蒸叶面蒸腾腾土壤水土壤水大气水大气水第11页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄 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。降水特征降水特征也影响也影响值的大小。值的大小。间歇性的小雨间歇性的小雨 过分集中的暴雨过分集中的暴雨 不超过地面入渗速率的连绵细雨不超过地面入渗速率的连绵细雨降水量降水量中相当一部分要补足
6、水分亏缺,因此中相当一部分要补足水分亏缺,因此年降水量年降水量过小时,能过小时,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,水,值较大。值较大。第12页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄包气带渗透性包气带渗透性好,有利于降水入渗补给。好,有利于降水入渗补给。包气带厚度过大包气带厚度过大(潜水埋深过大),则包气带滞留的水分也大,(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。但潜水埋藏过浅不利于地下水的补给。但潜水埋藏过浅(厚度过小厚度过小),毛细饱和带,毛细饱和带达到地面
7、,也不利于降水入渗。达到地面,也不利于降水入渗。地形:地形:当降水强度超过地面入渗速率时,当降水强度超过地面入渗速率时,地形坡度大地形坡度大会使地表坡流迅会使地表坡流迅速流走,使地表径流增加。速流走,使地表径流增加。平缓与局部低洼的地势平缓与局部低洼的地势,有利于滞积表流,增加降水入,有利于滞积表流,增加降水入渗的份额。渗的份额。见下图见下图第13页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄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14页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄森林、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
8、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15页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄 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:mmX年总降水量年总降水量D地表径流量地表径流量S包气带水分滞留量,即水分亏缺。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降水入渗补给含水层的量令:为降水入渗补给系数。含
9、义:每年总降水量补给地下水的份额,常以小数表示。第16页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄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17页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄7.1.2 地表水对地下水的补给第18页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄一般说来,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
10、季节而变(图c)。而在而在某些冲某些冲积积平原平原中,河床因中,河床因强强烈的堆烈的堆积积作田而形成所作田而形成所谓谓“地上河地上河”,河水,河水经经常常补给补给地下水(地下水(图图d)。)。二、间歇性河流对地下水的补给过程第19页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄 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20页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与
11、排泄 河水补给地下水时,补给量的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?透水河床的透水河床的长长度与浸水周界的乘度与浸水周界的乘积积(相当于(相当于过过水断面)水断面)河床透水性(渗透系数)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)河水位与地下水位的高差(影响水力梯度)河床河床过过水水时间时间第21页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄四、潜水和承压水
12、含水层接受降水及地表水补给的条件不同第22页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄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确定:Q降水入渗降水入渗补给补给地下水量(地下水量(m3/a););X年降水量;年降水量;入渗系数;入渗系数;F补给补给区面区面积积(km2)。)。确定入渗系数确定入渗系数常用的方法有以下两种: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23页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄二、山区降水与河水入渗量 基岩
13、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24页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄二、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
14、水补给。第25页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄二、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。山区的山区的入渗系数入渗系数是全年降水与河水补给地下水的量与年降水量是全年降水与河水补给地下水的量与年降水量的比值:的比值:Q年地下水排泄量,以前述方式求得;年地下水排泄量,以前述方式求得;f汇汇水区面水区面积积(km2););X年降水量(年降水量(mm)。)。第26页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄三、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,
15、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。第27页,本讲稿共68页 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
16、最大水汽数量随着气温升高而增大(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。第七章第七章 地下水的补给与排泄地下水的补给与排泄7.1.4 凝结水的补给第28页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄 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
17、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29页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄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30页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄第31页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄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隔水
18、层分布不稳定时,在其缺失部位的相邻的含水层便通过“天窗天窗”发生水力联系。松散沉积物及基岩都有可能存在透水发生水力联系。松散沉积物及基岩都有可能存在透水的的“天窗天窗”。第32页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄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33页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄穿越数个含水层的钻孔或止水不良的分层钻孔,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34页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄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
19、发生于松散沉积物中,粘性土层构成弱透水层。第35页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄 根据根据Q=KI,在一,在一维维流流动动条件下,条件下,单单位水平面位水平面积积弱透水弱透水层层的的越流量越流量V为为:K弱透水层垂向渗透系数;弱透水层垂向渗透系数;I驱动越流的水力梯度;驱动越流的水力梯度;HA含水层含水层A的水头;的水头;HB含水层含水层B的水头;的水头;M弱透水层厚度(等于渗透途径)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36页,本讲稿共68页第七章第七章 地下水的地下水的补给补
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