第4章地下水的形成

地下水的形成来源：大气降水冰雪融水地表水参与全球水的循环地下水的来源地下水概述地壳岩石中的水液态水固态水气态水岩石骨架中的水（矿物结合水）沸石水结晶水结构水岩石空隙中的水结合水（矿物表面）强结合水弱结合水重力水毛细水地下水的形成地下水概述地下水的形成地下水概述岩土的水理性质岩土的水理性质主要有：含水性、给水性和透水性。◆岩土的含水性——岩土含水的性质1)容水度指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值。一般地，容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当。对于膨胀土，容水度可大于孔隙度。地下水的形成岩土的水理性质岩土的水理性质主要有：含水性、给水性和透水性。◆岩土的含水性——岩土含水的性质2)持水度地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量。

持水度实际上说明岩土中结合水含量的多少。地下水的形成岩土的水理性质岩土的水理性质主要有：含水性、给水性和透水性。◆岩土的给水度

饱和岩土在重力作用下排出水的体积与岩土体积之比给水度=容水度-持水度

岩性对给水度的影响主要表现在孔隙的大小与多少。颗粒粗大的松散岩石、裂隙宽大的坚硬岩石：大空隙细小：小均质颗粒细小松散岩石：滞后粗细颗粒层次相间分布：小常见的松散岩石给水度P75地下水的形成岩土的水理性质岩土的水理性质主要有：含水性、给水性和透水性。◆岩土的透水性—岩石允许重力水渗透的能力（渗透系数）。影响岩石透水性的因素：孔隙直径，小于两倍结合水层厚度；孔隙直径达到一定大小，孔隙度因素；透水性－孔隙最小直径（非平均孔隙直径）。

空隙的大小与多少决定着岩石透水性的好坏，但两者的影响并不相等，空隙大小经常起主要作用。地下水的形成岩土的水理性质◆达西定律水力梯度i：在含水层中沿水流方向每单位距离的水头下降值。在大多数情况下，土中水的渗流基本处于层流状态，即地下水的形成岩土的水理性质◆达西定律或式中：q—单位渗水量，cm3/s；

v—断面平均渗流速度，cm/s；

i—水力梯度或水力坡降；

k—土的渗透系数，cm/sΔh1

h2

达西根据实验发现，单位时间内的渗出水量q与圆筒断面积A和水力梯度i成正比，且与土的透水性质有关写成等式（达西定律表达式）地下水的形成地下水类型及其主要特征

按埋藏条件：包气带水、潜水、承压水；根据含水层的空隙性质：孔隙水、裂隙水、岩溶水。地下水的形成地下水类型及其主要特征地下水综合分类

介质类型孔隙水裂隙水岩溶水包气带水

孔隙上层滞水裂隙上层滞水岩溶上层滞水潜水

孔隙潜水承压水

裂隙承压水

岩溶承压水埋藏条件地下水的形成包气带水包气带、地下水面、饱水带；包气带水：结合水、毛细水、空气、气态水、过路重力水、上层滞水。地下水的形成地下水类型及其主要特征包气带水包气带水来源：大气降水、地表水、地下水毛细上升、地下水蒸发；包气带水运动：重力向下、蒸发毛细力上升、雨季下渗、雨后蒸发（深部下渗）。包气带水（盐）运动影响因素：气候、天然及人工植被、人类生活与生产。饱水带：岩石空隙全部为液态水充满。特点：水体连续分布、能传递静水压力、在水头差作用下发生连续运动。地下水的形成地下水类型及其主要特征潜水指埋藏于地表以下，第一个稳定隔水层之上具有自由水面的饱水带中的重力水。潜水没有隔水顶板，或只有局部的隔水顶板。潜水的自由表面为潜水面地下水的形成地下水类型及其主要特征潜水潜水的特征基本特点：与大气圈、地表水圈联系密切，积极参与水循环；根本原因是埋藏浅，且上部没有连续隔水层。动态特点：季节变化明显。潜水积极参与水循环，资源易于恢复补充，但受气候影响，且含水层厚度一般比较有限，其资源通常缺乏多年调节性。易受污染。水质主要取决于气候、地形、岩性条件。地下水的形成大气降水地下水类型及其主要特征潜水潜水的补给补给方式⑴大气降水;⑵地表水的补给；⑶含水层之间的补给；⑷凝结水；⑸人工补给地表水的补给地下水的形成地下水类型及其主要特征潜水潜水的排泄⑴蒸发;⑵泉的排泄；⑶向地表水排泄；⑷人为排泄。潜水的排泄——泉潜水补给河流地下水的形成地下水类型及其主要特征潜水潜水的特征⑴潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。地下水的形成地下水类型及其主要特征潜水潜水的特征⑵潜水面的起伏经常与地形一致，只是比地形起伏平缓一些；潜水面与地表面的形态具有相似性。地下水的形成地下水类型及其主要特征潜水潜水的特征⑶当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；地下水的形成地下水类型及其主要特征潜水潜水的特征⑷当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。地下水的形成地下水类型及其主要特征承压水埋藏并充满在两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的地下水，是一种有压重力水。两个隔水层称为隔水顶板和隔水底板地下水的形成地下水类型及其主要特征承压水承压水特征

特点：参与水循环较潜水差，循环慢，受气象、水文条件变化影响较小，动态较稳定。水资源不易补充、恢复，因含水层厚度大，往往具有多年调节性。不易受污染，一旦污染，难以净化。水质：取决于埋藏条件、与外界联系程度。地下水的形成地下水类型及其主要特征承压水承压水的形成最适宜形成承压水的岩石组合有：（1）厚层砂岩、砾岩的上下为不透水的泥质岩层；（2）裂隙、融穴发育的较纯的碳酸盐层上下为不透水的泥质岩石或泥灰岩；（3）裂隙发育的喷出岩层上下为不透水的泥质岩石或或致密裂隙少的喷出岩层。地下水的形成地下水类型及其主要特征承压水承压水的形成最适宜形成承压水的地质构造有：向斜构造单斜构造承压盆地承压斜地断裂构造形成承压斜地承压盆地地下水的形成地下水类型及其主要特征承压水承压水的形成大山区的山前地带有大量洪—冲积物堆积形成的扇形斜地，向远处过度为洪—冲积物平原。地下水的形成自基岩基底向上，经常出现多层粗中碎屑层与粉砂—泥质层交错。夹在泥质层中间的厚层碎屑层与粉砂层在饱水之后成为承压斜地。，其补给水源为山口附近的潜水。P79图3-9地下水类型及其主要特征承压水承压含水层在同一区域内均可在不同深度有着若干层同时存在的情况，它们之间的水头高度与地形和构造二者有关。地下水的形成地表水补给地下水类型及其主要特征承压水承压水的补给⑴大气降水；⑵地表水；⑶潜水。大气降水补给潜水补给地下水的形成地下水类型及其主要特征承压水承压水的排泄⑴向潜水排泄；⑵泉的排泄；⑶向地表水排泄。向潜水排泄向泉排泄向地表水排泄地下水的形成地下水类型及其主要特征泉——地下水的天然露头上升泉：由承压水补给，包括侵蚀（上升）泉、断层泉、接触带泉下降泉：由潜水或上层滞水补给，包括侵蚀（下降）泉、接触泉、溢流泉（泉城－济南）。水下泉：地下水集中排泄于河、湖或海底时，便形成水下泉。按补给源可分为：1)包气带泉，2)潜水泉，3)自流水泉地下水的形成地下水类型及其主要特征泉——地下水的天然露头地下水的形成地下水的循环地下水的补给（一）大气降水

其数量受降水强度、地形、植被、包气带岩性、含水层埋藏条件影响。地下水的形成（二）地表水的补给

江、河、湖、海积水洼地下渗部分为补给源。（三）凝结水的补给

主要发生在沙漠地区，沙漠昼夜温差大，夜间温度降低使得空气中水的含量呈过饱和状态。（四）人工补给

水利工程水量的调配。地下水的循环地下水的补给地下水的形成（二）地表水于地下之间的补给

山区，河流深切，河水位常年低于地下水位，起排泄地下水的作用；山前，堆积作用加强，河床抬高，地下水埋深大，则河水经常补给地下水；

冲积平原中上游，河水位与地下水位接近，汛期河水补给地下水，非汛期河水排泄地下水；冲积平原中下游，堆积作用强烈，才“地上河”（尤其在北方），如黄河下游，此时，河水常年补给地下水。地下水的循环地下水的排泄（一）泉的排泄地下水的形成（二）向地表水排泄（三）蒸发排泄

潜水、上层滞水通过包气带蒸发及植物根系蒸发。（四）含水层之间的排泄相邻含水层之间有水头差，水头高的含水层通过联通通道向水头低的含水层排泄。地下水的径流地下水在岩土中流动的过程称为地下水的径流地下水径流的方向、速度、类型、径流量受到多种因素影响地下水的形成1含水层的空隙性大，透水能力强，流速快。2地下水的埋藏条件承压水流既在重力作用下有向下运动的趋势，也有水压作用向水头较低部位的向上运动趋势。3补给量的多少直接影响径流量。4地形上，山区地形陡峻，其径流速度较快，平原地区静流速度较慢。5地质构造，基岩中的水力坡度取决于地质构造特征，与地面地形无关。6人为因素。地下水的物理性质与化学成分1地下水的物理性质1)温度:受气候和地质条件控制；

02042100°C过冷水冷水温水热水过热水2)颜色：决定于化学成分及悬浮物；3)透明度：含有矿物质、机械混合物、有机质及胶体；透明的、微浑的、浑浊的、极浑浊的；4)嗅味：含有气体或有机质；沼泽味－－腐殖质、臭鸡蛋味－－硫化氢5)味道：取决于地下水的化学成分；

NaCl－－咸、CaCO3－－清凉爽口、

Ca(OH)2和Mg(HCO3)2－－甜味、

MgCl2和MgSO4－－苦味6)导电性：电解质的含量；7)放射性：深层地下水。地下水的物理性质与化学成分1地下水的物理性质地下水的化学成分N2、O2、CO2、CH4、H2S及放射性气体等离子阳离子:H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+等阴离子:OH-、Cl-、HCO3-、NO2-、SO42-、CO32-、SiO32-、PO43-等Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等化合物气体地下水的物理性质与化学成分地下水的常见气体成分地下水的物理性质与化学成分表明地下水以大气降水渗入到地下补给为主。地下水为封闭构造中的油田水。O2H2CH4CO2来自于碳酸盐岩地区。地下水的常见离子成分地下水的物理性质与化学成分Cl-几乎存在所有的地下水中，其含量变化较大，每升水中含有几毫克至几百克不等。主要来源于含盐岩和含氯氧化物的沉积岩，少量来自海水入侵的松散堆积物。SO42-广泛存在地下水中，其含量几毫克至几克，主要来自含石膏和其他硫酸盐的沉积岩，少量来自硫化物的风化物。常见的地下水评价指标地下水的物理性质与化学成分工业发展，城市发展离不开水，地下水的科学利用为了工业及城市发展提供保障，为解决地下水能否利用及如何利用，因此有必要对地下水进行评价。地下水进行评价指标主要包括：总矿化度、硬度、氢离子浓度、有害成分及若干卫生条件。常见的地下水评价指标地下水的物理性质与化学成分总矿化度总矿化度：指地下水中所含的各种离子、分子及化合物的总和，以mg/L表示。包括所有的溶解状态和胶体状态的成分，不包括游离状态的气体成分。水的矿化度高，说明水中含盐量高。一般低矿化度的淡水中主要离子成分为碳酸氢根，中等矿化度的盐质水的主要离子为硫酸根，高矿化度的盐水和卤水以氯离子为主。常见的地下水评价指标地下水的物理性质与化学成分总矿化度一般采用105°~110°时将水蒸干得到的干涸残余物重量代表总矿化度，也可以将水分析得到的阴阳离子含量相加，但是其中的碳酸氢根含量以一半来计。地下水的物理性质与化学成分常见的地下水评价指标硬度大量的钙、镁离子对生活及工业上的使用都是不利的，为此把水中的钙镁离子的总量定义为水的总硬度。将水加热沸腾，部分钙镁离子形成难溶碳酸沉淀，而被排除，这一被排除部分的钙镁离子的数量称为水的暂时硬度。残余的部分为水的永久硬度。地下水的常见离子成分地下水的物理性质与化学成分硬度我国采用德国硬度（H°）来计量水的硬度。1H°相当于1L水中含有7.1mg钙离子或4.3mg镁离子的量。地下水的常见离子成分地下水的物理性质与化学成分酸碱度地下水的酸碱度取决于水中氢离子的浓度大小。纯水中PH值为7，地下水按PH值可分为5类：强酸性水PH<5弱酸性水PH:5~7中性水PH=7弱碱性水PH:7~9强碱性水PH>9地下水的化学成分表示与分类地下水的物理性质与化学成分地下水的化学成分表示方法地下水的化学成分分析结果常采用库尔洛夫表示式。采用分式的形式，将毫克当量大于10%的阴离子从大到小的次序排列在分子上。同样次序将阳离子则排列在分母的位置上，地下水总矿化度（M）和特殊元素以g/L为单位排列在分式前，水温（℃）附在分式后。式中各成分含量一律标于该成分符号的右下角。地下水的化学成分表示与分类地下水的物理性质与化学成分地下水的化学成分分类舒卡列夫分类法：地下水中常见的Na＋

Ca2＋

Mg2＋

Cl-

SO42-

CO3-为基础，含量超过25%毫克当量的离子进行组合，其结果有49种化学类型。>25%毫克当量HCO3HCO3+SO4HCO3+SO4+ClHCO3+ClSO4SO4+ClCl

Ca181522293643

Ca+Mg291623303744

Mg3101724313845

Na+Ca4111825323946

Na+Ca+Mg5121926334047

Na+Mg6132027344148

Na7142128354249

例如：第1类为自然界中广泛分布的重碳酸钙(HCO3-—Ca)型水，是沉积岩地区典型的溶滤水；

第49类为氯化钠（Cl—Na)型水，则可能是与海水及海相沉积有关的地下水，或者是干旱地区埋藏不深的盐化地下水。地下水的物理性质与化学成分、舒卡列夫分类的优缺点

优点：非常简单，可以大致推断水质的成因，所以只能叫水化学分类。缺点：

①以25%毫克当量划分的依据带有人为性，②对大于25%毫克当量的离子未反映其大小的次序，反映水质变化成因不够细致。③分类中有些水型意义不大，如17，18，19，在自然界中极少见到或见不到的。地下水的物理性质与化学成分地下水污染地下水的物理性质与化学成分凡天然条件下形成的水质符合生活和工业用水要求的地下水，由于人为的影响而使水质量变坏，以致不能为生活或者工农业直接使用，称为地下水的污染。地下水污染的概念我国制定的《水污染防治法（草案）》的定义为：水污染是指水体因某种物质或能量介入而导致其物理、化学、生物与放射性等方面的特性的改变，从而影响对水的有效利用，危害人体健康或破坏生态平衡等水质变化的现象。地下水污染地下水的物理性质与化学成分能为人类利用的地下水赋存在地下较深处，其上具有一定厚度的包气带水作为天然屏障，地下水是在多孔或具有裂隙的岩石中缓慢的流动。使得地下水与地表水的污染情况有较大差别。地下水污染的特点（1）隐蔽性地下水被污染难以观测。（2）顽固性地下水流速慢，且孔隙介质对许多污染物有吸附作用，水质恢复很难。（3）延缓性地面污染物从地表向地下扩散，经过包气带土壤和松散堆积物层，碎屑对污染物吸附。隔水层间的承压水层污染更加缓慢。地下水污染地下水的物理性质与化学成分（一）地下水的污染源。污染源与污染途径（1）工业生产引起的污染源工业生产的污染源废水、废气、废渣不加处理或处理不当。（2）农业生产引起的污染农业生产广泛使用有机肥、化肥和农药。部分被农作物吸收、部分挥发，部分长期存在于土壤中。（3）居民生活引起的污染居民生活污水、污物和废气部分进入包气带和含水层，造成地下水污染。地下水污染地下水的物理性质与化学成分（4）矿物油引起的污染石油勘探和开采过程中，钻井密封不严，高压石油从井壁裂缝中进入到含水层，开采过程中排放或回灌废水也可能进入含水层。（5）海水入侵引起的污染滨海地带的居民区或工业区，由于过度抽取地下水，引发海水与大陆地下淡水间的分界线向陆地方向推移，引起淡水咸化。污染源与污染途径地下水污染地下水的物理性质与化学成分（一）地下水的污染途径。污染源与污染途径（1）通过包气带水连续渗入废水坑、沉淀池、化粪池、排污沟渠、输油管道的坏露出等地下水污染地下水的物理性质与化学成分（一）地下水的污染途径。污染源与污染途径（2）通过包气带水断续渗入堆放在地表的垃圾和工业废物地下水污染地下水的物理性质与化学成分（一）地下水的污染途径。污染源与污染途径（3）通过井、孔、坑道及岩溶渗入地下水污染地下水的物理性质与化学成分（一）地下水的污染途径。污染源与污染途径（4）随地表水侧向渗入地下水地下水污染地下水的物理性质与化学成分（一）地下水的污染途径。污染源与污染途径（5）含水层间垂向越流地下水污染地下水的物理性质与化学成分地下水使用广泛，对其质量要求各有不同，水质评价标准各异，一般采用饮用水标准作为评判标准。地下水污染的评价一、饮用水的水质评价

标准：国家标准GB5749-85

饮用水对水质的基本要求是：（1）水中必须无传染疾病的微生物及病源菌存在；（2）水的化学成分对人的健康必须是无害的；（3）水应当有可口的味道，无不良的气味及其它感觉地下水污染地下水的物理性质与化学成分

1、物理性质要求

无色、无特殊气味、透明、可口，水的温度为7—12℃。

2、化学成分评价基本情况第一，水中的某些化学成分达到一定浓度时，水的味道不好(苦、咸味等)或使水完全不能饮用；第二，水中某些组分本身无害，但它们是污染的标志，这些组分的存在，说明水中可能有引起发病的有机物存在。亚硝酸及磷酸等即属于这些组分，在水中达到一定数量时说明水已被污染；第三，水中某些成分如铜、铅、锌、铬(六价)、镉等及其它化合物，本身就是有毒的，因此，饮用水中不应含有这些物质，或者应在数量上加以严格限制。

3、细菌指标

以细菌总量和大肠杆菌的数量作标堆。地下水污染地下水的物理性质与化学成分考虑到地下水污染的隐蔽性和延缓性，在评价地下水污染程度时，多采用地下水污染起始值作为标准进行评判。地下水污染的评价地下水污染地下水的物理性质与化学成分由于城市、工业区难以测到自然环境背景值，实际中采用相对环境背景值，即一定区域远离工矿城镇和并没有明显受到“三废”污染的地下水中某污染物的平均含量。地下水污染的评价地下水污染评价中多采用综合指数法。根据各项污染指数，利用叠加法、尼姆诺法、均方根法或考虑加权重度求出综合污染指数。尼姆诺指数P地下水污染地下水的物理性质与化学成分该区选酚、氰、汞、铬、砷为评价参数，以生活用水标准为评价指标，划分污染等级。地下水污染的评价未污染P<0.5各污染物均未超标。轻度污染污染P=0.5~1.0个别污染物超标。中度污染污染P>1.0超标污染物多或严重超标。地下水污染地下水的物理性质与化学成分该区选酚、氰、汞、铬、砷为评价参数，以生活用水标准为评价指标，划分污染等级。地下水污染的防治未污染P<0.5各污染物均未超标。轻度污染污染P=0.5~1.0个别污染物超标。中度污染污染P>1.0超标污染物多或严重超标。地下水污染地下水的物理性质与化学成分地下水污染的防治地下水污染的防治措施可以分为两个方面：一、防止和保护天然的优质地下水资源不受人为的污染；二、处理和净化已经受到污染的地下水源，使其重新恢复为清洁卫生的水资源。地下水污染地下水的物理性质与化学成分地下水污染的防治（一）保护地下水资源的主要措施1技术措施首先要减少污染