第八章地下水的地質作用及地貌特征

第八章地下水的地質作用及地貌特征

地下水的基本性質地下水的類型及其特征不同地貌區(qū)的地下水巖溶地貌地下水的利用廣泛埋藏于地表以下的各種狀態(tài)的水，統(tǒng)稱為地下水。第一節(jié)地下水的基本性質一、自然界的水循環(huán)二、地下水的來源三、巖石的水理性質四、地下水的物質物理性質和化學成分一、自然界的水循環(huán)自然界的水循環(huán)水循環(huán)類型發(fā)生領域水循環(huán)環(huán)節(jié)作用海陸間循環(huán)海洋與陸地之間蒸發(fā)、輸送、凝結、降水、徑流、下滲等最重要的類型。使陸地水得到補充，水資源得以再生。內陸循環(huán)陸地與陸地上空之間蒸發(fā)、植物蒸騰、凝結、降水等補充陸地水體的水量很少海上內循環(huán)海洋與海洋上空之間蒸發(fā)、凝結、降水挾帶水量最大的水循環(huán)，是海陸間循環(huán)的近十倍二、地下水的來源（1）海成的：海水等從地面滲入地下積聚而成的，或海水伴隨沉積物一起沉積而保存起來的古水；（2）滲透的：大氣降水、冰雪融水、地表流水、湖水等從地面滲入地下積聚而成的；（3）凝結的：空氣中的水氣因降溫在地面凝聚成水滴后滲入地下積聚而成；（4）初生的：由巖漿活動過程中冷卻析離出來的水積聚而成的，又叫原生水；三、巖土的水理性質（二）裂隙度裂隙是指固結的堅硬巖石在各種力的作用下形成的空隙。裂隙度=裂隙總體積/整個巖石總體積X100（一）孔隙度孔隙是指松散巖石顆粒與顆粒集合體之間的空隙?？紫抖?孔隙總體積/整個巖石總體積X100裂隙（三）容水性

指巖石空隙能容納一定水量的性能，通常以容水度來衡量容水度是指巖石所能容納的水體積與容水巖石體積之比容水度＝水體積/巖石體積×100％（小數(shù)或百分數(shù)表示）容水度在數(shù)值上與巖石的孔隙率、裂隙率、巖溶率之和相等。但對于具有膨脹性的粘土，充水后其體積會增大，容水度可以大于孔隙率。

（四）持水性

指由于巖石顆粒表面對水分子的吸引，而在巖石空隙中保持若干水量的性能。因為在分子力作用范圍內分子力比重力大若干倍，所以巖石所保持的這種水不受重力支配。巖石的持水性能用持水度來衡量。持水度是指受重力作用排水后，巖石空隙中保持的水量與巖石總體積之比，在這種情況下所能保持的水主要是結合水，它取決于巖石顆粒表面對水分子的吸附能力。在松散沉積物中，顆粒組成物質愈細，空隙直徑愈小，則體積內的總表面積愈大，持水度愈大。所以持水度實際上說明巖石中結合水與毛管水含量的多少。（五）給水性

指飽和含水的巖石在重力作用下，能自由流出（排出）若干水量的性能。以給水度作為數(shù)量指標。給水度表示在常壓下從飽和含水巖石中流出來的水體積與飽水巖石總體積之比。給水度在數(shù)值上等于容水度與持水度之差。粗粒松散巖石以及具有張開裂隙的巖石，持水度很小，給水度接近于容水度，粘土以及具有閉合裂隙的巖石，持水度接近于容水度，給水度幾乎近于零。（六）透水性

指在一定壓力梯度條件下巖石允許水透過的性能。巖石的透水能力首先取決于空隙直徑的大小和連通程度，其次是空隙的多少。因為水在細粒物質（如粘土）組成的微小孔隙中運動時，不僅由于水與孔壁的摩擦阻力而難以通過，而且還由于小顆粒吸附了一層結合水水膜，這種水膜幾乎占滿了整個孔隙，水是很難通過的。堅硬的巖石中空隙愈多、透水性愈強。衡量巖石透水性的指標是巖石的滲透系數(shù)K。透水層與隔水層雖然沒有嚴格的界限，不過目前已公認，凡滲透系數(shù)K小于0.001md-1的巖石均列入隔水層，大于或等于這個數(shù)值的巖石屬于透水層。

滲透系數(shù)K表示土或巖層透水性大小的一個參數(shù)。在數(shù)值上等于水力坡度為1時的地下水滲流速度。其大小隨巖石性質而異，是計算地下水流量、水井涌水量、水庫和渠道滲漏水量及水工建筑物地基設計中不可缺少的基本數(shù)據(jù)。隔水層：指的就是幾乎不透水或透水性很低的巖層，一般指滲透系數(shù)小于0.001md-1的巖層,又叫不透水層。

（七）毛管性

是指松散巖石中存在的毛細孔隙，具有孔隙毛管作用的性質。毛管力作用支持的水稱為毛管水，這種水在常壓下不能靠重力作用流出來。在潛水面上部常出現(xiàn)一個毛管上升帶。水的毛管上升高度與毛管的半徑成反比，所以地下水在松散巖石中毛管上升帶的高度大致與粒徑成反比。四、地下水的物質物理性質和化學成分地下水的物理性質地下水的化學成分閩清黃櫧林

（一）地下水的物理性地下水的物理性質包括：溫度﹑顏色﹑透明度﹑嗅﹑味﹑導電性等1、溫度地下水的溫度取決于地溫的變化，自地表向下大體可以分為變溫帶、常溫帶和增溫帶。根據(jù)地下水的溫度，可分為過冷水（小于0℃）、冷水（0～20℃）、熱水（20～40℃）、低溫熱水（40～60℃）、中溫熱水（60～100℃）、高溫熱水、過熱水（大于100℃）幾種類型。2、顏色

地下水一般是無色透明的，它含某些化合物或膠體物質之后呈現(xiàn)不同的顏色，含鈣、鎂離子的水為微藍色，含2價鐵離子為灰藍色，含3價鐵離子為褐黃色等。3、透明度地下水的透明度決定于水中所含的鹽類、懸浮物、有機質和膠體的數(shù)量，分為四個等級：透明（水柱高度大于60厘米）微混濁（30～60㎝）混濁（小于30㎝）極混濁（含有大量懸浮物質及膠體呈乳狀者為不透明）4、嗅覺和味感含碳酸鈣的水清涼爽口，含氫氧化鈣的水是甜味，含硫酸鎂和氯化鎂呈苦味。5、導電性（二）地下水的化學成分1、主要離子成分1）總礦化度：水的總礦化度是指水中離子、分子和各種化合物的總含量，通常是以水烘干后所得殘渣來確定，單位為g/L。淡水：殘渣＜1g/L弱礦化水：1～3g/L中等礦化水：3～10g/L強礦化水：10～50g/L鹽水＞50g/L

水中鈣鎂離子的總量，稱為水的總硬度。當水煮沸時，一部分鈣鎂離子的重碳酸鹽因為失去二氧化碳而成為碳酸鹽沉淀，沉淀部分叫做暫時硬度。總硬度減去暫時硬度即為永久硬度。表示水硬度可用德國度（以一升水中含有10㎎CaO為一度）和鈣鎂離子的mmol/L來表示。1德國度等于0.35663mmol/L。2）硬度2、氣體成分3、膠體和有機質4、pH值酸性侵蝕水的類別強酸性水弱酸性水中性水弱堿性水強堿性水PH值<55-6.56.5-88-10>10第二節(jié)地下水的類型及其特征1﹑根據(jù)物理力學性質特點分類2、根據(jù)空隙特征分類3、根據(jù)含水層的埋藏條件分類1﹑根據(jù)物理力學性質特點分類

按狀態(tài)分氣、液、固三態(tài)；水在巖土中的物理力學性質分1）結合水2）毛管水3）重力水結合水與重力水毛細水受毛管力作用而保持在土壤毛管孔隙（直徑0.001－0.1mm的孔隙）中的水。依其與地下水的關系及所處部位，分毛管上升水和毛管懸掛水，它們?yōu)橛行Ｃ苌仙菏侵纲A存在飽水帶地下水面以上巖石或土壤毛細管孔隙中的水，并且與飽水帶的地下水直接相連。當?shù)叵滤嫔仙蛳陆禃r，毛管水的位置相應變動。毛管懸著水：指貯存在包氣帶的巖石或土壤毛管中的水，并且與飽水帶的地下水沒有水力聯(lián)系，呈“懸掛”狀態(tài)。2、根據(jù)空隙特征分類

1）孔隙水2）裂隙水3）巖溶水

1）孔隙水埋藏在孔隙巖層中的地下水稱為孔隙水。它廣泛分布于第四紀松散沉積物--洪積、沖積、坡積、湖積、冰積物和半膠結的碎屑沉積巖中?？紫端淖畲筇攸c是水量在空間上分布較均勻?？紫端姆植技捌湫纬梢?guī)律直接取決于松散沉積物的形成條件，不同成因沉積物中的地下水往往具有獨特的分布規(guī)律與形成特征。洪積物與沖積物中的孔隙水最為常見。

2）裂隙水存在于巖石的各種裂隙中的水稱為裂隙水。裂隙水的分布及其形成規(guī)律直接由裂隙成因所控制，因此按裂隙成因將裂隙水細分為風化裂隙水、成巖裂隙水和構造裂隙水三種。

3）巖溶水（溶隙水）存在于可溶性巖層（如石灰?guī)r、大理巖、白云巖等）的溶蝕空隙中的地下水稱為巖溶水。巖溶水不僅是一種具有獨立特征的地下水，同時也是一種地質營力。在流動過程中，巖溶水不斷溶蝕其周圍介質，不斷改變著自己的賦存與運動條件。巖溶水的分布規(guī)律與運動特征直接取決于碳酸鹽巖層的巖溶發(fā)育規(guī)律。

巖溶水特點：空間分布極不均勻，動態(tài)變化強烈，流動迅速，排泄集中。3、根據(jù)含水層的埋藏條件分類（1）包氣帶水地面以下地下水（潛水）面以上的部分，其內土壤和巖石的空隙沒有完全被水充滿，包含有與大氣連通的氣體的地帶稱為包氣帶。存在于包氣帶中的水叫做包氣帶水。位于潛水位以上（包氣帶中）的局部隔水層所托住的或包含的重力水叫做上層滯水。其補給來源主要是大氣降水，但受季節(jié)影響大，水量小。一般只能作為小型或暫時性供水水源。開采時應注意防范水質污染。（2）潛水是埋藏在地表以下，第一個穩(wěn)定的隔水層以上，具有自由水面的重力水（見圖）。潛水一般埋藏在第四紀松散沉積物的孔隙中或出露地表的基巖裂隙中，潛水的自由表面稱潛水面；潛水面上任一點至地面的距離稱為潛水埋藏深度。潛水面上任一點的海拔高度，稱為該點的潛水位H。潛水面至隔水底板的距離稱為潛水含水層厚度。潛水埋藏深度和含水層厚度各處不一，往往相差很大。潛水含水層通過包氣帶直接與地表、大氣相通。因此，氣象、水文因素的變化對潛水的水量和水質都有很大的影響。潛水面影響潛水面形狀的因素有①地貌條件：潛水面的形狀與地貌條件有密切關系，潛水面的坡度隨著地面的坡度而變化，但比地面起伏平緩。地面分水嶺一般情況下也是潛水分水嶺。②含水層的巖性及其厚度：沿著潛水的流向，當含水層的巖性顆粒變粗，意味著巖層的透水性增強，潛水面坡度便趨于平緩；反之則變陡。當含水層厚度沿潛水流向增厚時，潛水面坡度也變緩，反之則變陡。③隔水層底板形狀：若隔水底板向下凹陷，特別是某些河谷盆地，在枯水季節(jié)，可形成潛水湖，此時潛水面呈水平狀；而在豐水季節(jié)水面上升超出盆地邊緣的隔水底板，又可形成潛水流；隔水底板由于構造原因形成階梯陡坎，此時潛水面往往出現(xiàn)跌水現(xiàn)象。此外，人工抽取潛水，可使?jié)撍嫘纬梢粋€以抽水井為中心的漏斗曲面。潛水特征

潛水面以上，一般無穩(wěn)定的隔水層存在，潛水通過包氣帶與地表相通，所以大氣降水和地表水直接滲入而補給潛水，成為潛水的主要補給來源潛水的埋藏深度及含水層的厚度經(jīng)常是變化的，而且受氣候﹑地形和地質條件的影響，其中以氣候影響最大潛水具有自由表面，為無壓水。潛水的排泄主要有兩種方式：流出和蒸發(fā)。（3）承壓水承壓水是指充滿于兩個穩(wěn)定隔水層之間的含水層中的地下水，倘若含水層沒有完全被水充滿，且有與潛水性質相似的自由水面，稱無壓層間水。承壓水由于存在隔水層頂板而承受靜水壓力，當鉆孔穿透隔水層頂板時，在靜水壓力作用下，鉆孔中水面上升到一定高度才能靜止下來。靜止水面高出含水層頂板底面的距離稱為該點的承壓水頭。靜止水面的海拔高程就是含水層在該點的承壓水位，承壓水位高于地表時，承壓水能夠自噴到地表，這樣的承壓水又稱為自流水。承壓水具有下面一系列的特點

A．承壓性,是承壓水的一個重要特性，在鉆孔揭露承壓水層時，初見水位與穩(wěn)定水位是不一致的，穩(wěn)定水位高于初見水位。B．承壓水的分布區(qū)與補給區(qū)不一致。補給區(qū)具有潛水的性質。在被切割的低洼處承壓水常以上升泉的形式出露地表，或直接注入江河、湖泊，是排泄區(qū)。C．由于隔水頂板的存在，氣候、水文因素的變化對承壓水的影響相對來說比潛水要小，因此，承壓水的水位、溫度、礦化度等比較穩(wěn)定。從另一方面說，承壓水參與水循環(huán)不如潛水那樣活躍，水的補充、恢復比較緩慢。若承壓水參與地殼深部的水循環(huán)，則水溫增高可以形成地下熱水和溫泉。D．承壓水的水質變化大，從淡水直到礦化很高的鹵水都有。如承壓水的補給、徑流與排泄條件好，則礦化度往往比較低，水質接近入滲的降水及地表水；如承壓水的補給、徑流、排泄條件差，水循環(huán)緩慢，則水從巖層中溶解得到的鹽類就多，水的礦化度相應升高。承壓水的埋藏類型承壓盆地承壓斜地等水壓線圖在地圖上，將某一含水層中承壓水位相等的各點連接起來，所得出的曲線稱等水壓線。承壓水面不同于潛水面，常與地形極不吻合，甚至高于地表面。鉆孔鉆到承壓水位處是見不到水的，必須鑿穿隔水頂板才可見到水。因此，通常在等水壓線圖上要附以含水層頂板等高線利用這種圖可以了解承壓水的流向、承壓水埋藏深度、承壓水頭的大小，以判定開采承壓水的有利地段。潛水和承壓水比料簡表類型潛水承壓水埋藏條件在第一個隔水層之上在兩個隔水層之間主要補給方式大氣降水，地表水補給區(qū)的潛水排泄方式水平排泄出露為地表水或泉水在排泄區(qū)轉化為潛水或泉水垂直排泄蒸發(fā)

主要特點①具有自由水面（隨地勢高低而起伏），從高處向低處滲流

②分布區(qū)與補給區(qū)基本一致

③埋藏較淺，受氣候影響大，水量不穩(wěn)定，易受污染①承壓靜水壓力，水的運動取決于靜水壓力②分布區(qū)與補給區(qū)，排泄區(qū)常不一致

③埋藏較深，受氣候影響小，水量穩(wěn)定，不易受污染，水質較好環(huán)境問題①不合理灌溉，造成土壤鹽漬化

②過量開采形成漏斗區(qū)，引起地面下沉、沿海地帶海水倒灌，水質惡化污染及過量開采后不易恢復泉

泉：是地下水的天然露頭泉的類型依據(jù)水頭性質分：1）上升泉為承壓水補給2）下降泉為潛水及上層滯水補給根據(jù)泉的出露原因分1）侵蝕泉侵蝕切割到潛水含水層時出露的泉2）溢出泉巖石透水性變弱或為阻不斷層所隔，潛水出露3）斷層泉承壓含水層被斷層所隔

大理蝴蝶泉趵突泉冷泉西藏阿里熱泉野三坡魚谷泉在魚谷洞口南側有一泉眼和一池泉水，為一裂隙泉，泉水清澈無污染。每當農(nóng)歷谷雨節(jié)前后，從泉洞中不斷噴出眾多魚來（多鱗鏟頜魚），今為魚科專家所關注，該泉被列為世界奇泉.冰島的熱泉冰島的熱泉長白山的高溫泉82℃云南騰沖的高溫泉95℃西藏羊八井——沸泉羊八井羊八井地熱發(fā)電站井深僅30m，溫度便高達130℃新西蘭的高溫泉黃石公園的高溫泉黃石公園的沸泉黑煙囪洋底沸泉，約400℃，因巨大壓力并不沸騰。新西蘭的地熱保護區(qū)泥浴泥浴

我國飲用天然礦泉水國家標準規(guī)定：飲用天然礦泉水是從地下深處自然涌出的或經(jīng)人工揭露的未受污染的地下礦泉水；含有一定量的礦物鹽、微量元素和二氧化碳氣體；在通常情況下，其化學成份、流量、水溫等動態(tài)在天然波動范圍內相對穩(wěn)定。"國標"還確定了達到礦泉水標準的界限指標，如鋰、鍶、鋅、溴化物、碘化物，偏硅酸、硒、游離二氧化碳以及溶解性總固體。其中必須有一項(或一項以上)指標符合上述成份，即可稱為天然礦泉水。"其要求含量分別為（單位：mg/L）：鋰、鋅、碘化物均≥0.2，硒≥0.01，溴化物≥1.0，偏硅酸≥25，游離二氧化碳≥250和溶解性總固體≥1000。市場上大部分礦泉水屬于鍶（Sr）型和偏硅酸型。

第三節(jié)不同地貌區(qū)的地下水一、山區(qū)的地下水二、山前沖積洪積扇和山間盆地的地下水

三、平原地區(qū)的地下水四、黃土高原的地下水一、山區(qū)的地下水主要為裂隙水和巖溶水

二、山前沖積洪積扇和山間盆地的地下水（一）沖積洪積扇的地下水1）徑流帶:位于頂部，水質良好，為良好的供水水源地2）溢出帶:位于中部，水量小，水質易受污染3）垂直交替帶:位于前緣，為鹽分堆積帶（二）山間盆地的地下水水文性質和洪積扇非常相似三、平原地區(qū)的地下水（一）河谷平原的地下水河谷平原的地下水主要分布在沖積層中。（二）沖積平原的地下水1、北方?jīng)_積平原沉積物厚度大，東北的松嫩平原厚度一般在80-120m，華北平原的厚度要大得多，一般在數(shù)百米，其中，魯北平原最厚可達3000m。其中砂層是最好的含水層2、南方?jīng)_積平原南方?jīng)_積平原的松散堆積物厚度在300m以內，一般只有10-20m。含水層以砂層為主3、濱海平原濱海平原一般埋藏著礦化度較高的潛水四、黃土高原的地下水黃土高原降水量小，蒸發(fā)量大，地表水不易聚集，故水源缺乏，地下水往往是主要的水源。黃土中的地下水其主要特征如下：（1）黃土是非均質﹑含裂隙孔隙水的含水層，它的孔隙和裂隙是地下水儲存和運動的主要場所和良好通道。（2）黃土中有多個含水層（3）黃土中地下水一般埋藏深度是20-60m（4）大氣降水的垂直滲入是黃土層中地下水的主要補給來源第四節(jié)巖溶地貌一、巖溶的形態(tài)特征和研究意義二、巖溶的形成條件和影響因素三、巖溶發(fā)育和分布規(guī)律四、巖溶水一、巖溶的形態(tài)特征和研究意義1、地下水的潛蝕作用其包括以下幾種方式：沖刷（scour）溶蝕（corrosion）北京市房山區(qū)仙棲洞地下水在運動過程中對周圍巖石的破壞作用稱為地下水的潛蝕作用（suffosion）?？λ固兀╧arst）

由于地下水的運動是發(fā)生在巖石空隙中，水與巖石的接觸面大，而且地下水流速緩慢，因而溶蝕作用極為顯著。特別是在濕熱氣候條件下，溶蝕是可溶性巖石遭受破壞的主要原因，并形成特殊的地貌。將以主要為地下水（兼有部分地表水），對可溶性巖石進行以化學溶蝕為主、機械沖刷為輔的地質作用以及由這些地質作用所產(chǎn)生的地貌，稱為喀斯特（karst）。世界最美的喀斯特--云南石林

桂林

桂林巖溶地貌示意圖溶溝（karren）和石芽（stonebud）

溶溝是石灰?guī)r表面上的溝槽，是地表水流沿可溶性巖石表面進行溶蝕和機械沖刷的結果。溝槽的寬度和深度一般由數(shù)厘米到數(shù)米，有時更大，其形態(tài)各異。溝槽之間凸起的石脊稱為石芽。如石芽形態(tài)高大，溝坡近于直立，且發(fā)育成群，遠觀之宛如森林，稱為石林（stoneforest）。落水洞（sinkhole）

地表水沿近于垂直的裂隙向下溶蝕而成的直立或陡傾斜的洞穴，下接地下河（undergroundriver）或溶洞，是地表水轉入地下河或溶洞的通道。在兩組直立的裂隙交匯處，落水洞最易形成。有時許多落水洞呈串珠狀分布。湖北清江落水洞

溶斗（corrodedfunnel）

又稱漏斗，是小型洼坑。縱剖面形態(tài)有碟狀、錐狀和井狀等。天坑地縫(渝奉節(jié))：國家重點風景名勝區(qū)，已列入世界自然遺產(chǎn)預備名單、國家遺產(chǎn)名錄。奉節(jié)小寨天坑是世界上已知最大巖溶漏斗，坑深662米，坑口直徑626米，天坑總容量為1.19億立方米。天井峽地縫為隱伏于地下的暗縫，縫深80至300米，底寬1米至30米，是典型的“一線天”。干谷（dryvalley）和盲谷（blindvalley）

落水洞如果發(fā)育在河床中，它可吸收河水，使其轉入地下，把河流截斷。落水洞以上有水流的一段河谷繼續(xù)受河水侵蝕使河床降低，落水洞以下的河谷因斷水遂轉變成干谷，干谷谷底相對高起。南極地區(qū)干谷美景

峰叢（peakcluster）、峰林（peakforest）和孤峰（isolatedpeak）

它們都是正向的喀斯特地貌。其中，峰頂尖銳或圓錐狀競相突出，而基部相連，宏觀上似簇狀者稱為峰叢。它是喀斯特發(fā)展較早階段的地貌。如峰體上部挺立高大，基部僅稍許相連，稱為峰林。聳立于喀斯特地區(qū)平原上的孤立山峰稱為孤峰。溶洞

系指地下水沿可溶性巖層的構造面（層面、節(jié)理面、斷裂面等）進行剝蝕，并進一步崩塌擴大形成的洞穴。形成初期，孔隙孔道很小，地下水運動緩慢，以溶蝕為主?？斩磾U大后互相串通，水流加強，動能增大，引起沖刷。在水平流動帶發(fā)育者多呈水平狀態(tài)。溶蝕洼地

為寬闊的﹑不規(guī)則的閉塞盆地，可發(fā)育為巖溶湖。貴州荔波：創(chuàng)造喀斯特的神話

研究巖溶的意義1、巖溶水可以作為地下水源2、巖溶水也給人們帶來災害3、巖溶地區(qū)工程問題黃龍地質成因

仙橋地下河

二、巖溶的形成條件和影響因素1、巖石的可溶性是形成巖溶的物質基礎可溶性巖石有：碳酸鹽類﹑硫酸鹽類﹑氯化鹽類。2、巖石的透水性巖石的透水性取決于巖石本身的空隙的多少，其次是連通情況。3、水的溶解能力侵蝕性C