地下水概论

地球上的水和水循环

水圈中的水：大气、地表及地下岩石圈中。

水的分布：

全球水循环：通过大气圈的水循环(蒸发和降水)，每年约 47,000 km3 的水（相当于全球蒸发总量的 8%）从海洋搬运到陆地。

• 在水从海洋–>陆地–>返回海洋的循环过程中
• 对地表岩石土壤进行风化、剥蚀、搬运和沉积，改造着地表形态。
• 水是不可替代资源

岩土的空隙和水

无论是松散的沉积物，还是坚硬的岩石，都具有大小不一、多少不等、形状各异的空隙。

空隙的大小、多少、形状、联通程度及分布状况等性质统称为岩土的空隙性。

不同的成因的空隙，水在其中的赋存和运动性质不同。

有三种成因的空隙：

松散沉积物中的孔隙、

坚硬岩石中的裂隙、

和可溶性岩石中的溶隙（和溶洞）。

孔隙

• 松散沉积物是由大小不等的颗粒组成的，颗粒之间普遍存在着孔隙。
• 可以用锹、镐很轻松的取出，用手也可
• 孔隙率——表达岩土中孔隙空间相对多少的定量指标称孔隙率，其含义如下式：

$$
n = \frac{V_n}{V}\times 100%
$$

• 土孔隙率的大小，主要与颗粒的形状、排列情况及颗粒的分选性和压密、胶结情况有关
• 松散沉积物的孔隙率一般很大，可达 20 %～60 %。

• 砾 >2 mm
• 砂 2-0.05 mm
• 粉砂 0.05-0.005 mm
• 粘土 <0.005 mm

裂隙

• 存在于坚硬岩石中的裂缝状空隙称裂隙
• 裂隙主要是地壳运动对岩石造成破坏而形成的，岩石成岩时及在地表遭受风化也会形成裂隙。
• 裂隙率表示岩石中裂隙空间的多少。

$$
n_f=\frac{V_f}{V}\times 100%
$$

溶隙

溶隙是可溶岩（如石灰岩）在地下水流长期溶蚀下形成的空隙。

使用岩溶率表达
$$
n_k=\frac{V_k}{V}\times 100%
$$

岩土的水理性质

在地下水的埋藏和运动中，岩土体对水的容纳和约束性质是最为重要的：

• 岩土容纳水的能力；——容水度

• 给出水的能力；——给水度

• 水在其中运动的能力。——渗透系数

容水度、持水度、给水度

容水度：反映岩土空隙完全被充满（饱和）时的含水量，用容积比率表示。容水度相当于空隙率（孔隙率、裂隙率和溶隙率）。

持水度：岩土中的水，可以因重力自由流出的情况下，仍能保持的含水量。持水度说明岩土中结合水含量。

给水度：饱和岩土在重力作用下，可自由排出的水量。

• 3 者之间关系：容水度＝持水度＋给水度

松散沉积物的给水度

岩土的透水性：1852-1855 年，法国科学家 H.Darcy 发现水在某中介质中的渗流速度(v)和水力坡降(I)成线性关系：
$$
v=k\times I
$$
其中 k 是个与介质本身性质有关的系数，称为渗透系数

砂砾石间，孔隙空间大，水在其中流动通畅，渗透系数大；粘性土颗粒间空间小，水在其中流动缓慢，渗透系数小。

含水层、隔水层和透水层

根据地层的水理性质（地下水的赋存和运移性质），可将其定性地划分为：含水层、隔水层和透水层。

含水层：指饱含重力水而又能给出(透水)的岩层。

透水层：可以透水，渗透系数较大的地层。

隔水层：是指相对不透水的岩层。

地下水的物理、化学性质

物理性质

地下水的物理性质包括：温度、颜色、透明度、嗅、味、比重、导电性及放射性等。

温度

埋藏深度不同的地下水，具有不同的温度变化规律。

埋深 3～5m，具昼夜变化特征；

埋深为 5～50m，地下水温度随季节变化。

深层地下水的温度变化很小。

年常温带以下，地下水温度随深度增高，其变化规律决定于地热增温级。

平均低温梯度为 1℃/25 米。

颜色

水一般是无色的，但有时由于某种离子含量较多，或者富集悬浮物和胶体物质，则可显示出各种各样的颜色

透明度

水的透明度主要取决于其中固态物质与胶体悬浮物质的含量。含量多时，则透明度差。常见的地表水和地下水一般是透明的。

嗅

水通常是无气味的。但当其中含有某些离子或某种气体时，则出现特殊的气味。

如含亚铁盐很多时有铁腥气味(墨水气味)、含硫化氢(H2S)气体时有臭鸡蛋味，含腐植质时有腐草气味。

气味的强弱与温度有关，一般在低温下不易判别，加热到 40°C 时气味最显著。

味

水的味道，主要取决于其化学成分，如含有 NaCl 的(Cl-)水具咸味，含 MgCl2、MgSO4 的水有苦味；含 Na2SO4 的水量涩味；含 CO2、Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2 的水清凉可口；含 Fe2O3 的水具有铁锈味；含盐量极少的水淡而无味。

密度

淡水的密度通常等于 1。水的比重取决于其中所溶解盐分的含量。水中溶解的盐分越多，比重越大。高浓度咸水比重接近 1.17。

导电性

水的导电性，取决于其所含盐类总量及盐类性质等，一般矿化度高的水导电性强。

放射性

有些天然地下水，会具有微弱的放射性。水的放射性决定于形成环境。

放射性矿床及酸性火成岩分布区的地下水，其放射性相应较强。

化学性质

化学成分

离子：天然体水中分布最广、含量最多的离子有七种：氯 (Cl-)、硫酸根 (SO4=)、重碳酸根 (HCO3-)、钠 (Na＋) 、钾 (K＋)、钙 (Ca＋＋)、镁 (Mg＋＋)。

一般情况下，随着地下水中含盐量的变化，其中占主要地位的离子成分也随之发生变化。含盐量低的水中常以 HCO3-、Ca＋＋或 HCO3-、Mg＋＋为主；中等含盐量的常以 SO4=、Na＋ 或 SO4=、Ca＋＋为主；含盐量高的水则以 Cl-、Na＋为主。

气体成份：主要有 H2S、CO2。

酸碱性

水的酸碱性主要取决于水中氢离子浓度，常用 pH 值表示（pH=-lg[H]）。

根据水 pH 值的大小，将地下水分成以下几级：

• 强酸性(<5)、

• 弱酸性(5～7)、

• 中性(7)、

• 弱碱性(7～9)、

• 强碱性(>9)。

总矿化度

水中所含各种离子、分子与化合物的总量。

以每升水中所含克数（g/l）表示。

简便方法：以105-110°C时将水灼干所得的残余物总量。

• 分类

海水：35

硬度

水的硬度，是由水中所含 Ca++、Mg++所构成。水中 Ca++、Mg++的总含量，称为总硬度。

水的硬度表达方法较多，我国通常采用德国度或 Ca++、Mg++的毫克当量表示。1.0 毫克当量硬度等于 2.8 德国度。

1 德国度相当于 1 升水中含有 10mg 的 CaO，或 17.9mg 的 CaCO3。

注：离子的当量＝离子量/离子价；

离子的毫克当量＝离子的毫克数/离子的当量

生活饮用水一般要求不宜大于 25 德国度（以 CaCO3 计，450mg/l），最适宜的是 10~15 度。

地下水的分类

目前，比较普遍采用的是按埋藏条件和按含水层空隙性质的分类法。

依据地下岩土的含水情况，在剖面上可分为两个带：

包气带 固体颗粒＋水＋气，3 相

和饱水带 固体颗粒＋水，2 相

按埋藏条件可分为：包气带水、潜水、承压水；

按含水层空隙性质可分为；孔隙水、裂隙水、岩溶水。

包气带水

包气带水——土壤水和上层滞水

土壤水 土壤中未饱和的水；

上层滞水 存在于包气带中，局部隔水层之上的重力水 。

受气候和季节影响变化很大。

潜水

地面以下，第一个稳定隔水层以上具有自由水面的水。

大多储存在第四纪松散沉积物中。潜水水质水量水温受气候及人为因素影响较大。

承压水

两个隔水层之间承受压力的水。

水质水量水温受气候及地表人为因素影响较小。