工程水文地质(第三章地下水的循环).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 地下水的循环,地下水作为水圈的重要组成部分，一方面积极地参与了全球的水循环过程，同时在一定的环境条件下，一定区域范围内的地下水自身通过不断地获得补给、产生径流而后排泄等环节，发生周而复始的运动，形成相对独立的地下水循环系统。循环系统的强度规模主要决定于补给与排泄这一对矛盾。如果补给充足、排泄畅通，地下水径流过程就强烈；如果补给来源充足，但排泄不畅，必然促使地下水位抬升，甚至溢出地表，并在一定的环境条件下使地表沼泽化。反之排泄通畅，但补给水源不足，迫使含水层中的地下水逐渐减少，甚至形成枯竭，地下水循环受到抑制，以至中断。由此可见，地下水补给和排泄，是决定地下水循环的两个基本环节，是地下径流形成的基本因素，补给来源和排泄方式的不同，以及补给量和排泄量的时空变化，直接影响到地下径流过程以及水量、水质的动态变化。,第三章 地下水的循环,第一节、地下水的补给,含水层自外界获得水量的过程称为补给，补给按来源的不同可分为：降水入渗补给、地表水补给、凝结水补给、来自其他含水层的补给以及人工补给等。,在以上各种补给来源中，凝结水的补给量有限，但对降水量稀少、昼夜温差大的沙漠干旱地区，凝结水的补给具有重要意义；,至于来自其他含水层的补给，则是发生在地下水内部的一种水量交换过程。,所以从整体上说，地下水的主要来源，还是大气降水和地表水的入渗补给，而人工补给则随着人类活动日益扩展，其重要性与日俱增。,第三章 地下水的循环,第一节、地下水的补给,一、降水入渗补给,大气降水是地下水最主要的补给来源。其补给的一般过程是：如雨前土壤相当干燥，则到达地面的降水先被土壤颗粒表面吸附力所吸引，形成薄膜水，可称薄膜下渗。当土壤吸附的薄膜水达最大持水量时，继续下渗的雨水将被吸入细小的毛管孔隙，形成毛管悬着水，形成毛管下渗，当包气带土层中的结合水、毛管悬着水达到极限以后，后续的雨水将在重力作用下，通过静水压力的传递，不断而稳定地补给地下水。在地下水埋藏较深的地方，这一过程需要很长时间才能完成。,第三章 地下水的循环,第一节、地下水的补给,一、降水入渗补给,由此可见，降水的入渗过程是在分子力、毛管力以及重力的综合作用下进行的。而地下水自降水获得的补给量除了与降水本身的强度、降水总量等有关外，还与土层蓄水能力有关。只有降水入渗量超过土层的蓄水能力，多余的降水才能补给潜水。,此外，地形、植被等对大气降水的补给也有影响,第三章 地下水的循环,第一节、地下水的补给,一、降水入渗补给,在平原地区，降水入渗补给量可根据降水入渗系数进行估算。所谓降水入渗系数，即是在同一面积上降水入渗量占降水量的百分数。即,=q,x,/X。,qx,为年降水入渗补给含水层的量mm。,X为年降水量mm。,降水入渗补给量计算公式：,Q=1000X,F,式中F为补给面积km,2,。,第三章 地下水的循环,第一节、地下水的补给,一、降水入渗补给,第三章 地下水的循环,第一节、地下水的补给,二、地表水的补给,地表上的江河、湖泊、水库以及海洋，皆可成为地下水的补给水源。现以河流为例，说明地表水的入渗补给的一般规律。,河流对于地下水的补给，主要取决于河水位与地下水位的相对关系。这种关系对于大江大河来说，在不同河段往往存在明显的差别。,通常上游山区河段，河流深切，河水水位常年低于地下水位，河水无法补给地下水，地下水补给河水；,进入山前地带，地下水为埋藏较深，河水位高于地下水位，发生补给地下水的现象。,第三章 地下水的循环,第一节、地下水的补给,二、地表水的补给,进入中下游地区，堆积作用加强，河床抬高，河水位一旦高于地下水位，即可发生补给地下水的现象。但河水为低于地下水位时，则地下水补给河水。河水与地下水之间的关系常层季节性变化。,黄河的下游，由于强烈的堆积作用，河床高出地表，形成“地上悬河”。河水总是补给地下水。,第三章 地下水的循环,第一节、地下水的补给,二、地表水的补给,补给量的大小除了与河床的透水性能，河床的周界有关外，主要决定于江河水位高低以及高水位持续时间的长短。江河对地下水的补给与降水入渗补给还存在明显的不同点：前者的补给局限于河槽边界，呈线状补给，补给面比较窄；而降水补给呈面状，在一次降水期间普遍而均匀，但雨停后，降水补给亦很快停止，所以时间上断断续续；江河的补给，只要河水位高于两岸地下水位，就可持续进行。,第三章 地下水的循环,第一节、地下水的补给,三、凝结水的补给,四、含水层的补给,第三章 地下水的循环,第一节、地下水的补给,五、人工补给,人工补给在地下水各种补给来源中愈来愈重要。在国外有些国家里，用人工回灌补给地下水量已占到地下水利用总量的30左右。人工补给可区分为两大类，一类是人类修建水库、引水灌溉农田，城市工矿企业排放工业废水以及城镇生活污水排放，因渗漏而补给地下水，这是一种无计划的盲目的补给，虽然可以增加地下水的贮量，但常常引起土壤发生次生盐渍化、地下水遭到污染的矛盾；另一类则是人类为了有效地保护和改善地下水资源，改善水质，控制地下漏斗以及地面沉降现象的出现，而采取的一种有计划、有目的的人工回灌。,第三章 地下水的循环,第一节、地下水的补给,五、人工补给,在我国水资源供需矛盾比较突出的一些北方省区，以及过量开采地下水的大中城市，也开展了这方面的工作。如河北省的南宫“地下水库”回灌工程，设计总蓄水量达4.8亿米,3,，可调蓄水量达1亿米,3,以上。上海市采用人工回灌方法，控制由于过量开采深层地下水而引起的地面沉降，取得了举世瞩目的成就。,人工补给地下水还可以储冷（冬灌夏用），储热（夏灌冬用）。回灌方式主要有地面、河渠、坑池蓄水，井孔灌注。,第三章 地下水的循环,第二节、地下水的排泄,地下水失去水量的过程，就是地下水的排泄。其排泄方式有点状排泄（泉）、线状排泄（向河流泄流）及面状排泄（蒸发）3种。在排泄过程中，地下水的水量、水质及水位均相应的发生变化。其中蒸发排泄仅消耗水分，盐分仍留在地下水中，所以蒸发排泄强烈地区的地下水，水的矿化度比较高。,另外还有含水层之间的排泄以及人工排泄。,第三章 地下水的循环,第二节、地下水的排泄,一、泉排泄,泉是地下水的天然露头，是含水层或含水通道出露地表发生地下水涌出之现象。通常山区及山前地带泉水出露较多，这是与这些地区流水切割作用比较强烈、蓄水构造类型多样及断层切割比较普遍等因素的影响有关。,泉的分类方法有多种，按泉水出露时水动力学性质可将泉水分为上升泉和下降泉两大类。上升泉一般是承压含水层排泄承压水的一种方式，泉水在静水压力的作用下，呈上升运动，相对来说这种泉水的流量比较稳定，水温年变化较小；下降泉是无压含水层排泄地下水的一种方式，地下水在重力作用下溢出地表，水量、水温等往往呈现明显的季节性变化。,第三章 地下水的循环,第二节、地下水的排泄,一、泉排泄,泉是地下水的天然露头，是含水层或含水通道出露地表发生地下水涌出之现象。通常山区及山前地带泉水出露较多，这是与这些地区流水切割作用比较强烈、蓄水构造类型多样及断层切割比较普遍等因素的影响有关。,泉的分类方法有多种，1、按泉水出露时水动力学性质可将泉水分为上升泉和下降泉两大类。上升泉一般是承压含水层排泄承压水的一种方式，泉水在静水压力的作用下，呈上升运动，相对来说这种泉水的流量比较稳定，水温年变化较小；下降泉是无压含水层排泄地下水的一种方式，地下水在重力作用下溢出地表，水量、水温等往往呈现明显的季节性变化。,第三章 地下水的循环,第二节、地下水的排泄,一、泉排泄,2、按泉的成因，可分为接触泉、侵蚀泉、溢出泉和断层泉；,第三章 地下水的循环,第二节、地下水的排泄,一、泉排泄,泉可以单个出现，亦可在特定的地质、地貌条件下，呈泉群出现，泉水流量则相差悬殊。我国山东省济南市是著名的泉城，在市区2.6平方公里范围内，分布有大小106个泉，总涌水量达8，333米3/秒，成为济南市区的供水水源之一。,一些泉水温度较高（南京汤山温泉）,一些泉水含有某些特殊的化学物质，可用来做饮料。,另外一些泉本身就是旅游景点。,第三章 地下水的循环,第二节、地下水的排泄,二、蒸发排泄,潜水蒸发是浅层地下水消耗的重要途径，潜水蒸发主要是通过包气带岩土水分蒸发和植物的蒸腾来完成的。其蒸发的强度、蒸发量的大小与气象条件、潜水埋藏深度及包气带的岩性有关。气候愈干燥，相对湿度愈小，岩土中水分蒸发便愈强烈，而且蒸发作用可深入岩土几米乃至几十米的深处。,第三章 地下水的循环,第二节、地下水的排泄,二、蒸发排泄,河北省石家庄的实验观测数据显示潜水埋藏深度对蒸发量的影响。当埋深大于5米时，潜水蒸发近于零，埋深愈浅，岩土中水分蒸发愈大。因为地下水埋藏浅，包气带则薄，水分交换运移路程短，水分扩散迅速，所以水量损耗多。若潜水位埋深近于地表，潜水面上毛管水上升可直达地面，水汽输送通畅，供水条件好，地下水蒸发强度可达到甚至超过水面蒸发强度，所以可用水面蒸发量（Eo）近似代替埋深为零的潜发量，即为陆面蒸发能力的表征。当潜水埋深超出土壤毛管上升高度及植物根系吸水深度时，则潜水蒸发量趋于零。此时的潜水埋深称为潜水蒸发的极限埋深。,第三章 地下水的循环,第二节、地下水的排泄,二、蒸发排泄,河北省石家庄的实验观测数据显示潜水埋藏深度对蒸发量的影响。当埋深大于5米时，潜水蒸发近于零，埋深愈浅，岩土中水分蒸发愈大。因为地下水埋藏浅，包气带则薄，水分交换运移路程短，水分扩散迅速，所以水量损耗多。若潜水位埋深近于地表，潜水面上毛管水上升可直达地面，水汽输送通畅，供水条件好，地下水蒸发强度可达到甚至超过水面蒸发强度，所以可用水面蒸发量（Eo）近似代替埋深为零的潜发量，即为陆面蒸发能力的表征。当潜水埋深超出土壤毛管上升高度及植物根系吸水深度时，则潜水蒸发量趋于零。此时的潜水埋深称为潜水蒸发的极限埋深。,第三章 地下水的循环,第二节、地下水的排泄,三、向地表水排泄,地下水通过地下途径直接排入河道或其他地表水体，称为泄流排泄。泄流只在地下水位高于地表水位的情况下发生，泄流量的大小，决定于含水层的透水性能、河床切穿含水层的面积，以及地下水位与地表水位之间的高差。,旱季时，河水不断流，往往是地下水排泄所致。,第三章 地下水的循环,第二节、地下水的排泄,四、含水层之间的排泄,五、人工排泄,抽取地下水作为供水水源，基坑开挖抽水降低地下水位，北京、西安等许多大中城市，地下水是主要供水水源。,第三章 地下水的循环,第三节、地下水的径流,一、地下水的动态,地下水径流是地下水循环系统的重要环节，它将地下水的补给区与排泄区紧密地联系在一起，形成统一的整体。径流的强弱影响着含水层的水量与水质的形成过程。,（一）地下水径流方向与径流强度,（二）地下水径流类型,第三章 地下水的循环,第三节、地下水的径流,（一）地下水径流方向与径流强度,地下水的径流方向与地表上河川径流总是沿着固定的河床汇流不同，呈现复杂多变的特点，具体形式则视沿程的地形，含水层的条件而定。当含水层分布面积广，大致水平，地下径流可呈平面式的运动；在山前洪积扇中的地下水则呈现放射式的流动，具有分散多方向的特点；在带状分布的向斜、单斜含水层中的地下水，如遇断层或横沟切割，则可形成纵向或横向的径流。但这种复杂多变性，总离不开地下水从补给区向排泄区汇集，并沿着路径中阻力最小方向前进，即自势能高处向势能较低处运动，反映在平面上，地下水流方向，总是垂直于等水位线的方向。,第三章 地下水的循环,第三节、地下水的径流,（一）地下水径流方向与径流强度,至于地下水的径流强度，也就是地下水的流动速度基本上与含水层的透水性，补给区与排泄区之间水力坡度成正比，对承压水来说，还与蓄水构造的开启与封闭程度有关。,地下径流强度不仅沿程上有差别，在垂直方向上也不同，一般规律是从地表向下随着深度增加，地下径流强度逐渐减弱，至侵蚀基准面，地下水基本处于停滞状态。,第三章 地下水的循环,第三节、地下水的径流,（二）地下水径流类型,地下水是通过补给，径流与排泄3个环节来实现交替循环的。根据水的交替循环途径的不同，可区分为垂向交替、侧向交替和混合交替。其中垂向交替以内陆盆地为最典型，自降水或地表水入渗得到补给，而后以蒸发方式垂直排泄，径流过程微弱；侧向交替类型的补给来源多样，地下水的交替基本上在水平方向上进行，径流比较发育；混合交替是介于上述两类之间的过渡类型，自然界中实际交替现象，大都属这一类。,第三章 地下水的循环,第三节、地下水的径流,（二）地下水径流类型,1.畅流型 畅流型的地下水流线近于平行，水力坡度较大，侧向交替占绝对优势，补给排泄条件良好，径流通畅，地下水交替积极，因而水的矿化度低，水质好,2.汇流型 汇流型地下水的流线呈汇集状，水力坡度常由小变大。对于汇流型潜水盆地，其水交替属混合型，边缘以侧向为主，中间部位垂向交替所占的比重增大。对于承压水则属侧向水交替。汇流型的地下水一般交替积极，常形成可资利用的地下水资源。,第三章 地下水的循环,第三节、地下水的径流,（二）地下水径流类型,3.散流型 散流型的特点是流线呈放射状，水力坡度由大变小，呈现集中补给。水交替属混合型，以侧向为主，径流交替沿途由强变弱，形成水化学水平分带规律，通常干旱地区山前洪积扇中的潜水，是此类型的代表。,4.缓流型 缓流型地下水面近于水平，水力坡度小，水流缓慢，水交替微弱，属于以垂向交替为主的混合型，通常矿化度较高，水质欠佳。沉降平原中的孔隙水及排水不良的自流水盆地，是此类的代表。,第三章 地下水的循环,第三节、地下水的径流,（二）地下水径流类型,5.滞流型 滞流型的水力坡度趋近于零，径流停滞。对于潜水表现为渗入补给和蒸发排泄，属垂向交替；对于承压水可以有垂直越流补给与排泄。某些平原地区局部洼地中封闭的潜水盆地和无排泄口的自流盆地，可作为此类代表。某些封闭良好的承压水，水分交替停止，多成为盐卤水、油田水。,在自然条件下，地下径流类型复杂多变，往往出现多种组合类型。,第三章 地下水的循环,第三节、地下水的径流,（二）地下水径流类型,5.滞流型 滞流型的水力坡度趋近于零，径流停滞。对于潜水表现为渗入补给和蒸发排泄，属垂向交替；对于承压水可以有垂直越流补给与排泄。某些平原地区局部洼地中封闭的潜水盆地和无排泄口的自流盆地，可作为此类代表。某些封闭良好的承压水，水分交替停止，多成为盐卤水、油田水。,在自然条件下，地下径流类型复杂多变，往往出现多种组合类型。,第三章 地下水的循环,第三节、地下水的径流,（三）地下水径流量的表示,地下径流量可用地下径流模数M表示，地下径流模数(M)表示每平方公里面积上的地下径流量为每秒钟若干升，单位为,升秒平方公里，即：M=Q,10,3,/(36586400F),式中，,Q为地下水流量(立方米年)，在山区相当于大气降水及地表水的年补给量(年徘泄量），平原中则应利用达西定律求得。,应当注意，由于不同地区含水层厚度不同，故地下径流模数不能用来衡量、比较地下水的径流强度(地下水径流强度应当用平均渗透流速来衡量)，它说明一个地区或一个含水层中以地下径流形式存在的地下水量的大小。,第三章 地下水的循环,第四节、地下水的动态与均衡,地下水动态,:地下水的水位、水量、水温、水化学成分在各种因素综合影响下，随时间作有规律的变化称为地下水动态。,地下水均衡,:在一定时间间隔内，某地段地下水量和盐分含量的补给和消耗之间的数量关系，称为地下水均衡。,地下水动态与均衡之间有着密切关系。可以认为，动态是均衡的外部表现，均衡是动态形成的内部原因。,第三章 地下水的循环,第四节、地下水的动态与均衡,一、地下水的动态,地下水各个要素的变化，实质上是其补给与排泄的综合表现。例如，补给水量大于排泄水量，便引起水量增加，水位上升；反之，补给水量小于排泄水量则水量减少，水位下降。水温和含盐量的变化，也是由于含水层热量与盐份的补给与排泄所引起的。不同的补给来源与方式，不同的排泄去路与方式，决定着含水层的动态特征，决定着地下水资源量与质在时间上的变化特点。,到目前为止，研究得比较多的是潜水的动态，而且主要限于其水位的变化。完善与发展地下水动态的理论及研究方法，是水文地质学发展中的一个迫切任务。,第三章 地下水的循环,第四节、地下水的动态与均衡,一、地下水的动态,（一）、影响地下水动态的天然因素,影响地下水动态的因素包括天然因素和人为因素；天然因素中主要可分为气象(气候)因素、水文因素及地质因素。,1、气象(气候)因素对潜水动态的影响普遍而明显。,降水的历时分布，影响潜水的补给；气温与湿度的变化，影响潜水的蒸发，使其排泄强度以及水质发生相应变化。,气象(气候)要素周期的变化，引起潜水动态的昼夜变化、季节变化及多年变化。除了植物燕腾及潮汐引起的昼夜水位变化以外，昼夜变化往往是伪变化。,第三章 地下水的循环,第四节、地下水的动态与均衡,一、地下水的动态,（一）、影响地下水动态的天然因素,2、水文因素,地表水体作为地下水的补给来源或排泄去路而影响其动态。由河水补给而引起的潜水位变动，其变化幅度随着远离河流而越来越小，变化时间随着远离河岸而越来越推迟。一般，随着河水位变幅及河岸组成物质不同，影响可波及数百米至数公里之远。此距离以外，则主要受气象因素的控制了。,河流排泄潜水时，愈是接近河流，潜水位变幅愈小，远离河流的河间地块或分水岭地段，水位变幅大。其原因如下：降水入渗抬高水位后，近河地段水力坡度迅速变大，径流强烈，潜水位上升很少，远河地区，水力坡度增大不多，径流强度很少增大，故潜水位不断治高。,第三章 地下水的循环,第四节、地下水的动态与均衡,一、地下水的动态,（一）、影响地下水动态的天然因素,3、地质因素,地质因素一般只影响补给及排泄的强度，对水文气象因素所决定的地下水动态基本模式，起加强或缓和的作用。这方面最明显的例六就是承压水与潜水动态上的差别。,第三章 地下水的循环,第四节、地下水的动态与均衡,一、地下水的动态,（二）、人为影响下的地下水动态,采水、排水使地下水产生新的排泄去路，修建水库，利用地表水灌溉，跨的域调水，则增加其新的补给来源，这都将使地下水动态发生变化。,第三章 地下水的循环,第四节、地下水的动态与均衡,一、地下水的动态,（三）、地下水位动态曲线图,为了合理开采与排除地下水，必须掌握其动态规律，工程中常绘制地下水位动态曲线图。,深层承压水补给比较困难一旦开采后，水位往往持续下降。如河北衡水地区，自1968年开采深层地下水进行农田灌溉以来，水位不断下降，至1977年已形成面积达3000平方公里的开采漏斗。,第三章 地下水的循环,第四节、地下水的动态与均衡,一、地下水的动态,（三）、地下水位动态曲线图,河北衡水承压水开采漏斗小心孔水位变化曲线,第三章 地下水的循环,第四节、地下水的动态与均衡,一、地下水的动态,（三）、地下水位动态曲线图,从漏斗中心孔水位观测资料(上图)可以看出，水位升降几乎完全受采水过程的控制。干旱年及平水电次年水位不能恢复到原来高度，仅个别丰水年可以恢复井赂有超升。总的看来，多年中水位持续下降。长期观测资料说明，支出大于收入，含水层已过量开歌开采条件在不断恶化。由于采水层上部分布有咸水民水位强烈下降，将使咸水层下移，盐化现有采水层。因此，必须采取节约用九开辟新的灌溉水源，或人工补充地下木的措施。,第三章 地下水的循环,第四节、地下水的动态与均衡,二、地下水的均衡,地下水均衡是以地下水为对象的均衡研究。目的在于阐明某个地区在某一段时间内，地下水水量(盐量)收入与支出之间的数量关系。进行均衡计算所选定的地区称作均衡区，它最好是一个地下水流域。进行均衡计算的时间段，称作均衡期，可以是若干年、一年，也可以足一个月。某一均衡区，在一定均衡期内，地下水水量(或盐量)的收入大于支出，表现为地下水储量(或盐量)增加，称作,正均衡,。反之，支出大于收入，地下水储量(或盐量)减少，称作,负均衡,。,第三章 地下水的循环,第四节、地下水的动态与均衡,二、地下水的均衡,为了研究水均衡或地下水均衡，必须分析均衡的收入项与支出项，列出均衡方程式。通过测定或估算列入均衡方程式的各项要素，以求算某些未知项。地下水均构的研究还不够成熟，目前多限于水量均衡的研究，而且主要是涉及潜水水量均衡。,潜水均衡方程式的一般形式如下：,第三章 地下水的循环,第四节、地下水的动态与均衡,二、地下水的均衡,式中：,H为潜水变化量；其中，,为潜水含水层的给水度或饱 和差、,H为均衡期潜水位变化值(上升用正号，下降用负号)。,上游潜水流入量；下游潜水流出量；,X,f,降水渗入补给潜水量；,Y,f,地表水渗入补给潜水量；,Q,t,下伏承压含水层通过相对隔水层顶托补给量(为正值)，或潜水通过相对隔水层向下伏承压含水层越流排泄量(为负值)；,Q,d,潜水的泉或泄流形式向地表排泄量；,Z,c,水汽凝结补给潜水量；Z,u,潜水的蒸发量。,第三章 地下水的循环,第四节、地下水的动态与均衡,二、地下水的均衡,不同条件下，此方程式可以变化。,例如一般情况下凝结补给量很小，故Z,c,可忽略不计。,当下伏承压含水层顶板隔水性能良好，且潜水与承压含水层水头差很小时，Q,t,可以忽略；,地势平坦，水力坡度极小，且渗透系数不大时，可认为,趋近于零；,在无地下水向地表排泄时，Q,d,可从方程式中除去。,如此，方程式简化为：,第三章 地下水的循环,第四节、地下水的动态与均衡,二、地下水的均衡,这是大多数干旱半干旱平原地区典型的潜水均衡方程式，属潜水蒸发型动态。在多年中,H趋近于零，则得：,即渗入水量全部通过蒸发消耗。,典型的湿润山区潜水的均衡方程为：,即入渗补给的水量全部以径流形式排泄。,