第四節 地下水的循環

地下水的循環是指地下水的補給、徑流與排泄過程。地下水以大氣降水、地表水、人工補給等各種形式獲得補給，在含水層中流過一段路程，然后又以泉、蒸發等形式排出地表，如此周而復始的過程便叫做地下水的循環。

一、地下水的補給

含水層自外界獲得水量的過程稱為補給。含水層的補給來源有大氣降水、地表水、凝結水、灌溉水，其他含水層的補給以及人工補給等。

1.大氣降水的補給

大氣降水包括雨、雪、雹，在很多情況下大氣降水是地下水的主要補給方式。當大氣降水降落在地表后，一部分變為地表徑流，一部分蒸發重新回到大氣圈，剩下一部分滲入地下變為地下水。如我國廣西地區年降雨量為1000～1500mm，其中有80%以上可直接下滲補給地下的巖溶水。

大氣降水補給地下水的數量受到很多因素的影響，與降水的強度、形式、植被、包氣帶巖性、地下水的埋深等密切相關。一般當降水量大、降水過程長、地形平坦、植被繁茂、上部巖層透水性好、地下水埋藏深度不大時，大氣降水才能大量下滲補給地下水。這些影響因素中起主導作用的常常是包氣帶的巖性，如北京昌平地區年降雨量平均為600mm左右，由于地表附近的巖性不同，滲入量有很大差別，在巖石破碎、裂隙發育的山區有80%滲入補給了地下水，在砂礫石、砂卵石分布的山前地區是50%～60%，在粉砂、砂質粉土、粉質黏土分布的平原地區大約只有35%補給了地下水。

2.地表水的補給

地表水體指的是河流、湖泊、水庫與海洋等，地表水體有可能補給地下水，也可能排泄地下水，這主要取決于地表水的水位與地下水水位之間的關系。山區河流的上游，地下水位受地形影響，往往高于地表水，地下水往往補給地表水；河流中游地區，河水位與地下水位常比較接近，洪水期間水位抬升，地表水補給地下水，平水期與枯水期河水位下降，地下水補給河水；處于沖積平原的河流下游，由于河流的堆積作用強烈，河床往往高于附近平原，地下水接受河水的補給。如我國黃河下游一帶，河床便高于兩岸平原區。

地表水體對地下水補給量的大小取決于以下幾點：地表水體附近的巖性，如河床下部為透水性很好的砂、卵礫石層，則其地表水與地下水之間的補給條件好，有時由于多年淤積，河床底部沉積1～2cm的淤泥質黏性土，它可以阻止地表水與地下水之間的水力聯系，這時，雖然在河流附近，但地下水受地表水的影響并不大。

3.凝結水的補給

在干旱與半干旱地區或沙漠地帶，大氣降水量很小，有時甚至數月不降雨，但是在沙漠里有時會找到含水的土層，這些水主要靠凝結水的補給。

飽和濕度隨溫度降低，溫度降到一定程度，空氣中的絕對溫度與飽和濕度相等。溫度繼續下降，超過飽和濕度的那一部分水汽，便凝結成水。這種由氣態水轉化為液態水的過程稱作凝結作用。

夏季的白天，大氣和土壤都吸熱增溫；到夜晚，土壤散熱快而大氣散熱慢。地溫降到一定程度，在土壤孔隙中水汽達到飽和，凝結成水滴，絕對濕度隨之降低。由于此時氣溫較高，地面大氣的絕對濕度較土中大，水汽由大氣向土壤孔隙運動，如此不斷補充，不斷凝結，當形成足夠的液滴水時，便下滲補給地下水。

一般情況下，凝結形成的水相當有限。但是，高山、沙漠等晝夜溫差大的地方 （如撒哈拉大沙漠晝夜溫差大于50℃），凝結作用對地下水補給的作用不能忽視。據報道，我國內蒙古沙漠地帶，在風成細沙中不同深度均有水汽凝結。

4.含水層之間的補給

兩個含水層之間存在水頭差且有聯系的通路，則水頭較高的含水層便補給水頭較低者。深部與淺層含水層之間的隔水層中若有透水的 “天窗”或由于受斷層的影響，使上、下含水層之間產生一定的水力聯系時，地下水便會由水位高的含水層流向并補給水位低的含水層。圖1-9為承壓水補給潛水情況；圖1-10為潛水補給承壓水情況。有時上、下含水層之間的隔水層中雖然沒有 “天窗”等通道，但由于隔水層有弱透水能力，這時若兩含水層之間水位相差較大時，也會通過弱透水層進行越流補給。例如，對某一含水層抽水時，另一含水層可以越流補給抽水井，增加井的出水量。

5.人工補給

人工補給包括灌溉水、工業與生活廢水排入地下補給，以及專門為增加地下水量的人工方法補給。利用地表水灌溉農田時，渠道滲漏及田面滲漏常使淺層地下水獲得大量補給，其補給量的大小與灌溉定額 （既每畝地的灌溉量）及灌溉方式有關，對于稻田，用大面積漫灌的形式灌溉，灌溉期對地下水補給量大，可成為地下水的主要補給來源。有些地區利用含水層的透水性排放工業廢水與生活廢水，這就必須考慮地下水遭受污染的問題。有時為了獲得某個工廠企業暫時的經濟效益會破壞很有開采價值的含水層，因此排放廢水時應考慮這個問題。

由于淡水水源不足，而地下水較之地表水有許多優點，因此，常用人工補給方法增加含水層的水量，其辦法是將經過凈化處理的地表水灌入井中或用渠道水塘等儲存地表水并使其逐漸滲入補給地下水，使含水層起到地下水庫的作用。

二、地下水的徑流

地下水由補給區流向排泄區的過程叫做徑流，地下水由補給區流向排泄區的整個過程構成地下水循環的過程。

地下水徑流包括徑流方向、徑流速度與徑流量。

地下水補給區與排泄區的相對位置與高差決定著地下水徑流的方向與徑流速度；補給條件、排泄條件好的含水層，徑流條件好；含水層透水性越強則徑流條件越好。例如山區的沖洪積物，巖石顆粒粗，透水性強，含水層的補給與排泄條件好，山區地勢險峻，地下水的水力坡度大，因此山區的地下水徑流條件好。到了平原區多堆積一些細顆粒物質，地形平緩，水力坡度小，因此徑流條件較差。徑流條件好的含水層其水質較好。此外，地下水的埋藏條件亦決定地下水的徑流類型：潛水屬無壓流動，承壓水屬有壓流動。

三、地下水的排泄

含水層失去水量的過程叫做排泄。含水層通過泉排出地表或補給河流、蒸發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

當含水層含水通道被揭露于地表時，地下水便溢出地表形成泉。泉是地下水的主要排泄形式，山區地形受到強烈的切割，巖石多次遭受褶皺、斷裂，形成地下水流向地表的通道，因而山區常有豐富的泉水。

根據泉出露的原因可以分為以下幾種：

（1）侵蝕泉。溝谷切割揭露含水層形成的泉，圖1-11（a）、（b）為侵蝕下降泉，圖1-11（h）為侵蝕上升泉。

（2）接觸泉。地形切割達到含水層隔水底板時，地下水從兩巖層接觸的地方出露形成泉，圖1-11（c）為接觸下降泉。

（3）溢出泉。當潛水流的前方，透水性急劇變弱，如圖1-11（d）、（g）所示，或有弱透水層阻擋，如圖1-11（f）所示，或隔水底板隆起，如圖111（e）所示，潛水流動受阻而溢出地表形成泉，叫做溢出泉。

（4）斷層泉。承壓含水層受到斷層切割，地下水沿導水斷層上升，在地面高層低于測壓水位處溢出地表形成泉，如圖1-11（i）所示。

通過對泉的研究可以了解補給泉的含水層性質，如泉水的溢出水量反映含水層的富水性，泉水水量隨著時間的變化幅度反映含水層的動態變化，泉水的化學成分反映含水層的水質。此外，由于泉是在一定地質、地形條件配合下產生的，因此泉的出露有助于判斷地質構造條件，如有些線狀排列的上升泉往往與斷層帶的方向一致。

2.向地表水排泄

當地下水位高于河水位時，若河床下面沒有不透水巖層阻隔，那么，地下水可以直接流向河流補給河水，其補給量可以通過對上、下游兩斷面河流流量的測定計算出來。

3.蒸發排泄

蒸發是水由液態變為氣態的過程。地下水，特別是潛水可通過土壤蒸發、植物蒸騰而消耗，成為地下水的一種重要排泄方式，這種排泄亦稱為垂直排泄。

影響地下水蒸發排泄的因素很多，但主要取決于溫度、濕度、風速等自然條件，同時亦受地下水埋藏深度和包氣帶巖性等因素的控制。在干旱內陸地區，地下水蒸發排泄非常強烈，常常是地下水排泄的主要形式。如在新疆超干旱的氣候條件下，不僅埋藏在3～5m內的潛水有強烈的蒸發，而且在7～8m甚至更大的深度內都受到強烈蒸發作用的影響。

蒸發排泄的強度不同，使各地潛水性質有很大差別。如我國南方地區，蒸發量較小，則潛水礦化度普遍不高；而北方大多是干旱或半干旱地區，埋藏較淺的潛水礦化度一般較高。由于潛水不斷蒸發，水中鹽分在土壤中逐漸聚集起來，這是造成蘇北、華北東部、河西走廊、新疆等地大面積土壤鹽堿化的主要原因。

4.上、下含水層之間的排泄作用

水位不一致的上、下含水層，可以通過含水層中間的通道 （如隔水層尖滅的地方 “天窗”或導水斷層等）由高水位含水層排泄補給低水位含水層。