《地质地貌学》第七章地下水的地质作用和地貌的各种特征

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1、 地质地貌学 第七章地下水的地质作用和地貌的各种特征 第一节 自然界的水循环 第二节 地下水的类型及其特征 第三节 不同地貌区的地下水 第四节 岩溶地貌 第一节 自然界的水循环 一 自然界的水循环 在太阳热及重力的作用下 地球上的水由水圈进 入大气圈 经过岩石圈表层再返回水圈 如此循 环不已 自然界中的水循环就反应了大气水 地 表水 地下水三者之间的相互联系 在太阳热能作用下 海洋中的水分蒸发成为水汽 进 人大气圈 水汽随气流运移至陆地上空 在适宜的条 件下 重新凝结下降 降落的水分 一部分沿地面汇 集于低处 成为河流 湖泊等地表水 另一部分渗入 土壤岩石中 成为地下水 形成地表水的那部分水分

2、 有的重新蒸发成为水汽 返回大气圈 有的渗入地下 形成地下水 其余部分则流入海洋 水分从海洋经过陆地最终返回海洋 这种发生海陆 之间的水循环称为大循环 在大陆 或海洋 表面 蒸发的水分 重新又降落回大陆 或海洋 表面 这种就地蒸发 就地形成降水的循环称为小循环 一个地区小循环增强 总降水量随之增加 植树造 林 兴修水库 便是增加小循环 改造干旱 半干 旱地区的重要措施之一 二 地下水的来源 1 海成的 地下水是由海水渗到地下面成的 但海水直接 渗入地下而形成地下水是很少存在的 仅在靠近海 岸附近的狭小范围内有海水流入到地下面与淡水混 合的情况存在 而在自然界却广泛地分布着另一种 海相残留水 它

3、是在海相沉积物形成时 在粗粒沉 积物的孔隙间充满着大量的海水残留而成 2 渗透的 大气降水 地表水和融雪水的渗透是地下水的主要 来源 大气降水补给地下水的多少和降水强度 植 被覆盖程度 地表坡度以及岩石透水件等密切相关 强烈的暴雨大多形成地表径流而流失 短时小雨 渗透不深 基本上被蒸发掉 而长期的绵绵细雨补 给地下水最多 有些地区来自河 湖 水库和渠道 的侧渗也相当重要 3 凝结的 地下水来源于大气中水汽或土壤孔隙中水汽分 子受昼夜温差而凝结生成 在大陆性干旱沙漠地区 由于当地蒸发量大 而降水量小 没有渗透形成 地下水的条件 而凝结作用就突出了 4 初生的 地下水是由地球深处的高温水汽上升冷却

4、而 形成的 水中含有特殊的化学成分和气体 如有 些温泉就是这种成因 自然界大多数地下水来源于渗透和凝结 各 种不同地下水的来源是与该地区的地质 地貌 自然地理条件密切相关的 在干旱炎热的沙漠地 区 蒸发量大 降水量少 地下水主要由凝结而 成 而在东部沿海多雨地区地下水则主要靠渗透 而成 如广大的冲积平原与山前平原的地下水 三 岩石的水理性质 1 孔隙度 在松散沉积物或胶结不紧的岩石里 颗粒间的孔 隙总体积与整个岩石体积之比 即单位体积岩石 中的孔隙总体积 用百分数或小数表示 一般说来 孔隙度愈大 含水量愈大 水运动时所 受阻力也就愈小 孔隙度愈小 则含水量愈小 水 运动时所受阻力也就愈大 但孔

5、隙度大 不等于孔 隙大 孔隙度的大小与颗粒的大小 均匀程度 排 列方式密切相关 若为大小不一的颗粒混合组成 则在较大的孔隙里被较小的颗粒所充填 则孔隙度 便减小 若颗粒的大小比较一致 其孔隙度较大 2 裂隙度 坚硬的岩石由于构造力的作用 形成了许多构造裂 隙 或在成岩过程中由于收缩作用而形成许多岩裂 隙 或当岩石出露地表后 在外力作用下又可形成 风化裂隙 这些裂隙中分布着一定量的地下水 裂 隙度是指单位体积岩石中的裂隙体积 用小数或百 分数表示 3 持水性和给水性 持水性是指土壤和岩石中能 容纳和保持一定水量的性能 持水性的大小 岩石 可分三类 1 持水的 泥炭 粘土 粉土 2 弱持水的 粘土

6、质砂 黄土 泥灰岩 粘土 质砂岩 3 不持水的 砂 砾石 岩浆岩和坚硬的沉积 岩 给水性是指在重力作用下 重力水由饱水岩石或 土壤流出的性能 4 透水性 是指水透过土壤或岩石的一种性能 透水程度取 决于岩石中孔隙 裂隙的性质与大小 孔隙与裂 隙愈大 水就愈易透过岩石 反之 则不易透过 岩石 按透水性 岩石可分为三类 1 透水的 砾石 卵石 砂等 由这些透水的岩石组成了透水层 透水层中蓄满 了地下水的部分叫含水层 2 半透水的 粘土质砂 粉土 粉质粘土 黄 土等 3 不透水的 隔水的 结晶的和沉积的无裂 隙的岩石 由于这些不透水的岩石组成了不透水 层或隔水层 岩石透水性与不透水性的划分也是相对而

7、言的 任何不透水的岩石 在强大的压力作用下也可有 微弱的透水 四 地下水的物理性质和化学成分 一 地下水的物理性质 地下水的物理性质包括有温度 颜色 透明度 嗅 气味 昧 味道 和导电性等 地下水的温度变化范围很大 高的可达l00 以上 低的只有 5 甚至更低 地下水温度的差异 主要受各地区的地温条件所控制 通常随埋藏深 度不同而异 埋藏越深的 水温超高 地下水一般是无色 透明的 但当水中含有某些元 素或含有较多的悬浮物质时 便会带有各种颜色和 显得混浊 如含有硫化氢的水常呈翠绿色 含低铁 的水为浅绿灰色 含高铁的水为黄褐色 含腐殖质 的水为淡黄色 含有悬浮矿物颗粒的水呈浅灰色 地下水一般是无

8、嗅 无味 但当水中含有硫化氢气体 时 水便具有臭蛋味 含氯化钠的水味咸 含氯化镁 或硫酸镁的水味苦 含二氧化碳或碳酸钙 镁的水清 凉可口 地下水的导电性取决于所含电解质的数量与性质 即 各种离子的含量与离子价 离子含量越多 离子价 越高 则水的导电性越强 由于地下水具有导电性 因而为勘探地下水应用电测法创造了条件 二 地下水的化学成分 1 地下水中常见的成分 地下水含有多种元素 这些元素有的大量存在于 地下水中 有的则含量甚微 地壳中分布广 含 量高的元素 如O2 Ca Mg Na K等在地下 水中最常见 所有这些元素是以离子 化合物分子和气体状态 存在于地下水中 而以离子状态为主 地下水中含

9、有数十种离子成分 常见的阳离子有 H Na K Mg2 Ca2 Fe2 Fe3 及Mn2 等 阴离子有OH C1 SO NO2 HCO3 CO32 SiO32 及PO43 等 上述阴阳离子中的 C1 SO42 HCO3 K Na Ca2 Mg2 七 种是地下水的主要离子成分 它们分布最广 在 地下水中占绝对优势 这些成分决定了地下水化 学成分的基本类型和特点 地下水含有多种气体成分 常见的有O2 N2 CO2 H2S 地下水中呈分子状态的化合物 胶体 有Fe2O3 A12O3和H2SiO3等 水的化学成分决定着水对混凝土的侵蚀性 其中 SO42 为硫酸盐侵蚀性指标 与混凝土中某些成分相互作用

10、生成含水硫酸盐结 晶 体积膨胀 使混凝土结构破坏 如生成 CaSO4 2H2O时 体积增大倍 生成MgSO4 7H2O时 体积增大430 等 故又称为结晶性侵蚀 Mg2 为镁盐侵蚀性指标 镁盐和混凝土中 Ca OH 2作用 形成Mg OH 2和易溶于水中的CaCl2 而使混凝土结构破坏 Ca2 用以考虑游离CO2侵蚀指标 Cl 用以考虑氯化物侵蚀指标 其他 如H 浓度 HCO3 CO2等对混凝土的影 响 则结合地下水的下述性质讨论 2 氢离子浓度 PH值 氢离子浓度就是指水的酸碱度 用pH值表示 pH Lg H 根据地下水中pH值的大小 将水按 pH值分类 见表7 2 据水文地质手册 地下水的

11、氢离子浓度主要取决于地下水中HCO3 CO32 和H2CO3的数量 在自然界中 大多数地下 水的PH值在6 5 8 5间 浓度为一般酸性侵蚀指标 酸性侵蚀是指酸分解混凝土CaCO3成分 其反应 式为 3 总矿化度 地下水中离子 分子和各种化合 物的总量称为总矿化度 以g l表示 它表示水的矿化程度 又简称矿化度 通常以在 105 110 温度下将水蒸干后所得的干涸残余物之 量来确定 根据矿化度可将地下水分为五类 矿化度与水的化学成分之间有密切的关系 淡水和 微咸水常以HCO3 为主要成分 称碳酸盐水 咸水 常以SO42 为主要成分 称硫酸盐水 盐水和卤水则 往往以C1 为主要成分 称氯化物水

12、高矿化水能降 低混凝土的强度 腐蚀钢筋 并促使混凝土表面风 化 故拌合混凝土时 不允许用高矿化水 4 水的硬度 水的硬度是由水中的钙 镁离子所 构成 钙 镁离子的含量决定地下水硬度的大小 水中Ca2 Mg2 的总含量称为总硬度 将水煮沸后 水中一部分Ca2 Mg2 的重碳酸盐因失去CO2而 生成碳酸盐沉淀下来 致使水中Ca2 Mg2 的含量 减少 由于煮沸而减少的这部分Ca2 Mg2 的含量 称为暂时硬度 有时以HCO3 的含量表示 其反 应 总硬度与暂时硬度之差称为永久硬度 即相当于 煮沸时未发生碳酸盐沉淀的那部分Ca2 Mg2 的 含量 我国采用的表示硬度的方法有两种 一种是德国度 每一度

13、相当于一升水中含有10毫克的CaO或7 2毫 克的MgO 另一种是每升水中Ca2 和Mg2 的毫克 当量数 1毫克当量的硬度 2 8德国度 根据硬 度 将水分为五类 5 侵蚀性CO2和游离CO2 CO2是地下水中的气 体成分之一 以气体状态存在于水中的CO2称为游 离CO2 由于CO2的存在使水呈酸性 当水中游离 CO2的含量增加时 水的溶解能力也相应增强 它 能溶解碳酸盐而生成HCO3 其反应式为 上式为可逆反应 当水中含有一定数量的HCO3 时 就必须有相当的游离CO2与之保持平衡 常称这 部分游离CO2为平衡CO2 如果水中游离CO2的含量 多于平衡的需要 上述平衡被破坏 则多余的CO2

14、 便可以溶解CaCO3 并生成HCO3 使反应向右进 行 直达到新的平衡为止 新生成的HCO3 又需 要一定量的游离CO2与之平衡 这部分CO2必然从上 述超过平衡所需的CO2中来 因此 原来超过平衡所需的游离CO2 一部分与 新生的HCO3 相平衡 另一部分则消耗于对碳酸 盐的溶解 这后一部分的CO2就叫做侵蚀性CO2 由此可见 不是所有的游离CO2都能和碳酸盐起 作用 能溶解碳酸盐的只是其中的一部分 因此 地下水中只要有一定量的侵蚀性CO2 水 便具有碳酸性侵蚀 地下水的化学成分是通过来取水样 进行水质分析 得来的 水质分析一般可分为简分析 或野外分析 和全分析 或多项分析 两种 简分析是

15、为了初 步了解水工建筑地区大面积范围内 各含水层地下 水的化学成分及其变化规律 它要求分析的项目少 数量多 精度不太高 但要快而及时 全分析是 在简分析的基础上 在实验室进行较全面而多项目 的分析 第二节 地下水的类型及其特征 根据地下水的埋藏条件 可以把地下水划分为包 气带水 潜水和承压水三类 见图7 2 根据含 水层空隙性质的不同 可将地下水划分为孔隙水 裂隙水和岩溶水三类 一 潜水 一 潜水的特征 潜水是埋藏在地表以下第一个连续稳定的隔水层 不透水层 以上 具有自由水而的重力水 一 般是存在于第四纪松散堆积物的孔隙中 孔隙潜 水 及出露于地表的基岩裂隙和溶洞中 裂隙潜 水和岩溶潜水 潜水

16、的自由水而称为潜水面 潜水面上每一点的 绝对 或相对 标高称为潜水位 潜水面至地面 的距离称为潜水的埋藏深度 由潜水面往下到隔 水层顶板之间充满了重力水的岩层 称为潜水含 水层 其间距离则为含水层的厚度 1 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 2 潜水的埋藏深度及含水层的厚度经常是变化的 而且有的变化甚大 它们受气候 地形和地质条 件的影响 其中以地形的影响最显著 3 潜水具有自由表面 为无压水 4 潜水的排泄 即含水层失去水量 主要有两种方 式 一种是以泉的形式出路于地表或直接流入江河 湖海中 这是潜水的一种主要排泄方式 称为水平 方向的排泄 另一种是消耗于蒸发 为垂直方向的 排泄 二 潜水等水位线图及埋藏深度图 为能清晰地表示潜水面的形态 通常采用两种图 示方法 并常以二者配合使用 一种是以剖面图 表示 即在具有代表性的剖面线上 绘制水文地 质剖面 其中既表示出水位 还表示出含水层的 厚度 岩性及其变化 也就是在地质剖面图上画 出潜水面剖面线的位置 即成水文地质剖面图 另一种是以平面图表示