自然地理學(xué)水文

自然地理學(xué)水文第一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四節(jié)地下水（groundwater）一、

地下水概述

地下水，就是埋藏在地面以下，土壤、巖石空隙中的各種狀態(tài)的水。地下水包括氣體狀態(tài)、固體狀態(tài)、液體狀態(tài)等形態(tài)。而液體狀態(tài)的地下水又可分為潤(rùn)濕狀態(tài)、薄膜狀態(tài)、毛細(xì)管狀態(tài)和自由重力狀態(tài)等。各種狀態(tài)的地下水是彼此互相聯(lián)系的，并在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化。

第二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

地下水是河流補(bǔ)給來(lái)源之一；積極參與水循環(huán)；是人類一項(xiàng)寶貴的自然資源，它可直接作為都市給水、灌溉用水、工礦業(yè)用水的水源；在某些地區(qū)，深層地下水含有較高的礦物質(zhì)成分，如食鹽、芒硝、鉀鹽、碘、演等，可以提煉作為化學(xué)工業(yè)的原料；有些礦泉具有醫(yī)療上的作用；地下熱水又可利用來(lái)發(fā)電；地下水對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)也有很大影響，如地下水水位過(guò)高易產(chǎn)生鹽漬化，不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)；地下水還往往能導(dǎo)致局部的動(dòng)力地質(zhì)地貌現(xiàn)象，如山崩、滑塌、陷穴、溶洞等，對(duì)廠房建筑、水利、交通建設(shè)等都有極大的影響，若過(guò)量的開采和不合理利用地下水，則會(huì)造成地面沉降，地下水源遭受污染等。

第三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二1．地下水的蓄水構(gòu)造

地下水的蓄水構(gòu)造，是指由透水巖層與隔水層相互結(jié)合而構(gòu)成的能夠富集和貯存地下水的地質(zhì)構(gòu)造體。一個(gè)蓄水構(gòu)造體需具備以下3個(gè)基本條件：第一，要有透水的巖層或巖體所構(gòu)成的蓄水空間；第二，有相對(duì)的隔水巖層或巖體構(gòu)成的隔水邊界；第三，具有透水邊界，補(bǔ)給水源和排泄出路。(一)地下水的蓄水構(gòu)造與巖石的水理性質(zhì)

第十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二不同的蓄水構(gòu)造，對(duì)含水層的埋藏及地下水的補(bǔ)給水量、水質(zhì)均有很大的影響。尤其在堅(jiān)硬巖層分布區(qū)，首先要查明蓄水構(gòu)造，才能找到比較理想的地下水源。這類蓄水構(gòu)造主要有：?jiǎn)涡毙钏畼?gòu)造、背斜蓄水構(gòu)造、向斜蓄水構(gòu)造、斷裂型蓄水構(gòu)造、喀斯特（巖溶）型蓄水構(gòu)造等。也有根據(jù)沉積物的成因類型、空間分布及水源條件，區(qū)分為山前沖洪積型蓄水構(gòu)造、河床沖積型蓄水構(gòu)造、湖盆沉積型蓄水構(gòu)造等。

第十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.巖石的水理性質(zhì)巖石與水的貯容、運(yùn)移等有關(guān)的性質(zhì)，稱為巖石的水理性質(zhì)。它主要包括容水性、持水性、給水性和透水性等。第十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（l）容水性：指在常壓下巖土空隙能夠容納一定水量的性能。衡量和表示巖石容水性的大小，常用容水度（wn）來(lái)表示。容水度是在自然條件下（常溫、常壓）單位體積的空隙巖石中所能容納水分的最大含量。也即是巖土容納水的最大體積（vn）與巖土總體積（v）之比：wn＝vn/×100%。容水度數(shù)值的大小取決于巖土空隙的多少和連通程度。在充滿水的條件下，容水度在數(shù)值上與孔隙度、裂隙率或巖溶率相等。但對(duì)于具有膨脹性的粘土來(lái)說(shuō)，充水后體積擴(kuò)大，容水度可以大于孔隙度。

2.巖石的水理性質(zhì)第十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）持水性

是指在巖土引力超過(guò)了重力作用情況下，能保持一定水量的性能。它是在附著力和毛細(xì)管力超過(guò)了重力作用的結(jié)果。這種水是非重力水，也就是吸著水、薄膜水和毛管水。持水性在數(shù)量上用持水度（wr）表示。持水度是巖土在重力水排出后所保持的水體積（vr）與巖土總體積（v）之比。即：wr二vr/v×100%。持水度的大小取決于巖土顆粒的大小和裂隙面接近的程度?？梢哉f(shuō)，持水度與巖土顆粒大小成反比，而與裂隙面接近程度成正比，與顆粒表面積成正比。

第十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（3）給水性

是指在重力作用下，飽水巖土能夠自由流出一定水量的性能。它是在重力作用超過(guò)了附著力和毛細(xì)管力作用的結(jié)果，流出的水就是重力水。當(dāng)巖土孔隙完全被水充滿時(shí)，稱為飽水巖土。巖土給水性能的大小，可用給水度（u）來(lái)衡量。給水度是從飽水巖土中流出的水體積（vg）同巖土體積（v）之比。即u=vg/v×100%。給水性的大小的決定因素與持水性相同，但它們的數(shù)值是互為相反的，即給水性與巖土顆粒大小成正比，而與裂隙面接近程度成反比。第十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（4）透水性：是指在一定條件下，巖土本身能使水透過(guò)的性能。透水性主要取決于孔隙的大小和連通性，其次是孔隙的多少。例如，粘土的孔隙度很大，但孔隙直徑很小，使水難通過(guò)。透水性的好壞只是相對(duì)而言。透水性的好壞，決定著水的運(yùn)動(dòng)速度。一般透水性好，給水性也好。但給水性的研究，是為解決動(dòng)儲(chǔ)量測(cè)題的，而透水性的研究則是解決靜儲(chǔ)量的。第十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二(二)地下水的來(lái)源地下水的來(lái)源主要有三方面：

（1）滲透水大氣降水和地表水下滲土壤巖石的孔隙中而成為地下水，這是最主要的一個(gè)方面。

（2）凝結(jié)水大氣中的水汽，在空中水汽壓大于地下水汽壓時(shí)，水汽流入地下，在土壤、巖石的孔隙中直接凝結(jié)而成地下水。這種水在沙漠地區(qū)可較為明顯地看出，有的地方凝結(jié)量竟然可達(dá)到當(dāng)?shù)氐牡叵滤康?0%。

（3）巖漿逸出水巖漿中分離出來(lái)的氣體化合而成地下水。當(dāng)然，這種水的水量是很少的。第十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（三）地下水流系統(tǒng)地下水雖然埋藏于地下，難以用肉眼觀察，但它像地表上河流、湖泊一樣，存在集水區(qū)域，在同一集水區(qū)域內(nèi)的地下水流，構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的地下水流系統(tǒng)。第十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二1．地下水流系統(tǒng)的基本特征

在一定的水文地質(zhì)條件下，匯集于某一排泄區(qū)的全部水流，自成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的地下水流系統(tǒng)。處于同一水流系統(tǒng)的地下水，往往具有相同的補(bǔ)給來(lái)源，相互之間存在密切的水力聯(lián)系，形成相對(duì)統(tǒng)一的整體，而屬于不同地下水流系統(tǒng)的地下水，則指向不同的排泄區(qū)，相互之間沒(méi)有或只有極微弱的水力聯(lián)系。地下水流系統(tǒng)與地表水系相比，具有如下的特征：

第二十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（l）空間上的立體性地表上的江河水系基本上呈平面狀態(tài)展布；而地下水流系統(tǒng)往往自地表面起可直達(dá)地下幾百上千米深處，形成空間立體分布，并自上到下呈現(xiàn)多層次的結(jié)構(gòu)。這是地下水流系統(tǒng)與地表水系的明顯區(qū)別之一。

第二十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）流線組合的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性

地表上的江河水系，一般均由一條主流和若干等級(jí)的支流組合而成有規(guī)律的河網(wǎng)系統(tǒng)；而地下水流系統(tǒng)則是由眾多的流線組合而成的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)部不僅難以區(qū)別主流和支流，而且具有多變性和不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性，可以表現(xiàn)為受氣候和補(bǔ)給條件的影響呈現(xiàn)周期性變化；亦可因?yàn)殚_采和人為排泄，促使地下水流系統(tǒng)發(fā)生劇烈變化，甚至在不同水流系統(tǒng)之間造成地下水劫奪現(xiàn)象。第二十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（3）流動(dòng)方向上的下降與上升的并存性在重力作用下，地表江河水流總是自高處流向低處；然而地下水流方向在補(bǔ)給區(qū)表現(xiàn)為下降，在排泄區(qū)則往往表現(xiàn)為上升，有的甚至形成噴泉。

第二十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二此外，地下水流系統(tǒng)涉及的區(qū)域范圍一般比較小，不可能像地表江河那樣組合成面積廣大（達(dá)幾十萬(wàn)乃至上百萬(wàn)平方公里）的大流域系統(tǒng)。據(jù)托思的研究，在一塊面積不大的地區(qū)，由于受局部復(fù)合地形的控制，可形成多級(jí)地下水流系統(tǒng)，不同等級(jí)的水流系統(tǒng)，它們的補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)在地面上交替分布。

第二十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二2．地下水垂向?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)的基本模式

如前所述，地下水流系統(tǒng)在空間上的立體性，是地下水與地表水之間存在的主要差異之一。而地下水垂向的層次結(jié)構(gòu)，則是地下水空間立體性的具體表征。下圖為典型水文地質(zhì)條件下，地下水垂向?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)的基本模式。自地表面起至地下某一深度出現(xiàn)不透水基巖為止，可區(qū)分為包氣帶和飽和水帶兩大部分。第二十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二包氣帶（是指地面以下，地下水面以上不飽和的土壤含水帶。這里土壤顆粒、水和空氣三者并存，由于降雨和蒸發(fā)的影響，其含水量經(jīng)常在變化）又進(jìn)一步區(qū)分為土壤水帶、中間過(guò)渡帶及毛細(xì)管水帶等3個(gè)亞帶。飽和水帶則可區(qū)分為潛水帶和承壓水帶兩個(gè)亞帶。從貯水形式來(lái)看，與包氣帶相對(duì)應(yīng)的是存在結(jié)合水（包括吸濕水和薄膜水）和毛管水；與飽和水帶相對(duì)應(yīng)的是重力水（包括潛水和承壓水）。第二十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二以上是地下水層次結(jié)構(gòu)的基本模式，在具體的水文地質(zhì)條件下，各地區(qū)地下水的實(shí)際層次結(jié)構(gòu)不盡一致。有的層次可能充分發(fā)展，有的則不發(fā)育。如在嚴(yán)重干旱的沙漠地區(qū)，包氣帶很厚，飽和水帶深埋在地下，甚至不存在；反之，在多雨的濕潤(rùn)地區(qū)，尤其是在地下水排泄不暢的低洼易澇地帶，包氣帶往往很薄，甚至地下潛水面出露地表，所以地下水層次結(jié)構(gòu)亦不明顯。至于像承壓水帶的存在，要求有特定的貯水構(gòu)造和承壓條件。而這種條件并非處處都具備，所以承壓水的分布受到很大的限制。但上述地下水層次結(jié)構(gòu)在地區(qū)上的差異性，并不否定地下水垂向?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)的總體規(guī)律性。這一層次結(jié)構(gòu)對(duì)于人們認(rèn)識(shí)和把握地下水性質(zhì)具有重要意義，并成為按埋藏條件進(jìn)行地下水分類的基本依據(jù)。第二十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、地下水的理化性質(zhì)

自然界中的水，無(wú)論是大氣水、地表水或地下水，都不是化學(xué)純水。就地下水來(lái)說(shuō)，由于它參與自然界水的總循環(huán)，所以它具有相當(dāng)復(fù)雜的化學(xué)成分，并呈現(xiàn)不同的物理性質(zhì)。特別是地下水長(zhǎng)期在巖石和土壤的空隙中埋藏和運(yùn)動(dòng)，必然要與周圍介質(zhì)（巖石、土壤）相互作用，不斷地溶解介質(zhì)中的可溶鹽類人體等成分。同時(shí)，隨著地下水在巖石和土壤空隙中的運(yùn)移，其化學(xué)成分隨時(shí)隨地都在發(fā)生變化。因此，地下水是一種很好的天然溶劑，又是一種復(fù)雜的天然溶液。分析研究這種復(fù)雜溶液的物理性質(zhì)和化學(xué)成分，對(duì)于闡明地下水的形成條件、變化規(guī)律、合理利用和防治地下水危害以及指導(dǎo)水文地球化學(xué)找礦，充實(shí)礦床成因理論等方面，都有著十分重要的意義。第三十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（一）地下水的物理性質(zhì)

地下水的物理性質(zhì)包括溫度、顏色、透明度、氣味、味道、密度、導(dǎo)電性和放射性等。這里著重簡(jiǎn)介前五個(gè)方面。

1．溫度

地下水溫度隨深度而異。近地表的地下水，其溫度受氣溫的影響，具有周期性的變化：一般在日常溫層以上，水溫具有明顯的晝夜變化。在年常溫層以上，水溫具有季節(jié)性變化；在年常溫層，地下水溫的變化很小，一般不超過(guò)0.1℃；而在年常溫層以下，地下水溫度則隨深度增加而逐漸升高而成為增溫層，其變化規(guī)律決定于一個(gè)地區(qū)的地?zé)嵩鰷丶?jí)。地?zé)嵩鰷丶?jí)是指在常溫層以下，溫度每升高l℃所需增加的深度，單位為，m/℃。各處地?zé)嵩鰷丶?jí)不同，一般為33m/℃。第三十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二地下水溫地區(qū)分布差異大。在新火山地區(qū)，地下水溫可達(dá)100℃以上。例如在堪察加半島、冰島、日本等地一些噴泉都有這種情況。在寒帶、極地以及高山地區(qū)，地下水的溫度很低，有的可低至-5℃。在溫帶和亞熱帶地區(qū)的平原中，淺層地下水的年平均溫度常接近所在地區(qū)的年平均氣溫，或稍高l－2℃。地下水在一定的地質(zhì)條件下，因受地球內(nèi)部熱能的影響而形成地下熱水。它通過(guò)一定的通道，例如，沿?cái)嗔哑扑閹?、鉆孔等上涌，致使地?zé)嵩鰷丶?jí)大大提高，這種地區(qū)叫做地?zé)岙惓^(qū)。具有良好地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件的地?zé)岙惓^(qū)，有可能形成富集大量地下熱水或天然蒸汽的地?zé)崽?。第三十二?yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二2．顏色

地下水一般是無(wú)色的，但由于它的化學(xué)成分的含量不同，以及懸浮雜質(zhì)的存在，而常常呈現(xiàn)出各種顏色。如含有三氧化二鐵的水，多呈褐紅色；含腐殖質(zhì)的水，呈暗黃褐色。第三十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.透明度

常見的地下水多是透明的，但其中如含有一些固體和膠體懸浮物時(shí)，則地下水的透明度有所改變。為了測(cè)定透明度，可將水樣倒入一高60cm帶有放水嘴和刻度的玻璃管中，把管底放在1號(hào)鉛字（專用鉛字）的上面，打開放水嘴放水，一直到能清楚地看見管底的鉛字為止，讀出管底到水面的高度，即為其透明度。根據(jù)這種觀測(cè)方法可以把水的透明度劃為四級(jí)。（l）透明60cm的水深可以清楚地看見3mm粗的黑線；

（2）微混濁30cm以上的水深，仍可清楚地看見這種粗線；（3）混濁30cm以內(nèi)的水深才可清楚地看見這種粗黑線；（4）極混濁水深很小也不能清楚地看見這種粗黑線。第三十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二4.氣味

一般地下水是無(wú)味的，當(dāng)其中含有某種氣體成分和有機(jī)物質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生一定的氣味。如地下水含有硫化氫（HZS）氣體時(shí)，則有臭雞蛋味；有機(jī)物質(zhì)使地下水有魚腥味。5.味道

地下水的味道取決于它的化學(xué)成分及溶解的氣體。如含有大量的氯化鈉（NaCI）使水有咸味；鈉、鎂的硫酸鹽使水具有苦味；當(dāng)溶解有較多的二氧化碳時(shí)，常有爽口的味道；含有適量重碳酸（Ca(HCO3)2）和重碳酸鎂（Mg（HCO3）2），味道很可口，一般稱為甜水。

第三十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（二）地下水的化學(xué)性質(zhì)這里著重介紹地下水的化學(xué)成分、礦化度和硬度。1.

地下水的主要化學(xué)成分

由于地下水與巖石發(fā)生了相互的物理和化學(xué)作用，因此使地下水中溶有各種不同的離子、化合物分子以及不同的氣體。地下水中最主要的離子有CI-，SO42-，HCO3-，CO32-以及H+，Na+，K+,Ca2+，Mg2+等。除此之外，也含有一些化合物，如鐵、鋁氧化物（Fe2O3，Al2O3）等。地下水中常含有某些氣體和放射性元素，但是含量甚微。地下水的氣體成分，主要有氧、氮、二氧化碳和硫化氫等。根據(jù)地下水化學(xué)成分可以尋找有用礦產(chǎn)，特別是放射性礦產(chǎn)。近年來(lái)在這方面已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，成為地球化學(xué)找礦工作的一個(gè)組成部分。如江西大鹽礦的發(fā)現(xiàn)，水文地球化學(xué)探礦法在其中起了很大作用。第三十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二2．礦化度

一升水中所含各種離子、分子及化合物（不包括游離狀態(tài)的氣體）的總量，就叫總礦化度，簡(jiǎn)稱礦化度。以g/L表示。它說(shuō)明水中所含鹽量的多少，故它是地下水化學(xué)成分的重要標(biāo)志。由于礦化度不同，水質(zhì)也有不同。若礦化度大，是同于礦化水，礦化度很小是淡水。

礦化度的測(cè)定，通常是把水加熱到105℃－110℃，使水全部蒸發(fā)干，剩下的殘余物的重量即為水的總礦化度（即每升水中含干涸殘余物的克數(shù)）。由于部分物質(zhì)在烘干時(shí)蒸發(fā)掉，也可能有懸浮雜質(zhì)滲入，所以用烘干法求得的礦化度是近似值。

按照礦化度的大小，可以將地下水分為以下5類：淡水為＜1g/L；弱礦化水（微咸水）為1－3g/L；中等礦化水（咸水）為3－10g/L；強(qiáng)礦化水（鹽水）為10－50g/L；鹵水為＞50g/L。在通常條件下，低礦化度的水（淡水）常常以重碳酸根離子（HCO3-）為主要成分；中等礦化度的水以硫酸根離子（SO42-）為主要成分；而高礦化度的水，則以氯離子（Cl-）為主要成分。

第三十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.水的硬度

含有多量的時(shí)Ca2+和Mg2+的水稱為硬水。這是因?yàn)樗泻械拟}、鎂鹽類，在加熱時(shí)易形成堅(jiān)硬的沉淀物質(zhì)。而通常把水中Ca2+和Mg2+的含量稱為硬度。它們的含量愈高，硬度愈大。

硬度可分為暫時(shí)硬度和永久硬度。由于加熱煮沸后水中失去一部分Ca2+與Mg2+，這部分Ca2+與Mg2+的數(shù)量稱為暫時(shí)硬度。當(dāng)加熱煮沸后，仍然溶在水中的Ca2+與Mg2+，造成硬性的硬度，叫永久硬度。

硬度的單位通常采用“德國(guó)度”。德國(guó)度一度相當(dāng)于1升水中含氧化鈣10mg，或氧化鎂7.2mg。用毫克當(dāng)量換算，則將毫克當(dāng)量（mged）乘以2.8，得到的數(shù)字就是德國(guó)度。

第三十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二硬水在生活用水上會(huì)浪費(fèi)肥皂，燒開水的水壺里容易生水垢；在工業(yè)用水上，不宜使用硬水。因?yàn)橛菜腃a、Mg鹽類，在加熱的過(guò)程中發(fā)生分解和復(fù)分解反應(yīng)，而生成沉淀物質(zhì)，這些沉淀物質(zhì)能在鍋爐壁、水管中生成堅(jiān)硬而粘附的水垢（也叫鍋垢）；鍋垢是熱的不良導(dǎo)體，因此，當(dāng)鍋墨出現(xiàn)了較厚的鍋垢時(shí)，就會(huì)增加燃料的消耗量（1mm厚的鍋垢能增加熱消耗量1.5％－2％）。不僅如此，銀垢在形成時(shí)厚薄不均，致使鍋爐膨脹不均以致爆炸。同時(shí)隨著鍋垢的加厚，火面與水面的溫度差也隨著變大，最后超過(guò)了鍋壁金屬的耐熱能力亦能引起鍋爐爆炸。若用硬水作內(nèi)燃機(jī)等的冷卻用水時(shí)，在冷卻系統(tǒng)的內(nèi)壁等也會(huì)形成鍋垢，這樣不僅降低系統(tǒng)的冷卻效率，還降低了輸水量甚至將其堵塞。故在工業(yè)用水中，水的硬度最好不要大于5°，不得已時(shí)亦不得大于20°。

第三十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二根據(jù)水的總硬度，可將地下水分為5級(jí)第四十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、地下水的運(yùn)動(dòng)

地下水在巖土空隙中以不同形式存在，并以不同形式運(yùn)動(dòng)著。這里著重介紹飽水帶重力水（潛水、承壓水）的運(yùn)動(dòng)形式和規(guī)律。（一）飽水帶重力水運(yùn)動(dòng)的形式

水在完全飽和巖土中的運(yùn)動(dòng)，服從于水力學(xué)定律。

重力水在巖土空隙中的運(yùn)動(dòng)，稱為滲透或滲流。它的運(yùn)動(dòng)形式，常隨水流速度不同而分為層流運(yùn)動(dòng)和紊流運(yùn)動(dòng)。第四十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

（1）層流運(yùn)動(dòng)

水在巖土空隙中流動(dòng)時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)有秩序地、互不混雜地流動(dòng)，稱為層流運(yùn)動(dòng)。

（2）紊流運(yùn)動(dòng)

水在巖土空隙中流動(dòng)時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)無(wú)秩序地、互相混雜的流動(dòng)，稱為紊流運(yùn)動(dòng)。地下水在絕大多數(shù)自然條件下，流速較小，故多同層流運(yùn)動(dòng)。一般認(rèn)為地下水的平均滲透速度小于l000m/d時(shí)，可視為層流運(yùn)動(dòng)。只有在大裂隙、大溶洞中或水位高差極大的情況下，地下水的滲透才出現(xiàn)紊流運(yùn)動(dòng)。第四十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（二）地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

飽水帶中水的運(yùn)動(dòng)形式既然有不同，則其運(yùn)動(dòng)規(guī)律也不同。所以，也可分直線滲透定律和非直線滲透定律兩種基本規(guī)律。

（l）直線滲透定律一一達(dá)西（Darcy）定律：它是說(shuō)明層流運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，是1852－1855年期間，法國(guó)水力學(xué)家達(dá)西在實(shí)驗(yàn)室中用砂土做了大量滲透實(shí)驗(yàn)之后而得到的滲透基本定律。其實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單過(guò)程如下：在圓柱狀的金屬筒中裝滿砂土（下圖），利用澆水設(shè)備控制水流進(jìn)人和流出處的水頭保持不變。當(dāng)水通過(guò)砂土滲透過(guò)程中，其水頭損失可在兩個(gè)測(cè)壓管中同得，而流量則在出口處測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到如下關(guān)系：在單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)砂樣的水量Q，與通過(guò)的斷面積A和水頭損失（H1-H2=△H）成正比，而與滲透長(zhǎng)度L成反比?？捎孟率奖硎荆旱谒氖?yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二式中：v為滲透流速；K為滲透系數(shù)；I為水頭梯度或水力坡度、水頭坡度。

第四十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二由此可知：滲透流量Q或滲透流速v與水力坡度的一次方成正比，這就是著名的達(dá)西定律。由于兩者成直接關(guān)系，所以也叫做直線滲透定律。

直線滲透定律是在細(xì)砂中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而確定的。但是實(shí)踐證明，地下水在其他類型運(yùn)水巖土中運(yùn)動(dòng)，當(dāng)流速不大時(shí)，也均適用。同時(shí)，也適用于一切流向。第四十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

（2）非直線滲透定律非直線滲透定律是說(shuō)明紊流運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。當(dāng)?shù)叵滤魉佥^大時(shí)（v＞1000m/d），則服從于紊流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。即：滲透流量或滲透流速與水力坡度的二分之一次方成正比，其表示式如下：

第四十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二有時(shí)地下水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)介于層流與紊流之間，稱為混合流運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，則可用下式表示之：式中，m值的變化范圍為1—2，當(dāng)m=l時(shí)，即為達(dá)西定律，當(dāng)m=2時(shí)，即為非直線滲透定律。

第四十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二四、

地下水的類型根據(jù)埋藏條件，地下水可分為：上層滯水、潛水、承壓水（一）上層滯水(perchedwater)上層滯水是存在于包氣帶中局部隔水層上的重力水（下圖）。它是大氣降水或地表水在下滲途中，遇到局部不透水層的阻擋后，在其上聚積而成的地下水。第四十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二由于上層滯水是包氣帶內(nèi)的局部飽水帶，其埋藏條件決定了上層滯水具有如下特征：分布范圍不廣，水量??；補(bǔ)給區(qū)與分布區(qū)一致；補(bǔ)給源為大氣降水或地表水；以蒸發(fā)、下滲或向隔水層邊緣流散的方式進(jìn)行排泄；動(dòng)態(tài)變化不穩(wěn)定，具有季節(jié)性，只能作暫時(shí)性和小型供水水源；易受污染，故作飲用水時(shí)應(yīng)注意防止污染。

上層滯水的動(dòng)態(tài)變化主要決定于氣候，同時(shí)也與隔水層的分布范圍、厚度、透水性及埋藏深度等有關(guān)。在降水量較大，降水季節(jié)較長(zhǎng)，蒸發(fā)量較小，其下滲水量較大，則上層滯水存在的時(shí)間也較長(zhǎng)。反之，降水量小、降水季節(jié)較短、蒸發(fā)量較大，則上層滯水存在的時(shí)間就較短。當(dāng)隔水層分布范圍不大、厚度小、隔水性不強(qiáng)和埋藏較淺時(shí)，則上層滯水因不斷向四周流散、下滲以及蒸發(fā)的結(jié)果，其存在的時(shí)間則較短；當(dāng)隔水層的分布范圍和厚度較大，埋藏較深，隔水性良好的條件下，則上層滯水存在的時(shí)間較長(zhǎng)。

第四十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（二）潛水（phreaticwater）

埋藏在地表以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層之上，具有自由表面的重力水稱為潛水。潛水的自由表面稱為潛水面。潛水面的絕對(duì)標(biāo)高稱為潛水位。潛水面至地面的距離稱為潛水埋藏深度。由潛水面向下至隔水層頂面間充滿重力水的部分，稱為含水層。自潛水面向下到隔水層頂面的距離，稱為含水層的厚度。

我們?nèi)粘Ｓ玫木话愣际菨撍?，井水面就是該點(diǎn)的潛水面。

潛水的埋藏條件，決定了潛水具有以下特征：潛水面不承受靜水壓力；分布區(qū)與補(bǔ)給區(qū)一致；動(dòng)態(tài)變化較不穩(wěn)定，有明顯的季節(jié)變化；潛水的補(bǔ)給條件較好，水量豐富；潛水的水質(zhì)隨氣候有季節(jié)變化，且易受污染。第五十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二潛水面形狀可用潛水剖面圖和潛水等水位線圖表示。

潛水剖面圖（圖5.22）是在地質(zhì)剖面圖上，將已知各點(diǎn)的潛水位連接起來(lái)而成，它可以反映出潛水面形狀與地形、隔水底板及含水層巖性的關(guān)系等。潛水面的形狀通常是具有一定傾斜的曲面?？偟恼f(shuō)來(lái)，潛水面的形狀與地形大體一致，但比地形起伏要平緩得多。巖土的透水性增強(qiáng)，潛水面坡度趨于平緩；反之，變陡。隔水底板凹陷使含水層厚度增大的地段，潛水面的坡度趨于平緩；反之變陡。在隔水層凹盆中，潛水不外溢時(shí)，則潛水面呈水平狀態(tài)，稱為潛水湖。第五十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第五十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

潛水等水位線圖就是潛水面各點(diǎn)水位高程的等值線圖（圖5.23）。一般繪制在地形圖上，它的繪制以潛水面上各點(diǎn)的水位標(biāo)高為依據(jù)，然后分別將其中水位標(biāo)高相同的各點(diǎn)相連而成。由于水位隨時(shí)間不同而變，故應(yīng)選用同一日期的資料，并應(yīng)在圖上注明測(cè)定該水位的日期。在同一地區(qū)，如有不同時(shí)期的潛水等水位線圖，通過(guò)互相對(duì)比，便可以從中了解潛水面的變化情況。根據(jù)潛水等水位線圖，可解決下列問(wèn)題：確定潛水的流向：潛水是沿著潛水面坡度最大的方向流動(dòng)的。因此，垂直于潛水等水位線從高水位指向低水位的方向，就是潛水的流向。第五十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第五十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二根據(jù)潛水等水位線圖，可解決下列問(wèn)題：（1）確定潛水的流向：潛水是沿著潛水面坡度最大的方向流動(dòng)的。因此，垂直于潛水等水位線從高水位指向低水位的方向，就是潛水的流向。（2）確定潛水的水力坡度：確定了潛水流向之后，在流向方向上，任取兩點(diǎn)的水位高差，除以該兩點(diǎn)間的實(shí)際距離，即得潛水的水力坡度。（3）確定潛水埋藏深度：將地形等高線和潛水等水位線繪于同一張圖上時(shí)，則等水位線與地形等高線相交之點(diǎn)，二者高程之差，即為該點(diǎn)的潛水埋藏深度；若不在相交點(diǎn)的，可采用內(nèi)插法求得。第五十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（4）確定潛水與地表水的相互關(guān)系：在鄰近地表水（河流）的地段編制潛水等水位線圖，并測(cè)定地表水的水位標(biāo)高，便可以確定潛水與地表水的相互補(bǔ)給關(guān)系。（5）確定引水工程：為了最大限度的使?jié)撍魅怂团潘疁希瑒t當(dāng)?shù)人痪€凹凸不平、稀密不均時(shí)，取水井應(yīng)布置在地下水匯流處。如下圖所示。當(dāng)?shù)人痪€由密變稀時(shí)，并應(yīng)布置在由密變稀的交界處，并與等水位線平行。截水溝應(yīng)與等水位線平行布置。第五十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（三）承壓水

（confinedwater）

承壓水是充滿于兩個(gè)穩(wěn)定隔水層之間含水層中具有壓力的地下水。而在兩個(gè)穩(wěn)定隔水層之間的含水層沒(méi)有被水完全充滿，具有自由水面的地下水，稱無(wú)壓層間水。若承壓水在地形條件適宜時(shí)，其天然露頭或經(jīng)鉆孔，揭露了含水層時(shí)，產(chǎn)生自流現(xiàn)象的地下水，稱為自流水。上下隔水層分別稱為隔水層頂板和底板。兩用水層間的垂直徑距離為承壓水含水層厚度。當(dāng)鉆孔打穿隔水層頂板時(shí)，在靜水壓力的作用下，水位上升到一定高度不再上升時(shí)，這個(gè)最終的穩(wěn)定水位，叫該點(diǎn)的承壓水位。自隔水層頂板底面到承壓水位之間的鉛垂距離稱為承壓水頭，也稱壓力水頭。承壓水含水層在盆地邊緣出露于地表的位置較高，可直接受大氣降水或地表水補(bǔ)給的范圍稱為補(bǔ)給區(qū)。承壓水含水層在承壓盆地邊緣，地勢(shì)較低的地段或含水層被切割，這地段便成為承壓水的排泄區(qū)。在補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)之間，承壓含水層之上被隔水層覆蓋，并且含水層被水充滿的這個(gè)地段，稱為承壓區(qū)。第五十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第五十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

由承壓水的埋藏條件，決定了它具有如下特征：承壓水具有一定的壓力水頭；補(bǔ)給區(qū)與承壓區(qū)不一致；動(dòng)態(tài)變化較穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的季節(jié)變化；補(bǔ)給條件較差，若大規(guī)模開發(fā)后，水的補(bǔ)充和恢復(fù)較緩慢；水質(zhì)隨埋深變化大，有垂直分帶規(guī)律，但不易受污染。

承壓水的垂直分帶規(guī)律一般為：侵蝕基準(zhǔn)面影響深度范圍內(nèi)，主要為低礦化度的重碳酸鹽型水；在較深處，為中礦化度的硫酸鹽型水；更深處，為高礦化度的氯化物型水。由于產(chǎn)生垂直變化規(guī)律的原因很復(fù)雜，主要與巖性、成分、高溫、高壓及交換等因素有關(guān)，故不是所有地區(qū)都按同一規(guī)律變化。第五十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二承壓水的形成主要受地質(zhì)構(gòu)造的控制，不同的地質(zhì)構(gòu)造又決定了承壓水的埋藏類型不同。最適宜于承壓水形成的地質(zhì)構(gòu)造大體上可以分為向斜構(gòu)造和單斜構(gòu)造。故承壓水的形成可分二類：（1）承壓盆地：適宜于形成承壓水的盆地構(gòu)造或向斜構(gòu)造，在水文地質(zhì)學(xué)中稱為承壓盆地。第六十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）承壓斜地：適宜于形成承壓水的單斜構(gòu)造，在水文地質(zhì)學(xué)中稱為承壓斜地。它可分為兩種情況。即斷塊構(gòu)造和含水層發(fā)生相交所形成的承壓斜地。如單斜含水層被斷層錯(cuò)斷，而斷層又導(dǎo)水時(shí)，含水層出露于地表的一側(cè)成為補(bǔ)給區(qū)；另一側(cè)沿?cái)鄬訋纬蓭钆判箙^(qū)，在適宜的地形條件下，沿?cái)嗔褞б砸幌盗猩仙男问匠雎队诘乇?，因此，承壓區(qū)位于補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)之間（圖5．26）。若斷層不導(dǎo)水時(shí)，則排泄區(qū)與補(bǔ)給區(qū)是相鄰的，承壓區(qū)則在另一側(cè)。第六十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

含水層巖性發(fā)生由粗粗到細(xì)粒的相變，甚至尖滅，迫使承壓水回流，在含水層出露地表的較低地段形成上升泉泄出。此時(shí)補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)是相鄰的，承壓區(qū)位于一側(cè)（圖5.27）。第六十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二五、幾種特殊地下水和泉

（一）幾種特殊地下水1．地下熱水地下熱水與普通地下水不同，它具有較高的溫度，有溫泉之稱。它還含有特殊的化學(xué)成分和氣體成分。地下熱水既是水資源，又是寶貴的礦產(chǎn)資源和熱能資源，可用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工、發(fā)電、醫(yī)療保健等方面。我國(guó)地下熱水資源極為豐富，全國(guó)目前已發(fā)現(xiàn)的地下熱水露頭達(dá)2000多處。僅廣東、福建和臺(tái)灣三省就有500多處，大多在50℃－60℃以下。其中廣東也出現(xiàn)103℃的溫泉，臺(tái)灣南部屏東溫泉高達(dá)140℃。第六十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第六十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第六十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第六十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第六十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第六十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二地下熱水的來(lái)源有二種：一種是由于巖漿活動(dòng)形成的；另一種是大氣降水滲入地下過(guò)程，因受地球內(nèi)熱能的影響而形成不同的地下熱水。它通過(guò)一定的通道（如沿?cái)嗔哑扑閹А@引）又把地下熱能帶到地表。因此，地下熱水的熱源與地球熱源有著直接關(guān)系。

地下熱水的溫度下限，各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)不一，但大多數(shù)采用20℃，即高于20℃的地下水稱為地下熱水。

第六十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期二2．礦水礦水是指具有醫(yī)療意義的地下水。礦水可以是熱的，也可以是冷的。它有的含有特殊的化學(xué)成分，有的含有大量某些氣體成分，有的具有較高的溫度。礦水中以富含氣體的礦水用處最大，成分也最復(fù)雜，如碳酸水、