第八章地下水的地质作用及地貌特征

第八章地下水的地质作用及地貌特征

地下水的基本性质地下水的类型及其特征不同地貌区的地下水岩溶地貌地下水的利用广泛埋藏于地表以下的各种状态的水，统称为地下水。第一节地下水的基本性质一、自然界的水循环二、地下水的来源三、岩石的水理性质四、地下水的物质物理性质和化学成分一、自然界的水循环自然界的水循环水循环类型发生领域水循环环节作用海陆间循环海洋与陆地之间蒸发、输送、凝结、降水、径流、下渗等最重要的类型。使陆地水得到补充，水资源得以再生。内陆循环陆地与陆地上空之间蒸发、植物蒸腾、凝结、降水等补充陆地水体的水量很少海上内循环海洋与海洋上空之间蒸发、凝结、降水挟带水量最大的水循环，是海陆间循环的近十倍二、地下水的来源（1）海成的：海水等从地面渗入地下积聚而成的，或海水伴随沉积物一起沉积而保存起来的古水；（2）渗透的：大气降水、冰雪融水、地表流水、湖水等从地面渗入地下积聚而成的；（3）凝结的：空气中的水气因降温在地面凝聚成水滴后渗入地下积聚而成；（4）初生的：由岩浆活动过程中冷却析离出来的水积聚而成的，又叫原生水；三、岩土的水理性质（二）裂隙度裂隙是指固结的坚硬岩石在各种力的作用下形成的空隙。裂隙度=裂隙总体积/整个岩石总体积X100（一）孔隙度孔隙是指松散岩石颗粒与颗粒集合体之间的空隙。孔隙度=孔隙总体积/整个岩石总体积X100裂隙（三）容水性

指岩石空隙能容纳一定水量的性能，通常以容水度来衡量容水度是指岩石所能容纳的水体积与容水岩石体积之比容水度＝水体积/岩石体积×100％（小数或百分数表示）容水度在数值上与岩石的孔隙率、裂隙率、岩溶率之和相等。但对于具有膨胀性的粘土，充水后其体积会增大，容水度可以大于孔隙率。

（四）持水性

指由于岩石颗粒表面对水分子的吸引，而在岩石空隙中保持若干水量的性能。因为在分子力作用范围内分子力比重力大若干倍，所以岩石所保持的这种水不受重力支配。岩石的持水性能用持水度来衡量。持水度是指受重力作用排水后，岩石空隙中保持的水量与岩石总体积之比，在这种情况下所能保持的水主要是结合水，它取决于岩石颗粒表面对水分子的吸附能力。在松散沉积物中，颗粒组成物质愈细，空隙直径愈小，则体积内的总表面积愈大，持水度愈大。所以持水度实际上说明岩石中结合水与毛管水含量的多少。（五）给水性

指饱和含水的岩石在重力作用下，能自由流出（排出）若干水量的性能。以给水度作为数量指标。给水度表示在常压下从饱和含水岩石中流出来的水体积与饱水岩石总体积之比。给水度在数值上等于容水度与持水度之差。粗粒松散岩石以及具有张开裂隙的岩石，持水度很小，给水度接近于容水度，粘土以及具有闭合裂隙的岩石，持水度接近于容水度，给水度几乎近于零。（六）透水性

指在一定压力梯度条件下岩石允许水透过的性能。岩石的透水能力首先取决于空隙直径的大小和连通程度，其次是空隙的多少。因为水在细粒物质（如粘土）组成的微小孔隙中运动时，不仅由于水与孔壁的摩擦阻力而难以通过，而且还由于小颗粒吸附了一层结合水水膜，这种水膜几乎占满了整个孔隙，水是很难通过的。坚硬的岩石中空隙愈多、透水性愈强。衡量岩石透水性的指标是岩石的渗透系数K。透水层与隔水层虽然没有严格的界限，不过目前已公认，凡渗透系数K小于0.001md-1的岩石均列入隔水层，大于或等于这个数值的岩石属于透水层。

渗透系数K表示土或岩层透水性大小的一个参数。在数值上等于水力坡度为1时的地下水渗流速度。其大小随岩石性质而异，是计算地下水流量、水井涌水量、水库和渠道渗漏水量及水工建筑物地基设计中不可缺少的基本数据。隔水层：指的就是几乎不透水或透水性很低的岩层，一般指渗透系数小于0.001md-1的岩层,又叫不透水层。

（七）毛管性

是指松散岩石中存在的毛细孔隙，具有孔隙毛管作用的性质。毛管力作用支持的水称为毛管水，这种水在常压下不能靠重力作用流出来。在潜水面上部常出现一个毛管上升带。水的毛管上升高度与毛管的半径成反比，所以地下水在松散岩石中毛管上升带的高度大致与粒径成反比。四、地下水的物质物理性质和化学成分地下水的物理性质地下水的化学成分闽清黄槠林

（一）地下水的物理性地下水的物理性质包括：温度﹑颜色﹑透明度﹑嗅﹑味﹑导电性等1、温度地下水的温度取决于地温的变化，自地表向下大体可以分为变温带、常温带和增温带。根据地下水的温度，可分为过冷水（小于0℃）、冷水（0～20℃）、热水（20～40℃）、低温热水（40～60℃）、中温热水（60～100℃）、高温热水、过热水（大于100℃）几种类型。2、颜色

地下水一般是无色透明的，它含某些化合物或胶体物质之后呈现不同的颜色，含钙、镁离子的水为微蓝色，含2价铁离子为灰蓝色，含3价铁离子为褐黄色等。3、透明度地下水的透明度决定于水中所含的盐类、悬浮物、有机质和胶体的数量，分为四个等级：透明（水柱高度大于60厘米）微混浊（30～60㎝）混浊（小于30㎝）极混浊（含有大量悬浮物质及胶体呈乳状者为不透明）4、嗅觉和味感含碳酸钙的水清凉爽口，含氢氧化钙的水是甜味，含硫酸镁和氯化镁呈苦味。5、导电性（二）地下水的化学成分1、主要离子成分1）总矿化度：水的总矿化度是指水中离子、分子和各种化合物的总含量，通常是以水烘干后所得残渣来确定，单位为g/L。淡水：残渣＜1g/L弱矿化水：1～3g/L中等矿化水：3～10g/L强矿化水：10～50g/L盐水＞50g/L

水中钙镁离子的总量，称为水的总硬度。当水煮沸时，一部分钙镁离子的重碳酸盐因为失去二氧化碳而成为碳酸盐沉淀，沉淀部分叫做暂时硬度。总硬度减去暂时硬度即为永久硬度。表示水硬度可用德国度（以一升水中含有10㎎CaO为一度）和钙镁离子的mmol/L来表示。1德国度等于0.35663mmol/L。2）硬度2、气体成分3、胶体和有机质4、pH值酸性侵蚀水的类别强酸性水弱酸性水中性水弱碱性水强碱性水PH值<55-6.56.5-88-10>10第二节地下水的类型及其特征1﹑根据物理力学性质特点分类2、根据空隙特征分类3、根据含水层的埋藏条件分类1﹑根据物理力学性质特点分类

按状态分气、液、固三态；水在岩土中的物理力学性质分1）结合水2）毛管水3）重力水结合水与重力水毛细水受毛管力作用而保持在土壤毛管孔隙（直径0.001－0.1mm的孔隙）中的水。依其与地下水的关系及所处部位，分毛管上升水和毛管悬挂水，它们为有效水。毛管上升水：是指贮存在饱水带地下水面以上岩石或土壤毛细管孔隙中的水，并且与饱水带的地下水直接相连。当地下水面上升或下降时，毛管水的位置相应变动。毛管悬着水：指贮存在包气带的岩石或土壤毛管中的水，并且与饱水带的地下水没有水力联系，呈“悬挂”状态。2、根据空隙特征分类

1）孔隙水2）裂隙水3）岩溶水

1）孔隙水埋藏在孔隙岩层中的地下水称为孔隙水。它广泛分布于第四纪松散沉积物--洪积、冲积、坡积、湖积、冰积物和半胶结的碎屑沉积岩中。孔隙水的最大特点是水量在空间上分布较均匀。孔隙水的分布及其形成规律直接取决于松散沉积物的形成条件，不同成因沉积物中的地下水往往具有独特的分布规律与形成特征。洪积物与冲积物中的孔隙水最为常见。

2）裂隙水存在于岩石的各种裂隙中的水称为裂隙水。裂隙水的分布及其形成规律直接由裂隙成因所控制，因此按裂隙成因将裂隙水细分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水三种。

3）岩溶水（溶隙水）存在于可溶性岩层（如石灰岩、大理岩、白云岩等）的溶蚀空隙中的地下水称为岩溶水。岩溶水不仅是一种具有独立特征的地下水，同时也是一种地质营力。在流动过程中，岩溶水不断溶蚀其周围介质，不断改变着自己的赋存与运动条件。岩溶水的分布规律与运动特征直接取决于碳酸盐岩层的岩溶发育规律。

岩溶水特点：空间分布极不均匀，动态变化强烈，流动迅速，排泄集中。3、根据含水层的埋藏条件分类（1）包气带水地面以下地下水（潜水）面以上的部分，其内土壤和岩石的空隙没有完全被水充满，包含有与大气连通的气体的地带称为包气带。存在于包气带中的水叫做包气带水。位于潜水位以上（包气带中）的局部隔水层所托住的或包含的重力水叫做上层滞水。其补给来源主要是大气降水，但受季节影响大，水量小。一般只能作为小型或暂时性供水水源。开采时应注意防范水质污染。（2）潜水是埋藏在地表以下，第一个稳定的隔水层以上，具有自由水面的重力水（见图）。潜水一般埋藏在第四纪松散沉积物的孔隙中或出露地表的基岩裂隙中，潜水的自由表面称潜水面；潜水面上任一点至地面的距离称为潜水埋藏深度。潜水面上任一点的海拔高度，称为该点的潜水位H。潜水面至隔水底板的距离称为潜水含水层厚度。潜水埋藏深度和含水层厚度各处不一，往往相差很大。潜水含水层通过包气带直接与地表、大气相通。因此，气象、水文因素的变化对潜水的水量和水质都有很大的影响。潜水面影响潜水面形状的因素有①地貌条件：潜水面的形状与地貌条件有密切关系，潜水面的坡度随着地面的坡度而变化，但比地面起伏平缓。地面分水岭一般情况下也是潜水分水岭。②含水层的岩性及其厚度：沿着潜水的流向，当含水层的岩性颗粒变粗，意味着岩层的透水性增强，潜水面坡度便趋于平缓；反之则变陡。当含水层厚度沿潜水流向增厚时，潜水面坡度也变缓，反之则变陡。③隔水层底板形状：若隔水底板向下凹陷，特别是某些河谷盆地，在枯水季节，可形成潜水湖，此时潜水面呈水平状；而在丰水季节水面上升超出盆地边缘的隔水底板，又可形成潜水流；隔水底板由于构造原因形成阶梯陡坎，此时潜水面往往出现跌水现象。此外，人工抽取潜水，可使潜水面形成一个以抽水井为中心的漏斗曲面。潜水特征

潜水面以上，一般无稳定的隔水层存在，潜水通过包气带与地表相通，所以大气降水和地表水直接渗入而补给潜水，成为潜水的主要补给来源潜水的埋藏深度及含水层的厚度经常是变化的，而且受气候﹑地形和地质条件的影响，其中以气候影响最大潜水具有自由表面，为无压水。潜水的排泄主要有两种方式：流出和蒸发。（3）承压水承压水是指充满于两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水，倘若含水层没有完全被水充满，且有与潜水性质相似的自由水面，称无压层间水。承压水由于存在隔水层顶板而承受静水压力，当钻孔穿透隔水层顶板时，在静水压力作用下，钻孔中水面上升到一定高度才能静止下来。静止水面高出含水层顶板底面的距离称为该点的承压水头。静止水面的海拔高程就是含水层在该点的承压水位，承压水位高于地表时，承压水能够自喷到地表，这样的承压水又称为自流水。承压水具有下面一系列的特点

A．承压性,是承压水的一个重要特性，在钻孔揭露承压水层时，初见水位与稳定水位是不一致的，稳定水位高于初见水位。B．承压水的分布区与补给区不一致。补给区具有潜水的性质。在被切割的低洼处承压水常以上升泉的形式出露地表，或直接注入江河、湖泊，是排泄区。C．由于隔水顶板的存在，气候、水文因素的变化对承压水的影响相对来说比潜水要小，因此，承压水的水位、温度、矿化度等比较稳定。从另一方面说，承压水参与水循环不如潜水那样活跃，水的补充、恢复比较缓慢。若承压水参与地壳深部的水循环，则水温增高可以形成地下热水和温泉。D．承压水的水质变化大，从淡水直到矿化很高的卤水都有。如承压水的补给、径流与排泄条件好，则矿化度往往比较低，水质接近入渗的降水及地表水；如承压水的补给、径流、排泄条件差，水循环缓慢，则水从岩层中溶解得到的盐类就多，水的矿化度相应升高。承压水的埋藏类型承压盆地承压斜地等水压线图在地图上，将某一含水层中承压水位相等的各点连接起来，所得出的曲线称等水压线。承压水面不同于潜水面，常与地形极不吻合，甚至高于地表面。钻孔钻到承压水位处是见不到水的，必须凿穿隔水顶板才可见到水。因此，通常在等水压线图上要附以含水层顶板等高线利用这种图可以了解承压水的流向、承压水埋藏深度、承压水头的大小，以判定开采承压水的有利地段。潜水和承压水比料简表类型潜水承压水埋藏条件在第一个隔水层之上在两个隔水层之间主要补给方式大气降水，地表水补给区的潜水排泄方式水平排泄出露为地表水或泉水在排泄区转化为潜水或泉水垂直排泄蒸发

主要特点①具有自由水面（随地势高低而起伏），从高处向低处渗流

②分布区与补给区基本一致

③埋藏较浅，受气候影响大，水量不稳定，易受污染①承压静水压力，水的运动取决于静水压力②分布区与补给区，排泄区常不一致

③埋藏较深，受气候影响小，水量稳定，不易受污染，水质较好环境问题①不合理灌溉，造成土壤盐渍化

②过量开采形成漏斗区，引起地面下沉、沿海地带海水倒灌，水质恶化污染及过量开采后不易恢复泉

泉：是地下水的天然露头泉的类型依据水头性质分：1）上升泉为承压水补给2）下降泉为潜水及上层滞水补给根据泉的出露原因分1）侵蚀泉侵蚀切割到潜水含水层时出露的泉2）溢出泉岩石透水性变弱或为阻不断层所隔，潜水出露3）断层泉承压含水层被断层所隔

大理蝴蝶泉趵突泉冷泉西藏阿里热泉野三坡鱼谷泉在鱼谷洞口南侧有一泉眼和一池泉水，为一裂隙泉，泉水清澈无污染。每当农历谷雨节前后，从泉洞中不断喷出众多鱼来（多鳞铲颌鱼），今为鱼科专家所关注，该泉被列为世界奇泉.冰岛的热泉冰岛的热泉长白山的高温泉82℃云南腾冲的高温泉95℃西藏羊八井——沸泉羊八井羊八井地热发电站井深仅30m，温度便高达130℃新西兰的高温泉黄石公园的高温泉黄石公园的沸泉黑烟囱洋底沸泉，约400℃，因巨大压力并不沸腾。新西兰的地热保护区泥浴泥浴

我国饮用天然矿泉水国家标准规定：饮用天然矿泉水是从地下深处自然涌出的或经人工揭露的未受污染的地下矿泉水；含有一定量的矿物盐、微量元素和二氧化碳气体；在通常情况下，其化学成份、流量、水温等动态在天然波动范围内相对稳定。"国标"还确定了达到矿泉水标准的界限指标，如锂、锶、锌、溴化物、碘化物，偏硅酸、硒、游离二氧化碳以及溶解性总固体。其中必须有一项(或一项以上)指标符合上述成份，即可称为天然矿泉水。"其要求含量分别为（单位：mg/L）：锂、锌、碘化物均≥0.2，硒≥0.01，溴化物≥1.0，偏硅酸≥25，游离二氧化碳≥250和溶解性总固体≥1000。市场上大部分矿泉水属于锶（Sr）型和偏硅酸型。

第三节不同地貌区的地下水一、山区的地下水二、山前冲积洪积扇和山间盆地的地下水

三、平原地区的地下水四、黄土高原的地下水一、山区的地下水主要为裂隙水和岩溶水

二、山前冲积洪积扇和山间盆地的地下水（一）冲积洪积扇的地下水1）径流带:位于顶部，水质良好，为良好的供水水源地2）溢出带:位于中部，水量小，水质易受污染3）垂直交替带:位于前缘，为盐分堆积带（二）山间盆地的地下水水文性质和洪积扇非常相似三、平原地区的地下水（一）河谷平原的地下水河谷平原的地下水主要分布在冲积层中。（二）冲积平原的地下水1、北方冲积平原沉积物厚度大，东北的松嫩平原厚度一般在80-120m，华北平原的厚度要大得多，一般在数百米，其中，鲁北平原最厚可达3000m。其中砂层是最好的含水层2、南方冲积平原南方冲积平原的松散堆积物厚度在300m以内，一般只有10-20m。含水层以砂层为主3、滨海平原滨海平原一般埋藏着矿化度较高的潜水四、黄土高原的地下水黄土高原降水量小，蒸发量大，地表水不易聚集，故水源缺乏，地下水往往是主要的水源。黄土中的地下水其主要特征如下：（1）黄土是非均质﹑含裂隙孔隙水的含水层，它的孔隙和裂隙是地下水储存和运动的主要场所和良好通道。（2）黄土中有多个含水层（3）黄土中地下水一般埋藏深度是20-60m（4）大气降水的垂直渗入是黄土层中地下水的主要补给来源第四节岩溶地貌一、岩溶的形态特征和研究意义二、岩溶的形成条件和影响因素三、岩溶发育和分布规律四、岩溶水一、岩溶的形态特征和研究意义1、地下水的潜蚀作用其包括以下几种方式：冲刷（scour）溶蚀（corrosion）北京市房山区仙栖洞地下水在运动过程中对周围岩石的破坏作用称为地下水的潜蚀作用（suffosion）。喀斯特（karst）

由于地下水的运动是发生在岩石空隙中，水与岩石的接触面大，而且地下水流速缓慢，因而溶蚀作用极为显著。特别是在湿热气候条件下，溶蚀是可溶性岩石遭受破坏的主要原因，并形成特殊的地貌。将以主要为地下水（兼有部分地表水），对可溶性岩石进行以化学溶蚀为主、机械冲刷为辅的地质作用以及由这些地质作用所产生的地貌，称为喀斯特（karst）。世界最美的喀斯特--云南石林

桂林

桂林岩溶地貌示意图溶沟（karren）和石芽（stonebud）

溶沟是石灰岩表面上的沟槽，是地表水流沿可溶性岩石表面进行溶蚀和机械冲刷的结果。沟槽的宽度和深度一般由数厘米到数米，有时更大，其形态各异。沟槽之间凸起的石脊称为石芽。如石芽形态高大，沟坡近于直立，且发育成群，远观之宛如森林，称为石林（stoneforest）。落水洞（sinkhole）

地表水沿近于垂直的裂隙向下溶蚀而成的直立或陡倾斜的洞穴，下接地下河（undergroundriver）或溶洞，是地表水转入地下河或溶洞的通道。在两组直立的裂隙交汇处，落水洞最易形成。有时许多落水洞呈串珠状分布。湖北清江落水洞

溶斗（corrodedfunnel）

又称漏斗，是小型洼坑。纵剖面形态有碟状、锥状和井状等。天坑地缝(渝奉节)：国家重点风景名胜区，已列入世界自然遗产预备名单、国家遗产名录。奉节小寨天坑是世界上已知最大岩溶漏斗，坑深662米，坑口直径626米，天坑总容量为1.19亿立方米。天井峡地缝为隐伏于地下的暗缝，缝深80至300米，底宽1米至30米，是典型的“一线天”。干谷（dryvalley）和盲谷（blindvalley）

落水洞如果发育在河床中，它可吸收河水，使其转入地下，把河流截断。落水洞以上有水流的一段河谷继续受河水侵蚀使河床降低，落水洞以下的河谷因断水遂转变成干谷，干谷谷底相对高起。南极地区干谷美景

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

它们都是正向的喀斯特地貌。其中，峰顶尖锐或圆锥状竞相突出，而基部相连，宏观上似簇状者称为峰丛。它是喀斯特发展较早阶段的地貌。如峰体上部挺立高大，基部仅稍许相连，称为峰林。耸立于喀斯特地区平原上的孤立山峰称为孤峰。溶洞

系指地下水沿可溶性岩层的构造面（层面、节理面、断裂面等）进行剥蚀，并进一步崩塌扩大形成的洞穴。形成初期，孔隙孔道很小，地下水运动缓慢，以溶蚀为主。空洞扩大后互相串通，水流加强，动能增大，引起冲刷。在水平流动带发育者多呈水平状态。溶蚀洼地

为宽阔的﹑不规则的闭塞盆地，可发育为岩溶湖。贵州荔波：创造喀斯特的神话

研究岩溶的意义1、岩溶水可以作为地下水源2、岩溶水也给人们带来灾害3、岩溶地区工程问题黄龙地质成因

仙桥地下河

二、岩溶的形成条件和影响因素1、岩石的可溶性是形成岩溶的物质基础可溶性岩石有：碳酸盐类﹑硫酸盐类﹑氯化盐类。2、岩石的透水性岩石的透水性取决于岩石本身的空隙的多少，其次是连通情况。3、水的溶解能力侵蚀性C