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地下水的基本知識(shí)

地下水的概念

地下水是指以各種形式埋藏在地殼空隙中的水，包括包氣帶和飽水帶中的水。 地下水也是參于自然界水循環(huán)過(guò)程中處于地下隱伏徑流階段的循環(huán)水。

地下水是儲(chǔ)存和運(yùn)動(dòng)于巖石和土壤空隙中的水，那么地下水必然要受到地質(zhì)條件 的控制。地質(zhì)條件包括巖石性質(zhì)、空隙類型與連通性、地質(zhì)地貌特征、地質(zhì)歷史等。

地下水環(huán)境是地質(zhì)環(huán)境的組成部分，它是指地下水的物理性質(zhì)、化學(xué)成分和貯 存空間及其由于自然地質(zhì)作用和人類工程——經(jīng)濟(jì)活動(dòng)作用下所形成的狀態(tài)總和。

地下水的埋藏條件

巖石和土體空隙既是地下水的儲(chǔ)存場(chǎng)所，又是運(yùn)移通道?？障兜拇笮　⒍嗌?、 連通性、充填程度及其分布規(guī)律決定著地下水埋藏條件。根據(jù)成因可把空隙區(qū)分為 孔隙、裂隙與溶隙三種，并可把巖層劃分為孔隙巖層（松散沉積物、砂巖等）、裂 隙巖層（非可溶性的堅(jiān)硬巖層）與可溶巖層（可溶性的堅(jiān)硬巖石）?？紫稁r層中的 空隙分布比裂隙可溶巖層均勻，溶隙一般比孔隙、裂隙巖層中的空隙規(guī)模大。這三 種空隙的大小分別以孔隙度、裂隙率與巖溶率表示，即某一體積巖石中孔隙、裂隙 和溶隙體積與巖石總體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示。

巖石空隙中存在著各種形式的水，按其物理性質(zhì)可分為氣態(tài)水、吸著水、薄膜 水、毛細(xì)水、重力水和固態(tài)水。此外，還有存在于礦物晶體內(nèi)部及其間的沸石水、 結(jié)晶水與結(jié)構(gòu)水。水文地質(zhì)學(xué)所研究的主要對(duì)象是飽和帶的重力水，即在重力作用 支配下運(yùn)動(dòng)的地下水。

巖石空隙是地下水儲(chǔ)存場(chǎng)所和運(yùn)動(dòng)通道。空隙的多少、大小、形狀、連通情況 和分布規(guī)律，對(duì)地下水的分布和運(yùn)動(dòng)具有重要影響。將巖石空隙作為地下水儲(chǔ)存場(chǎng) 所和運(yùn)動(dòng)通道研究時(shí)，可分為三類，即：松散巖石中的孔隙，堅(jiān)硬巖石中的裂隙和 可溶巖石中的溶穴。

孔隙。松散巖石是由大小不等的顆粒組成的。顆?；蝾w粒集合體之間的空 隙，稱為孔隙。巖石中孔隙體積的多少是影響其儲(chǔ)容地下水能力大小的重要因素。 孔隙體積的多少可用孔隙度表示?？紫抖仁侵改骋惑w積巖石（包括孔隙在內(nèi)）中孔 隙體積所占的比例。

由于多孔介質(zhì)中并非所有的孔隙都是連通的，于是人們提出了有效孔隙度的概 念。有效孔隙度為重力水流動(dòng)的孔隙體積（不包括結(jié)合水占據(jù)的空間）與巖石體積 之比。顯然，有效孔隙度小于孔隙度。

松散巖石中的孔隙分布于顆粒之間，連通良好，分布均勻，在不同方向上，孔 隙通道的大小和多少都很接近。賦存于其中的地下水分布與流動(dòng)都比較均勻。

裂隙。固結(jié)的堅(jiān)硬巖石，包括沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖，一般不存在或只 保留一部分顆粒之間的孔隙，而主要發(fā)育各種應(yīng)力作用下巖石破裂變形產(chǎn)生的裂 隙。按裂隙的成因可分成巖裂隙、構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙。

成巖裂隙是巖石在成巖過(guò)程中由于冷凝收縮（巖衆(zhòng)巖）或固結(jié)干縮（沉積巖） 而產(chǎn)生的。巖漿巖中成巖裂隙比較發(fā)育，尤以玄武巖中柱狀節(jié)理最有意義。構(gòu)造裂 隙是巖石在構(gòu)造變動(dòng)中受力而產(chǎn)生的。這種裂隙具有方向性，大小懸殊（由隱蔽的 節(jié)理到大斷層），分布不均一。風(fēng)化裂隙是風(fēng)化營(yíng)力作用下，巖石破壞產(chǎn)生的裂隙， 主要分布在地表附近。

裂隙的多少以裂隙率表示。裂隙率(K)是裂隙體積（R)與包括裂隙在內(nèi)的 巖石體積（K)的比值，即或(V/F) 100%。除了這種體積裂隙率，還 可用面裂隙率或線裂隙率說(shuō)明裂隙的多少。野外研究裂隙時(shí)，應(yīng)注意測(cè)定裂隙的方 向、寬度、延伸長(zhǎng)度、充填情況等，因?yàn)檫@些都對(duì)地下水的運(yùn)動(dòng)具有重要影響。

堅(jiān)硬基巖的裂隙是寬窄不等，長(zhǎng)度有限的線狀縫隙，往往具有一定的方向性。 只有當(dāng)不同方向的裂隙相互穿切連通時(shí)，才在某一范圍內(nèi)構(gòu)成彼此連通的裂隙網(wǎng) 絡(luò)。裂隙的連通性遠(yuǎn)較孔隙為差。因此，賦存于裂隙基巖中的地下水相互聯(lián)系較差。 分布與流動(dòng)往往是不均勻的。

溶穴?？扇艿某练e巖，如巖鹽、石膏、石灰?guī)r和白云巖等，在地下水溶蝕 下會(huì)產(chǎn)生空洞，這種空隙稱為溶穴（隙）。溶穴的體積(Vk)與包括溶穴在內(nèi)的巖 石體積（F)的比值即為巖溶率（&),即尤k=Fk/F或A：k= ( Vk/V) 100%。

溶的規(guī)模懸殊，大的溶洞可寬達(dá)數(shù)十米，高數(shù)十乃至百余米，長(zhǎng)達(dá)幾至幾十 公里，而小的溶孔直徑僅幾毫米。巖溶發(fā)育帶巖溶率可達(dá)百分之幾十，而其附近巖 石的巖溶率幾乎為零。

可溶巖石的溶穴是一部分原有裂隙與原生孔縫溶蝕擴(kuò)大而成的，空隙大小懸殊 且分布極不均勻。因此，賦存于可溶巖石中的地下水分布與流動(dòng)通常極不均勻。

3.包氣帶和飽水帶

地表以下一定深度，巖石中的空隙被重力水所充滿，形成地下水面。地表與潛 水面之間的地帶稱為包氣帶；地下水面以下，土層或巖層的空隙全部被水充滿的地 帶稱為飽水帶（圖3-19)。在包氣帶中，空隙壁面吸附有結(jié)合水，細(xì)小空隙中含有 毛細(xì)水，未被液態(tài)水占據(jù)的空隙包含空氣及氣態(tài)水，空隙中的水超過(guò)吸附力和毛細(xì) 力所能支持的量時(shí)，空隙中的水便以過(guò)重力水的形式向下運(yùn)動(dòng)。上述以各種形式存 在于包氣帶中的水統(tǒng)稱為包氣帶水。包氣帶水來(lái)源于大氣降水的入滲，地表水體的 滲漏，由地下水面通過(guò)毛細(xì)上升輸送的水，以及地下水蒸發(fā)形成的氣態(tài)水。

土壤水帶

中間帶

毛細(xì)水帶

地下水面

圖3-19地下水分帶

4.含水層、隔水層與弱透水層

巖石中含有各種狀態(tài)的地下水，由于各類巖石的水力性質(zhì)不同，可將各類巖石 層劃分為含水層、隔水層和弱透水層。

含水層：指能夠給出并透過(guò)相當(dāng)數(shù)量重力水的巖層或土層。構(gòu)成含水層的條件， 一是巖石中要有空隙存在，并充滿足夠數(shù)量的重力水；二是這些重力水能夠在巖石

空隙中自由運(yùn)動(dòng)。

含水層一般分為承壓含水層、潛水含水層。承壓含水層是指充滿于上下兩個(gè)隔 水層之間的地下水，其承受壓力大于大氣壓力。潛水含水層是指地表以下，第一個(gè) 穩(wěn)定隔水層以上具有自由水面的地下水。在承壓含水層強(qiáng)抽水形成的漏斗區(qū)域，或 地形切割嚴(yán)重的區(qū)域，有時(shí)承壓水水頭下降至承壓含水層的隔水頂板之下，這部分 承壓水就變成了無(wú)壓水，通常將這樣的含水層稱為無(wú)壓一承壓含水層。

隔水層：指不能給出并透過(guò)水的巖層、土層，如黏土、致密的巖層等。

含水層和隔水層是相對(duì)概念，有些巖層也給出與透過(guò)一定數(shù)量的水，介于含水 層與隔水層之間，于是有人提出了弱透水層（弱含水層）的概念。

弱透水層（弱含水層）：所謂弱透水層是指那些滲透性相當(dāng)差的巖層，在一般 的供排水中它們所能提供的水量微不足道，似乎可以看作隔水層；但是，在發(fā)生越 流時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)水流的水力梯度大且發(fā)生滲透的過(guò)水?dāng)嗝婧艽螅ǖ扔谌跬杆畬臃植?范圍），因此，相鄰含水層通過(guò)弱透水層交換的水量相當(dāng)大，這時(shí)把它稱作隔水層 就不合適了。松散沉積物中的黏性土，堅(jiān)硬基巖中裂隙稀少而狹小的巖層（如砂質(zhì) 頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖等）都可以歸入弱透水層之列。

嚴(yán)格地說(shuō)，自然界中并不存在絕對(duì)不發(fā)生滲透的巖層，只不過(guò)某些巖層（如缺 少裂隙的致密結(jié)晶巖）的滲透性特別低罷了。從這個(gè)角度說(shuō)，巖層之是否透水（即 地下水在其中是否發(fā)生具有實(shí)際意義的運(yùn)移）還取決于時(shí)間尺度。當(dāng)我們所研究的 某些水文地質(zhì)過(guò)程涉及的時(shí)間尺度相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)，任何巖層都可視為可滲透的。諾曼與 威瑟斯龐（Neuman and Witherspoon, 1969)曾經(jīng)指出，有5個(gè)含水層被4個(gè)弱透 水層所阻隔，當(dāng)在含水層3中抽水時(shí)，短期內(nèi)相鄰的含水層2與4的水位均未變動(dòng) (圖3-20)。圖中所示a的范圍構(gòu)成一個(gè)有水力聯(lián)系的單元。但當(dāng)抽水持續(xù)時(shí)，最終 影響將波及圖中b所示范圍，這時(shí)5個(gè)含水層與4個(gè)弱透水層構(gòu)成一個(gè)發(fā)生統(tǒng)一水 力聯(lián)系的單元。這個(gè)例子雖然涉及的是弱透水層，但對(duì)典型的隔水層同樣適用。

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