第四节 地下水的循环

地下水的循环是指地下水的补给、径流与排泄过程。地下水以大气降水、地表水、人工补给等各种形式获得补给，在含水层中流过一段路程，然后又以泉、蒸发等形式排出地表，如此周而复始的过程便叫做地下水的循环。

一、地下水的补给

含水层自外界获得水量的过程称为补给。含水层的补给来源有大气降水、地表水、凝结水、灌溉水，其他含水层的补给以及人工补给等。

1.大气降水的补给

大气降水包括雨、雪、雹，在很多情况下大气降水是地下水的主要补给方式。当大气降水降落在地表后，一部分变为地表径流，一部分蒸发重新回到大气圈，剩下一部分渗入地下变为地下水。如我国广西地区年降雨量为1000～1500mm，其中有80%以上可直接下渗补给地下的岩溶水。

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、上部岩层透水性好、地下水埋藏深度不大时，大气降水才能大量下渗补给地下水。这些影响因素中起主导作用的常常是包气带的岩性，如北京昌平地区年降雨量平均为600mm左右，由于地表附近的岩性不同，渗入量有很大差别，在岩石破碎、裂隙发育的山区有80%渗入补给了地下水，在砂砾石、砂卵石分布的山前地区是50%～60%，在粉砂、砂质粉土、粉质黏土分布的平原地区大约只有35%补给了地下水。

2.地表水的补给

地表水体指的是河流、湖泊、水库与海洋等，地表水体有可能补给地下水，也可能排泄地下水，这主要取决于地表水的水位与地下水水位之间的关系。山区河流的上游，地下水位受地形影响，往往高于地表水，地下水往往补给地表水；河流中游地区，河水位与地下水位常比较接近，洪水期间水位抬升，地表水补给地下水，平水期与枯水期河水位下降，地下水补给河水；处于冲积平原的河流下游，由于河流的堆积作用强烈，河床往往高于附近平原，地下水接受河水的补给。如我国黄河下游一带，河床便高于两岸平原区。

地表水体对地下水补给量的大小取决于以下几点：地表水体附近的岩性，如河床下部为透水性很好的砂、卵砾石层，则其地表水与地下水之间的补给条件好，有时由于多年淤积，河床底部沉积1～2cm的淤泥质黏性土，它可以阻止地表水与地下水之间的水力联系，这时，虽然在河流附近，但地下水受地表水的影响并不大。

3.凝结水的补给

在干旱与半干旱地区或沙漠地带，大气降水量很小，有时甚至数月不降雨，但是在沙漠里有时会找到含水的土层，这些水主要靠凝结水的补给。

饱和湿度随温度降低，温度降到一定程度，空气中的绝对温度与饱和湿度相等。温度继续下降，超过饱和湿度的那一部分水汽，便凝结成水。这种由气态水转化为液态水的过程称作凝结作用。

夏季的白天，大气和土壤都吸热增温；到夜晚，土壤散热快而大气散热慢。地温降到一定程度，在土壤孔隙中水汽达到饱和，凝结成水滴，绝对湿度随之降低。由于此时气温较高，地面大气的绝对湿度较土中大，水汽由大气向土壤孔隙运动，如此不断补充，不断凝结，当形成足够的液滴水时，便下渗补给地下水。

一般情况下，凝结形成的水相当有限。但是，高山、沙漠等昼夜温差大的地方 （如撒哈拉大沙漠昼夜温差大于50℃），凝结作用对地下水补给的作用不能忽视。据报道，我国内蒙古沙漠地带，在风成细沙中不同深度均有水汽凝结。

4.含水层之间的补给

两个含水层之间存在水头差且有联系的通路，则水头较高的含水层便补给水头较低者。深部与浅层含水层之间的隔水层中若有透水的 “天窗”或由于受断层的影响，使上、下含水层之间产生一定的水力联系时，地下水便会由水位高的含水层流向并补给水位低的含水层。图1-9为承压水补给潜水情况；图1-10为潜水补给承压水情况。有时上、下含水层之间的隔水层中虽然没有 “天窗”等通道，但由于隔水层有弱透水能力，这时若两含水层之间水位相差较大时，也会通过弱透水层进行越流补给。例如，对某一含水层抽水时，另一含水层可以越流补给抽水井，增加井的出水量。

5.人工补给

人工补给包括灌溉水、工业与生活废水排入地下补给，以及专门为增加地下水量的人工方法补给。利用地表水灌溉农田时，渠道渗漏及田面渗漏常使浅层地下水获得大量补给，其补给量的大小与灌溉定额 （既每亩地的灌溉量）及灌溉方式有关，对于稻田，用大面积漫灌的形式灌溉，灌溉期对地下水补给量大，可成为地下水的主要补给来源。有些地区利用含水层的透水性排放工业废水与生活废水，这就必须考虑地下水遭受污染的问题。有时为了获得某个工厂企业暂时的经济效益会破坏很有开采价值的含水层，因此排放废水时应考虑这个问题。

由于淡水水源不足，而地下水较之地表水有许多优点，因此，常用人工补给方法增加含水层的水量，其办法是将经过净化处理的地表水灌入井中或用渠道水塘等储存地表水并使其逐渐渗入补给地下水，使含水层起到地下水库的作用。

二、地下水的径流

地下水由补给区流向排泄区的过程叫做径流，地下水由补给区流向排泄区的整个过程构成地下水循环的过程。

地下水径流包括径流方向、径流速度与径流量。

地下水补给区与排泄区的相对位置与高差决定着地下水径流的方向与径流速度；补给条件、排泄条件好的含水层，径流条件好；含水层透水性越强则径流条件越好。例如山区的冲洪积物，岩石颗粒粗，透水性强，含水层的补给与排泄条件好，山区地势险峻，地下水的水力坡度大，因此山区的地下水径流条件好。到了平原区多堆积一些细颗粒物质，地形平缓，水力坡度小，因此径流条件较差。径流条件好的含水层其水质较好。此外，地下水的埋藏条件亦决定地下水的径流类型：潜水属无压流动，承压水属有压流动。

三、地下水的排泄

含水层失去水量的过程叫做排泄。含水层通过泉排出地表或补给河流、蒸发以及人工汲取地下水 （汲水井或排水渠）的形式排泄地下水。

1.泉水排泄

当含水层含水通道被揭露于地表时，地下水便溢出地表形成泉。泉是地下水的主要排泄形式，山区地形受到强烈的切割，岩石多次遭受褶皱、断裂，形成地下水流向地表的通道，因而山区常有丰富的泉水。

根据泉出露的原因可以分为以下几种：

（1）侵蚀泉。沟谷切割揭露含水层形成的泉，图1-11（a）、（b）为侵蚀下降泉，图1-11（h）为侵蚀上升泉。

（2）接触泉。地形切割达到含水层隔水底板时，地下水从两岩层接触的地方出露形成泉，图1-11（c）为接触下降泉。

（3）溢出泉。当潜水流的前方，透水性急剧变弱，如图1-11（d）、（g）所示，或有弱透水层阻挡，如图1-11（f）所示，或隔水底板隆起，如图111（e）所示，潜水流动受阻而溢出地表形成泉，叫做溢出泉。

（4）断层泉。承压含水层受到断层切割，地下水沿导水断层上升，在地面高层低于测压水位处溢出地表形成泉，如图1-11（i）所示。

通过对泉的研究可以了解补给泉的含水层性质，如泉水的溢出水量反映含水层的富水性，泉水水量随着时间的变化幅度反映含水层的动态变化，泉水的化学成分反映含水层的水质。此外，由于泉是在一定地质、地形条件配合下产生的，因此泉的出露有助于判断地质构造条件，如有些线状排列的上升泉往往与断层带的方向一致。

2.向地表水排泄

当地下水位高于河水位时，若河床下面没有不透水岩层阻隔，那么，地下水可以直接流向河流补给河水，其补给量可以通过对上、下游两断面河流流量的测定计算出来。

3.蒸发排泄

蒸发是水由液态变为气态的过程。地下水，特别是潜水可通过土壤蒸发、植物蒸腾而消耗，成为地下水的一种重要排泄方式，这种排泄亦称为垂直排泄。

影响地下水蒸发排泄的因素很多，但主要取决于温度、湿度、风速等自然条件，同时亦受地下水埋藏深度和包气带岩性等因素的控制。在干旱内陆地区，地下水蒸发排泄非常强烈，常常是地下水排泄的主要形式。如在新疆超干旱的气候条件下，不仅埋藏在3～5m内的潜水有强烈的蒸发，而且在7～8m甚至更大的深度内都受到强烈蒸发作用的影响。

蒸发排泄的强度不同，使各地潜水性质有很大差别。如我国南方地区，蒸发量较小，则潜水矿化度普遍不高；而北方大多是干旱或半干旱地区，埋藏较浅的潜水矿化度一般较高。由于潜水不断蒸发，水中盐分在土壤中逐渐聚集起来，这是造成苏北、华北东部、河西走廊、新疆等地大面积土壤盐碱化的主要原因。

4.上、下含水层之间的排泄作用

水位不一致的上、下含水层，可以通过含水层中间的通道 （如隔水层尖灭的地方 “天窗”或导水断层等）由高水位含水层排泄补给低水位含水层。