地下水的储存与分类

专注地信

一、地下水的储存空间与岩石的水理性质
（一）含水层和隔水层
地下水的储存空间是岩石的空隙，它可分为孔隙、裂隙和溶隙三类。自然界中的岩石都有大小不等、数量不一的空隙，都有一定的含水能力。但是，所谓含水层是指储存有地下水并在自然条件或人为条件下，能流出水来的岩石，由于这种含水的岩石大多呈层状，所以叫做含水层，如砂层、砂卵石层等等。有些岩层虽然含水但几乎不透水或透水很弱，称为隔水层，如粘土、页岩等。实际上，含水层与隔水层之间并没有一条截然的界线，它们的划分是相对的。隔水层通常可分两种：一种是致密岩石，其中没有空隙，既不含水，也不透水；另一种是孔隙度很大，但孔隙直径很小，孔隙中存在的水绝大部分是结合水，在常压下不能靠重力自由流出，因此也不能透水。
含水层:岩层按其渗透性可分为透水层与不透水层。饱和地下水的透水层是含水层。即能够透过并给出相当数量的岩层。是地下水贮存和运动的场所。
隔水层:指的就是几乎不透水或透水性很低的岩层，一般指渗透系数小于0.001m d-1的岩层,又叫不透水层。
（二）储存空间
地下水的储存空间是岩石的空隙（包括孔隙、裂隙和溶隙），它们既是地下水的储存场所，又是地下水的运动通路。空隙的多少、大小及其分布规律，决定着地下水分布与运动的特点。
孔隙是指松散岩石颗粒与颗粒集合体之间的空隙。
裂隙是指固结的坚硬岩石在各种力的作用下形成的空隙。
溶隙是指可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰石和白云岩等在地下水溶蚀下产生的空隙（空洞）。
（三）岩石的水理性质
岩石的空隙虽然为地下水提供了储存的空间，但是水能否自由进出这些空间却与岩石表面控制水分活动的条件、性质有很大的关系，这些与水分的贮存运移有关的岩石性质通常称为岩石的水理性质。它包括容水性、持水性、给水性、透水性、毛管性等。
1.容水性：
指岩石空隙能容纳一定水量的性能，通常以容水度来衡量。
容水度是指岩石所能容纳的水体积与容水岩石体积之比，即容水度＝水体积/岩石体积×100％（小数或百分数表示）。
容水度在数值上与岩石的孔隙率或裂隙率、岩溶率相等。但对于具有膨胀性的粘土，充水后其体积会增大，容水度可以大于孔隙率。
2.持水性：
指由于岩石颗粒表面对水分子的吸引，而在岩石空隙中保持若干水量的性能。
因为在分子力作用范围内分子力比重力大若干倍，所以岩石所保持的这种水不受重力支配。岩石的持水性能用持水度来衡量。持水度是指受重力作用排水后，岩石空隙中保持的水量与岩石总体积之比，在这种情况下所能保持的水主要是结合水，它取决于岩石颗粒表面对水分子的吸附能力。在松散沉积物中，颗粒组成物质愈细，空隙直径愈小，则体积内的总表面积愈大，持水度愈大。所以持水度实际上说明岩石中结合水与毛管水含量的多少。
3.给水性：
指饱和含水的岩石在重力作用下，能自由流出（排出）若干水量的性能。以给水度作为数量指标。给水度表示在常压下从饱和含水岩石中流出来的水体积与饱水岩石总体积之比。给水度在数值上等于容水度与持水度之差。粗粒松散岩石以及具有张开裂隙的岩石，持水度很小，给水度接近于容水度，粘土以及具有闭合裂隙的岩石，持水度接近于容水度，给水度几乎近于零。
4.透水性：
指在一定压力梯度条件下岩石允许水透过的性能。岩石的透水能力首先取决于空隙直径的大小和连通程度，其次是空隙的多少。因为水在细粒物质（如粘土）组成的微小孔隙中运动时，不仅由于水与孔壁的摩擦阻力而难以通过，而且还由于小颗粒吸附了一层结合水水膜，这种水膜几乎占满了整个孔隙，水是很难通过的。坚硬的岩石中空隙愈多、透水性愈强。衡量岩石透水性的指标是岩石的渗透系数K。透水层与隔水层虽然没有严格的界限，不过目前已公认，凡渗透系数K小于0.001md-1的岩石均列入隔水层，大于或等于这个数值的岩石属于透水层。
渗透系数K：表示土或岩层透水性大小的一个参数。在数值上等于水力坡度为1时的地下水渗流速度。其大小随岩石性质而异，是计算地下水流量、水井涌水量、水库和渠道渗漏水量及水工建筑物地基设计中不可缺少的基本数据。
5.毛管性：
是指松散岩石中存在的毛细孔隙，具有孔隙毛管作用的性质。
　　毛管力作用支持的水称为毛管水，这种水在常压下不能靠重力作用流出来。在潜水面上部常出现一个毛管上升带。水的毛管上升高度与毛管的半径成反比，所以地下水在松散岩石中毛管上升带的高度大致与粒径成反比。
二、岩石中水的分类

（一）根据物理力学性质特点分类
储存于岩石空隙中的地下水，按其物理力学性质不同，分为气态水、吸着水（吸湿水）、薄膜水（膜状水）、毛管水、重力水与固态水几种主要形态。它们均能在一定条件下相互转化，形成统一的动力平衡系统。吸着水（吸湿水）和薄膜水（膜状水）为结合水，毛管水和重力水为自由水。（图2.1 各种形态水在地壳中的分布）

饱水带--地下水面以下的土壤岩石空隙被重力水所饱和的地带。
图2.1　 各种形态水在地壳中的分布 放大浏览 包气带-- 地面以下地下水（潜水）面以上的。土壤岩石空隙没有完全被水充满，包含有与大气连通的气体的地带包气带-- 地面以下地下水（潜水）面以上的。土壤岩石空隙没有完全被水充满，包含有与大气连通的气体的地带。

地面以下，根据土壤岩石含水是否饱和可分为两个带：即地下水面以上的包气带，又称非饱和带，及地下水面以下的饱水带，又称饱和带。饱水带中的土壤岩石空隙全部被液态水充满，主要是重力水；饱水带以上的土壤岩石空隙没有完全被水充满，包含有与大气连通的气体，称作包气带，它是大气水、地面水与地下重力水相互转化的过渡带。若久旱不雨，包气带近地表部分土壤干燥，主要分布气态水和结合水（吸着水、薄膜水）。靠近下部饱和水带部位，形成一个以毛管水为主的毛管带，水资源中的地下水一词通常专指饱水带中的重力水。
1. 气态水
　　指呈水汽状态、贮存和运动于未被饱和的岩石空隙中的水。通过蒸发和凝结作用，汽态水对岩石中水的重新分布起着一定的作用。气态水在一定温度、压力条件下，与液态水相互转化，两者保持动态平衡。
2. 吸着水
　　指由分子引力和静电引力牢固地吸附在土壤颗粒表面，且不受重力影响的水。吸湿水只有在105 ～ 110℃高温下才能汽化散失，它不能被植物吸收利用，属无效水。
3. 薄膜水
　　在吸着水层以外的液态水膜即为薄膜水（土壤含水量达最大吸湿量后，即不再吸收气态水，但土粒表面的分子引力并未饱和。使这种土壤与液态水接触，土粒可吸收液态水而在吸着（湿）水外围形成的水膜，这部分水即为薄膜水）。它能以液体状态由水膜较厚的土粒向水膜较薄的土粒移动，移动速度0.2～0.4mm/h。它难被植物吸收利用，属难有效水。
4. 毛管水
受毛管力作用而保持在土壤毛管孔隙（直径0.001－0.1mm的孔隙）中的水。依其与地下水的关系及所处部位，分毛管上升水和毛管悬挂水，它们为有效水。
毛管上升水: 是指贮存在饱水带地下水面以上岩石或土壤毛细管孔隙中的水，并且与饱水带的地下水直接相连。当地下水面上升或下降时，毛管水的位置相应变动。
毛管悬着水：指贮存在包气带的岩石或土壤毛管中的水，并且与饱水带的地下水没有水力联系，呈“悬挂”状态。
5. 重力水：
指在重力作用下，贮存在岩石和土壤的非毛管孔隙中自由运动的水。平常从泉眼中流出的地下水，以及从井孔中抽出的水都是重力水。它们在重力作用下自由流动，也可传递静水压力。
6. 固态水：
固态水：当岩石或土壤的温度低于水的冰点时，岩石中的水便变为固态的冰。在我国黑龙江、内蒙北部以及青藏高原的某些多年冻土地区，地下水终年以固态水的形式存在。
二）根据含水层的埋藏条件分类
根据埋藏条件的不同，地下水又可分为包气带水、潜水和承压水。 包气带水--泛指贮存在包气带中各种形式的水，包括通称为土壤水的吸着水、薄膜水毛管水、气态水和过路的重力渗入水，以及由特定条件所形成的上层滞水。
土壤水--吸附于土壤颗粒和存在于土壤孔隙中的水，狭义指包气带中各种形式的水。
潜水--埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上具有自由水面的地下水。它受重力作用能从高处向低处流动。

1. 包气带水
地面以下地下水（潜水）面以上的部分，其内土壤和岩石的空隙没有完全被水充满，包含有与大气连通的气体的地带称为包气带。存在于包气带中的水叫做包气带水，以气态水、吸着水、薄膜水和毛细管水的形式存在，农业上叫做土壤水(soil water)。在某些情况下，包气带中有局部隔水层存在，下渗的重力水可以在局部隔水层上积聚起来，动态变化显著。这种位于潜水位以上（包气带中）的局部隔水层所托住的或包含的重力水叫做上层滞水（图2.2）。其补给来源主要是大气降水，但受季节影响大，水量小。一般只能作为小型或暂时性供水水源。开采时应注意防范水质污染。
图2.2　地下水埋藏类型 放大浏览

2. 潜水
潜水(phreatic water)是埋藏在地表以下，第一个稳定的隔水层以上，具有自由水面的重力水（见图2.2）。潜水一般埋藏在第四纪松散沉积物的孔隙中或出露地表的基岩裂隙中，潜水的自由表面称潜水面；潜水面上任一点至地面的距离称为潜水埋藏深度。潜水面上任一点的海拔高度，称为该点的潜水位H。潜水面至隔水底板的距离称为潜水含水层厚度。潜水埋藏深度和含水层厚度各处不一，往往相差很大。
潜水含水层通过包气带直接与地表、大气相通。因此，气象、水文因素的变化对潜水的水量和水质都有很大的影响。雨季，地表渗入量增多，潜水位上升，水质冲淡，水的矿化度降低，旱季降雨稀少，水位下降，若潜水以蒸发排泄为主，则矿化度明显增高。
潜水面是一个自由水面，由于潜水的埋藏受地形、岩性等因素的制约，潜水面有倾斜、抛物线形和水平等多种形状，最常见的潜水面形状是倾斜的曲面，通常起伏很小，倾向邻近的低凹地区，即潜水的排泄区。影响潜水面形状的因素有：
　　①地貌条件：潜水面的形状与地貌条件有密切关系，潜水面的坡度随着地面的坡度而变化，但比地面起伏平缓。地面分水岭一般情况下也是潜水分水岭。

　　② 含水层的岩性及其厚度：沿着潜水的流向，当含水层的岩性颗粒变粗，意味着岩层的透水性增强，潜水面坡度便趋于平缓；反之则变陡。当含水层厚度沿潜水流向增厚时，潜水面坡度也变缓，反之则变陡。
　　③隔水层底板形状：若隔水底板向下凹陷，特别是某些河谷盆地，在枯水季节，可形成潜水湖，此时潜水面呈水平状；而在丰水季节水面上升超出盆地边缘的隔水底板，又可形成潜水流；隔水底板由于构造原因形成阶梯陡坎，此时潜水面往往出现跌水现象。
　　此外，人工抽取潜水，可使潜水面形成一个以抽水井为中心的漏斗曲面。
3、潜水面的表示方法
　　潜水面的表示方法一般采用两种形式：一种是水文地质剖面图，另一种是平面图，即潜水等水位线图。
　　①水文地质剖面图：在研究区内按所需要的走向，将各点的钻孔资料按一定比例绘在图上，并将岩性相同的地层和各点的潜水埋藏深度相连，这就是水文地质剖面图，它反映了潜水面的形状与地形的关系。此外，剖面图还能反映出含水层的岩性、厚度、埋藏深度与隔水底板的关系。

　　②平面图：平面图与地形等高线图的绘制方法类似，在一定范围内将同一时期测得的各点潜水面的标高点绘在图上，然后将潜水位相等的各点连接起来，绘出等潜水位线，这就是潜水等水位线图（图2.3潜水等水位线图）。在同一地区应分别编制出高水位期和低水位期两种潜水等水位线图，这有助于对潜水面变化特点和规律的全面认识。


图2.3 　潜水等水位线图 放大浏览 图2.4 　潜水等水位线图 放大浏览

　　应用潜水等水位线图可以解决下列一些问题（图2.4 利用潜水等水位线图求潜水流向及水力坡度）：
　　◆ 确定潜水流向：垂直于等水位线，从高水位指向低水位的方向，即为地下水的流向。
　　◆ 确定潜水的水力坡度：沿水流方向取任意两点的水位差，除以两点间投影在平面上的直线距离，则为水力坡度，即单位渗流途径上的水头损失。
　　◆ 确定地下水的埋藏深度：将等水位线绘在地形等高线图上，则任意一点地形标高和水位之差,即为该点潜水埋藏深度。
　　◆ 确定潜水与地表水的补给关系。
　　◆ 推断含水层的岩性与厚度的变化：潜水等水位线间的间距变化，往往反映出含水层透水性的差异或含水层厚度的变化。尤其在地面坡度很小的条件下，等水位线的间距疏密不同时，可能反映着含水层粒径或厚度的变化。
　　此外，根据潜水等水位线图和潜水埋深图可以确定引水和排水工程的位置等。

4、承压水
　　承压水是指充满于两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水，倘若含水层没有完全被水充满，且有与潜水性质相似的自由水面，称无压层间水。

图2.5 承压水 放大浏览
　　承压水由于存在隔水层顶板而承受静水压力，当钻孔穿透隔水层顶板时，在静水压力作用下，钻孔中水面上升到一定高度才能静止下来。静止水面高出含水层顶板底面的距离称为该点的承压水头。静止水面的海拔高程就是含水层在该点的承压水位，承压水位高于地表时，承压水能够自喷到地表，这样的承压水又称为自流水。
　　承压水具有下面一系列的特点（图2.5）：
　　A．承压性,是承压水的一个重要特性，在钻孔揭露承压水层时，初见水位与稳定水位是不一致的，稳定水位高于初见水位。
　　B．承压水的分布区与补给区不一致。补给区是指含水层出露地表的部分，从这里可以获得大气降水和地表水补给，具有潜水的性质。在被切割的低洼处承压水常以上升泉的形式出露地表，或直接注入江河、湖泊，是排泄区。
　　C．由于隔水顶板的存在，气候、水文因素的变化对承压水的影响相对来说比潜水要小，因此，承压水的水位、温度、矿化度等比较稳定。从另一方面说，承压水参与水循环不如潜水那样活跃，水的补充、恢复比较缓慢。若承压水参与地壳深部的水循环，则水温增高可以形成地下热水和温泉。
　　D．承压水的水质变化大，从淡水直到矿化很高的卤水都有。如承压水的补给、径流与排泄条件好，则矿化度往往比较低，水质接近入渗的降水及地表水；如承压水的补给、径流、排泄条件差，水循环缓慢，则水从岩层中溶解得到的盐类就多，水的矿化度相应升高，有的承压含水层，由于与外界几乎不发生联系，至今保留着经过浓缩的古海水，矿化度可达数百gl-1之多。此外，承压水的水质常呈现垂直或水平分带的规律。如某些大型的封闭或半封闭的承压盆地内，从盆地边缘的低矿化度和重碳酸盐型水，逐渐转变为中等矿化度的硫酸盐型水，到盆地深部变化为氯化物型水。
　　在地图上，将某一含水层中承压水位相等的各点连接起来，所得出的曲线称等水压线。承压水面不同于潜水面，常与地形极不吻合，甚至高于地表面。钻孔钻到承压水位处是见不到水的，必须凿穿隔水顶板才可见到水。因此，通常在等水压线图上要附以含水层顶板等高线（图2.6 等水压线图）。
　　利用这种图可以了解承压水的流向、承压水埋藏深度、承压水头的大小，以判定开采承压水的有利地段。
潜水--埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上具有自由水面的地下水。它受重力作用能从高处向低处流动。

图2.6 等水压线图 放大浏览

　（三）根据空隙特征分类：
　　根据含水空隙特征可将地下水分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。
　　孔隙水：埋藏在孔隙岩层中的地下水称为孔隙水。它广泛分布于第四纪松散沉积物--洪积、冲积、坡积、湖积、冰积物和半胶结的碎屑沉积岩中。孔隙水的最大特点是水量在空间上分布较均匀。孔隙水的分布及其形成规律直接取决于松散沉积物的形成条件，不同成因沉积物中的地下水往往具有独特的分布规律与形成特征。洪积物与冲积物中的孔隙水最为常见。
　　裂隙水：存在于岩石的各种裂隙中的水称为裂隙水。裂隙水的分布及其形成规律直接由裂隙成因所控制，因此按裂隙成因将裂隙水细分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水三种。
　　岩溶水（溶隙水）：存在于可溶性岩层（如石灰岩、大理岩、白云岩等）的溶蚀空隙中的地下水称为岩溶水。岩溶水不仅是一种具有独立特征的地下水，同时也是一种地质营力。在流动过程中，岩溶水不断溶蚀其周围介质，不断改变着自己的赋存与运动条件。岩溶水的分布规律与运动特征直接取决于碳酸盐岩层的岩溶发育规律。
　　
　　关于地下水分类的综合总结见表2.1。

按埋藏条件	按空隙类型
	孔 隙 水	裂 隙 水	岩 溶 水
	两者组合
包气带水	沼泽水、土壤、沙漠及滨海砂堆砂丘水，隔水透镜体上的水	基岩风化壳中季节性存在的水	裸露岩溶岩层中季节性存在的水
潜水	冲积、坡积、洪积、湖积物、冰积物中水	基岩上部裂隙中的层状水、未被水充满的层间裂隙水	裸露岩层上部层状水，未被水充满的层间岩溶水，未被充满溶洞的地下暗河水
承压水	松散岩层构成的向斜、单斜中水，山前平原的深部水	向斜或单斜构造层状裂隙岩层中的水，构造破碎带、接触带中的水	构造盆地，向斜或单斜构造中的水，构造破碎带、接触带中的水

maliyong65401

介绍了水的分类及运动方式，很好的材料，谢谢！