地下水的循环

蔡军华

【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）