第七章 地下水的补给与排泄
第一节 地下水的补给
含水层或含水系统从外界获得水量的过程称作补给。
补给研究包括补给来源、补给条件与补给量。
地下水补给来源有天然与人工补给。天然补给包括大气降水、地
表
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水、凝结水和来自其他含水层或含水系统的水;与人类活动有关的地下水补给有灌溉回归水、水库渗漏水,以及专门性的人工补给(利用钻孔)。
一、大气降水对地下水的补给
(1)大气降水入渗机制
松散沉积物中的降水入渗存在活塞式与捷径式两种(见图7-1):
活塞式下渗是入渗水的湿锋面整体向下推进,犹如活塞的运移如图7-1(a)。
图7—1活塞式与捷径式下渗 (a)活塞式下渗; (b)捷径式与活塞式下渗的结合
图7—2 降水入渗过程中包气带水分分布曲线
—残留含水量;
—饱和含水量
活塞式下渗过程:
a)雨季之前(
)时,包气带水分分布曲线如图7—2(a)
所示,近地表面水分出现亏缺。
b)雨季初期
~
时,入渗的降水首先补充包气带水分分布曲线的亏缺部分,如图7—2(a)
和
所示。
c)随着降雨的继续,多余的入渗水分开始下渗,近地表面出现高含水量带,水分分布特征如图7—2(b)
时的状况;如果连续降雨高含水量带将向下推进,如果此时停止降雨,高含水量带的水分向下缓慢消散(如图7—2(b)
所示)。
d)停止降雨后,理想情况下,包气带水分向下运移最终趋于稳定,不下渗也无蒸发、蒸腾时,含水层获得补给,地下水水位抬升,此时均质土包气带水分分布如图7-2(c)
所示。
活塞式下渗是在理想的均质土中室内试验得出的。实际上,从微观的角度看,并不存在均质土。尤其是粘性土,捷径式入渗往往十分普遍。
捷径式入渗:当降雨强度较大,细小孔隙来不及吸收全部水量时,一部分雨水将沿着渗透性良好的大孔隙通道优先快速下渗,并沿下渗通道水分向细小孔隙扩散。存在比较连续的较强降雨时,下渗水通过大孔道的捷径优先到达地下水面。如图7-1(b)所示。
捷径式下渗与活塞式下渗比较,主要有两点不同:
(a)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先到达含水层;
(b)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。
通常情况下,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。
(2)影响大气降水补给地下水的因素
落到地面的降水,归根结底有三个去向:转化为地表径流,蒸发返回大气圈,下渗补给含水层,如图(7-4)。
由下渗过程可知,渗入到地面以下的水不等于全部补给含水层的水。其中,相当一部分水滞留在包气带中构成土壤水,通过土面蒸发与叶面蒸腾的方式从包气带水直接转化为大气水。
以平原地区降水入渗补给地下水水量表达式:
式中:
——降雨入渗补给含水层的量,mm;
X——年总降水量,mm;
D——地表径流量,mm;
——包气带水分滞留量,mm;
令
则,α称为降雨入渗系数,即每年总降雨量补给地下水的份额,常以小数表示。
图7—4 降水入渗补给含水层框图
由降雨入渗表达式,我们可以分析出大气降水补给地下水的影响因素:气候(气象)、包气带的岩性和厚度、地形与植被覆盖等。
气候(气象)包括:年降水总量、降水强度与历时、降水频率,以及温度和蒸发强度。
包气带特征包括:包气带岩性的渗透性和厚度
其他因素主要有:地形坡度、地表覆盖程度以及覆盖物的储水-透水特征等。
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,不能孤立的割裂开来加以分析。
二、地表水对地下水的补给
(1)河流与地下水的补给关系
沿着河流纵断面河流与地下水的补给关系具有分段性的特点(图7-5)。
山区河谷深切,河水位常低于地下水位,其排泄地下水的作用(图7-5a)。
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7-5b)。
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7-5c);在某些特殊的冲积平原中,河床因强烈的堆积作用而形成所谓的“地上河”,河水经常补给地下水(图7-5d)。
(2)河水补给地下水的影响因素
河流与河床:透水河床的长度与侵水湿周的乘积(相当于过水断面),河床透水性(渗透系数)
河流与地下水:河水位与地下水位的高差(影响水力梯度),河床至地下水位间的岩性的透水性。
河床过水时间:根据河床的过水时间,河流分为常年性和间歇性。
图7—5 地表水与地下水的补给关系
1—基岩;2—松散沉积物;3—地表水位(纵剖面);4—地下水位;5—地表水位(横剖面)
间歇性河流对地下水的补给过程:
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7—6a)。
汛期河水不断下渗,水丘逐渐抬高与扩大,与河水联成一体(图7—6b)。
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7—6c)。
图7—6 河水补给地下水
1—原地下水位;2—抬高后地下水位;3—地下水位抬高部分;4—河水位;5—补给方向
(3)河流渗漏补给地下水的水量的确定
简单的确定方法,可以在有渗漏的河段上下游,分别测定断面流量Q1及Q2,则河流渗漏量等于
,其中t为河床过水时间。
三、大气降水及河水补给地下水水量的确定
(1)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:
(7—2)
式中:
——降水入渗补给地下水量(m3/a);
——年降水量;
——入渗系数;
——补给区面积(
)。
确定入渗系数
常用的方法有以下两种:
利用地中渗透仪测定
地中渗透仪的基本结构如图7—8所示。
在若干个入渗皿中放入本区代表性原状土柱,以水位调节管控制不同的地下水位埋深,经过若干年观测,可以得到不同包气带岩性、地下水位埋深及不同年降水量条件下降水入渗系数
。
利用天然潜水位变幅确定
在研究区地下水水平径流及垂向越流与蒸发都很微弱、不受开采影响的地段里,观测不同包气带岩性、地下水位埋深,由降水入渗引起的地下水抬升值
,同时观测降水量,结合测定地下水位变动带的给水度
则:
(7—3)
注意:一个地区的植被不同,蒸腾量很不相同,
值就不相同。因此,应当选用植被情况不同的地段求取
值。
(2) 山区降水与河水入渗量
山区的大气降水入渗补给地下水量:
由于山区地形切割,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。
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。
图7—8 地中渗透仪结构图
〔据河北省地质局水文地质观测总站〕
1—入渗(蒸发)皿;2—导水管;3—地下观测室;4—室边排水沟;5—原状土样;6—皿内水位;7—过滤层;8—过滤管;9—检查管;10—防沉底座;11—支架;12—测压管;13—马里奥特瓶;14—水位调整管;15—接渗瓶;16—加水管;17—出水管;18—通气管;19—接渗管;20—截门;21—防水墙
如果地下水为分散泄流排泄,可通过分割河水流量过程线求年排泄量。
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:
(7—4)
式中:
——年地下水排泄量,以前述方式求得;
——汇水区面积(km2);
——年降水量(mm)。
四、凝结水的补给
在某些地方,水汽的凝结对地下水的补给有一定意义。
凝结作用: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。
一般情况下,凝结形成的水相当有限。
五、含水层之间的补给
(1)两个含水层相邻: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(图7—10、7—11)。
图7—10 承压水补给潜水
1—含水层;2—隔水层;3—潜水位;4—承压水测压水位;5—下降泉;6—地下水流向
图7—11 潜水补给承压水
1—含水层;2—隔水层;3—潜水位;4—承压水测压水位;5—上升泉;6—地下水流向
图7—12 松散沉积物中含水层通过“天窗”及越流发生水力联系
1—基岩;2—含水层;3—弱透水层;4—降水补给;5—地下水流向
(2)两个含水层间隔水层分布不稳定:在其缺失部位的相邻的含水层便通过“天窗”发生水力联系(图7—12)。
(3)两个含水层间为弱透水层——越流:相邻含水层通过其间的弱透水层发生水量交换。
越流经常发生于松散沉积物中,粘性土层构成弱透水层。
越流补给量的大小,也可用达西定律进行分析。
根据
,在一维流动条件下,单位水平面积弱透水层的越流量
为:
(7—6)
式中:
——弱透水层垂向渗透系数;
——驱动越流的水力梯度;
——含水层A的水头;
——含水层B的水头;
——弱透水层厚度(等于渗透途径)。
尽管弱透水层的垂向渗透系数相当小,但是,由于驱动越流的水力梯度往往比水平流动的大上2—3个数量级,产生越流的面积(全部弱透水层分布范围)更比含水层的过水断面大得多,对于松散沉积物构成的含水系统,越流补给量往往会大于含水层侧向流入量。