地下水及其作用
地下水的基本概念

　地表之下隐藏着丰富的水资源，在干旱缺水地区，寻找地下水资源对人民生产生活有着十分重要的意义；即便是在湿润地区，寻找干净水、矿泉水、温泉等，对健康休闲、提高生活品质也有十分重要的作用。相反，不合理地开采地下水，会引发地陷、沉降等各种灾害。因此，了解和掌握地下水运动规律，显得十分必要。

一、地下水的赋存条件
　　大气降水，一部分在地表流动，形成地面流水，另一部分进入土壤，被植被吸收，然后回到大气，最后一部分渗入地下，形成地下水。地下水通过地下径流或泉涌，最终回到地表，完成在地下的循环。水之所以能够在赋存于地下并流动，靠的是沉积物或地下岩石（层）中的空隙，其中包括孔隙、裂隙和溶隙等3种类型，换句话说，地下空隙是地下水存在前提。

1. 岩石空隙类型
（1）孔隙（pore）
碎屑岩类或松散沉积物中碎屑间存在形态各异的孔隙，是地下水存在的地方，孔隙多少用孔隙度衡量。
  1）孔隙度（porosity）n=Vn/V×100% 
       上式中Vn—孔隙体积，V—岩石体积
    思考：孔隙度如何测量？

  2）孔隙度大小的影响因素有：
① 沉积物的胶结压实程度。沉积物经压实、胶结，孔隙度会逐渐减小。
② 颗粒的排列方式。假定碎屑颗粒为理想球形，几何学可以证明，立方体堆积的孔隙度（47.6%）要大于四面体堆积的孔隙度（26%），自然界中两种堆积方式兼而有之，平均值为37%左右。
在松散层中大量开采地下水时，会使碎屑颗粒重新排列，孔隙度减小，土层压密，从而引起地面沉降。
③ 沉积物的粒度。粒度小，沉积物孔隙度大；粒度大，沉积物孔隙度小。例如，粘土的孔隙度为60%，而砂砾石的孔隙度仅有14%。
④ 颗粒的粗细均匀程度或分选好坏。分选好的碎屑孔隙度大，可以接近理想值（即37%左右），但分选不好的碎屑物，孔隙度降低。
⑤ 形态（磨圆度）。磨圆度高者孔隙度大，反之亦然。

（2）裂隙（fissure）
岩石在成岩时或成岩后的构造运动和风化作用均能产生裂隙，为地下水赋存提供了有利场所。张性裂隙含水条件好，但延伸不远；剪切裂隙延伸长，但含水条件欠佳；先剪后张的裂隙有利于地下水的富集。规模宏大的断层、特别是经历了多次活动的、现在仍在活动的张性断层含水条件最好，常成为地下水径流、排泄的主要通道。与孔隙度类似，可用裂隙度衡量裂隙的发育程度。

（3）洞穴（溶隙）（cavity）
可溶性岩石（石灰岩等）中的裂隙经地下水的溶蚀逐渐扩大，形成大小不同、形态各异的洞穴，统称为溶隙。与裂隙度类似，可以用喀斯特率来衡量溶隙发育程度。

2. 岩石的透水性（permeability）
（1）岩石透过水的能力称为透水性。

（2）透水性大小的影响因素：① 孔隙大小；② 孔隙多少。
    以①为主，所以粘土和淤泥虽然孔隙度大，但孔隙小，所以透水性弱，常构成不透水层。

（3）不透水层（隔水层）、透水层和含水层。
　　不能透过也不能排出地下水的岩层称为隔水层（aquitard），分为致密岩石和细颗粒岩石两类。前者没有或很少有空隙，含水少且不透水，例如致密的结晶岩石（花岗岩、闪长岩、石英岩等）；后者颗粒细小，孔隙度虽大，但孔隙小，岩层虽含水，但绝大多数是结合水，在常压下水即不能排出，也不能透过，成为不透水层（impermeable）。能够渗透地下水的岩层称为透水层（permeable bed）。既能透水又饱含水的岩层称为含水层（aquifer）。

二、地下水的化学成分
虽然地下水通常无色透明，但却不是纯水，而是一种溶液，溶解了多种离子、分子、化合物及气体。

1. 地下水中含量最高的元素
Cl－，SiO42－，Na+，K+，Ca2+，Mg2+，是地下水中含量最高的6种离子。

2. 矿化度和硬度
地下水所含的各种元素的离子、分子和化合物的总含量称为矿化度（degree of mineralization）。
矿化度低的地下水，地下水常含HCO3－，Ca2+，Mg2+等离子；
矿化度中等的地下水，以含SO42－，Na+，Ca2+等离子为主；
矿化度高的地下水，常含Cl－，Na+离子。
地下水中所含Ca2+与Mg2+的总量称为地下水的硬度（总硬度）（hardness）。硬度高的水称为硬水（hard water）；硬度低的水称为软水（soft water）。硬水洗衣，肥皂沫少；硬水做饭，不易煮熟；硬水烧水，易生锅垢；偶饮硬水，会造成肠胃功能紊乱，出现“水土不服”的现象；而常饮硬水，心血管病死亡率降低（但常饮硬度太高或太低（纯净）的水，也不利于健康）。

三、 地下水的基本类型
    地下水可以以气态、吸着（结合水）、薄膜（空隙表面）、毛细、重力（饱和水）以及固态（冰、冻土中的冰）等多种状态存在。

1. 根据地下水的埋藏条件划分

（1）包气带水（vadose water, unsaturated water）
包括气态水，结合水，毛细管水，过路重力水，上层滞水等非饱和水（图11-2）。

（2）潜水（groundwater）
    地面以下第一个稳定隔水层以上的饱和水（重力水）称为潜水，潜水具自由表面，称为潜水面（地下水面）（water table）（图11-2）。
     潜水层的水质、厚度、埋藏深度受自然地理环境和地形、季节的控制。
     潜水埋藏浅、分布广泛，易开发，但也易受污染，是最常用的水源，一般民井多挖到潜水含水层。

 （3）承压水（confined aquifer）
    充满于上、下两个稳定隔水层之间的含水层中的饱和水（重力水）（图11-2，图11-3a、b）。具有静水压力。
    承压水在合适的岩性、地质构造、地形等条件相互配合下形成。
    承压水分布面积大，水量丰富，动态较稳定，不易被污染，可自喷出地表，是理想的水源（图11-3a，b）。

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图11-2 包气带水、潜水、承压水的分布示意
（箭头代表地下水流向）

　　然而，如果大量抽取松散层中承压水，会释放粘土层中的孔隙水，使孔隙压力降低，加上前面所说的碎屑颗粒重排等因素，最终导致砂土层压实变形，地面发生沉降。我国已有近百个城市和地区发生不同程度的地面沉降，其中又以上海、天津、苏州、宁波、西安及台北为最。

2. 根据含水层的空隙性质划分
（1）孔隙水（pore water）
 存在于岩层孔隙中，一般呈连续的层状分布。例如洪（冲）积扇的扇中、扇缘相附近、河床相冲积物以及砂岩地层中的地下水。

（2）裂隙水（fissure water）
 如果含水地层裂隙发育，密集互通，可以形成层状裂隙水。层状裂隙水往往有统一的水位。
 如果地下水充盈于断层破碎带或接触带中，可以形成脉状裂隙水。脉状裂隙水分布疏密不均，水量较大，彼此之间往往有水力联系。在花岗岩等不透水岩石中，脉状裂隙是地下水主要的赋存场所。若需开发花岗岩等不透水岩石中的裂隙水，可以垂直构造破碎带方向开挖平洞，以在最小距离内获得最大的地下水量。

（3）喀斯特水（karst water）
分布于可溶性岩石中的裂隙洞穴、暗河，分布极不均匀。
以上三种水可以承压，或不承压，主要决定于埋藏条件。
地下水的上述两种划分方案可以综合使用，如“孔隙潜水”、“裂隙承压水”等。

四、地下水的补给、径流和排泄
1. 地下水补给的来源
　　地下水补给来源有：大气降水、河流、湖泊和人类活动等。在大多数情况下，潜水的分布区和补给区一致；而承压水的分布区和补给区却不一致。

2. 地下水排泄的途径
　　地下水的排泄途径有：泉（水平排泄）、蒸发（垂直排泄）和人工开采等。垂直排泄的特点是只蒸发水分而不减少水中的含盐量，结果造成地下水浓缩，含盐量增大，矿化度升高。所以干旱区地下水往往咸中带苦。

3. 泉
泉（spring）是地下水的排泄方式，可分为：
（1）上升泉—具有压力（图11-3a、b）；
（2）下降泉—仅受重力驱动（图11-3c、d）。

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图11-3 各种泉水的成因
（a）和（b）为承压，（c）和（d）为不承压

五、地下热水（温泉）（hot spring）
　　人类利用地热的历史十分悠久，世界各地都有利用温泉取暖、治病、强身、休闲甚至烹饪的做法。二战以后，世界各地还建立多座地热发电站。过去以为，温泉起源于深部岩浆，因为温泉中所含各种金属元素及气体与岩浆作用晚期的气液类似。但是，实际上大部分温泉旁边并没有火山活动，也没有证据表明多数温泉之下有熔融的岩浆。例如，闽、粤、琼等省温泉资源十分丰富，但目前这些地方却无活动的火山，深部也无残余的岩浆。那么，温泉是如何形成的？同位素研究表明，绝大多数温泉是大气降水经深循环而形成的，地球表层30℃/km的平均地热增温率暗示，来自一定深度的地下水都可以成为温泉。

　　然而，地热增温无处不在，但为什么温泉的分布却十分有限？大气降水要形成温泉，必须具备两个条件：一是必须下渗到较深的位置而被加热，二是加热了的地下水必须能够返回地表。前者要求存在通往深部的通道（例如深大断裂），后者要求具有足够的水头压力（例如地形反差），两者缺一不可。这就是在大平原之内或在高山之巅难有温泉存在的原因。所以，温泉一般分布于大山山麓地带，那里不但有规模较大的断层，也有明显的地形反差。深部热水在上升途中会逐渐降温，若流速太慢，在到达地表前已经冷却；反之，若深循环水流速太快而未充分加热就到达地表，水温也受到一定限制，两者均不利于温泉、特别是高温温泉的形成。当然，如果深部热水在浅部混入了冷水，也会降温。可见，温泉形成为小概率事件，但成因并不神秘。

一般把温度高于当地年平均气温的地下水都称为地下热水，按水温又可作如下划分：
低温热水—20-40℃；
中温热水—40-60℃；
高温热水—60-100℃；
过热水——>100℃。