维基百科

地下水补给

地下水补给（英语：Groundwater recharge，也可用deep drainage，或是deep percolation来表达）描述水从地表水往下移动，成为地下水的水文过程。这种补给是水进入地下含水层的主要途径。此过程通常发生在植物根部下方的包气带（也称渗流带），通常以流到地下水位（英语：water table）表面的通量来表达。地下水补给也包括越过地下水位，而进入饱和区的部分。[1]补给既以自然方式发生（如雨水透过水循环而进入），也可透过人为方式（如把再生水作“人工补给”）而达成。

水平衡流程图

估算补给率最常用的方法是：氯化物质量平衡法（chloride mass balance method, CMB）、[2]土壤物理学法（soil physics methods）、环境和同位素示踪剂法（environmental and isotopic tracers）、地下水位变动法（groundwater-level fluctuation methods）、水平衡（英语：water balance）（WB）法（包括地下水模型（GMs））以及基本水流（英语：baseflow） (BF)估计法。[3]

过程 编辑

扩散式或集中式机制 编辑

地下水补给可透过扩散，或是集中的机制发生。当降水经土壤渗透进入地下水位时，产生的是扩散补给，根据定义，这种渗透散布在大面积区域中。集中补给由地表水源（河流、湖泊、干谷（干河床）和湿地），或是由地表洼地渗漏进入地下，这种补给方式通常在干旱气候时会更为明显。[3]

自然补给 编辑

 
自然流程中的地下水补给（包含短期及长期），在某些特定地点，补给对地下水位的影响会对含水层的水质有改善，或是恶化的效果。

自然补给主要是通过雨，或是融雪进行，在较小程度上则由地表水（河流和湖泊）进行。人类活动（包括铺路、土地开发或是伐木）会在一定程度上阻碍补给。这些活动会导致表土流失而让水渗透减少、地表径流增加而导致补给减少。使用地下水（特别是用于灌溉），也会降低地下水位。地下水补给是可持续性地下水管理工作中的重要一环，就长期而言，从含水层抽取水的体积率必须小于或等于补给率。

补给有助于把积聚在植物根区的多余盐分转移到更深的地层，或是进入地下水系统。树根可增加地下水的饱和度，而减少径流发生。[4]洪水把河床黏土移往下游，可短暂增加河床的渗透性，提升含水层的补给。[5]

湿地 编辑

湿地有助于维持地下水位，并控制扬程， [6]为地下水补给和向其他水域排放提供动力。湿地对地下水的补给程度取决于土壤、植被、场地、范围与体积比和地下水位梯度。[7]地下水主要是由湿地边缘的矿质土壤获得补给。[8]大多数湿地下方的土壤相对不透水。如果范围与体积比很大（例如在小型湿地），表示水可经相对较大的面积渗透进入地下水。[9]在草原坑洼区（英语：Prairie Pothole Region）等小型湿地中经常有地下水补给发生，可显著促进当地地下水的补给。[9]研究人员发现这些地点中每个季节的地下水补给量可达湿地水量的20%。[9]

人工补给 编辑

增加地下淡水所采用的管理方式包括含水层补给 (MAR) ，所采的策略包括河床渠道改造、岸边过滤（英语：bank filtration）、洒水和建造补给井。[10]:110

由于印度农民过度抽取地下水做灌溉之用，导致地下水源枯竭，人工补给的做法变得日益重要。印度政府在2007年根据国际水管理研究所（英语：International Water Management Institute）的建议，拨款460亿印度卢比（约当2020年的5.8亿美元），资助在7个邦的100个地区中受超额抽水的含水层，进行含水层储存及复原（英语：Aquifer storage and recovery）计划（所建造的是种宽且浅的井，通常井身衬有混凝土）。另一个由地下水补给产生的问题是例如乳牛场、工业和城市径流把废弃物弃置于河流而造成的污染。

由雨雪水径流携带的污染物会在调整池中聚积，这类可降解污染物的聚积可加速生物降解。要达到加速生物降解的目的，对地下水位高的地方或是高的时期，在滞洪池、调整池和雨水花园的设计方面需给予特别注意。

低洼地集中补给 编辑

如果雨雪均匀降在土地上，且未超过土壤的持水能力，则渗透到地下水的数量会非常少。反之，如果在低洼地区形成水坑，相同的水量集中在较小的区域内，会超过土壤持水能力，导致水向下渗透，而发生地下水补给。发生径流的土地面积越大，会导致更多的水进入洼地，渗入的力道会越强。在一个区域内相对不均匀的降水方式，重复在洼地发生的地下水补给，称为“ 低洼地集中补给”，在这种洼地之下的水位会因而上升。

在干旱地区，这种低洼地集中补给成为地下水补给的重要来源。[11]

低洼地集中补给也会大幅影响到污染物进入地下水的机会。这情况在具有喀斯特地质构造的区域尤其令人担忧，因为岩层被水溶解，污水可直接通往含水层或是其他原本与外部不连通的溪流。这种极端形式的水流会加速污染物的输送，又加速对此类通道的侵蚀。原本功能为捕获径流的洼地，随着时间演进而直接连接到地下水层。

低洼地中积水越深，压力越大，迫使水以更快的速度进入地下。更快的径流速度可把原本吸附在土壤上的污染物带走，直接输送到下方已升高的地下水位中，然后进入地下水。因此须对进入渗滤池（英语：infiltration basin）的水质给予特别的注意。

估计补给率方式 编辑

把地下水补给率量化有其难度。[12][3]原因为必须先测量或估计其他相关过程，例如蒸发、蒸散作用（或称蒸发散）和渗透（英语：Infiltration (hydrology)）过程，以确定这些因素间的相互作用。目前并无广泛适用的方式可直接，且准确计算出降水到达地下水位的数量。[3]

最常用于估算补给率的方法有：氯化物质量平衡（CMB）法、土壤物理学法、环境和同位素示踪剂法、地下水位变动法、水平衡（WB）法（包括地下水模型（GMs））以及河流基流 (BF) 法。[3]

对区域的、大陆的和全球的补给估计通常由全球水文模型计算而得。[3]

物理法 编辑

物理法使用土壤物理学原理来估算补给量。直接物理法尝试实际去测量通过植物根区下方的水量。间接物理方法依赖土壤物理学参数做测量或估算，这些参数与土壤物理原理可共同用于估算潜在或实际补给量。经历过几个月没有下雨之后，夏雨型暖湿气候区域的河流水位很低，地下水完全依靠河流补给。因此可根据已知的集水区，再以河流基流计算补给量。

化学法 编辑

化学法使用具有相对惰性的水溶性物质（例如在地下水补给（或称深层排水）时从土壤携的同位素示踪剂[13][14][15]或是氯化物（盐分）[16]做估计，

数值模型 编辑

也可采数值分析估算补给量，使用诸如垃圾掩埋场性能水文评估（英语：Hydrologic Evaluation of Landfill Performance）、UNSAT-H、SHAW模型（Simultaneous Heat and Water Transfer model）、WEAP（英语：WEAP）模型和MIKE SHE（英语：MIKE SHE）模型等计算机程序。也可在网上直接使用一维程式HYDRUS1D（英语：Hydrus (software)）做估计。这些程式通常使用气候和土壤数据来估算补给量，并以某种形式的理查兹方程式（英语：Richards equation）来模拟包气带的地下水流。

影响补给的因素 编辑

气候变化 编辑

参见：气候变化对水循环的影响

本节摘自地下水#Climate change。

气候变化对地下水的最大影响在其导致蒸发散增加，而间接对灌溉用水需求产生影响。[10]:5世界许多地方的地下水储量都在下降，原因是更多的地下水被抽取，用于农业灌溉，特别是在旱地。[17]:1091会导致灌溉用水增加的部分原因是气候变化对水循环产生影响，让问题更为恶化。

气候变化导致水循环发生变化，继而以多种方式影响到地下水：极端天气事件会导致地下水储量下降、地下水补给减少和水质恶化。[18]:558而在热带地区所发生的密集降水和洪水事件似乎又造成更多的地下水补给。[18]:582

但关于气候变化对地下水的确切影响仍在调查之中。[18]:579原因为从地下水监测而得的科学数据仍然不足，例如空间和时间的变化、抽像化数据和“地下水补给以数值显示的过程”。[18]:579

气候变化影响会对地下水储存产生不同的影响：预期更强烈（但次数更少）的降水事件会让许多环境中的地下水补给增加。[10]:104但在更为强烈的干旱期会让土壤更为干燥和压实，而把地下水的渗透能力降低。[19]

城市化 编辑

城市化会进一步影响到地下水补给。研究显示城市地区的补给率可高达农村地区的10倍。[20]此情况可用城市地区比农村地区有更庞大的供水和下水道网络来解释。农村地区的补给基本上仅靠降水达成，[20]与城市地区情况截然不同。城市内的道路网络和基础设施会阻碍地表水渗入土壤，导致大部分地表径流进入雨雪水渠。随着城市化继续扩展到各个地区，地下水补给率会较以前农村时代的有所增加。突然涌入大量地下水补给，会产生的后果之一是暴洪发生。[21]由于地下水补给率增加，生态系统被迫得适应。此外，由于道路的渗透性较土壤为低，地表径流随之增加。因此城市化增加地下水补给率，又减少渗透，[21]而在大雨发生时会容易发生暴洪事件。

负面因素 编辑

参见 编辑

参考文献 编辑

  1. ^ Freeze, R. A., & Cherry, J. A. (1979). Groundwater, 211 pp. Accessed from: http://hydrogeologistswithoutborders.org/wordpress/1979-english/ （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  2. ^ Naranjo, Gema; Cruz-Fuentes, Tatiana. Estimating Natural Recharge by Means of Chloride Mass Balance in a Volcanic Aquifer: Northeastern Gran Canaria (Canary Islands, Spain). Water 2015. 2015-05-27, 7 (6): 2555–2574 [2023-04-04]. doi:10.3390/w7062555. （原始内容存档于2023-04-06）. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 MacDonald, Alan M; Lark, R Murray; Taylor, Richard G; Abiye, Tamiru; Fallas, Helen C; Favreau, Guillaume; Goni, Ibrahim B; Kebede, Seifu; Scanlon, Bridget; Sorensen, James P R; Tijani, Moshood; Upton, Kirsty A; West, Charles. Mapping groundwater recharge in Africa from ground observations and implications for water security. Environmental Research Letters. 2021-03-01, 16 (3): 034012 [2023-09-01]. Bibcode:2021ERL....16c4012M. ISSN 1748-9326. S2CID 233941479. doi:10.1088/1748-9326/abd661. （原始内容存档于2023-04-03）.   Text was copied from this source, which is available under a Creative Commons Attribution 4.0 International License （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  4. ^ Urban Trees Enhance Water Infiltration. Fisher, Madeline. The American Society of Agronomy. 2008-11-17 [2012-10-31]. （原始内容存档于2013-06-02）. 
  5. ^ Major floods recharge aquifers. University of New South Wales Science. 2011-01-24 [2012-10-31]. （原始内容存档于2013-05-15）. 
  6. ^ O'Brien 1988; Winter 1988
  7. ^ (Carter and Novitzki 1988; Weller 1981)
  8. ^ Verry and Timmons 1982
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 (Weller 1981)
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 United Nations (2022) The United Nations World Water Development Report 2022: Groundwater: Making the invisible visible （页面存档备份，存于互联网档案馆）. UNESCO, Paris   Text was copied from this source, which is available under a Creative Commons Attribution 3.0 International License
  11. ^ Seddon, David; Kashaigili, Japhet J. Journal of Hydrology: Regional Studies. October 2021,. Journal of Hydrology: Regional Studies. doi:10.1016/j.ejrh.2021.100919.  缺少或|title=为空 (帮助)
  12. ^ Reilly, Thomas E.; LaBaugh, James W.; Healy, Richard W.; Alley, William M. Flow and Storage in Groundwater Systems. Science. 2002-06-14, 296 (5575): 1985–1990. Bibcode:2002Sci...296.1985A. ISSN 0036-8075. PMID 12065826. S2CID 39943677. doi:10.1126/science.1067123 （英语）. 
  13. ^ Gat, J. R. Oxygen and Hydrogen Isotopes in the Hydrologic Cycle. Annual Review of Earth and Planetary Sciences. May 1996, 24 (1): 225–262 [2023-09-01]. Bibcode:1996AREPS..24..225G. ISSN 0084-6597. doi:10.1146/annurev.earth.24.1.225. （原始内容存档于2023-12-15） （英语）. 
  14. ^ Jasechko, Scott. Global Isotope Hydrogeology―Review. Reviews of Geophysics. September 2019, 57 (3): 835–965. Bibcode:2019RvGeo..57..835J. ISSN 8755-1209. S2CID 155563380. doi:10.1029/2018RG000627 （英语）. 
  15. ^ Stahl, Mason O.; Gehring, Jaclyn; Jameel, Yusuf. Isotopic variation in groundwater across the conterminous United States – Insight into hydrologic processes. Hydrological Processes. 2020-07-30, 34 (16): 3506–3523 [2023-09-01]. Bibcode:2020HyPr...34.3506S. ISSN 0885-6087. S2CID 219743798. doi:10.1002/hyp.13832. （原始内容存档于2022-11-10） （英语）. 
  16. ^ Allison, G.B.; Hughes, M.W. The use of environmental chloride and tritium to estimate total recharge to an unconfined aquifer. Australian Journal of Soil Research. 1978, 16 (2): 181–195. doi:10.1071/SR9780181. 
  17. ^ Douville, H., K. Raghavan, J. Renwick, R.P. Allan, P.A. Arias, M. Barlow, R. Cerezo-Mota, A. Cherchi, T.Y. Gan, J. Gergis, D. Jiang, A. Khan, W. Pokam Mba, D. Rosenfeld, J. Tierney, and O. Zolina, 2021: Chapter 8: Water Cycle Changes （页面存档备份，存于互联网档案馆）. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change （页面存档备份，存于互联网档案馆） [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 1055–1210, doi:10.1017/9781009157896.010.
  18. ^ 18.0 18.1 18.2 18.3 Caretta, M.A., A. Mukherji, M. Arfanuzzaman, R.A. Betts, A. Gelfan, Y. Hirabayashi, T.K. Lissner, J. Liu, E. Lopez Gunn, R. Morgan, S. Mwanga, and S. Supratid, 2022: Chapter 4: Water （页面存档备份，存于互联网档案馆）. In: Climate Change 2022: Impacts, Adaptation and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change （页面存档备份，存于互联网档案馆） [H.-O. Pörtner, D.C. Roberts, M. Tignor, E.S. Poloczanska, K. Mintenbeck, A. Alegría, M. Craig, S. Langsdorf, S. Löschke, V. Möller, A. Okem, B. Rama (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA, pp. 551–712, doi:10.1017/9781009325844.006.
  19. ^ IAH (2019) CLIMATE-CHANGE ADAPTATION & GROUNDWATER （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Strategic Overview Series
  20. ^ 20.0 20.1 Groundwater depletion. USGS Water Science School. United States Geological Survey. 2016-12-09 [2023-09-01]. （原始内容存档于2019-03-21）. 
  21. ^ 21.0 21.1 Effects of Urban Development on Floods. pubs.usgs.gov. [2019-03-22]. （原始内容存档于2023-11-18）. 

Template:Agricultural water management

取自“https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=地下水補給&oldid=80208781”