地面以下巖土空隙中的水。地下一定深度出現地下水面。地下水面以下,是巖土空隙完全充水的飽水帶,其上為空隙沒有完全充水的包氣帶。狹義的地下水是指飽水帶內能在重力作用下運動的重力水。廣義的地下水,則包括包氣帶及飽水帶巖土空隙中各種賦存狀態的水。現在人們廣泛接受廣義的地下水的概念。

  地下水與水文迴圈 地下水參與水文迴圈。大氣圈中的水汽凝結為雨和雪等,降落到地面。降水一部分沿地地表匯集於低處,成為地表水。另一部分滲入地下,成為地下水。地下水一部分直接蒸發返回大氣,其餘部分在地下運動,形成地下徑流。在合適條件下地下徑流向河、湖排泄或出露地表成泉,最後匯入海洋。有一小部分地下徑流直接排入海洋。

  飽水的巖土構成瞭巨大的天然儲水庫,吸收雨季及豐水年份的降水,留存到旱季或缺水年份,對水資源起著調節作用。巖土對水進行過濾,使地下水變得潔凈。地下水在巖土中流動,含有一定的礦物質。與地表水相比較,地下水是更為理想的天然飲用水源。

  地下水的存在形式 地下水賦存於松散巖石的顆粒或顆粒集合體之間的孔隙中,還存在於堅硬基巖由於構造、成巖作用或風化作用產生的裂隙中,以及可溶性巖層(如石灰巖)的溶蝕管道和洞穴中。

  附著於空隙壁面,不能在重力作用下運動的是結合水。隻有當水力梯度大到足以克服其抗剪強度時,結合水才能流動。距離空隙壁面稍遠,重力對水分子的影響大於隙壁對它的吸引力,便出現能夠自由流動的重力水。重力水可以直接被人們利用。從泉中流出的水和從井中取出的水,都是重力水。在地下水面以上的包氣帶,由於氣態、液態、固態三相並存,在細小空隙中出現彎液面,因此,這裡分佈著既受重力作用、又受毛管力(彎液面力)影響的毛管水。

  含水層與隔水層 在重力作用下能夠給出一定水量的飽水巖層稱為含水層。砂礫石、有裂隙的砂巖,以及溶穴發育的石灰巖都可構成良好含水層,打在含水層中的井可以提供具有實際意義的水量。在重力作用下不能給出水,或給出缺乏實際意義的水量的巖層,稱為隔水層。隔水層是透水性很弱的巖層,如頁巖、板巖等。松散沉積物中的粘性土層,透水性比砂礫的小得多,往往被視為隔水層或弱透水層。含水層之間通過弱透水層發生水量交換稱作越流。越流的存在使含水層以及其間的弱透水層構成具有共同水力聯系的含水系統。

  地下水類型 根據埋藏條件即含水巖層在地層剖面中的部位及其受隔水層限制的情況,可將地下水區分為包氣帶水、潛水及承壓水(見圖)。

地下水分類表 根據賦存地下水的巖土空隙類型,如孔隙、裂隙、溶穴,可分為 孔隙水、 裂隙水及 巖溶水(喀斯特水)。將以上兩者組合,可分為九類地下水:孔隙包氣帶水、孔隙潛水、孔隙承壓水、裂隙包氣帶水、裂隙潛水、裂隙承壓水、巖溶包氣帶水、巖溶潛水、巖溶承壓水(見表)。

地下水分類表

  地面以下潛水面以上的水屬包氣帶水,以結合水、毛管水及重力水形式存在。其中賦存於最上部土壤層中的是土壤水。季節性滯留於局部隔水層之上的重力水稱作上層滯水。潛水是飽水帶中第一個具有自由水面的含水層中的水,與大氣圈及水圈聯系密切,其特征是積極參與水文循環。承壓水是充滿於兩個隔水層之間的含水層中的水。由於上覆隔水層的限制,與大氣圈和水圈聯系較差。承壓水承受壓力,井孔揭穿隔水頂板時,水位能上升到隔水頂板以上一定高度,有時還能噴溢於地表。

  孔隙水分佈於松散巖石孔隙中,以分佈均勻連續為特點。裂隙水賦存於堅硬基巖的裂隙中,由於裂隙發育程度不一,裂隙水常呈不均勻狀態分佈。巖溶水存在於大小懸殊的溶穴中,故其分佈最不均勻。

  運動 按流線形態地下水的運動一般分為層流與紊流。當水在巖土空隙中滲流時,水的質點有秩序地,互不混雜地流動,稱為層流運動。絕大多數天然地下水的運動都屬層流運動。水的質點無秩序地、互相混雜的流動,稱為紊流運動。在寬大的空隙(大的溶洞、寬大裂隙和卵礫石間的大空隙)中,如水的流速較高,則易呈紊流運動。按運動要素(水位、流速等)是否隨時間變化,地下水運動分為穩定流和非穩定流。當運動要素不隨時間變化時稱為穩定流,否則為非穩定流。天然地下水流多數為非穩定流。在大多數情況下,地下水運動可用達西定律描述。在一個大流域(或地下水盆地)內,根據地下水運動的距離和范圍的大小,可分為局部流、中間流和區域流。局部流從河間地帶接受補給,排泄到相鄰的河谷,流程短,循環快,地下水的水質好。區域流從流域邊緣的山區接受補給,排泄到區內水位最低的河流,流程長,流速小,水交替緩慢,水質差。中間流介於局部流和區域流之間。

  地下水水質 大部分地下水都是透明、無色、無味的淡水,每升水中含鹽分一般不超過1克,少部分地下水含鹽量可高達每升數百克,這種地下水可用來提取礦物原料及稀有元素。地下水中已發現60多種天然元素。其中最常見的主要化學組分有Ca2+Mg2+Na+HCO3-SO42-CI-。最常見的氣體有氧、二氧化碳、氮等。這些組分主要來源於地下水流動過程中對巖土所含鹽類的溶解,另外也來自降水及地表水。含水層經常接受降水及河、湖水補給時,多為淡水。含鹽量很高的地下水主要有兩類:一類是埋藏於地層中的古代海水或古鹽湖水;另一類是經受強烈蒸發、鹽分相對濃集的地下水。

  地下水的補給、排泄與動態 降水及地表水是地下水補給的主要來源。在晝夜溫差大的沙漠地區,包氣帶中水汽的凝結對於地下水補給有一定意義。此外,利用地表水灌溉農田、修建水庫、進行人工補給等,都會使地下水得到一定量的補充。地下水排泄有幾種方式。泉是地下水的集中排泄點。地下水還可直接排入河、湖、海洋。幹旱半幹旱地區的河流,旱季流量往往完全由地下水的泄流來維持。幹旱地區的潛水埋藏深度不大時,則以蒸發排泄為主。植被繁茂的地區,植物葉面蒸發水分,是地下水不可忽視的排泄途徑。

  地下水的補給與排泄隨時間而變化。雨季降水集中,補給增強,地下水儲存量增加,引起地下水位上升;旱季地下水缺乏補給,不斷排泄,儲存量減少,地下水位下降。這種地下水位以及水量、水質、水溫等隨時間的變化,稱為地下水動態。打井開采地下水,將增加地下水排泄,修建水庫會增加地下水的補給。諸如此類人工引起的補給與排泄,都會影響或改變地下水的天然動態。

  地下水資源 指具有一定質量和數量,可供人類應用的地下水。有一定邊界限定,與周圍的地下水相對隔離的地下儲水體,稱作地下含水系統。任一地下含水系統中,通常包含有兩類性質不同的水量:一類是經常參與水文循環的水量,稱作補給量(補給資源),一類是儲容於含水層中的水量,稱作儲存量(儲存資源)。補給量是年復一年可以動用的水量。儲存量可在幹旱缺水時節動用,並在豐水季節補還,用於調劑時間上水量的餘缺。

  地下水與人類 地下水作為資源、環境生態因素、地質營力以及信息載體而與人類密切相關。

  地下水不僅是理想的供水水源,某些具有特殊組分與性質的地下水──礦水,還可用來治病或充作飲料。含有大量鹽類或有用組分(如溴、碘、鍶、鋇)的地下鹵水,是珍貴的液體礦產。地下熱水是一種有價值的熱能。地下冷水能為空調提供冷源。地下水還是重要的環境生態因素。地下水位的深淺對土壤、植被等有很大影響。地下水位過淺造成土壤沼澤化。在幹旱地區還會引起土壤鹽漬化。幹旱地區地下水位過深,則使植被枯萎、土壤砂化。深部采礦及進行各種地下工程(隧洞、地下廠房)時,必須防治地下水的湧入。持續大量排除或開采地下水,往往導致地面沉降以及海水或咸水入侵淡水含水層。隨著人口增長及工農業發展,各種廢料排放對地下水污染愈來愈引起人們的關切。

  地下水也是一種活躍的地質營力。地下水流動時帶走松散沉積物中的細小顆粒形成空洞稱作潛蝕,潛蝕可造成地面與壩體坍塌。地下水孔隙壓力的變化有時會導致邊坡與壩體的不穩定。在礦床的形成及石油遷移、積聚形成油藏過程中,地下水起著重要的作用。

  地下水是重要的信息載體。根據地下水含有的某些組分可以尋找金屬礦床與油藏。地下水位與化學成分的變化,常是地震臨震預報的重要根據之一。

  

參考書目

王大純、張人權、史毅虹、許紹倬編著:《水文地質學基礎》,地質出版社,北京,1986。

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