地下水系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

1、第一節(jié)地下水系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)地下水由于埋藏于地下巖土的空隙之中，因而其分布、運(yùn)動(dòng)和水的性質(zhì)，要受到巖土的特性以及貯存它的空間特性的深刻影響。與地表水系統(tǒng)相比，地下水系統(tǒng)顯得更為復(fù)雜多樣，并表現(xiàn)出立體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。一、地下水的貯存空間（一）含水介質(zhì)、含水層和隔水層自然界的巖石、土壤均是多孔介質(zhì)，在它們的固體骨架間存在著形狀不一、大小不等的孔隙、裂隙或溶隙，其中有的含水，有的不含水，有的雖然含水卻難以透水。通常把既能透水，又飽含水的多孔介質(zhì)稱為含水介質(zhì)，這是地下水存在的首要條件。所謂含水層是指貯存有地下水，并在自然狀態(tài)或人為條件下，能夠流出地下水來的巖體。由于這類含水的巖體大多呈層狀、故名含水層，如

2、砂層、砂礫石層等。亦有的含水巖體呈帶狀、脈狀甚至是塊狀等復(fù)雜狀態(tài)分布，對(duì)于這樣的含水巖體可稱為含水帶、含水體或稱為含水巖組。對(duì)于那些雖然含水，但幾乎不透水或透水能力很弱的巖體，稱為隔水層，如質(zhì)地致密的火成巖、變質(zhì)巖，以及孔隙細(xì)小的頁巖和粘土層均可戌為良好的隔水層。實(shí)際上，含水層與隔水層之間并無一條截然的界線，它們的劃分是相對(duì)的，并在一定的條件下可以互相轉(zhuǎn)化。如飽含結(jié)合水的粘土層，在尋常條件下，不能透水與給水，成為良好的隔水層；但在較大的水頭作用下，由于部分結(jié)合水發(fā)生運(yùn)動(dòng)，粘土層就可以由隔水層轉(zhuǎn)化為含水層。（二）含水介質(zhì)的空隙性與水理性1 .含水介質(zhì)的空隙性含水介質(zhì)的空隱性是地下水存在的先決條件

3、之一。空隙的多少、大小、均勻程度及其連通情況，直接決定了地下水的埋藏、分布和運(yùn)動(dòng)特性。通常，將松散沉積物顆粒之間的空隙稱為孔隙，堅(jiān)硬巖石因破裂產(chǎn)生的空隙稱裂隙，可溶性巖石中的空隙稱溶隙（包括巨大的溶穴，溶洞等）。1）孔隙率（n）又稱孔隙度，它是反映含水介質(zhì)特性的重要指標(biāo)，以孔隙體積（Vn）與包括孔隙在內(nèi)的巖土體積（V）之比值來表示，即n=Vn/VX100%?？紫堵实拇笮?，取決于巖土顆粒本身的大小，顆粒之間的排列形式、分選程度以及顆粒的形狀和膠結(jié)的狀況等。必須指出，孔隙率只有孔隙數(shù)量多少的概念，并不說明孔隙本身的大?。纯紫堵蚀蟛⒉槐硎究紫兑泊螅??？紫兜拇笮∨c巖土顆粒粗細(xì)有關(guān)，通常是顆粒粗則孔隙

4、大，顆粒細(xì)則孔隙小。但因細(xì)顆粒巖土表面積增大，因而孔隙率反而增大，如粘土孔隙率達(dá)到4555%;而礫石的平均孔隙率只有27%。2）裂隙率（KT）裂隙率即裂隙體積（VT）與包括裂隙在內(nèi)巖石體積（V）之比值：KT=VT/VX100%。與孔隙相比裂隙的分布具有明顯的不均勻性，因此，即使是同一種巖石，有的部位的裂隙率KT可能達(dá)到百分之幾十，有的部位KT值可能小于1%。3）巖溶率（KK）溶隙的多少用巖溶率表示，即溶隙的體積（Vk）與包括溶隙在內(nèi)的巖石體積（V）之比值：Kk=Vk/VX100%。溶隙與裂隙相比較，在形狀、大小等方面顯得更加千變?nèi)f化，小的溶孔直徑只幾毫米，大的溶洞可達(dá)幾百米，有的形成地下暗河延

5、伸數(shù)千米。因此巖溶率在空間上極不均勻。綜上所述，雖然裂隙率（KT）、巖溶率（Kk）與孔隙率（n）的定義相似，在數(shù)量上均說明巖土空隙空間所占的比例。但實(shí)際意義卻頗有區(qū)別，其中孔隙率具有較好的代表性，可適用于相當(dāng)大的范圍；而裂隙率囿于裂隙分布的不均勻性，適用范圍受到極大限制；對(duì)于巖溶率（Kk）來說，即使是平均值也不能完全反映實(shí)際情況，所以局限性更大。2 .含水介質(zhì)的水理性質(zhì)巖土的空隙，雖然為地下水提供了存在的空間，但是水能否自由的進(jìn)出這些空間，以及巖土保持水的能力，卻與巖土表面控制水分活動(dòng)的條件、性質(zhì)有很大的關(guān)系。這些與水分的貯容、運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)，稱為含水介質(zhì)的水理性質(zhì)，包括巖土的容水性、持水

6、性、給水性、貯水性、透水性及毛細(xì)性等。1）容水性指在常壓下巖土空隙能夠容納一定水量的性能，以容水度來衡量。容水度（Wn）定義為巖土容納水的最大體積Vn與巖土總體積V之比，即Wn=Vn/VX100%。由定義可知，容水度Wn值的大小取決于巖土空隙的多少和水在空隙中充填的程度，如全部空隙被水充滿，則容水度在數(shù)值上等于孔隙度；對(duì)于具有膨脹性的粘土，充水后其體積會(huì)增大，所以容水度可以大于孔隙度。2）持水性飽水巖土在重力作用下排水后，依靠分子力和毛管力仍然保持一定水分的能力稱持水性。持水性在數(shù)量上用持水度表示。持水度Wr定義為飽水巖土經(jīng)重力排水后所保持水的體積Vr和巖土總體積V之比。即Wr=Vr/VX10

7、0%,其值大小取決于巖土顆粒表面對(duì)水分子的吸附能力。在松散沉積物中，顆粒愈細(xì)，空隙直徑愈小，則同體積內(nèi)的比表面積愈大，Wr,愈大。3）給水性指飽水巖土在重力作用下能自由排出水的性能，其值用給水度（科）來表示。給水度定義為飽水巖土在重力作用下，能自由排出水的體積Vg和巖土總體積V之比，即科=Vg/VX100%。由上述3個(gè)定義可知：巖土持水度和給水度之和等于容水度（或孔隙度），即Wn=Wr+科或n=Wr+科。式中n為孔隙度。4）透水性指在一定條件下，巖土允許水通過的性能。透水性能一般用滲透系數(shù)K值來表示。其值大小首先與巖土空隙的直徑大小和連通性有關(guān)，其次才和空隙的多少有關(guān)。如粘土的孔隙度很大，但孔

8、隙直徑很小，水在這些微孔中運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅由于水與孔壁的摩阻力大而難以通過，而且還由于粘土顆粒表面吸附形成一層結(jié)合水膜，這種水膜幾乎占滿了整個(gè)孔隙，使水更難通過。透水層與隔水層雖然沒有嚴(yán)格的界限，不過常常將滲透系數(shù)K值小于0.001米/日的巖土，列入隔水層，大于或等于此值的巖土屬透水層。5）貯水性上述巖土的容水性和給水性，對(duì)于埋藏不深、厚度不大的潛水（無壓水）來說是適合的，但對(duì)于埋藏較深的承壓水層來說，往往存在明顯的誤差。主要原因是在高壓條件下釋放出來的水量，與承壓含水介質(zhì)所具有的彈性釋放性能以及來自承壓水自身的彈性膨脹性有關(guān)。通常，埋藏愈深，承壓愈大則誤差愈大。因而需要引入貯水性概念。承壓含水介

9、質(zhì)的貯水性能可用貯水系數(shù)或釋水系數(shù)表示，其定義為：當(dāng)水頭變化為一個(gè)單位時(shí)，從單位面積含水介質(zhì)柱體中釋放出來的水體積，稱為釋水系數(shù)（s）,它是一個(gè)無量綱的參數(shù)。大部分承壓含水介質(zhì)的s值大名勺從10-5變化到10-3。（三）蓄水構(gòu)造所謂蓄水構(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。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

10、比較理想的地下水源。這類蓄水構(gòu)造主要有：單斜蓄水構(gòu)造、背斜蓄水構(gòu)造、向斜蓄水構(gòu)造、斷裂型蓄水構(gòu)造、巖溶型蓄水構(gòu)造等。在松散沉積物廣泛分布的河谷、山前平原地帶，有人根據(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、河谷沖積型蓄水構(gòu)造、湖盆沉積型蓄水構(gòu)造等。二、地下水流系統(tǒng)地下水雖然埋藏于地下，難以用肉眼觀察，但它象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)。（一）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)，又稱地下水流動(dòng)系。處于同一水流系統(tǒng)的地下水，往往具有相同的補(bǔ)給來

11、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)，相互之間沒有或只有極微弱的水力聯(lián)系。此外，與地表水系相比較，地下水流系統(tǒng)具有如下的特征：1 .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指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。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

12、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。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，但在排泄區(qū)則往往表現(xiàn)為上升，有的甚至形成噴泉。除上述特點(diǎn)外，地下水流系統(tǒng)涉及的區(qū)域范圍一般比較小，不可能象地表江河那樣組合成面積廣達(dá)幾十萬乃至上百萬平方公里的大流域系統(tǒng)。根據(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

13、替分布。（二）地下水域地下水域就是地下水流系統(tǒng)的集水區(qū)域。它與地表水的流域亦存在明顯區(qū)別，地表水的流動(dòng)主要受地形控制，其流域范圍以地形分水嶺為界，主要表現(xiàn)為平面形態(tài)；而地下水域則要受巖性地質(zhì)構(gòu)造控制，并以地下的隔水邊界及水流系統(tǒng)之間的分水界面為界，往往涉及很大深度，表現(xiàn)為立體的集水空間。如以人類歷史時(shí)期來衡量，地表水流域范圍很少變動(dòng)或變動(dòng)極其緩慢，而地下水域范圍的變化則要快速得多，尤其是在大量開采地下水或人工大規(guī)模排水的條件下，往往引起地下水流系統(tǒng)發(fā)生劫奪，促使地下水域范圍產(chǎn)生劇變。通常，每一個(gè)地下水域在地表上均存在相應(yīng)的補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)，其中補(bǔ)給區(qū)由于地表水不斷地滲入地下，地面常呈現(xiàn)干旱缺水狀

14、態(tài)；而在排泄區(qū)則由于地下水的流出，增加了地面上的水量，因而呈現(xiàn)相對(duì)濕潤的狀態(tài)。如果地下水在排泄區(qū)以泉的形式排泄，則可稱這個(gè)地下水域?yàn)槿?。三、地下水系統(tǒng)垂向結(jié)構(gòu)（一）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)的空間上的立體性，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。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。其中包氣帶又可進(jìn)一步區(qū)分為土壤水帶、中間過渡帶及毛細(xì)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。從貯水形式來看，與包氣帶相對(duì)應(yīng)

15、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）。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，甚至基本不存在；反之，在多雨的濕潤地區(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。至于象承壓水帶的存在，要求有特定的貯水構(gòu)造和承壓條件。而這種構(gòu)造和承壓條件并非處處都具備，所以承壓水的分布受到很大的限制。但是上述地下水層次結(jié)構(gòu)在地區(qū)上的差異性，并不否定地下水

16、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)。（二）地下水不同層次的力學(xué)結(jié)構(gòu)地下水在垂向上的層次結(jié)構(gòu)，還表現(xiàn)為在不同層次的地下水所受到的作用力亦存在明顯的差別，形成不同的力學(xué)性質(zhì)。如包氣帶中的吸濕水和薄膜水，均受分子吸力的作用而結(jié)合在巖土顆粒的表面。通常，巖土顆粒愈細(xì)小，其顆粒的比表面積愈大，分子吸附力亦愈大，吸濕水和薄膜水的含量便愈多。其中吸濕水又稱強(qiáng)結(jié)合水，水分子與巖土顆粒表面之間的分子吸引力可達(dá)到幾千甚至上萬個(gè)大氣壓，因此不受重力的影響，不能自由移動(dòng)，密度大于1,不溶解鹽類，無導(dǎo)電性，也不能被植物根系所吸收。薄膜

17、水又稱弱結(jié)合水，它們受分子力的作用，但薄膜水與巖土顆粒之間的吸附力要比吸濕水弱得多，并隨著薄膜的加厚，分子力的作用不斷減弱，直至向自由水過渡。所以薄膜水的性質(zhì)亦介于自由水和吸濕水之間，能溶解鹽類，但溶解力低。薄膜水還可以由薄膜厚的顆粒表面向薄膜水層薄的顆粒表面移動(dòng)，直到兩者薄膜厚度相當(dāng)時(shí)為止。而且其外層的水可被植物根系所吸收。當(dāng)外力大于結(jié)合水本身的抗剪強(qiáng)度（指能抵抗剪應(yīng)力破壞的極限能力）時(shí)，薄膜水不僅能運(yùn)動(dòng)，并可傳遞靜水壓力。毛管水當(dāng)巖土中的空隙小于1毫米，空隙之間彼此連通，就象毛細(xì)管一樣，當(dāng)這些細(xì)小空隙貯存液態(tài)水時(shí)，就形成毛管水。如果毛管水是從地下水面上升上來的，稱為毛管上升水；如果與地下水

18、面沒有關(guān)系，水源來自地面滲入而形成的毛管水，稱為懸著毛管水。毛管水受重力和負(fù)的靜水壓力的作用，其水分是連續(xù)的，并可以把飽和水帶與包氣帶聯(lián)起來。毛管水可以傳遞靜水壓力，并能被植物根系所吸收。重力水當(dāng)含水層中空隙被水充滿時(shí)，地下水分將在重力作用下在巖土孔隙中發(fā)生滲透移動(dòng)，形成滲透重力水。飽和水帶中的地下水正是在重力作用下由高處向低處運(yùn)動(dòng)，并傳遞靜水壓力。綜上所述，地下水在垂向上不僅形成結(jié)合水、毛細(xì)水與重力水等不同的層次結(jié)構(gòu)，而且各層次上所受到的作用力亦存在差異，形成垂向力學(xué)結(jié)構(gòu)，如表51所示。（三）地下水體系作用勢(shì)所謂“勢(shì)”是指單位質(zhì)量的水從位勢(shì)為零的點(diǎn)，移到另一點(diǎn)所需的功，它是衡量地下水能量的指

19、標(biāo)。根據(jù)理查茲（Richards）的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)勢(shì)能（）是隨距離（L）呈遞減趨勢(shì)，并證明勢(shì)能梯度（-d/dL）是地下水在巖土中運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。地下水總是由勢(shì)能較高的部位向勢(shì)能較低的方向移動(dòng)。地下水體系的作用勢(shì)根據(jù)其力源性質(zhì)，可分為重力勢(shì)、靜水壓勢(shì)、滲透壓勢(shì)、吸附勢(shì)等分勢(shì)，這些分勢(shì)的組合稱為總水勢(shì)。1 .重力勢(shì)（g）指將單位質(zhì)量的水體，從重力勢(shì)零的某一基準(zhǔn)面移至重力場(chǎng)中某給定位置所需的能量，并定義為蟲9=2,式中Z為地下水位置高度。具體計(jì)算時(shí)，一般均以地下水位的高度作為比照的標(biāo)準(zhǔn)，并將該位置的重力勢(shì)視為零，則地下水位以上的重力勢(shì)為正值，地下水面以下的重力勢(shì)為負(fù)值。2 .靜水壓勢(shì)（p）連續(xù)水層對(duì)它層下的水所產(chǎn)生的靜水壓力，由此引起的作用勢(shì)稱靜水壓勢(shì)，由于靜水壓勢(shì)是相對(duì)于大氣壓而定義的