地下水

地面以下岩土空隙中的水。地下一定深度出现地下水面。地下水面以下,是岩土空隙完全充水的饱水带,其上为空隙没有完全充水的包气带。狭义的地下水是指饱水带内能在重力作用下运动的重力水。广义的地下水,则包括包气带及饱水带岩土空隙中各种赋存状态的水。现在人们广泛接受广义的地下水的概念。

地下水与水文循环

地下水参与水文循环。大气圈中的水汽凝结为雨和雪等,降落到地面。降水一部分沿地表汇集于低处,成为地表水。另一部分渗入地下,成为地下水。地下水一部分直接蒸发返回大气,其余部分在地下运动,形成地下径流。在合适条件下地下径流向河、湖排泄或出露地表成泉,最后汇入海洋。有一小部分地下径流直接排入海洋。

饱水的岩土构成了巨大的天然储水库,吸收雨季及丰水年份的降水,留存到旱季或缺水年份,对水资源起着调节作用。岩土对水进行过滤,使地下水变得洁净。地下水在岩土中流动,含有一定的矿物质。与地表水相比较,地下水是更为理想的天然饮用水源。

地下水的存在形式

地下水赋存于松散岩石的颗粒或颗粒集合体之间的孔隙中,还存在于坚硬基岩由于构造、成岩作用或风化作用产生的裂隙中,以及可溶性岩层(如石灰岩)的溶蚀管道和洞穴中。

附着于空隙壁面,不能在重力作用下运动的是结合水。只有当水力梯度大到足以克服其抗剪强度时,结合水才能流动。距离空隙壁面稍远,重力对水分子的影响大于隙壁对它的吸引力,便出现能够自由流动的重力水。重力水可以直接被人们利用。从泉中流出的水和从井中取出的水,都是重力水。在地下水面以上的包气带,由于气态、液态、固态三相并存,在细小空隙中出现弯液面,因此,这里分布着既受重力作用、又受毛管力(弯液面力)影响的毛管水。

含水层与隔水层

在重力作用下能够给出一定水量的饱水岩层称为含水层。砂砾石、有裂隙的砂岩,以及溶穴发育的石灰岩都可构成良好含水层,打在含水层中的井可以提供具有实际意义的水量。在重力作用下不能给出水,或给出缺乏实际意义的水量的岩层,称为隔水层。隔水层是透水性很弱的岩层,如页岩、板岩等。松散沉积物中的粘性土层,透水性比砂砾的小得多,往往被视为隔水层或弱透水层。含水层之间通过弱透水层发生水量交换称作越流。越流的存在使含水层以及其间的弱透水层构成具有共同水力联系的含水系统。

地下水类型

根据埋藏条件即含水岩层在地层剖面中的部位及其受隔水层限制的情况,可将地下水区分为包气带水、潜水及承压水(见图)。

图

根据赋存地下水的岩土空隙类型,如孔隙、裂隙、溶穴,可分为孔隙水、裂隙水及岩溶水(喀斯特水)。将以上两者组合,可分为九类地下水:孔隙包气带水、孔隙潜水、孔隙承压水、裂隙包气带水、裂隙潜水、裂隙承压水、岩溶包气带水、岩溶潜水、岩溶承压水(见表)。

图

地面以下潜水面以上的水属包气带水,以结合水、毛管水及重力水形式存在。其中赋存于最上部土壤层中的是土壤水。季节性滞留于局部隔水层之上的重力水称作上层滞水。潜水是饱水带中第一个具有自由水面的含水层中的水,与大气圈及水圈联系密切,其特征是积极参与水文循环。承压水是充满于两个隔水层之间的含水层中的水。由于上覆隔水层的限制,与大气圈和水圈联系较差。承压水承受压力,井孔揭穿隔水顶板时,水位能上升到隔水顶板以上一定高度,有时还能喷溢于地表。

孔隙水分布于松散岩石孔隙中,以分布均匀连续为特点。裂隙水赋存于坚硬基岩的裂隙中,由于裂隙发育程度不一,裂隙水常呈不均匀状态分布。岩溶水存在于大小悬殊的溶穴中,故其分布最不均匀。

运动

按流线形态地下水的运动一般分为层流与紊流。当水在岩土空隙中渗流时,水的质点有秩序地,互不混杂地流动,称为层流运动。绝大多数天然地下水的运动都属层流运动。水的质点无秩序地、互相混杂的流动,称为紊流运动。在宽大的空隙(大的溶洞、宽大裂隙和卵砾石间的大空隙)中,如水的流速较高,则易呈紊流运动。按运动要素(水位、流速等)是否随时间变化,地下水运动分为稳定流和非稳定流。当运动要素不随时间变化时称为稳定流,否则为非稳定流。天然地下水流多数为非稳定流。在大多数情况下,地下水运动可用达西定律描述。在一个大流域(或地下水盆地)内,根据地下水运动的距离和范围的大小,可分为局部流、中间流和区域流。局部流从河间地带接受补给,排泄到相邻的河谷,流程短,循环快,地下水的水质好。区域流从流域边缘的山区接受补给,排泄到区内水位最低的河流,流程长,流速小,水交替缓慢,水质差。中间流介于局部流和区域流之间。

地下水水质

大部分地下水都是透明、无色、无味的淡水,每升水中含盐分一般不超过1克,少部分地下水含盐量可高达每升数百克,这种地下水可美刺崛】笪镌霞跋∮性亍5叵滤幸逊⑾60多种天然元素。其中最常见的主要化学组分有Ca2+、Mg2+、Na+、HCO婣、SO厈及CI-。最常见的气体有氧、二氧化碳、氮等。这些组分主要来源于地下水流动过程中对岩土所含盐类的溶解,另外也来自降水及地表水。含水层经常接受降水及河、湖水补给时,多为淡水。含盐量很高的地下水主要有两类:一类是埋藏于地层中的古代海水或古盐湖水;另一类是经受强烈蒸发、盐分相对浓集的地下水。

地下水的补给、排泄与动态

降水及地表水是地下水补给的主要来源。在昼夜温差大的沙漠地区,包气带中水汽的凝结对于地下水补给有一定意义。此外,利用地表水灌溉农田、修建水库、进行人工补给等,都会使地下水得到一定量的补充。地下水排泄有几种方式。泉是地下水的集中排泄点。地下水还可直接排入河、湖、海洋。干旱半干旱地区的河流,旱季流量往往完全由地下水的泄流来维持。干旱地区的潜水埋藏深度不大时,则以蒸发排泄为主。植被繁茂的地区,植物叶面蒸发水分,是地下水不可忽视的排泄途径。

地下水的补给与排泄随时间而变化。雨季降水集中,补给增强,地下水储存量增加,引起地下水位上升;旱季地下水缺乏补给,不断排泄,储存量减少,地下水位下降。这种地下水位以及水量、水质、水温等随时间的变化,称为地下水动态。打井开采地下水,将增加地下水排泄,修建水库会增加地下水的补给。诸如此类人工引起的补给与排泄,都会影响或改变地下水的天然动态。

地下水资源

指具有一定质量和数量,可供人类应用的地下水。有一定边界限定,与周围的地下水相对隔离的地下储水体,称作地下含水系统。任一地下含水系统中,通常包含有两类性质不同的水量:一类是经常参与水文循环的水量,称作补给量(补给资源),一类是储容于含水层中的水量,称作储存量(储存资源)。补给量是年复一年可以动用的水量。储存量可在干旱缺水时节动用,并在丰水季节补还,用于调剂时间上水量的余缺。

地下水与人类

地下水作为资源、环境生态因素、地质营力以及信息载体而与人类密切相关。

地下水不仅是理想的供水水源,某些具有特殊组分与性质的地下水──矿水,还可用来治病或充作饮料。含有大量盐类或有用组分(如溴、碘、锶、钡)的地下卤水,是珍贵的液体矿产。地下热水是一种有价值的热能。地下冷水能为空调提供冷源。地下水还是重要的环境生态因素。地下水位的深浅对土壤、植被等有很大影响。地下水位过浅造成土壤沼泽化。在干旱地区还会引起土壤盐渍化。干旱地区地下水位过深,则使植被枯萎、土壤砂化。深部采矿及进行各种地下工程(隧洞、地下厂房)时,必须防治地下水的涌入。持续大量排除或开采地下水,往往导致地面沉降以及海水或咸水入侵淡水含水层。随着人口增长及工农业发展,各种废料排放对地下水污染愈来愈引起人们的关切。

地下水也是一种活跃的地质营力。地下水流动时带走松散沉积物中的细小颗粒形成空洞称作潜蚀,潜蚀可造成地面与坝体坍塌。地下水孔隙压力的变化有时会导致边坡与坝体的不稳定。在矿床的形成及石油迁移、积聚形成油藏过程中,地下水起着重要的作用。

地下水是重要的信息载体。根据地下水含有的某些组分可以寻找金属矿床与油藏。地下水位与化学成分的变化,常是地震临震预报的重要根据之一。

参考书目
  1. 王大纯、张人权、史毅虹、许绍倬编著:《水文地质学基础》,地质出版社,北京,1986。
  2. R.A.弗里泽,J.A.彻里著,吴静方译:《地下水》,地震出版社,北京,1987。(R.A.Freeze,J.A. Cherry,Groundwater,Prentice-Hall,Inc.,New Jersey,1979.)

参考文章