自然地理復(fù)習(xí)之地下水

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)。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。

地下水是河流補(bǔ)給來源之一；地下水積極參與水循環(huán)；地下水是人類一項(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。

(一)巖石的水理性質(zhì)

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),包括容水性、持水性、給水性和透水性等。（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。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說，充水后體積擴(kuò)大，容水度可以大于孔隙度。

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/V×100％?？紫堵实拇笮。Q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。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/V×100％。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％。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：K

k

=

Vk/V×100％。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伸數(shù)千米。因此巖溶率在空間上極不均勻。（2）持水性是指在巖土引力超過了重力作用情況下，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。可以說，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。

（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。

（4）透水性是指在一定條件下，巖土本身能使水透過的性能。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。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。(二)地下水的來源

（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)，水汽流人地下，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的氣體化合而成地下水。當(dāng)然，這種水的水量是很少的。

二、地下水的理化性質(zhì)

自然界中的水，無論是大氣水、地表水或地下水，都不是化學(xué)純水。就地下水來說，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。（一）地下水的物理性質(zhì)

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/℃。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)崽铩?．顏色地下水一般是無色的，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。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黑線；（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。4.氣味:

一般地下水是無味的，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（H2S）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。

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。（二）地下水的化學(xué)性質(zhì)

1、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。2、硬度水的硬度: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。根據(jù)水的總硬度，可將地下水分為5級(jí)（5．4）。

三、地下水的類型

（一）按巖土的貯水空隙的差異分類1.孔隙水在堆積物和巖石孔隙中流動(dòng)的地下水2.裂隙水在堆積物和巖石裂隙（如節(jié)理）中流動(dòng)的地下水3.巖溶水存在于可溶性巖石孔洞內(nèi)的地下水（二）按地下水的貯存埋藏條件分類1.包氣帶水存在于包氣帶中的地下水結(jié)合水（分吸濕水、薄膜水）毛管水（分毛管懸著水與毛管上升水）重力水（分上層滯水與滲透重力水）2.飽水帶水存在于飽和帶中的地下水潛水承壓水（分自流溢水與非自流溢水）(又名層間水interlayerwater)成規(guī)?？梢岳玫闹饕校荷蠈訙?、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。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。（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。

日常用的井水一般都是潛水，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。

潛水面的形狀通常是具有一定傾斜的曲面?？偟恼f來，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。

（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有被水完全充滿，具有自由水面的地下水，稱無壓層間水。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)。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。

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：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。

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。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)。

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）。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℃。地下熱水的來源有二種：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。

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、硫化氫水和放射性水。碳酸水：它含有大量的游離態(tài)CO2。CO2的含量自每升數(shù)百毫克到幾克，典型的碳酸水常是冷的。因高溫不利于CO2在水中的溶解。

硫化氫水：水中硫化氫是脫硫酸作用的產(chǎn)物。進(jìn)行這種作用要求有有機(jī)物存在的封閉環(huán)境，因此，硫化氫水多存在于含油地層分布地區(qū)。放射性水：它是醫(yī)療范圍最廣、效果最好的礦水。目前應(yīng)用于醫(yī)療上的放射性水主要是氡水。地下水的放射性是從巖石中所含的放射性礦物取得的。酸性巖漿巖，特別是花崗巖，含放射性元素最多，因此，放射性水多與花崗巖及其風(fēng)化產(chǎn)物有關(guān)。

肥水肥水就是含有硝態(tài)氮和其他可溶鹽的地下水。一般認(rèn)為，硝態(tài)氮含量在15mg/L以上的地下水，用于灌溉有增產(chǎn)的效果。因此，把含有硝態(tài)氮15mg/L作為肥水的下限。肥水的成因目前有兩種情況：一種是有機(jī)質(zhì)經(jīng)硝化細(xì)菌的作用形成可溶性硝酸鹽，隨大氣降水或地表水下滲地下水中長(zhǎng)期積累而成。另一種是海相地層中原生水，封閉良好，由于富含有機(jī)質(zhì)，經(jīng)長(zhǎng)期地質(zhì)時(shí)期變化而成。

肥水的分布與地貌、巖層的透水性有著密切的關(guān)系。地勢(shì)較陡、巖石透水性強(qiáng)、地下徑流強(qiáng)烈的地區(qū)，如山區(qū)、黃土高階地、洪積扇中上部，沒有或很少發(fā)現(xiàn)肥水。地勢(shì)平緩、巖層的透水性弱、地下徑流微弱的地方，如山間盆地、河流的低階地、沖積扇的前緣、古河道等一些低洼地