地下水系統(tǒng)的組成與結構

1、第一節(jié)地下水系統(tǒng)的組成與結構地下水由于埋藏于地下巖土的空隙之中，因而其分布、運動和水的性質，要受到巖土的特性以及貯存它的空間特性的深刻影響。與地表水系統(tǒng)相比，地下水系統(tǒng)顯得更為復雜多樣，并表現(xiàn)出立體結構的特點。一、地下水的貯存空間（一）含水介質、含水層和隔水層自然界的巖石、土壤均是多孔介質，在它們的固體骨架間存在著形狀不一、大小不等的孔隙、裂隙或溶隙，其中有的含水，有的不含水，有的雖然含水卻難以透水。通常把既能透水，又飽含水的多孔介質稱為含水介質，這是地下水存在的首要條件。所謂含水層是指貯存有地下水，并在自然狀態(tài)或人為條件下，能夠流出地下水來的巖體。由于這類含水的巖體大多呈層狀、故名含水層，如

2、砂層、砂礫石層等。亦有的含水巖體呈帶狀、脈狀甚至是塊狀等復雜狀態(tài)分布，對于這樣的含水巖體可稱為含水帶、含水體或稱為含水巖組。對于那些雖然含水，但幾乎不透水或透水能力很弱的巖體，稱為隔水層，如質地致密的火成巖、變質巖，以及孔隙細小的頁巖和粘土層均可戌為良好的隔水層。實際上，含水層與隔水層之間并無一條截然的界線，它們的劃分是相對的，并在一定的條件下可以互相轉化。如飽含結合水的粘土層，在尋常條件下，不能透水與給水，成為良好的隔水層；但在較大的水頭作用下，由于部分結合水發(fā)生運動，粘土層就可以由隔水層轉化為含水層。（二）含水介質的空隙性與水理性1 .含水介質的空隙性含水介質的空隱性是地下水存在的先決條件

3、之一?？障兜亩嗌?、大小、均勻程度及其連通情況，直接決定了地下水的埋藏、分布和運動特性。通常，將松散沉積物顆粒之間的空隙稱為孔隙，堅硬巖石因破裂產(chǎn)生的空隙稱裂隙，可溶性巖石中的空隙稱溶隙（包括巨大的溶穴，溶洞等）。1）孔隙率（n）又稱孔隙度，它是反映含水介質特性的重要指標，以孔隙體積（Vn）與包括孔隙在內的巖土體積（V）之比值來表示，即n=Vn/VX100%?？紫堵实拇笮?，取決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的狀況等。必須指出，孔隙率只有孔隙數(shù)量多少的概念，并不說明孔隙本身的大?。纯紫堵蚀蟛⒉槐硎究紫兑泊螅??？紫兜拇笮∨c巖土顆粒粗細有關，通常是顆粒粗則孔隙

4、大，顆粒細則孔隙小。但因細顆粒巖土表面積增大，因而孔隙率反而增大，如粘土孔隙率達到4555%;而礫石的平均孔隙率只有27%。2）裂隙率（KT）裂隙率即裂隙體積（VT）與包括裂隙在內巖石體積（V）之比值：KT=VT/VX100%。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可能達到百分之幾十，有的部位KT值可能小于1%。3）巖溶率（KK）溶隙的多少用巖溶率表示，即溶隙的體積（Vk）與包括溶隙在內的巖石體積（V）之比值：Kk=Vk/VX100%。溶隙與裂隙相比較，在形狀、大小等方面顯得更加千變萬化，小的溶孔直徑只幾毫米，大的溶洞可達幾百米，有的形成地下暗河延

5、伸數(shù)千米。因此巖溶率在空間上極不均勻。綜上所述，雖然裂隙率（KT）、巖溶率（Kk）與孔隙率（n）的定義相似，在數(shù)量上均說明巖土空隙空間所占的比例。但實際意義卻頗有區(qū)別，其中孔隙率具有較好的代表性，可適用于相當大的范圍；而裂隙率囿于裂隙分布的不均勻性，適用范圍受到極大限制；對于巖溶率（Kk）來說，即使是平均值也不能完全反映實際情況，所以局限性更大。2 .含水介質的水理性質巖土的空隙，雖然為地下水提供了存在的空間，但是水能否自由的進出這些空間，以及巖土保持水的能力，卻與巖土表面控制水分活動的條件、性質有很大的關系。這些與水分的貯容、運移有關的巖石性質，稱為含水介質的水理性質，包括巖土的容水性、持水

6、性、給水性、貯水性、透水性及毛細性等。1）容水性指在常壓下巖土空隙能夠容納一定水量的性能，以容水度來衡量。容水度（Wn）定義為巖土容納水的最大體積Vn與巖土總體積V之比，即Wn=Vn/VX100%。由定義可知，容水度Wn值的大小取決于巖土空隙的多少和水在空隙中充填的程度，如全部空隙被水充滿，則容水度在數(shù)值上等于孔隙度；對于具有膨脹性的粘土，充水后其體積會增大，所以容水度可以大于孔隙度。2）持水性飽水巖土在重力作用下排水后，依靠分子力和毛管力仍然保持一定水分的能力稱持水性。持水性在數(shù)量上用持水度表示。持水度Wr定義為飽水巖土經(jīng)重力排水后所保持水的體積Vr和巖土總體積V之比。即Wr=Vr/VX10

7、0%,其值大小取決于巖土顆粒表面對水分子的吸附能力。在松散沉積物中，顆粒愈細，空隙直徑愈小，則同體積內的比表面積愈大，Wr,愈大。3）給水性指飽水巖土在重力作用下能自由排出水的性能，其值用給水度（科）來表示。給水度定義為飽水巖土在重力作用下，能自由排出水的體積Vg和巖土總體積V之比，即科=Vg/VX100%。由上述3個定義可知：巖土持水度和給水度之和等于容水度（或孔隙度），即Wn=Wr+科或n=Wr+科。式中n為孔隙度。4）透水性指在一定條件下，巖土允許水通過的性能。透水性能一般用滲透系數(shù)K值來表示。其值大小首先與巖土空隙的直徑大小和連通性有關，其次才和空隙的多少有關。如粘土的孔隙度很大，但孔

8、隙直徑很小，水在這些微孔中運動時，不僅由于水與孔壁的摩阻力大而難以通過，而且還由于粘土顆粒表面吸附形成一層結合水膜，這種水膜幾乎占滿了整個孔隙，使水更難通過。透水層與隔水層雖然沒有嚴格的界限，不過常常將滲透系數(shù)K值小于0.001米/日的巖土，列入隔水層，大于或等于此值的巖土屬透水層。5）貯水性上述巖土的容水性和給水性，對于埋藏不深、厚度不大的潛水（無壓水）來說是適合的，但對于埋藏較深的承壓水層來說，往往存在明顯的誤差。主要原因是在高壓條件下釋放出來的水量，與承壓含水介質所具有的彈性釋放性能以及來自承壓水自身的彈性膨脹性有關。通常，埋藏愈深，承壓愈大則誤差愈大。因而需要引入貯水性概念。承壓含水介

9、質的貯水性能可用貯水系數(shù)或釋水系數(shù)表示，其定義為：當水頭變化為一個單位時，從單位面積含水介質柱體中釋放出來的水體積，稱為釋水系數(shù)（s）,它是一個無量綱的參數(shù)。大部分承壓含水介質的s值大名勺從10-5變化到10-3。（三）蓄水構造所謂蓄水構造，是指由透水巖層與隔水層相互結合而構成的能夠富集和貯存地下水的地質構造體。一個蓄水構造體需具備以下3個基本條件，第一，要有透水的巖層或巖體所構成的蓄水空間；第二，有相對的隔水巖層或巖體構成的隔水邊界；第三，具有透水邊界，補給水源和排泄出路。不同的蓄水構造，對含水層的埋藏及地下水的補給水量、水質均有很大的影響。尤其在堅硬巖層分布區(qū)，首先要查明蓄水構造，才能找到

10、比較理想的地下水源。這類蓄水構造主要有：單斜蓄水構造、背斜蓄水構造、向斜蓄水構造、斷裂型蓄水構造、巖溶型蓄水構造等。在松散沉積物廣泛分布的河谷、山前平原地帶，有人根據(jù)沉積物的成因類型，空間分布及水源條件，區(qū)分為山前沖洪積型蓄水構造、河谷沖積型蓄水構造、湖盆沉積型蓄水構造等。二、地下水流系統(tǒng)地下水雖然埋藏于地下，難以用肉眼觀察，但它象地表上河流湖泊一樣，存在集水區(qū)域，在同一集水區(qū)域內的地下水流，構成相對獨立的地下水流系統(tǒng)。（一）地下水流系統(tǒng)的基本特征在一定的水文地質條件下，匯集于某一排泄區(qū)的全部水流，自成一個相對獨立的地下水流系統(tǒng)，又稱地下水流動系。處于同一水流系統(tǒng)的地下水，往往具有相同的補給來

11、源，相互之間存在密切的水力聯(lián)系，形成相對統(tǒng)一的整體；而屬于不同地下水流系統(tǒng)的地下水，則指向不同的排泄區(qū)，相互之間沒有或只有極微弱的水力聯(lián)系。此外，與地表水系相比較，地下水流系統(tǒng)具有如下的特征：1 .空間上的立體性地表上的江河水系基本上呈平面狀態(tài)展布；而地下水流系統(tǒng)往往自地表面起可直指地下幾百上千米深處，形成空間立體分布，并自上到下呈現(xiàn)多層次的結構，這是地下水流系統(tǒng)與地表水系的明顯區(qū)別之一。2 .流線組合的復雜性和不穩(wěn)定性地表上的江河水系，一般均由一條主流和若干等級的支流組合而成有規(guī)律的河網(wǎng)系統(tǒng)。而地下水流系統(tǒng)則是由眾多的流線組合而成的復雜的動態(tài)系統(tǒng)，在系統(tǒng)內部不僅難以區(qū)別主流和支流，而且具有多

12、變性和不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性，可以表現(xiàn)為受氣候和補給條件的影響呈現(xiàn)周期性變化；亦可因為開采和人為排泄，促使地下水流系統(tǒng)發(fā)生劇烈變化，甚至在不同水流系統(tǒng)之間造成地下水劫奪現(xiàn)象。3 .流動方向上的下降與上升的并存性在重力作用下，地表江河水流總是自高處流向低處；然而地下水流方向在補給區(qū)表現(xiàn)為下降，但在排泄區(qū)則往往表現(xiàn)為上升，有的甚至形成噴泉。除上述特點外，地下水流系統(tǒng)涉及的區(qū)域范圍一般比較小，不可能象地表江河那樣組合成面積廣達幾十萬乃至上百萬平方公里的大流域系統(tǒng)。根據(jù)托思的研究，在一塊面積不大的地區(qū)，由于受局部復合地形的控制，可形成多級地下水流系統(tǒng)，不同等級的水流系統(tǒng)，它們的補給區(qū)和排泄區(qū)在地面上交

13、替分布。（二）地下水域地下水域就是地下水流系統(tǒng)的集水區(qū)域。它與地表水的流域亦存在明顯區(qū)別，地表水的流動主要受地形控制，其流域范圍以地形分水嶺為界，主要表現(xiàn)為平面形態(tài)；而地下水域則要受巖性地質構造控制，并以地下的隔水邊界及水流系統(tǒng)之間的分水界面為界，往往涉及很大深度，表現(xiàn)為立體的集水空間。如以人類歷史時期來衡量，地表水流域范圍很少變動或變動極其緩慢，而地下水域范圍的變化則要快速得多，尤其是在大量開采地下水或人工大規(guī)模排水的條件下，往往引起地下水流系統(tǒng)發(fā)生劫奪，促使地下水域范圍產(chǎn)生劇變。通常，每一個地下水域在地表上均存在相應的補給區(qū)與排泄區(qū)，其中補給區(qū)由于地表水不斷地滲入地下，地面常呈現(xiàn)干旱缺水狀

14、態(tài)；而在排泄區(qū)則由于地下水的流出，增加了地面上的水量，因而呈現(xiàn)相對濕潤的狀態(tài)。如果地下水在排泄區(qū)以泉的形式排泄，則可稱這個地下水域為泉域。三、地下水系統(tǒng)垂向結構（一）地下水垂向層次結構的基本模式如前所述，地下水流系統(tǒng)的空間上的立體性，是地下水與地表水之間存在的主要差異之一。而地下水垂向的層次結構，則是地下水空間立體性的具體表征。典型水文地質條件下，地下水垂向層次結構的基本模式。自地表面起至地下某一深度出現(xiàn)不透水基巖為止，可區(qū)分為包氣帶和飽和水帶兩大部分。其中包氣帶又可進一步區(qū)分為土壤水帶、中間過渡帶及毛細水帶等3個亞帶；飽和水帶則可區(qū)分為潛水帶和承壓水帶兩個亞帶。從貯水形式來看，與包氣帶相對應

15、的是存在結合水（包括吸濕水和薄膜水）和毛管水；與飽和水帶相對應的是重力水（包括潛水和承壓水）。以上是地下水層次結構的基本模式，在具體的水文地質條件下，各地區(qū)地下水的實際層次結構不盡一致。有的層次可能充分發(fā)展，有的則不發(fā)育。如在嚴重干旱的沙漠地區(qū)，包氣帶很厚，飽和水帶深埋在地下，甚至基本不存在；反之，在多雨的濕潤地區(qū)，尤其是在地下水排泄不暢的低洼易澇地帶，包氣帶往往很薄，甚至地下潛水面出露地表，所以地下水層次結構亦不明顯。至于象承壓水帶的存在，要求有特定的貯水構造和承壓條件。而這種構造和承壓條件并非處處都具備，所以承壓水的分布受到很大的限制。但是上述地下水層次結構在地區(qū)上的差異性，并不否定地下水

16、垂向層次結構的總體規(guī)律性。這一層次結構對于人們認識和把握地下水性質具有重要意義，并成為按埋藏條件進行地下水分類的基本依據(jù)。（二）地下水不同層次的力學結構地下水在垂向上的層次結構，還表現(xiàn)為在不同層次的地下水所受到的作用力亦存在明顯的差別，形成不同的力學性質。如包氣帶中的吸濕水和薄膜水，均受分子吸力的作用而結合在巖土顆粒的表面。通常，巖土顆粒愈細小，其顆粒的比表面積愈大，分子吸附力亦愈大，吸濕水和薄膜水的含量便愈多。其中吸濕水又稱強結合水，水分子與巖土顆粒表面之間的分子吸引力可達到幾千甚至上萬個大氣壓，因此不受重力的影響，不能自由移動，密度大于1,不溶解鹽類，無導電性，也不能被植物根系所吸收。薄膜

17、水又稱弱結合水，它們受分子力的作用，但薄膜水與巖土顆粒之間的吸附力要比吸濕水弱得多，并隨著薄膜的加厚，分子力的作用不斷減弱，直至向自由水過渡。所以薄膜水的性質亦介于自由水和吸濕水之間，能溶解鹽類，但溶解力低。薄膜水還可以由薄膜厚的顆粒表面向薄膜水層薄的顆粒表面移動，直到兩者薄膜厚度相當時為止。而且其外層的水可被植物根系所吸收。當外力大于結合水本身的抗剪強度（指能抵抗剪應力破壞的極限能力）時，薄膜水不僅能運動，并可傳遞靜水壓力。毛管水當巖土中的空隙小于1毫米，空隙之間彼此連通，就象毛細管一樣，當這些細小空隙貯存液態(tài)水時，就形成毛管水。如果毛管水是從地下水面上升上來的，稱為毛管上升水；如果與地下水

18、面沒有關系，水源來自地面滲入而形成的毛管水，稱為懸著毛管水。毛管水受重力和負的靜水壓力的作用，其水分是連續(xù)的，并可以把飽和水帶與包氣帶聯(lián)起來。毛管水可以傳遞靜水壓力，并能被植物根系所吸收。重力水當含水層中空隙被水充滿時，地下水分將在重力作用下在巖土孔隙中發(fā)生滲透移動，形成滲透重力水。飽和水帶中的地下水正是在重力作用下由高處向低處運動，并傳遞靜水壓力。綜上所述，地下水在垂向上不僅形成結合水、毛細水與重力水等不同的層次結構，而且各層次上所受到的作用力亦存在差異，形成垂向力學結構，如表51所示。（三）地下水體系作用勢所謂“勢”是指單位質量的水從位勢為零的點，移到另一點所需的功，它是衡量地下水能量的指

19、標。根據(jù)理查茲（Richards）的測定，發(fā)現(xiàn)勢能（）是隨距離（L）呈遞減趨勢，并證明勢能梯度（-d/dL）是地下水在巖土中運動的驅動力。地下水總是由勢能較高的部位向勢能較低的方向移動。地下水體系的作用勢根據(jù)其力源性質，可分為重力勢、靜水壓勢、滲透壓勢、吸附勢等分勢，這些分勢的組合稱為總水勢。1 .重力勢（g）指將單位質量的水體，從重力勢零的某一基準面移至重力場中某給定位置所需的能量，并定義為蟲9=2,式中Z為地下水位置高度。具體計算時，一般均以地下水位的高度作為比照的標準，并將該位置的重力勢視為零，則地下水位以上的重力勢為正值，地下水面以下的重力勢為負值。2 .靜水壓勢（p）連續(xù)水層對它層下的水所產(chǎn)生的靜水壓力，由此引起的作用勢稱靜水壓勢，由于靜水壓勢是相對于大氣壓而定義的