第一節 地下水概念

一、巖土的空隙

組成地殼的巖石，無論是松散沉積物還是堅硬的基巖，都有空隙。空隙的大小、多少、均勻程度和連通情況，決定著地下水的埋藏、分布和運動。因此，研究地下水必須首先研究巖土中的空隙。

將巖土空隙作為地下水儲存場所和運動通道研究時，根據巖土空隙的成因不同，通常把空隙分為三類：松散沉積物顆粒之間的空隙稱為孔隙；非可溶巖中的空隙稱為裂隙；可溶巖產生的空隙小者稱為溶隙，大者稱為溶洞 （圖1-1）。

（一） 孔隙

松散巖石是由大小不等的顆粒組成的，顆粒或顆粒集合體之間的空隙，稱為孔隙。巖石中孔隙體積的多少是影響其儲容地下水能力大小的重要因素。

1.孔隙度

孔隙體積的多少可用孔隙度表示。孔隙度是指某一體積巖石 （包括孔隙在內）中孔隙體積所占的比例。孔隙度是一個比值，可用小數或百分數表示。

2.影響孔隙度的因素

孔隙度的大小主要取決于分選程度及顆粒排列情況，另外顆粒形狀及膠結充填情況也影響孔隙度。對于黏性土，結構及次生孔隙常是影響孔隙度的重要因素。

（1）巖土的密實程度。巖土越松散，孔隙度越大。然而松散與密實只是表面現象，其實質是組成巖土的顆粒的排列方式不同。不妨設想一種理想的情況，即顆粒為大小相等的球體，根據幾何計算，當球作四面體形式排列 （最密實狀態）時，其孔隙度只有25.95%。

（2）顆粒的均勻程度。顆粒的均勻性常常是影響孔隙度的主要因素，顆粒大小越不均勻，其孔隙度越小，這是由于大的孔隙被小的顆粒所填充的結果。

（3）顆粒的形狀。一般松散巖土顆粒的渾圓度直接影響巖土的孔隙度。例如棱角狀且排列疏松的黏土顆粒，其孔隙度達40%～50%，而顆粒近似圓形的砂，孔隙度為30%～35%。

（4）顆粒的膠結程度。當松散巖土被泥質或其他物質膠結時，其孔隙度就大幅度降低。

綜上所述，巖土的孔隙度是受多種因素影響，當巖土越松散、分選越好、渾圓度越好、膠結程度越差時，孔隙度才越大；反之，孔隙度則越小。

（二） 裂隙

固結的堅硬巖石，包括沉積巖、巖漿巖和變質巖，一般不存在或只保留一部分顆粒之間的孔隙，而主要受構造運動及其他內外地質營力作用影響產生的空隙，稱為裂隙。

1.裂隙率

裂隙的多少以裂隙率表示。裂隙率是裂隙體積與包括裂隙在內的巖石體積的比值。除了這種體積裂隙率，還可用面裂隙率或線裂隙率說明裂隙的多少。

2.裂隙的類型

按裂隙的成因可分成巖裂隙、構造裂隙和風化裂隙。

（1）成巖裂隙。成巖裂隙是巖石在成巖過程中由于冷凝收縮 （巖漿巖）或固結干縮（沉積巖）而產生的。巖漿巖中成巖裂隙發育較多，尤以玄武巖中柱狀節理最有代表性。

（2）構造裂隙。構造裂隙是巖石在構造變動中受力而產生的。這種裂隙具有方向性，大小懸殊 （由隱蔽的節理到大斷層），分布不均。構造裂隙按受構造力的不同，又可分為張裂隙和扭裂隙。張裂隙由張應力形成，常成張開型，斷面上呈鋸齒狀且延伸不遠。扭裂隙由剪應力形成，常成閉合型，斷面上平直且延伸較遠。

（3）風化裂隙。風化裂隙是風化營力作用下，巖石破壞產生的裂隙，主要分布在地表附近。巖石受風化時，一方面使巖石中原有的成巖裂隙和構造裂隙擴大變寬，另一方面沿著巖石的脆弱面產生新的裂隙。

（三） 溶隙

可溶的沉積巖，如巖鹽、石膏、石灰巖和白云巖等，在地下水溶蝕下會產生空洞，這種空隙稱為溶隙 （穴）。

1.溶隙的形成

溶隙是具有溶解性質的水在不斷的交替運動中，對透水的可溶性巖石進行溶解而形成空隙的地質現象。水中的二氧化碳與水化合形成碳酸，碳酸對石灰巖發生作用就形成易溶于水的重碳酸鈣。因此，當水中含有二氧化碳時，水將對石灰巖產生溶蝕作用而形成溶隙。

2.溶隙率

溶穴的體積與包括溶穴在內的巖石體積的比值即為溶隙率。溶穴的規模懸殊，大的溶洞可寬達數十米，高數十米乃至百余米，長達幾千米至幾十千米，而小的溶孔直徑僅幾毫米。巖溶發育帶巖溶率可達百分之幾十，而其附近巖石的巖溶率幾乎為零。

自然界巖石中空隙的發育狀況遠較上面所說的復雜。例如，松散巖石固然以孔隙為主，但某些黏土干縮后可產生裂隙，而這些裂隙的水文地質意義，甚至遠遠超過其原有的孔隙。固結程度不高的沉積巖，往往既有孔隙，又有裂隙。可溶巖石，由于溶蝕不均一，有的部分發育溶穴，而有的部分則為裂隙，有時還可保留原生的孔隙與裂縫。因此，在研究巖土的空隙時，不僅要研究空隙的多少，更重要的是還要研究空隙本身的大小、空隙間的連通性和分布規律。松散土的孔隙大小和分布都比較均勻，且連通性好；巖石裂隙無論其寬度、長度和連通性差異均很大，分布不均勻；溶隙大小相差懸殊，分布很不均勻，連通性更差。

二、水在巖石中的存在形式

地殼巖石中存在著以下各種形式的水：氣態水、結合水、重力水、毛細水與固態水（圖1-2）。

（1）氣態水。呈水蒸氣狀態儲存和運動于未飽和的巖石空隙之中，可以隨空氣的流動而運動，即使空氣不運動時，氣態水本身亦可由絕對濕度大的地方向絕對濕度小的地方遷移。當巖石空隙內水汽增多而達到飽和時，或是當周圍溫度降低而達到零點時，水汽開始凝結成液態水而補給地下水。由于氣態水的凝結不一定在蒸發地區進行，因此也會影響地下水的重新分布，但氣態水本身不能直接開采利用，亦不能被植物吸收。但氣態水與液態水可以相互轉化，兩者之間保持動態平衡。

（2）結合水。松散巖石顆粒表面及堅硬巖石空隙壁面帶有電荷，由于靜電引力作用，巖石顆粒表面便吸引水分子。受到巖石顆粒表面的吸引力大于其自身重力的那部分便是結合水。結合水被吸附在巖石顆粒表面，不能在重力影響下運動。最接近固體表面的水叫強結合水 （或稱吸著水）。顆粒表面各種形式的水與分子力關系其密度平均為2g/cm³左右，溶解鹽類能力弱，具有較大的抗剪強度，不能流動，但可轉化為氣態水而移動。

結合水的外層，稱為弱結合水 （或稱薄膜水，如圖1-3所示）。在包氣帶中，因結合水的分布是不連續的，所以不能傳遞靜水壓力，而處在地下水面以下的飽水帶時，當外力大于結合水的抗剪強度時，則結合水便能傳遞靜水壓力。

（3）重力水。巖石顆粒表面的水分子增厚到一定程度，重力對它的影響超過顆粒表面對它的吸引力，則這部分水分子就受重力的影響而向下運動，形成重力水。重力水存在于巖石較大的空隙中，具有液態水的一般特性，能傳遞靜水壓力，并具有溶解巖石中可溶鹽的能力，從井中吸出或從泉中流出的水都是重力水。重力水是本書研究的主要對象。

（4）毛細水。毛細水在表面張力的作用下，在巖石的細小空隙中能上升一定的高度，這種既受重力又受表面張力作用的水，稱為毛細水。毛細水是基本上不受靜電引力場作用的水，這種水同時受表面張力和重力作用，當兩力作用達到平衡時便按一定高度停留在毛細管孔隙中。由于毛細管水上升，在潛水面以上形成一層毛細管水帶，毛細管水會隨著潛水面的升降而升降。毛細管水只能垂直運動，可以傳遞靜水壓力。

（5）固態水。以固態形式存在于巖石空隙中的水稱為固態水，在多年凍結區或季節凍結區可以見到這種水。

（6）礦物結合水。存在于礦物結晶內部或其間的水，稱為礦物結合水。

上述各種形態的水在地殼中的分布是很有規律的 （圖1-4），在地面以下接近地表的部分巖土比較干燥，實際上已有氣態水與結合水存在，向下，巖石有潮濕感覺，但仍無水滴，再向下開始遇到毛細帶，再向下便遇到重力水帶，水井中的水面便是重力水帶的水面，在此高度以上的，統稱為包氣帶，以下的叫做飽水帶。