【地下水循环】地下水的循环
【摘要】:地下水循环是指地下水的补给、径流和排泄的全过程。本文重点介绍了地下水的补给、径流和排泄,以及补给量、排泄量与径流量之间的关系。
【关键词】:地下水;循环
地下水的循环是指地下水补给、径流和排泄的全过程。含水层从大气降水、地表水及其他水源获得补给后,在含水层中经过一段距离的径流再排出地表,重新变成地表水和大气降水,这种补给、径流、排泄无限往复进行就形成地下水的循环。
1、地下水的补给
含水层自外界获得水量的作用称为补给。地下水的补给来源,主要为大气降水和地表水入渗以及大气中水汽和土壤中水汽的凝结,在一定条件下有人工补给。
1.1 大气降水包括雨、雪、雹等
大气降水到达地面后,通过岩石的裂隙和土壤孔隙渗入地下。当雨小于土(岩)层的入渗速度时,全部雨水渗入包气带中;若雨强大于土(岩)层的入渗速度时,则在入渗的同时形成地面径流。入渗的降水首先湿润地下水位以上的土层,如果降雨前包气带土层温度较小,入渗水首先充填土壤颗粒间的毛细孔隙;若入渗强度足够大,可能形成重力水的连续下渗。大气降水是地下水的主要补给源。
大气降水补给地下水受很多因素的影响,主要有地形、植被、包气带岩性、地下水埋深、降水强度和降水量等。一般当降水强度适中、降水历时长、地形平坦、植被茂盛、包气带上部岩层透水性好、地下水埋深适宜时,大气降水将会大量补给地下水。例如,在大量分布粉细砂、粉砂和粉土的河间地块,大约年降水量的30%~35%补给地下水;而在粉土、粉质黏土和黏土分布的平原地区,大约年降水量的20%左右补给地下水。
1.2 地表水入渗补给
地表水包括江河、湖、海、水库、池塘、水田等。在这些地表水体附近,地下水有可能获得地表水的补给。如黄河下游的郑州市以东的冲积平原,黄河河床高出两岸3~5m,在河水充分的补给下,背河洼地潜水埋深一般有2~3m。在干旱地区,河水的渗漏常常是地下水的主要补给源。
在喀斯特发育地区,地表水与地下水的联系更为密切,有时两者很难截然分开。在这类地我,地表河水可能全部被吸收而成为地下河水,地下河水也可能全部排出地表而成为地上河。
1.3 水汽凝结补给
大气中水汽不仅可随空气运移,而且还受水汽压的支配,即水气由水汽压力大的地方向压力小的地方运移,直到两者压力相等为止。当地表气温比包气带土层中空气的温度高时,大气中的水汽压力比包气带中的大,故大气中的水汽可向包气带中运移,使包气带中空气的湿度增大,岩石颗粒表面吸附的水分子也就会愈来愈多。当土层中的空气温度达到饱和时,在岩石表面可形成重力水,重力水可下渗补给地下水。这就是凝结补给。
地下水的凝结补给量虽然不多,但对于降水稀少、地表径流贫乏而且日温差较大的沙漠地区来说,凝结补给也是地下水的主要来源之一。此外,在日温差变化较大的山区,地下凝结作用也较强烈。
1.4 人工补给
人工补给有两个含义:其一是由人类的某些生产活动而引起的对地下水的补给,如修建水库、农业灌溉、渠道渗漏等;其二是人类有意识地专门修建地下水回补工程,将地下水引入或灌入地下,以增加降水和地表水的渗入量。在条件许可的地方,还可以修建地下水库,用人工补给的方法将降水和汛期的地表水蓄集在地下岩石空隙中,以备旱季运用。
2、地下水的排泄
含水层失去水量的过程称为排泄。在排泄过程中,地下水的水量、水质及水位都会随着发生变化。地下水的排泄方式有:泉、河流、蒸发和人工开采等。
2.1 泉水排泄
泉是地下水的天然露头。地下水只要在地形、地质、水文地质条件适当的地方,都可以泉水的形式涌出地表。因此,泉水常常是地下水的排泄方式,如山西娘子关泉等。泉水一般在山区及山前地带出露较多,尤其是山区的沟谷底部和山坡脚下。平原区一般堆积了较厚的第四纪松散岩层,地形切割微弱,地下水很少有条件直接排向地表,因此泉很少见。
2.2 向地表水排泄
地下水向地表水排泄是在地下水位高于地表水位时出现,特别是切割含水层的山区河流常常成为主要的排泄方式。地表水接受地下水排泄的形式有两种:一种是沿河流成线状排泄;另一种是比较集中的排入河中,岩溶区的地下暗河出口就代表这种集中排泄。
2.3 蒸发排泄
蒸发排泄是指地下水通过土壤蒸发、植物蒸发而消耗的过程。在干旱、半干旱的内陆地区,地下水蒸发排泄非常强烈,常常是地下水排泄的主要方式。
影响地下水蒸发排泄的因素很多,主要有温度、湿度、风速、包气带岩性和地下水位埋深。在内陆干旱地区,地下水蒸发消耗强烈,常常是地下水的主要排泄方式;在黄淮平原,当地下水位埋深大于5m时,一般认为地下水蒸发消耗可忽略不计。
地下水除上述排泄方式外,还存在相邻含水层之间的排泄。当相邻水层之间存在导水断层、天窗或隔水层具有一定的透水性,且两含水层之间存在水位(头)差时,水位(头)高的含水层中的地下水向水位(头)低的含水层中排泄。
3、地下水的径流
地下水由补给区流向排泄区的过程称为径流。除某些构造封闭的自流水盆地及地势平坦地区的潜水外,地下水都处于不断的径流进程中。径流是连接补给和排泄的中间环节,通过径流,地下水的水量和盐量由补给区输送到排泄区。径流的强弱影响着含水层和水质的形成过程。因而地下水的补给、径流和排泄是地下水形成过程中一个统一的、不可分割的循环过程。地下水径流研究包括径流方向、径流强度、径流量等。
径流方向,即地下水的运动方向,一般是从补给区流向排泄区,从水位高处流向水位低处。在具体表现形式上有一维线状流、二维平面流和三维空间流。
含水层的径流强度,一般用平均渗透速度来表征。根据达西定律V=KΔH/L,故有径流强度与含水层的渗透性K、补给区与排泄区的水位差ΔH成正比,与补给区到排泄区的距离L成反比。
地下水径流量除可用达西公式计算外,还可用地下水径流模数M来表示,即用每平方千米含水层面积上地下水径流量为每秒若干升表示,即
式中M——地下水径流,模数,L/(s·km2)
Q——地下水年徑流量,m3/a;
F——含水层面积,km2。
4、地下水天然补给量、排泄量与径流量的关系
天然状态下地下水的补给量、排泄量与径流量之间的关系,在不同条件下是不一样的。
山区的潜水属于渗入一径流型循环,即水量基本上不消耗于蒸发,径流排泄(泉、河流)可看作为唯一的排泄方式。因此各种水量间的关系为
补给量=径流量=排泄量
平原区浅层地下水接受降水及地表水补给,部分消耗于蒸发,部分消耗于径流排泄,为渗入—蒸发、径流型循环。在气候干旱,地势低平地区,径流很弱,为渗入—蒸发型循环。因此有补给量= 排泄量,径流量〈补给量(排泄量)
