水文学第七章_地下水

⽔⽂学第七章_地下⽔

第七章 地下⽔

华东师范⼤学资源与环境学院地理系 师育新

◆地下⽔是地球⽔资源的重要组成部分，与⼈类社会有着⼗

分密切的关系，是⼈类⽣产⽣活的重要⽔源，同时地下⽔⼜是重要的环境因⼦，对⼀个地区的⽣态环境起着极为重要作⽤。

⼀、地下⽔的形成与分布 （⼀）、地下⽔的概念

◆⼴义地下⽔是指蓄存并运移于地表以下⼟壤和岩⽯空隙中的⾃然⽔. ◆狭义地下⽔则特指潜⽔⾯以下饱和带（饱⽔带）中岩⼟空隙中的重⼒⽔。

（⼆）地下⽔的贮存空间 1．岩⽯的空隙

衡量岩⽯空隙发育程度的数量指标为空隙度。 ◆空隙度是岩⽯中空隙的体积与岩⽯总体积的⽐值。如已知岩⽯的总体积为V ，岩⽯空隙体积为Vn ，则岩⽯的空隙度为：P ＝Vn/V, 以⼩数或百分数表⽰。 将空隙作为地下⽔的储容场所和运动通道研究时，根据空隙的成因，可以分为孔隙、裂隙和溶隙3类。

（1）孔隙

◆松散岩⽯的颗粒或颗粒集合体之间，普遍存在着相互连通，呈⼩孔状的空隙，称作孔隙。它的多少⽤孔隙率表⽰。

◆孔隙率是某⼀岩⽯中孔隙体积所占⽐例。它等于岩⽯中孔隙体积V n 与岩⽯总体积V 之⽐： n=V n /V ⽤百分数或⼩数表⽰。

（2）裂隙

在坚硬岩⽯中充满了各种裂隙。如成岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙等。裂隙的多少⽤岩⽯中裂隙的体积V T 与岩⽯总体积V 之⽐，即裂隙率（K T ）表⽰： K T =V T ／V 。

裂隙发育⾮常不均匀，它对地下⽔的赋存、运动有很⼤影响。 （3）溶隙

发育在易溶岩⽯中，主要由地下⽔的溶蚀作⽤⽽形成。 K k ＝V k ／V

式中：K K ——岩溶率；V k ——岩⽯中溶隙的体积；V ——岩⽯总体积。

岩溶发育极不均匀，⼤者宽达数百⽶，⾼数⼗⽶，长⼏⼗公⾥，如⼀些地下溶洞、暗河，⼩的仅⼏毫⽶。2．含⽔层和隔⽔层

◆含⽔层是指能够给出并透过相当数量⽔的岩体。这类含⽔的岩体⼤都呈层状，所以称为含⽔层，如砂层、砾⽯层等。

◆隔⽔层是指那些既不能给出⼜不能透过⽔的岩层，或者它给出或透过的⽔量都极少。通常可分为⼆类：⼀类是致密岩⽯，其中没有或很少有空隙，很少含⽔也不能透⽔，如某些致密的结晶岩⽯（花岗岩、闪长岩、⽯英岩等）。另⼀种是颗粒细⼩，孔隙度很⼤，但孔隙直径⼩，岩层中含⽔，但存在的⽔绝⼤多数是结合⽔，在常压下不能排出，也不能透⽔。

构成含⽔层，必须具备储⽔空间、储⽔构造和良好的补给来源3个条件。

（三）岩⽯中⽔的存在形式

地下⽔可以固态、⽓态和液态存在。作⽤于地下⽔的主要的⼒有分⼦⼒、⽑细管引⼒和重⼒，它们决定了⼟壤⽔的存在形式和运动。

存在于岩⽯空隙中的⽔通常有下列⼏种形式：1、结合⽔

①吸湿⽔（强结合⽔/吸着⽔）

⼟壤颗粒表⾯的分⼦对⽔分⼦具有很强的吸引⼒(称分⼦⼒)，故⼟壤颗粒表⾯能吸附⼤⽓中的⽔分⼦，则称这部分⽔为吸湿⽔。

吸湿⽔的特点：⼟粒表⾯对它的吸⼒很⼤，紧贴⼟粒的第⼀层⽔分⼦受的吸⼒约1万个⼤⽓压。吸湿⽔具有固态⽔的性质（ ＝1.2—~2.4),因此吸湿⽔不能⾃由移动，也不能被植物所利⽤。②薄膜⽔（弱结合⽔）

指⼟粒表⾯吸湿⽔达到最⼤量后，⼟颗粒剩余的分⼦⼒还能吸附⽔分，在吸湿⽔外表形成的膜状液态⽔。

◆薄膜⽔的特点：主要受分⼦吸⼒作⽤（为31～

6.25⼤⽓压），能以湿润的⽅式，从⽔膜厚处向⽔膜薄处缓慢移动，或从⼟壤湿润的地⽅向⼲燥的地⽅运移；其外层⽔可以被植物根系所吸收；当外⼒⼤于其本⾝的抗剪强度时，不仅能运动，还可传递静⽔压⼒。2、⽑管⽔/⽑细⽔

指依靠⼟壤中⽑细管的吸引⼒⽽被保持在⼟壤孔隙中的⽔分。所受的吸⼒为6.25～0.08⼤⽓压。⽑管⽔可以传递静⽔压⼒，并能被植物根系所吸收。

⽑管⽔按其是否与地下⽔潜⽔⾯有联系⼜分为：

◆⽑管上升⽔/⽑管⽀持⽔

从地下⽔⾯上升由⽑管⼒所吸附⽽存于⼟壤⽑细孔隙中的⽔。故其与地下⽔有⽔⼒联系。在地下⽔⾯以上，⽑管⽔影响到的范围内称作⽀持⽑管带或⽑管⽔活动层，其⾼度⼀般为1～2m。

◆⽑管悬着⽔

由降⽔或灌溉⽔下渗，由于⽑细管引⼒作⽤⽽保持在⼟壤上层空隙中的⽔，其不与地下⽔⾯接触，称为⽑细管悬着⽔。3、重⼒⽔:

◆重⼒⽔是指当⼟壤和岩⽯的空隙为⽔饱和时，受重⼒

作⽤能⾃由移动，并能传递压⼒的那⼀部分⽔分。

因此，重⼒⽔不易保持在⼟壤上层，是形成地下⽔的重要来源。

◆⼤⽓降⽔或地表⽔在下渗途中，遇到局部不透⽔层的

阻挡后，便可暂时聚积⽽成上层滞⽔。

重⼒⽔在下渗过程中，若遇到区域隔⽔层，便会以此隔⽔层为底板，聚集形成具有⾃由⽔⾯的潜⽔。

若重⼒⽔赋存于两个隔⽔层之间并具有压⼒⽔头即成为承压⽔。

图3-3 潜⽔、承压⽔及上层滞⽔1-隔⽔层；2-透⽔层；3-饱⽔部分；4-潜⽔位；5-承压⽔测压⽔位；6-泉（上升泉）；7-⽔井，实线表⽰井壁不进⽔；

a-上层滞⽔；b-潜⽔；c-承压⽔

（四）岩⽯的⽔理性质

◆松散岩⽯存在着孔隙，坚硬岩⽯中有裂隙，易溶岩⽯有孔洞。⽔以不同形式存在于这

些空隙中。

◆⼟壤和岩⽯与⽔分的贮容运移有关的性质统称为⽔理性质。包括容⽔性、持⽔性、

给⽔性、透⽔性等。1 容⽔性指在常压下岩⼟空隙能够容纳⼀定⽔量的性

能。衡量和表⽰岩⽯容⽔性的⼤⼩，常⽤容⽔度（wn

）来表⽰。

◆容⽔度是在⾃然条件下（常温、常压）单位体积的空隙

岩⽯中所能容纳⽔分的最⼤含量。也即是岩⼟容纳⽔的最

⼤体积（vn

）与岩⼟总体积（v）之⽐：w n＝v n / v ×100%

容⽔度数值的⼤⼩取决于岩⼟空隙的多少和连通程度。

在充满⽔的条件下，容⽔度在数值上与孔隙度、裂隙率或岩溶率相等。但对于具有膨胀性的粘⼟来说，充⽔后体积扩⼤，容⽔度可以⼤于孔隙度。2 持⽔性

在重⼒作⽤下，岩⽯依靠分⼦⼒和⽑管⼒在其空隙中保持⼀定⽔量的性质，称为持⽔性，以持⽔度表⽰。在重⼒影响下岩⽯空隙中所能保持的⽔量与岩⽯总体积之⽐，就是岩⽯的持⽔度（wr

） w r＝v r / v ×100%3 给⽔性

在重⼒作⽤下，饱⽔岩⽯能够流出⼀定⽔量的性能，称为岩⽯的给⽔性。流出的⽔的体积与储⽔岩⽯体积之⽐，称为给⽔度（µ）:µ=V g／V×100%，

颗粒较粗的岩⽯给⽔度较⼤，细粒岩⽯给⽔度则很⼩。

岩⼟持⽔度和给⽔度之和等于容⽔度( 或孔隙度n），

即Wn=Wr+µ或n=Wr+µ4 透⽔性

透⽔性就是岩⽯的透⽔性能。岩⽯空隙的⼤⼩、多少和空隙是否彼此连通，对透⽔性有着明显的影响。粘⼟孔隙度有时虽然可达50％以上，但透⽔性很差，砂的孔隙度⼀般只有30％，但孔隙⼤，故透⽔性良好。同⼀岩⽯在不同⽅向上的透⽔性能也不⼀样

⼆地下⽔流系统的基本特征

与地表⽔系相⽐较，地下⽔流系统具有如下的特征：１．空间上的⽴体性

地表上的江河⽔系基本上呈平⾯状态展布；⽽地下⽔流系统往往⾃地表⾯起可直指地下⼏百上千⽶深处，形成空间⽴体分布，并⾃上到下呈现多层次的结构，这是地下⽔流系统与地表⽔系的明显区别之⼀。

２．流线组合的复杂性和不稳定性

地表上的江河⽔系，⼀般均由⼀条主流和若⼲等级的⽀流组合⽽成有规律的河⽹系统；⽽地下⽔流系统则是由众多的流线组合⽽成的复杂的动态系统，在系统内部不仅难以区别主流和⽀流，⽽且具有多变性和不稳定性。

３．流动⽅向上的下降与上升的并存性在重⼒作⽤下，地表江河⽔流总是⾃⾼处流向低处；然⽽地下⽔流⽅向在补给区表现为下降，但在排泄区则往往表现为上升，如图５－２，有的甚⾄形成喷泉。

除上述特点外，地下⽔流系统涉及的区域范围⼀般⽐较⼩。

三、地下⽔的类型

◆按地下⽔的贮存埋藏条件分类

1.包⽓带⽔存在于包⽓带中的地下⽔

结合⽔（分吸湿⽔、薄膜⽔）

⽑管⽔（分⽑管悬着⽔与⽑管上升⽔）

重⼒⽔（分上层滞⽔与渗透重⼒⽔） 2.饱⽔带⽔存在于饱和带中的地下⽔

潜⽔具有⾃由⽔⾯

承压⽔（分⾃流⽔与⾮⾃流⽔）包⽓带与饱⽔带

包⽓带：地⾯以下潜⽔

⾯以上的地带。也称⾮饱和带， 是⼤⽓⽔和地表⽔同地下⽔发⽣联系并进⾏⽔分交换的地带,它是岩⼟颗粒、⽔、空⽓三者同时存在的⼀个复杂系统。包⽓带具有吸收⽔分、保持⽔分和传递⽔分的能⼒。

◆按岩⼟的贮⽔空隙的差异分类

1.孔隙⽔ 在堆积物和岩⽯孔隙中流动的地下⽔

2.裂隙⽔ 在堆积物和岩⽯裂隙中流动的地下⽔

3.岩溶⽔ 存在于可溶性岩⽯孔洞内的地下⽔

分类 孔隙⽔

裂隙⽔

岩溶⽔

包⽓带⽔ 各种松散沉积物中的⼟壤⽔，存在于局部隔⽔层上的季节性重⼒⽔，过路重⼒⽔及悬挂⽑管⽔

裸露裂隙岩层中的季节性重⼒⽔及⽑细⽔ 裸露岩溶化岩层上部岩溶通道中存在的季

节性重⼒⽔ 潜⽔ 各种松散沉积物浅部的⽔

裸露于地表各类裂隙岩层中的⽔ 裸露于地表的岩溶化岩层中的⽔ 承压⽔

松散沉积物构成的⼭间盆地、⾃流斜地及堆积平原深部的⽔

构造盆地、向斜单斜或断裂带裂隙岩层中的⽔

构造盆地、向斜单斜或断裂带岩溶化岩层中的⽔

地下⽔综合分类组合 （⼀）潜⽔（phreatic water ）

◆潜⽔是埋藏在地表下第⼀个稳定隔⽔层上具有⾃由表⾯的重⼒⽔。这个⾃由表⾯就是潜⽔⾯。 ◆从地表到潜⽔⾯的距离称为潜⽔的埋藏深度。 ◆潜⽔⾯以上通常没有隔⽔层，⼤⽓降⽔、凝结⽔或地表⽔可以通过包⽓带补给潜⽔，所以⼤多数情况下，潜⽔的补给区和分布区是⼀致的。

◆潜⽔⾯的位置随补给来源的变化⽽发⽣季节性升降。潜⽔⾯的形状可以是倾斜的、⽔平的或低凹的曲⾯。

1、潜⽔⾯的形状可以⽤潜⽔剖⾯图和潜⽔等⽔位线图来表⽰。

◆潜⽔剖⾯图是在地质剖⾯图上，将已知各点的潜⽔位连接起来⽽成，它可以反映出潜⽔⾯形状与地貌、隔⽔底板及含⽔层岩性的关系等。

◆潜⽔等⽔位线图就是潜⽔⾯的等⾼线图，它是根据潜⽔⾯上各点的⽔位标⾼绘制⽽成的，⼀般绘制在地形图上。

潜⽔等⽔位线图可解决如下问题：1) 确定潜⽔的流向：垂直于潜⽔等⽔位线从⾼⽔位指向低⽔位的⽅向，就是潜⽔的流向。

2) 确定潜⽔⾯的坡度（即潜⽔⽔⼒坡度）：确定潜⽔流向后，在流向⽅向上，任取两点的⽔位⾼差，除以两点间的实际距离，即得潜⽔⾯的坡度。3) 确定潜⽔埋藏深度：将地形等⾼线和潜⽔等⽔位线绘于同⼀张图上时，则等⽔位线与地形等⾼线相交之点，⼆者⾼程之差即为该点的潜⽔埋藏深度。

潜⽔等⽔位线图可解决如下问题：4) 确定潜⽔与地表⽔的关系：在邻近地表⽔的地段编制潜⽔等⽔位线图，并测定地表⽔位标⾼，便可以确定潜⽔与地表⽔的相互补给关系。5) 利⽤等⽔位线图合理布设取⽔井和排⽔沟：为了能最⼤限度的使潜⽔流⼊⽔井和排⽔沟，它们⼀般应沿等⽔位线布设。