三、地下水的基本知識
1. 地下水的概念
地下水是指以各種形式埋藏在地殼空隙中的水，包括包氣帶和飽水帶中的水。 地下水也是參於自然界水迴圈過程中處於地下隱伏徑流階段的迴圈水。
地下水是儲存和運動於岩石和土壤空隙中的水，那麼地下水必然要受到地質條件的控制。地質條件包括岩石性質、空隙型別與連通性、地質地貌特徵、地質歷史等。
地下水環境是地質環境的組成部分，它是指地下水的物理性質、化學成分和貯存空間及其由於自然地質作用和人類工程——經濟活動作用下所形成的狀態總和。
2. 地下水的埋藏條件
岩石和土體空隙既是地下水的儲存場所，又是運移通道。空隙的大小、多少、 連通性、充填程度及其分布規律決定著地下水埋藏條件。根據成因可把空隙區分為孔隙、裂隙與溶隙三種，並可把岩層劃分為孔隙岩層(鬆散沉積物、砂岩等)、裂隙岩層(非可溶性的堅硬岩層)與可溶岩層(可溶性的堅硬岩石)。
孔隙岩層中的空隙分布比裂隙可溶岩層均勻，溶隙一般比孔隙、裂隙岩層中的空隙規模大。這三種空隙的大小分別以孔隙度、裂隙率與岩溶率表示，即某一體積岩石中孔隙、裂隙和溶隙體積與岩石總體積之比，以百分數表示。
岩石空隙中存在著各種形式的水，按其物理性質可分為氣態水、吸著水、薄膜水、毛細水、重力水和固態水。此外，還有存在於礦物晶體內部及其間的沸石水、結晶水與結構水。水文地質學所研究的主要物件是飽和帶的重力水，即在重力作用支配下運動的地下水。
岩石空隙是地下水儲存場所和運動通道。空隙的多少、大小、形狀、連通情況和分布規律，對地下水的分布和運動具有重要影響。將岩石空隙作為地下水儲存場所和運動通道研究時，可分為三類，即：
鬆散岩石中的孔隙，堅硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的溶穴。
(1) 孔隙。鬆散岩石是由大小不等的顆粒組成的。顆粒或顆粒集合體之間的空隙，稱為孔隙。
岩石中孔隙體積的多少是影響其儲容地下水能力大小的重要因素。 孔隙體積的多少可用孔隙度表示。孔隙度是指某一體積岩石(包括孔隙在內)中孔隙體積所佔的比例。
由於多孔介質中並非所有的孔隙都是連通的，於是人們提出了有效孔隙度的概念。有效孔隙度為重力水流動的孔隙體積(不包括結合水佔據的空間)與岩石體積之比。顯然，有效孔隙度小於孔隙度。
鬆散岩石中的孔隙分布於顆粒之間，連通良好，分布均勻，在不同方向上，孔隙通道的大小和多少都很接近。賦存於其中的地下水分布與流動都比較均勻。
(2) 裂隙。固結的堅硬岩石，包括沉積岩、岩漿巖和變質岩，一般不存在或只保留一部分顆粒之間的孔隙，而主要發育各種應力作用下岩石破裂變形產生的裂隙。按裂隙的成因可分成巖裂隙、構造裂隙和風化裂隙。
成岩裂隙是岩石在成岩過程中由於冷凝收縮(巖眾巖)或固結乾縮(沉積岩) 而產生的。岩漿巖中成岩裂隙比較發育，尤以玄武岩中柱狀節理最有意義。構造裂隙是岩石在構造變動中受力而產生的。
這種裂隙具有方向性，大小懸殊(由隱蔽的節理到大斷層)，分布不均一。風化裂隙是風化營力作用下，岩石破壞產生的裂隙，主要分布在地表附近。
裂隙的多少以裂隙率表示。裂隙率(k)是裂隙體積(r)與包括裂隙在內的岩石體積(k)的比值，即或(v/f) 100%。除了這種體積裂隙率，還可用面裂隙率或線裂隙率說明裂隙的多少。
野外研究裂隙時，應注意測定裂隙的方向、寬度、延伸長度、充填情況等，因為這些都對地下水的運動具有重要影響。
堅硬基岩的裂隙是寬窄不等，長度有限的線狀縫隙，往往具有一定的方向性。只有當不同方向的裂隙相互穿切連通時，才在某一範圍內構成彼此連通的裂隙網路。裂隙的連通性遠較孔隙為差。
因此，賦存於裂隙基岩中的地下水相互聯絡較差。 分布與流動往往是不均勻的。
(3) 溶穴。可溶的沉積岩，如岩鹽、石膏、石灰岩和白雲岩等，在地下水溶蝕下會產生空洞，這種空隙稱為溶穴(隙)。溶穴的體積(vk)與包括溶穴在內的岩石體積(f)的比值即為岩溶率(&),即尤k=fk/f或a：
k= ( vk/v) 100%。
溶的規模懸殊，大的溶洞可寬達數十公尺，高數十乃至百餘公尺，長達幾至幾十公里，而小的溶孔直徑僅幾公釐。岩溶發育帶岩溶率可達百分之幾十，而其附近岩石的岩溶率幾乎為零。
可溶岩石的溶穴是一部分原有裂隙與原生孔縫溶蝕擴大而成的，空隙大小懸殊且分布極不均勻。因此，賦存於可溶岩石中的地下水分布與流動通常極不均勻。
3.包氣帶和飽水帶
地表以下一定深度，岩石中的空隙被重力水所充滿，形成地下水面。地表與潛水面之間的地帶稱為包氣帶;地下水面以下，土層或岩層的空隙全部被水充滿的地帶稱為飽水帶(圖3-19)。在包氣帶中，空隙壁面吸附有結合水，細小空隙中含有毛細水，未被液態水佔據的空隙包含空氣及氣態水，空隙中的水超過吸附力和毛細力所能支援的量時，空隙中的水便以過重力水的形式向下運動。
上述以各種形式存在於包氣帶中的水統稱為包氣帶水。包氣帶水**於大氣降水的入滲，地表水體的滲漏，由地下水面通過毛細上公升輸送的水，以及地下水蒸發形成的氣態水
4.含水層、隔水層與弱透水層
岩石中含有各種狀態的地下水，由於各類岩石的水力性質不同，可將各類岩石層劃分為含水層、隔水層和弱透水層。
含水層：指能夠給出並透過相當數量重力水的岩層或土層。構成含水層的條件，一是岩石中要有空隙存在，並充滿足夠數量的重力水;二是這些重力水能夠在岩石
空隙中自由運動。
含水層一般分為承壓含水層、潛水含水層。承壓含水層是指充滿於上下兩個隔水層之間的地下水，其承受壓力大於大氣壓力。潛水含水層是指地表以下，第乙個穩定隔水層以上具有自由水面的地下水。
在承壓含水層強抽水形成的漏斗區域，或地形切割嚴重的區域，有時承壓水水頭下降至承壓含水層的隔水頂板之下，這部分承壓水就變成了無壓水，通常將這樣的含水層稱為無壓一承壓含水層。
隔水層：指不能給出並透過水的岩層、土層，如黏土、緻密的岩層等。
含水層和隔水層是相對概念，有些岩層也給出與透過一定數量的水，介於含水層與隔水層之間，於是有人提出了弱透水層(弱含水層)的概念。
弱透水層(弱含水層)：所謂弱透水層是指那些滲透性相當差的岩層，在一般的供排水中它們所能提供的水量微不足道，似乎可以看作隔水層;但是，在發生越流時，由於驅動水流的水力梯度大且發生滲透的過水斷面很大(等於弱透水層分布範圍)，因此，相鄰含水層通過弱透水層交換的水量相當大，這時把它稱作隔水層就不合適了。鬆散沉積物中的黏性土，堅硬基岩中裂隙稀少而狹小的岩層(如砂質頁岩、泥質粉砂岩等)都可以歸入弱透水層之列。
嚴格地說，自然界中並不存在絕對不發生滲透的岩層，只不過某些岩層(如缺少裂隙的緻密結晶巖)的滲透性特別低罷了。從這個角度說，岩層之是否透水(即地下水在其中是否發生具有實際意義的運移)還取決於時間尺度。當我們所研究的某些水文地質過程涉及的時間尺度相當長時，任何岩層都可視為可滲透的。
諾曼與威瑟斯龐(neuman and witherspoon, 1969)曾經指出，有5個含水層被4個弱透水層所阻隔，當在含水層3中抽水時，短期內相鄰的含水層2與4的水位均未變動 (圖3-20)。圖中所示a的範圍構成乙個有水力聯絡的單元。但當抽水持續時，最終影響將波及圖中b所示範圍，這時5個含水層與4個弱透水層構成乙個發生統一水力聯絡的單元。
這個例子雖然涉及的是弱透水層，但對典型的隔水層同樣適用。
1. 地下水形成條件
指參與現代水迴圈的地下水補給、徑流、排洩條件而言，不涉及討論地下水首次形成的地下水起源問題。地下水的形成必須具備兩個條件，一是有水分**，二是要有貯存水的空間。它們均直接或間接受氣象、水文、地質、地貌和人類活動的影響。
(1) 自然地理條件。氣象、水文、地質、地貌等對地下水影響最為顯著。大氣降水是地下水的主要補給**，降水的多寡直接影響到乙個地區地下水的豐富程度。
在濕潤地區，降雨量大，地表水豐富，對地下水的補給量也大，一般地下水也比較豐富;在於旱地區，降雨量小，地表水貧乏，對地下水的補給有限，地下水量一般較小。另外，乾旱地區蒸發強烈，淺層地下水濃縮，再加上補給少，迴圈差， 多形成高礦化度的地下水。
地表水與地下水同處於自然界的水迴圈中，並且互相轉化，兩者有著密切的聯絡。
除了降水對地下水的補給外，地表水對地下水也能起到補給作用，但主要集中在地表水分布區，如河流沿岸、湖泊的周邊。所以有地表水的地區地下水既可得到降水補給，又可得到地表水補給，所以水量比較豐富，水質一般也好。
在不同的地形地貌條件下，形成的地下水存在很大差異。
地形平坦的平原和盆地區，鬆散沉積物厚，地面坡度小，降水形成的地表徑流流速慢，易於滲入地下，補給地下水，特別是降水多的沿海地帶和南方，平原和盆地中地下水廣而豐富。
在沙漠地區儘管地面物質粗糙，水分易於下滲，但因為氣候乾旱，降水少，地下水很難得到補給，許多岩層是能透水而不含水的幹岩層。
黃土高原，組成物質較細，且地面切割劇烈，不利於地下水的形成，又加上位於乾旱半乾旱氣候區，地下水貧乏，是中國有名的貧水區。
山區地形陡峻，基岩出露，地下水主要存在於各種岩石的裂隙中，分布不均。由於降水受海拔高度的影響，具有垂直分布規律，在高大山脈分布地區，降水充足, 地表水和地下水均很豐富，特別在乾旱地區，這一現象表現更為明顯。位於中國乾旱區腹部的祁連山、崑崙山、天山等，山體高大，攔截了大氣中的大量水汽，並有山岳冰川分布，成為乾旱區中的「溼島」，為周圍地區提供大量的地表徑流，使位於山前的部分平原具有充足的地表水和地下水資源。
(2)地質條件。影響地下水形成的地質條件，主要是岩石性質和地質構造。巖
石性質決定了地下水的貯存空間，它是地下水形成的先決條件;地質構造則決定了具有貯水空間的岩石，能否將水儲存住以及儲存水量的多少等特性。
除了一些結晶緻密的岩石外，絕大部分岩石都具有一定的空隙。堅硬岩石中地下水存在於各種內、外動力地質作用形成的裂隙之中，分布極不均勻;鬆散岩層中，地下水存在於鬆散岩土顆粒形成的孔隙之中，分布相對較為均勻。在一些構造發育、 斷層分布集中的地區，岩層破碎，各種裂隙密布，地下水以脈狀、帶狀集中分布在大斷層及其附近。
在構造盆地，由於基底是盆地式構造，其上往往沉積了巨厚的第四紀鬆散沉積物，再加上良好的匯水條件，多形成良好的承壓含水層，蘊藏著豐富的自流水。
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