地下水的补给、径流、排泄

1.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为补给。地下水补给来源有天然与人工补给。天然补给有大气降水、地表水、凝结水等;人工补给有灌溉回归水、水库渗漏水,以及专门性的人工补给(利用钻孔)。大气降水是地下水的主要补给来源(图4-9),其影响因素有气候(气象)、包气带的岩性与厚度、地形与植被覆盖等。
2.地下水的排泄
含水层失去水量的过程称为排泄。天然排泄方式有泉、向河流泄流、蒸发和蒸腾等,以及一个含水层(含水系统)向另一个含水层(含水系统)的排泄。人工排泄方式包括用井孔抽取地下水,或用渠道、坑道等排除地下水等。
泉是地下水的天然露头,含水层或含水通道出露地表即形成泉。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。

图4-9 大气降水补给含水层(http://www2.sjzu.eedu.cn)

3.地下水的径流
地下水由补给区向排泄区的运移过程称为径流。一般情况下,地下水处在不断的径流运动之中,它是连接补给与排泄的中间环节,它将地下水的水量、盐量从补给区传输到排泄处,从而影响着含水层或含水系统中水质、水量的时空分布。
地下水在补给、径流和排泄过程中,不断地进行着水量的交换和运移。

12.3.2.1 地下水的补给
调查区第Ⅱ含水组地下水与大气降水密切相关，从大气降水与地下水变化关系可以看出，随着降雨量的增加水位明显上升。一般1～3月份，水位比较平稳。而后随着农灌采水量及工业、生活采水量的明显增加，水位持续下降，5月底至6月初出现最低值。7～8月份汛期到来，此时农灌停止，降水量达到年内最大值，浅层地下水位迅速升高并到达年内最高水位，曲线出现明显的波峰，这说明大气降水直接补给地下水，而且途径短，时效快。
由于调查区东部地区地表河渠较多，从观测到的河渠断面看，河渠水位普遍高于岸侧地下水位，受静水压力影响河渠发生渗漏，补给地下水也很明显。
在调查区内，对第Ⅱ含水组和第Ⅲ含水组的集中开采，已形成了一个以城区为中心的漏斗区，调查区四周地下水向城区径流的流场很明显，因而侧向径流的补给也是调查区内地下水(特别是第Ⅲ含水组的地下水)的重要补给来源。
因此，调查区内第Ⅱ含水组地下水主要补给来源是大气降水，此外还有河渠入渗补给、灌溉回归补给和侧向径流补给。第Ⅲ含水组地下水主要补给来源是侧向径流补给。
12.3.2.2 地下水的径流和排泄
本调查区地下径流除受地貌，水文地质条件影响外，主要受开采条件所制约，区域趋势是由北向南流。但在调查区范围内，则由四周流向地下水漏斗中心流动。其流场图如图12.9、图12.10所示。

图12.9 调查区浅层地下水埋深及标高等值线图

(1)浅层地下水流场特征
据2013年6月份实地测量编制的调查区浅层地下水水位标高等值线图可知，调查区第Ⅱ含水组地下水存在一个明显的地下水位降落漏斗，中心水位埋深34.36m，标高-27.36m，中心水力坡度40.0‰。
由于漏斗中心位于调查区内西南部，因此区内地下水流向主要为自东、北及东北方向向西、南及西南部流动，平均水力坡度约为7.38‰。

图12.10 调查区深层地下水埋深及标高等值线图

加油站污染场地浅层地下水水位埋深为标高19.40m，地下水位标高为-7.30m，位于漏斗中心东北侧，受区域地下水流场控制，场地内第Ⅱ含水组地下水自东北向西南运动。
(2)深层地下水流场特征
据2013年6月份实地测量，编制的调查区深层地下水水位标高等值线图可知，调查区第Ⅲ含水组地下水也存在一个明显的地下水位降落漏斗地下水降落漏斗中心水位埋深82.23m，标高-71.13m，漏斗分布面积约5.40km2，中心最大水力坡度62.5‰。
加油站附近污染场地深层地下水水位埋深为61.72m左右，地下水位标高为-50.42，且位于漏斗中心东北侧，且距离漏斗中心较近，受地下水流场控制，场地内第Ⅲ含水组地下水自东北向西南运动，主要流向漏斗中心。
由于调查区接近城区，地下水开发程度较高，历史上已经成型地下水开采降落漏斗，因此调查区内第Ⅱ含水组和第Ⅲ含水组内地下水主要排泄方式为人工开采。
12.3.2.3 地下水动态
根据多年动态监测资料，调查区内地下水水位总体呈现出先下降后上升的趋势。自1985年至2005年，近20年由于城市规模的快速增长，对地下水的开采量逐年增加，使得区内的地下水位逐年下降;自2006年以后，由于对地下水资源的管理和控制逐渐加强，尤其是市区关停了大量的自备水井，使得区内地下水位逐步回升。
(1)浅层地下水动态特征
1)年际变化特征。以调查区内T102观测孔为例，自2006年年初至2010年年末，地下水位标高由0.11m上升至1.82m，多年平均升幅为0.342m/a(图12.11)。

图12.11 调查区第Ⅱ含水组地下水位动态与降水量关系图

2)年内变化特征。调查区内第Ⅱ含水组地下水位动态与降水关系密切，一年内地下水位动态可分为三期，为典型的降水补给灌溉开采型地下水动态。
水位稳定期:每年11月至次年3月底降水量少，开采量也小，水位变化稳定，变幅小于1m;水位下降期:每年4月至6月底，春季干旱少雨，农业开采量增大，且时间长而集中，使地下水位急剧下降，下降幅度2～3m;水位上升期:7至9月底降水集中，地下水得到充分补给，地下水开采量锐减，水位迅速回升，回升幅度2～3m。
(2)深层地下水动态特征
1)年际变化特征。以调查区内T104观测孔和F2-2观测孔为例。T104孔位于区域地下水漏斗中心地区，其地下水位标高自2006年年初的-48.87m，上升至2012年年底的-34.49m，多年平均升幅为2.05m/a(图12.12)。F2-2孔位于区域地下水漏斗边远地区，其地下水位标高自2007年的-37.76m，上升至2012年年底的-27.56m，多年平均升幅为2.22m/a(图12.13)。

图12.12 调查区第Ⅲ(漏斗边缘)含水组地下水位动态与降水量关系图


图12.13 调查区第Ⅲ(漏斗区)含水组地下水位动态与降水量关系图

2)年内变化特征。调查区深层地下水水位动态曲线呈斜坡状上升，属径流补给-开采排泄型，受区域开采影响，一般1～3月份水位呈稳定状态或略有回升，4～7月份工农业用水量大，地下水位下降，降幅2～3m，到10月份后，水位缓慢回升至年底。
(3)奥陶系岩溶水动态特征
1)年际变化特征。以调查区内T013观测孔为例，其地下水位标高自2006年年初的-30.02m，上升至2012年年底的-1.49m，多年平均升幅为4.08m/a(图12.14)。

图12.14 调查区奥陶系岩溶地下水位动态与降水量关系图

2)年内变化特征。调查区奥陶系岩溶地下水水位动态曲线呈斜坡状上升，属径流补给-径流排泄型。由于奥陶系岩溶水在调查区内很少有开采现象(含水层埋藏较深)，只是在煤矿开采区有局部矿坑疏干排水，随着煤矿开采的结束，该部分排水逐年减少，因此调查区内岩溶地下水水位在年内也是逐月升高的。
12.3.2.4 各含水层之间水力联系
(1)水位分析
由以上四个地下水位长期观测孔的动态资料对比分析可知(图12.15)，分析调查区内第Ⅱ含水组和第Ⅲ含水组之间存在平均近30m的水位差，这就为这两层水之间的越流补给创造了良好的水动力条件。

图12.15 调查区不同含水层组地下水位动态对比图

调查区内可能存在第Ⅱ含水组向下越流补给第Ⅲ含水组的现象。同时，对比T012、T104和F2-2的地下水动态特征，三者的相关性并不明显。调查区内第Ⅱ含水组的水位上升幅度要远远小于第Ⅲ含水组的水位上升幅度，因此判断调查区内的第Ⅲ含水组的补给以径流补给为主，第Ⅱ含水组对其的垂向越流补给量很少。
而调查区内奥陶系岩溶水水位高于第Ⅲ含水组水位，因此不可能存在第Ⅲ含水组向下越流补给奥陶系岩溶水的情况，奥陶系岩溶水的补给以径流补给为主。但可能存在奥陶系岩溶水向上越流补给第Ⅲ含水组现象。
(2)水质分析
由本次工作对地下水基本必测指标的分析化验结果分析可知，调查区内的深层水和浅层水水化学类型有明显的分异性。浅层水谁化学类型以Ca·Mg-SO4·Cl型水为主，而深层水水化学类型以Ca·Mg-HCO3型水为主。
同时，将本次工作所取得的水质化验结果投影到PIPER三线图上(图12.16)，可知深层水和浅层水分布在不同的区域，基本没有重合区域，其分异性是极其明显的，这说明在调查区内浅层水和深层水的水力联系不密切。

图12.16 调查区地下水水化学PIPER三线图

一、地下水的埋藏条件

基岩山区地下水的埋藏深度受地形、地质构造的控制变化极大，一般火山岩、变质岩类分布区，地下水埋藏较浅，泉点很多；碎屑岩类分布区，水位变化较大，在盆地和单斜地区承压性大；碳酸盐岩类分布的中低山区，地下水埋藏较深，但补给区、径流区和排泄区地下水埋藏由深到浅分带明显，当地的侵蚀基准面是地下水埋深的重要标志。

松散岩类孔隙水的埋深，主要受地形的控制，其次是人工开采和地质条件的影响，地下水埋深的规律性很强。黄土梁塬区地下水埋藏较深，一般20～120m，它的特点是初见水位和抽水后的稳定静止水位有时差几十米；山前岗地，地下水埋藏亦较深，一般小于30m；平原区地下水位埋深总的规律是由山前向平原，水位埋深变浅。

黄淮海平原的中深层地下水，具承压性，水头一般高于浅层水，且有含水层埋藏越深水头越高的规律，部分地区自流。

二、地下水的补给、径流、排泄

在基岩山区，断裂、褶皱破碎带、岩溶裂隙为降水入渗、地下水储存、径流、排泄提供了有利条件。裂隙岩溶水的重要特点是降水入渗补给快，地下水径流交替条件好，排泄快而集中，它的补排异地分带性强，在排泄区受阻往往以大泉的形式出流，亦有较大的潜流补给山前，矿坑排水和人工开采亦为重要排泄方式；岩溶分布区的另一个特点是河流在补给区汇集排泄地下水，而到径流区又渗漏补给地下水，即相互转化关系频繁。

基岩裂隙水，受降雨入渗补给、地形、裂隙发育程度和植被影响较大，总的特征是潜水径流短、交替强烈，向河流、沟谷、洼地以泉的形式排泄。

在黄土梁塬地区，地下水埋藏较深，主要是降雨通过黄土裂隙孔隙入渗补给，其次是渠渗和灌溉回渗补给。黄土区地形起伏较大，冲沟发育和植被较差，导致降水量流失多，入渗少，是黄土丘陵干旱缺水的重要原因之一。它的明显排泄以塬为单位，以泉的形式排入深沟，以径流形式补给河流阶地地下水。

垄岗地区由于沟谷发育，坡降较大，且表层多为粘性土，从而降水多形成地表径流，入渗补给地下水较少；局部地带接受山区微弱的径流补给，并以河流、沟谷切割含水层，呈泉和渗流的形式排泄于地表。

在平原区，不同区段补给源有所不同。

太行山前倾斜平原受山区侧向径流、降水入渗等的补给，地下水水力坡度为1/1000～3/1000，地下径流条件好。前缘黄卫河交接洼地，则水流滞缓，形成一些涝渍地，地下水流向和地形坡向基本一致。

黄淮平原和南阳盆地地下水主要靠降水补给，其次是灌溉回渗，在临黄河及渠道闸区的两侧，河道渗漏是重要的补给源。经试验研究，黄河侧渗影响宽度约5～10km，侧渗补给总量3.6×10⁸m³/a，单宽侧渗补给量68.96×10⁴m³/(a·km），平原区降水对地下水的补给和潜水蒸发量受包气带岩性、地下水水位埋深的影响，其补给、径流、排泄以垂直交替为主，水力坡度极缓，水平径流微弱。天然状况下它的平衡取决于降水和蒸发。近几十年来大面积开采地下水、河道建闸蓄水、引水灌溉等，对地下水的影响日趋扩大，其动态决定于降水、蒸发、开采和调蓄之间新的平衡关系。

中深层承压水在山前、盆地主要受侧向径流补给，其次为越流补给；平原区主要是越流和弹性释水补给，径流微弱。消耗主要是开采和径流，由于补给微弱，开采主要消耗静储量。

三、地下水与大气降水、地表水的转化关系

自然界的水循环主要发生于大气降水、地表水、包气带水及地下水之间，循环速度相对迅速。大气降水落到地表后，一部分变为地表径流（地表水），一部分蒸发后重新回到大气圈，剩下的另一部分渗入地下含水层成为地下水。

1.大气降水

河南省多年降水量平均600～1200mm。空间上，受气候影响由北向南降水量递增；时间上受季节性变化影响，年内分配不均匀，年际变化很大。全省年降水量主要集中在6～9月份，占年降水量的55%～80%; 3～5月份全省多旱少雨，平均降水量淮南为300m，豫北平原不足80mm。由于河南跨越江、淮、黄、海四大流域，各流域之间在相同时间和相同年份时有出现南涝北旱或北涝南旱的极端情况，存在降水时序分布差异。全省年平均蒸发量1100～1700mm，其变化与降水量相反，由北向南递减。

大气降水是地下水的主要补给来源。大气降水补给地下水的数量受到很多因素的影响，与降水的强度、形式、植被、包气带岩性、地下水的埋深等密切相关，一般当降水量大、降水过程长、地形平坦、植被繁茂、包气带透水性好、地下水埋深不大时，大气降水才能大量补给地下水，其中起主要作用的是降水量和包气带的岩性。据动态资料分析计算，我省平原区降水入渗补给系数为0.10～0.30。

2.地表水

地表水指河流、湖泊、水库等，由大气降水形成的地表径流汇集而成。地表径流的形成主要受降水（雨量、雨强）和下垫面产生汇流条件的影响：雨量或雨强太小不利于产流，地势平坦、植被繁茂和土壤疏松也会加大入渗，削减地表径流量，加之陆面、河道和土壤对降水的调蓄作用，地表径流较降水具有更为集中和发生时间滞后的特点。由于雨量、雨强达不到一定程度不能成为有效降雨，形成地表径流，因而枯季的一些降水过程并不产生地表径流，致使地表径流的年内分配较降水量更为集中。

地表径流主要受降水补给，其时空分布和降水量分布变化大体一致。南部大别山区平均年径流深500～600m m，桐柏、外方山区为400m m，北部太行山区约200m m，东北部平原仅50m m；丰水期地表径流占全年70%，枯水期多数中小河流断流。

地表水可补给地下水，也可排泄地下水，这主要取决于地表水水位与地下水水位之间的关系。山区河流的上游，地下水补给地表水；河流的中游，河水位与地下水水位比较接近，洪水期地表水补给地下水，平枯水期地下水补给地表水；处于冲积平原的河流下游，河床高于附近平原，地下水接受地表水的补给。地表水补给地下水的多少不仅取决于水位差，还取决于地表水体下部岩土的渗透性。以黄河河南段为例，中游潼关—桃花峪在未修建三门峡水库前，汛期黄河水补给两侧地下水，非汛期排泄地下水；下游桃花峪—台前为“地上悬河”，黄河水常年补给地下水。

3.地下水

地下水的补给有大气降水补给、地表水补给、越流补给及人工补给（包括农灌、工业与生活废水排入地下补给以及人工回流补给等），其中大气降水是地下水的主要给来源。

地下水的排泄方式有泉水排泄、蒸发排泄、向地表水排泄、越流排泄、人为开采等，其中人为强力开采是地下水排泄的主要形式，目前出现的地下水降落漏斗等环境地质问题都与开采有关。

受自然条件改变引起的变化（如枯水期和丰水期）、人类活动引起的变化（如水利工程、开采、回灌等）的影响，地表水与地下水会互相转化，有时地表水补给地下水，有时地下水又排泄地表水。