地下水的循環(huán)

蔡軍華

【摘要】：地下水循環(huán)是指地下水的補給、徑流和排泄的全過程。本文重點介紹了地下水的補給、徑流和排泄，以及補給量、排泄量與徑流量之間的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】：地下水；循環(huán)

地下水的循環(huán)是指地下水補給、徑流和排泄的全過程。含水層從大氣降水、地表水及其他水源獲得補給后，在含水層中經(jīng)過一段距離的徑流再排出地表，重新變成地表水和大氣降水，這種補給、徑流、排泄無限往復(fù)進行就形成地下水的循環(huán)。

1、地下水的補給

含水層自外界獲得水量的作用稱為補給。地下水的補給來源，主要為大氣降水和地表水入滲以及大氣中水汽和土壤中水汽的凝結(jié)，在一定條件下有人工補給。

1.1 大氣降水包括雨、雪、雹等

大氣降水到達地面后，通過巖石的裂隙和土壤孔隙滲入地下。當雨小于土（巖）層的入滲速度時，全部雨水滲入包氣帶中；若雨強大于土（巖）層的入滲速度時，則在入滲的同時形成地面徑流。入滲的降水首先濕潤地下水位以上的土層，如果降雨前包氣帶土層溫度較小，入滲水首先充填土壤顆粒間的毛細孔隙；若入滲強度足夠大，可能形成重力水的連續(xù)下滲。大氣降水是地下水的主要補給源。

大氣降水補給地下水受很多因素的影響，主要有地形、植被、包氣帶巖性、地下水埋深、降水強度和降水量等。一般當降水強度適中、降水歷時長、地形平坦、植被茂盛、包氣帶上部巖層透水性好、地下水埋深適宜時，大氣降水將會大量補給地下水。例如，在大量分布粉細砂、粉砂和粉土的河間地塊，大約年降水量的30%～35%補給地下水；而在粉土、粉質(zhì)黏土和黏土分布的平原地區(qū)，大約年降水量的20%左右補給地下水。

1.2 地表水入滲補給

地表水包括江河、湖、海、水庫、池塘、水田等。在這些地表水體附近，地下水有可能獲得地表水的補給。如黃河下游的鄭州市以東的沖積平原，黃河河床高出兩岸3～5m，在河水充分的補給下，背河洼地潛水埋深一般有2～3m。在干旱地區(qū)，河水的滲漏常常是地下水的主要補給源。

在喀斯特發(fā)育地區(qū)，地表水與地下水的聯(lián)系更為密切，有時兩者很難截然分開。在這類地我，地表河水可能全部被吸收而成為地下河水，地下河水也可能全部排出地表而成為地上河。

1.3 水汽凝結(jié)補給

大氣中水汽不僅可隨空氣運移，而且還受水汽壓的支配，即水氣由水汽壓力大的地方向壓力小的地方運移，直到兩者壓力相等為止。當?shù)乇須鉁乇劝鼩鈳翆又锌諝獾臏囟雀邥r，大氣中的水汽壓力比包氣帶中的大，故大氣中的水汽可向包氣帶中運移，使包氣帶中空氣的濕度增大，巖石顆粒表面吸附的水分子也就會愈來愈多。當土層中的空氣溫度達到飽和時，在巖石表面可形成重力水，重力水可下滲補給地下水。這就是凝結(jié)補給。

地下水的凝結(jié)補給量雖然不多，但對于降水稀少、地表徑流貧乏而且日溫差較大的沙漠地區(qū)來說，凝結(jié)補給也是地下水的主要來源之一。此外，在日溫差變化較大的山區(qū)，地下凝結(jié)作用也較強烈。

1.4 人工補給

人工補給有兩個含義：其一是由人類的某些生產(chǎn)活動而引起的對地下水的補給，如修建水庫、農(nóng)業(yè)灌溉、渠道滲漏等；其二是人類有意識地專門修建地下水回補工程，將地下水引入或灌入地下，以增加降水和地表水的滲入量。在條件許可的地方，還可以修建地下水庫，用人工補給的方法將降水和汛期的地表水蓄集在地下巖石空隙中，以備旱季運用。

2、地下水的排泄

含水層失去水量的過程稱為排泄。在排泄過程中，地下水的水量、水質(zhì)及水位都會隨著發(fā)生變化。地下水的排泄方式有：泉、河流、蒸發(fā)和人工開采等。

2.1 泉水排泄

泉是地下水的天然露頭。地下水只要在地形、地質(zhì)、水文地質(zhì)條件適當?shù)牡胤剑伎梢匀男问接砍龅乇?。因此，泉水常常是地下水的排泄方式，如山西娘子關(guān)泉等。泉水一般在山區(qū)及山前地帶出露較多，尤其是山區(qū)的溝谷底部和山坡腳下。平原區(qū)一般堆積了較厚的第四紀松散巖層，地形切割微弱，地下水很少有條件直接排向地表，因此泉很少見。

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時出現(xiàn)，特別是切割含水層的山區(qū)河流常常成為主要的排泄方式。地表水接受地下水排泄的形式有兩種：一種是沿河流成線狀排泄；另一種是比較集中的排入河中，巖溶區(qū)的地下暗河出口就代表這種集中排泄。

2.3 蒸發(fā)排泄

蒸發(fā)排泄是指地下水通過土壤蒸發(fā)、植物蒸發(fā)而消耗的過程。在干旱、半干旱的內(nèi)陸地區(qū)，地下水蒸發(fā)排泄非常強烈，常常是地下水排泄的主要方式。

影響地下水蒸發(fā)排泄的因素很多，主要有溫度、濕度、風(fēng)速、包氣帶巖性和地下水位埋深。在內(nèi)陸干旱地區(qū)，地下水蒸發(fā)消耗強烈，常常是地下水的主要排泄方式；在黃淮平原，當?shù)叵滤宦裆畲笥?m時，一般認為地下水蒸發(fā)消耗可忽略不計。

地下水除上述排泄方式外，還存在相鄰含水層之間的排泄。當相鄰水層之間存在導(dǎo)水斷層、天窗或隔水層具有一定的透水性，且兩含水層之間存在水位（頭）差時，水位（頭）高的含水層中的地下水向水位（頭）低的含水層中排泄。

3、地下水的徑流

地下水由補給區(qū)流向排泄區(qū)的過程稱為徑流。除某些構(gòu)造封閉的自流水盆地及地勢平坦地區(qū)的潛水外，地下水都處于不斷的徑流進程中。徑流是連接補給和排泄的中間環(huán)節(jié)，通過徑流，地下水的水量和鹽量由補給區(qū)輸送到排泄區(qū)。徑流的強弱影響著含水層和水質(zhì)的形成過程。因而地下水的補給、徑流和排泄是地下水形成過程中一個統(tǒng)一的、不可分割的循環(huán)過程。地下水徑流研究包括徑流方向、徑流強度、徑流量等。

徑流方向，即地下水的運動方向，一般是從補給區(qū)流向排泄區(qū)，從水位高處流向水位低處。在具體表現(xiàn)形式上有一維線狀流、二維平面流和三維空間流。

含水層的徑流強度，一般用平均滲透速度來表征。根據(jù)達西定律V=KΔH/L，故有徑流強度與含水層的滲透性K、補給區(qū)與排泄區(qū)的水位差ΔH成正比，與補給區(qū)到排泄區(qū)的距離L成反比。

地下水徑流量除可用達西公式計算外，還可用地下水徑流模數(shù)M來表示，即用每平方千米含水層面積上地下水徑流量為每秒若干升表示，即

式中M——地下水徑流，模數(shù)，L/（s·km2）

Q——地下水年徑流量，m3/a；

F——含水層面積，km2。

4、地下水天然補給量、排泄量與徑流量的關(guān)系

天然狀態(tài)下地下水的補給量、排泄量與徑流量之間的關(guān)系，在不同條件下是不一樣的。

山區(qū)的潛水屬于滲入一徑流型循環(huán)，即水量基本上不消耗于蒸發(fā)，徑流排泄（泉、河流）可看作為唯一的排泄方式。因此各種水量間的關(guān)系為

補給量=徑流量=排泄量

平原區(qū)淺層地下水接受降水及地表水補給，部分消耗于蒸發(fā)，部分消耗于徑流排泄，為滲入—蒸發(fā)、徑流型循環(huán)。在氣候干旱，地勢低平地區(qū)，徑流很弱，為滲入—蒸發(fā)型循環(huán)。因此有補給量= 排泄量，徑流量〈補給量（排泄量）