微专题|地下水

地下水(ground water)，是指赋存于地面以下岩石空隙中的水，狭义上是指地下水面以下饱和含水层中的水。在国家标准《水文地质术语》(GB/T 14157-93）中，地下水是指埋藏在地表以下各种形式的重力水。

目录：

一、地下水的来源和赋存形式

1. 地下水的来源

2. 岩石中的孔隙和水分

3. 岩石中水存在的形式

4. 与水分的储存和运移有关的岩石性质

二、地下水及其分类

1. 基本概念

2. 地下水分类

三、包气带、饱水带、含水层与隔水层

1. 基本概念

2. 含水层类型划分

3. 上层滞水和潜水

4. 层间水（承压水）

5. 潜水和承压水（层间水）比较

01

地下水的来源和赋存形式

一

地下水的来源

1. 渗入水

2. 沉积水

3. 再生水

4. 初生水

5. 有机成因水

二

岩石中的孔隙和水分

1. 岩石中的孔隙：孔隙、裂隙和溶孔

2. 有关孔隙度的几个基本概念

• 孔隙：组成松散岩石颗粒或颗粒集合体之间的间隙；

• 裂隙：应力作用下坚硬岩石破裂变形产生的。可分为成岩裂隙、构造裂隙和 风化裂隙；

• 溶孔（洞）：可溶的沉积岩在地下水溶蚀下产生的空洞；

• 孔隙度Φ：某一体积V岩石中孔隙体积Vn所占比例

Φ=Vn/V

• 裂隙率Kr：裂隙体积Vr与包括裂隙在内的岩石体积V的比值

Kr=Vr/V

• 熔岩率K：溶洞的体积Vk与岩石总体积V的比值

K=Vk/V

3. 影响孔隙度大小的因素

• 颗粒的排列方式：立方体排列紧密，孔隙度大；四面体排列，松散，孔隙度大;

• 颗粒分选程度：分选好，孔隙度大；分选差，颗粒大小悬殊，细小颗粒充填于粗大颗粒之间，孔隙度降低;

• 颗粒形状：颗粒形状不规则--排列松散--孔隙度大 粘性土的结构和次生孔隙：带电粘粒--聚合--结构孔隙--孔隙度增大--次生孔隙（虫洞、根孔、干裂缝）发育--孔隙度增大。

孔隙的特点

4. 岩石中的各种裂隙

三

岩石中水存在的形式

1. 气态水：以水蒸气的形式储存在地下的水；

2. 固态水：指岩石中温度在0℃以下的重力水。即以冰的形态出现的重力水，常分布在季节性和永久性结冰的地区；

3. 结合水：指受固体表面的引力大于水分子自身重力，束缚于固态表面，不能在自身重力影响想运动的那部分水。

• 强结合水：以单独的水分子状包围在岩石颗粒表面的水。

特点：

A. 水分子排列紧密，不能流动；

B. 密度大，2.0,在零下78℃时尚不能结冰；

C. 没有溶解能力，不能溶解盐类；

D. 不受重力作用，不传递导静水压力，不导电；

E. 很难用机械的方法把它与颗粒分开，只有当空气中饱和差很大或105℃才能将他们分开；

F. 具有极大的粘滞性和弹性。

• 弱结合水（薄膜水）：结合水的外层，由于分子力而粘附在岩土颗粒上的 水。在饱水带中，能传递静水压力，静水压力大于结合水的抗剪强度时能够运移。

特点：

A.水分子排列不如结合水规则和紧密，水分子离岩石颗粒表面越远，结 合力越小；

B.外层被植物吸收利用；

C.不受重力支配，不能导电、不能传递静水压力；

D.密度和普通水差不多，具有极大的粘滞性；

E.有较低的溶解岩能力。

4. 重力水（自由水）：在重力作用下能自由运动的地下水称为重力水。

特点：内层重力--层流运动--外层重力水--易转为紊流运动

5. 毛细水：在岩石毛细孔隙中或孔道狭窄部分的水。

毛细水类型：

• 支持毛细水：地下水面支持下存在的（附着水面上的），随地下水升降而升降；

• 悬挂毛细水：是细粒层次与粗粒层次交互成层时，在一定条件下，由于上下弯液面毛细力的作用，在细土层中保留下的与地下水面不相连接的毛细水；

支持毛细水和悬挂毛细水

• 孔角毛细水：是悬留于包气带中颗粒接触点上毛细水。

  
  

6. 岩石骨架中的水：保存于矿物结晶格架中，已成为矿物组成部分的水。

岩石骨架中的水分类：

• 结晶水：当矿物中的水组成比例固定不对称结晶水。

  如石膏（)、芒硝();

• 费石水：当所含水比例可变且易脱出时称费石水。

  如蛋白质（） 、方沸石();

• 结构水：以OH或H的形成参与矿物组合，彼此结合紧密。只有当矿物结构 破坏后，并加热到400℃至500℃时才能分离出来的，这种水成为结构水。 如水铝石（） 、白云母（）。

四

与水分的储存和运移有关的岩石性质

1. 基本概念

• 容水度：指岩石完全饱水时，所容纳的最大的水体积与岩石总体积比值。一般说来容水数值上与孔隙度相当。孔隙体积的多少可用孔隙来表示；

• 重量含水量（Wg）：指松散岩石孔隙中所含水的重量（Gw）与干燥岩石重量（Gs）的比值。Wg=Gw/Gs*100%;

• 体积含水量（Wv）：指含水的体积（Vw）与包括孔隙在内的岩石体积（V）比值。Wv=Vw/V*100%;

• 持水度（Wn）：指饱和岩石在重力作用下释水后，岩石中保持的水的体积与岩石体积之比。Wn=岩石保持水的体积（Vr）/岩石的总体积（V）*100%;

• 给水度：指地下水位下降一个深度，单位水平面积岩石柱体在重力作用下释放的水的体积。

2. 影响岩石给水度的因素：

水位下降速率大--给水度小（释水滞后效应）

3. 影响岩石透水度的因素：

• 决定透水性好坏的主要因素是空隙大小，空隙直径愈小，透水性愈差。

• 当孔隙直径小于两倍结合水厚度时，在寻常条件下就不透水。

• 只有在孔隙大小相等的前提下，孔隙度才对岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。

02

地下水及其分类

一

基本概念

1. 广义地下水：赋存于地面以下岩石孔隙中的水；

2. 狭义地下水：赋存于饱水带岩石孔隙中的水；

3. 地下水埋藏条件：含水岩层在地质剖面中所处的部位及受隔水层限制的情况下。

二

地下水分类

1. 按埋藏条件可分：

• 上层滞水

• 潜水

• 承压水（层间水）

03

包气带、饱水带、含水层与隔水层

一

基本概念

1. 包气带：地下水面以上，分为土壤水带、中间带和毛细水带；

2. 饱水带：地下水面以下；

3. 含水层：起着阻隔水透过作用的细小的岩层，称为隔水层；孔隙细小的岩层（如致密黏土、页岩）含的几乎是结合水，结合水在寻常条件下是不能移动吃的，这类岩层。

4. 隔水层：起着阻隔水透过作用的细小的岩层，称为隔水层。空隙细小的岩层（如致密黏土、页岩）含的几乎是结合水，结合水在寻常条件下是不能移动的，这类岩层实际上起着阻隔水透过的作用，所以是隔水层。

二

含水层类型划分

三

上层滞水和潜水

1. 上层滞水：当包气带中存在局部隔水层时，在局部隔水层上积聚具有自由水面的自由水。

上层滞水、潜水和层间层

1.隔水层；2.透水层；3.饱水部分；4.潜水面；5.层间水测试面；6.泉（上升泉）；7.井水.实线表示井壁不进水；a.上层潜水；b.潜水；c.层间水

2. 潜水：饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水称为潜水。潜水没有隔水顶板，或只有局部的隔水顶板。

3. 潜水面：潜水的水面为自由水面，称为潜水面。

• 从潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层厚度（H）;

• 潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层厚度（T）。

• 潜水流动方向：潜水通常在重力作用下由水头高的地方向水头低的地方径流；

1.砂；2.含水砂；3.黏土；4.泉；h.潜水厚度；aa.潜水面；bb.隔水底板

4. 潜水的排泄方式

• 径流排泄：径流到适当地形处，以泉、渗流等形式泄出地表或汇入地表水。

• 蒸发排泄：通过包气带入大气。

5. 潜水面的变化

潜水直接通过包气带与大气圈及地表水圈发生联系。所以气象、水文因素的变动对它的影响比较明显。

• 丰水季节（年份）：补给量>排泄量，则潜水面上升，含水厚度上升，埋藏深度变浅；

• 干旱季节：排泄量>补给量，潜水面下降，含水层厚度变薄，埋藏深度加大。因此，潜水的动态有明显的的季节性的变化。

6. 潜水面的形状

可以是水平、倾斜、抛物线或各种形状组合。最常见的潜水面形状为倾斜的曲面。受重力影响，潜水由潜水面高出向低处渗流形成“潜水流”（或称潜流），向地处的低凹地区（如河谷、冲沟）等排泄。

7. 潜水面的表示方法

• 剖面图：按一定比例，在有代表性的剖面线上绘制的水文地质剖面图，其中，应表示出潜水位、含水层、隔水层厚度、岩性及其变化等。

根据等水头线图求潜水流向及水力梯度

1.砂；2.含水砂；3.黏土；4.泉；h.潜水厚度；aa.潜水面；bb.隔水底板

• 平面图：即潜水势（头）和潜水等水势（头）线图

• 潜水等水势（头）线图的用途：

A. 确定潜水流向

B. 确定水力坡度

水力坡度是指指单位渗透途径（水平距离）上的水头损失。或者说，水力坡度是沿渗透途径的水头降与渗透途径长度的比值：

I=H/I

I--水力坡度，无因次量

H--渗透途径上两点的水位差（或落差）

I--渗透途径上两点的水平距离

8. 潜水流量和流速的测定

自然界中潜水运动缓慢，一般作层流运动，其运动规律服从达西定律，即潜水的运动速度与水力坡度成正比。

V=IK

V--渗流速度，cm/s或m/d

I--水力坡度，无因次量

K--渗透系数，cm/s或m/d

渗透系数取决于岩性、流体性质（密度、粘度）、外界条件（温度、压力）

四

层间水（承压水）

1.隔水层；2.含水层；3.地下水测试面；4.地下水流向；5.泉（上升泉）;6.钻孔（虚线部分为进水部分）7.自喷孔；8.大气降水补给；H.与含水层顶面压力相当的高度；M.含水层

1. 层间水（承压水）

特点：

• 有稳定的隔水顶板和底板，没有自由水面，水体承受净水压力；

• 与外界联系较差，水位、水量、水质等受气候因素的影响较小，富水性好的承压含水是理想的供水水源；

• 具有补给区、承压企业区和排泄区；

• 地下水体充满整个含水层，否则是潜水。

2. 最适宜形成承压水的两种地质构造

• 向斜盆地

• 单斜地层

A. 透水层和隔水层相间分布的承压斜地

B. 含水层发生变相或尖灭形成的承压斜地

C. 含水层被断层所阻形成承压斜地

D. 侵入体阻截承压斜地

3. 水头

• 正水头：测压水位高于该点的地形高层；

• 负水头：测压水位低于该点的地形高层。

A.补给区 B.承压区 C.排泄区 a.潜水区 b.自流水区

五

潜水和承压水（层间水）比较