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1、第十一章 地下水及其地质作用第一节 地下水的基本概念u地下水是存在于地下沉积物或岩石孔隙中的水体，是水资源的重要组成部分，是目前人类所能利用淡水的最大来源。水体形态淡水储量（km3）占淡水百分比冰川2400000084.945地下水400000014.158湖泊1550000.549土壤830000.294大气中的水汽140000.049河流12000.004合计28253200100地球上淡水的赋存形态一、地下水的赋存条件u孔隙度指沉积物或岩石中孔隙体积占总体积的比例。l颗粒的粗细l分选程度l颗粒形状l胶结程度u透水性指岩石透水能力的大小，主要取决于岩石的孔隙率，如果岩石孔隙率很低，水难于透
2、过或根部不透过这种岩石，则这种岩石构成不透水层或隔水层，如泥质的岩石；如岩石孔隙率高且孔隙连通，则形成透水层，例如砂岩，富含地下水的透水层称为含水层。u地下水面指在某一地区地下存在的一个连续的界面，在地下水面以上岩石孔隙中有气体，液态水不饱和，称为包气带，界面以下孔隙中充满水，称为饱水带。二、地下水的化学成分通常无色无味，含有多种元素，含量较高的是克拉克值高并且溶解度较大的元素，包括O、Ca、Mg、Na、K或者虽然克拉克值不高但是溶解度特别大的元素，如Cl，这些元素在地下水中以离子形式存在。地下水中所含各种元素的离子、分子和化合物的总含量称为矿化度。三、地下水的补给和排泄含水层从外界获得水称为
3、补给，影响补给的因素包括：u降水量u包气带岩石性质和厚度u地下水位含水层失去水称为排泄，排泄的主要方式包括泉、蒸发以及人为开采。u泉及其分类 地下水在地表的天然出露，叫做泉。 泉主要分布在山区、丘陵区的沟、谷中及山麓边缘，平原地区极为少见。 根据泉水运动的特点分为： l上升泉l下降泉按照泉的出露条件可以将泉分为几类：l接触泉接触泉 是地下水是地下水自含水层和其下面隔自含水层和其下面隔水层的接触处涌出地水层的接触处涌出地表，或在侵入体与围表，或在侵入体与围岩接触带，地下水沿岩接触带，地下水沿裂隙上升至地表形成裂隙上升至地表形成的。的。 l侵蚀泉侵蚀泉 是沟谷切是沟谷切割到含水层时形成的，割到含水
4、层时形成的，含水层若为潜水则形含水层若为潜水则形成侵蚀下降泉；若为成侵蚀下降泉；若为承压水时则形成侵蚀承压水时则形成侵蚀上升泉。上升泉。l溢出泉溢出泉 是指地下是指地下水在运动过程中，由水在运动过程中，由于前方岩层的透水性于前方岩层的透水性急剧变弱，水流受阻急剧变弱，水流受阻而溢出地表形成的泉。而溢出地表形成的泉。 l断层泉断层泉 是承压水是承压水沿导水断层上升，在沿导水断层上升，在地面标高低于承压水地面标高低于承压水位处，涌出地表形成位处，涌出地表形成的。这类泉常沿断层的。这类泉常沿断层呈线状分布。呈线状分布。 第二节 地下水的类型一、根据地下水埋藏条件可以划分为：1 1、包包气气带带水水是
5、是存存在在于于包包气气带带中中以以各各种种形形式式出出现现的的水水，它它是是一一种种局局部部的的、暂暂时时性性的的地地下下水水。其其中中既既有有分分子子水水、结结合合水水、毛毛细细水水等等非非重重力力水水，也也有有属属于于下下渗渗的的水水流流和和存存在在于于包包气气带带中中局局部部隔隔水水层层上上的的重力水（重力水（上层滞水上层滞水）。）。u包气带水的特征是包气带水的特征是：完全依靠大气降水或地表水流直接下：完全依靠大气降水或地表水流直接下渗补给，因而多位于距地表不深的地方，以蒸发或逐渐下渗渗补给，因而多位于距地表不深的地方，以蒸发或逐渐下渗的形式排泄；分布范围有限；补给区与分布区一致；水量随
6、的形式排泄；分布范围有限；补给区与分布区一致；水量随季节变化，雨季出现，旱季消失，极不稳定。季节变化，雨季出现，旱季消失，极不稳定。2 2、潜水、潜水是埋藏在地表以下第一个连续稳定的隔水层以上，具有是埋藏在地表以下第一个连续稳定的隔水层以上，具有自由水面的重力水。自由水面的重力水。u潜水的主要特征潜水的主要特征 1)1)潜水面以上无稳定的隔水层存在，大气降水和地表水可直接潜水面以上无稳定的隔水层存在，大气降水和地表水可直接渗入补给，成为潜水的主要补给来源。因此，在大多数的情况渗入补给，成为潜水的主要补给来源。因此，在大多数的情况下潜水的分布区与补给区是一致的，因而某些气象、水文要素下潜水的分布
7、区与补给区是一致的，因而某些气象、水文要素的变化能很快影响潜水的变化，潜水的水质也易于受到污染。的变化能很快影响潜水的变化，潜水的水质也易于受到污染。 2)2)潜水自水位较高处向水位较低处渗流。潜水自水位较高处向水位较低处渗流。 在山脊地带潜水位的最高处可形成潜水分水岭。潜水面的形在山脊地带潜水位的最高处可形成潜水分水岭。潜水面的形状是因时因地而异的，它受地形地质、气象水文等自然因素状是因时因地而异的，它受地形地质、气象水文等自然因素控制，并常与地形有一定程度的一致性控制，并常与地形有一定程度的一致性3)3)潜水埋藏浅、分布范围广、是最常用的水源，民用水井一潜水埋藏浅、分布范围广、是最常用的水
8、源，民用水井一般都是取用潜水。般都是取用潜水。3 3、承压水、承压水及其特征及其特征 承承压压水水是是指指充充满满在在两两个个隔隔水水层层之之间间的的含含水水层层中中，具具有有承承压压性性质的地下水。质的地下水。 由由于于隔隔水水顶顶板板的的存存在在，能能明明显显地地分分出出补补给给区区、承承压压区区和和排排泄泄区三部分。区三部分。 u补给区补给区大多是含水层出露地表的部分，比承压大多是含水层出露地表的部分，比承压区和排泄区的位置为高；承压区是隔水顶板以下，区和排泄区的位置为高；承压区是隔水顶板以下，被水充满的含水层部分；排泄区为承压水流出地被水充满的含水层部分；排泄区为承压水流出地表或流向潜
9、水的地段。表或流向潜水的地段。u承压水是在岩性、地质构造、地形等条件配合下承压水是在岩性、地质构造、地形等条件配合下形成的，而地质构造具有决定性意义，形成的，而地质构造具有决定性意义，向斜盆地向斜盆地或或单斜盆地单斜盆地最容易形成。最容易形成。 承压水含水层面积大，水量丰富，排泄范围小，比承压水含水层面积大，水量丰富，排泄范围小，比较稳定，因此是理想的地下水源，但是如果开采过较稳定，因此是理想的地下水源，但是如果开采过渡容易出现水位持续下降，甚至枯竭。渡容易出现水位持续下降，甚至枯竭。二、根据含水层空隙性质划分的类型u孔孔隙隙水水是是储储存存和和运运动动于于岩岩土土体体孔孔隙隙中中的的地地下下
10、水水，多多呈呈均均匀匀而而连连续续的的层层状状分分布布。岩岩石石的的孔孔隙隙情情况况决决定定了了孔孔隙隙水水的的存存在在条条件件和和特特征征，因因为为岩岩石石孔孔隙隙的的大大小小和和多多少少，关关系系到到岩岩石石的的透透水水性性并并直直接接影影响响到到岩岩石石中中地地下下水水含含量量，以以及及地地下下水水在在岩岩石石中中的的运运动动条条件件和和地地下下水水的的水水质质。一一般般情情况况下下，岩岩土土的的颗颗粒粒大大而而均均匀匀，则则含含水水层层孔孔隙隙大大、透透水水性性好好，地地下下水水水水量量大大、运运动动快快、水水质质好好；反反之之，则则含含水水层层孔孔隙隙小小、透透水水性性差差，地地下下
11、水水运运动动慢慢、水质差、水量也小。水质差、水量也小。 u孔隙水多分布于第四系松散沉积层和坚硬基岩的风化壳中。孔隙水多分布于第四系松散沉积层和坚硬基岩的风化壳中。u裂隙水裂隙水是指储存和运动于岩层裂隙中的地下水。岩石的裂是指储存和运动于岩层裂隙中的地下水。岩石的裂隙按成因可分为风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙三种类型，隙按成因可分为风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙三种类型，相应地也将裂隙水分为相应地也将裂隙水分为风化裂隙水风化裂隙水、成岩裂隙水成岩裂隙水和和构造裂隙构造裂隙水。水。 ）风化裂隙水）风化裂隙水是指分布在岩石风化裂隙中的地下水，风化裂隙是由岩石的是指分布在岩石风化裂隙中的地下水，风化裂隙是
12、由岩石的风化作用形成的，风化裂隙水多分布于出露基岩的表层，其风化作用形成的，风化裂隙水多分布于出露基岩的表层，其下新鲜的基岩为含水层的下限。水平方向透水性均匀，垂直下新鲜的基岩为含水层的下限。水平方向透水性均匀，垂直方向随深度而减弱。方向随深度而减弱。 2 2）成岩裂隙水）成岩裂隙水常赋存于具有成岩裂隙的岩层中。成岩裂隙常赋存于具有成岩裂隙的岩层中。成岩裂隙为岩石在形成过程中所产生的空隙，一般常见于岩浆岩中。为岩石在形成过程中所产生的空隙，一般常见于岩浆岩中。成岩裂隙水多呈层状，在一定范围内相互连通。成岩裂隙水多呈层状，在一定范围内相互连通。 3 3）构造裂隙水）构造裂隙水分布于构造裂隙中的地
13、下水就称为构造裂隙分布于构造裂隙中的地下水就称为构造裂隙水。按岩石中裂隙分布的产状，可将构造裂隙水分为层状裂水。按岩石中裂隙分布的产状，可将构造裂隙水分为层状裂隙水和脉状裂隙水两类。隙水和脉状裂隙水两类。u岩溶水又称喀斯特水岩溶水又称喀斯特水是指储存和运动于可溶性岩层溶隙、是指储存和运动于可溶性岩层溶隙、溶穴中的地下水。溶穴中的地下水。 l 岩溶的发育特点决定了岩溶水的特征。岩溶的发育特点决定了岩溶水的特征。岩溶水具有岩溶水具有水量水量大大、运动快运动快、在垂直和水平方向上、在垂直和水平方向上分布不均匀分布不均匀的特性，其的特性，其动态变化受气候影响显著动态变化受气候影响显著。 含水层性质含水
14、层性质孔隙水孔隙水 裂隙水裂隙水岩溶水岩溶水包气带水包气带水土壤水土壤水 上层滞水上层滞水 地表裂隙岩体中季地表裂隙岩体中季节性存在的水节性存在的水 垂直入渗带垂直入渗带中的水中的水 潜水潜水各种成因的松散各种成因的松散沉积物中水沉积物中水基岩上部裂隙中的基岩上部裂隙中的水水 裸露的岩溶裸露的岩溶化岩层中的化岩层中的水水 承压水承压水 松散沉积物构成松散沉积物构成的承压盆地和承的承压盆地和承压斜地中的水压斜地中的水构造盆地、向斜或构造盆地、向斜或单斜构造中的层状单斜构造中的层状裂隙水，断裂破碎裂隙水，断裂破碎带中的深部水带中的深部水 构造盆地、构造盆地、向斜或单斜向斜或单斜岩溶岩层中岩溶岩层中
15、的水的水 地下水分类第三节 地下热水v热泉热泉v水温比当地年均气温高出水温比当地年均气温高出6 699以上的泉水称为温泉以上的泉水称为温泉v绝大多数热泉的热量都是来源于下部岩浆岩的冷凝。绝大多数热泉的热量都是来源于下部岩浆岩的冷凝。温度较高的地下水称为地下热水，可以按温度分为低温热水（2040）、中温热水（4060 ）、高温热水（60100 ）和过热水（100 ）。v间歇泉间歇泉v间歇向空中喷水花间歇向空中喷水花和蒸汽柱的天然温和蒸汽柱的天然温泉泉v泉水喷发异常强烈泉水喷发异常强烈v当广阔的地下含水当广阔的地下含水洞穴分布在热的火洞穴分布在热的火成岩之上时容易出成岩之上时容易出现现v地下水被加
16、热，膨地下水被加热，膨胀，汽化，然后喷胀，汽化，然后喷发发第四节 地下水的地质作用地下水在缓慢的运动过程中，不断对周围的岩石进行着破坏和改造，称为地下水的潜蚀作用。 可以分为：机械潜蚀作用和化学溶蚀作用。 一、机械潜蚀作用地下水对岩石的冲刷破坏作用称为机械潜蚀作用。 由黄土、砂岩组成的地壳表层，经地下水长期机械潜蚀作用，形成与下面将要阐述的“岩溶”地区相似的地质发展过程，如黄土湿陷、丹霞地貌。称为“假岩溶”作用过程 二、化学溶蚀作用与喀斯特地下水对可溶性岩石的溶解破坏作用，称为化学溶蚀作用。 u喀斯特是指可溶性岩石在地下水和地表水的共同破坏作用下，所形成的特殊地貌和水文现象的总称。 u溶沟和石
17、芽：溶沟是地表流水沿可溶性岩石表面进行溶蚀和机械冲刷形成的沟槽，沟槽之间突起的石脊称为石芽u落水洞：地表水沿近于垂直的裂隙向下溶蚀而成的直立或陡峭的洞穴。u溶斗：又称漏斗，是小型凹坑，直径一般数十米到数百米，溶斗地表水垂直下渗溶蚀成的凹坑导致上部土体和基岩崩塌所形成的。u干谷和盲谷：河床中的落水洞将河水截断，落水洞以上有水流的河水侵蚀使河床降低，而下游因为断水逐渐转变为干谷，有水的河谷与断水的高起干谷相碰，这种没有通路的河谷叫盲谷。u峰从、峰林和孤峰：是一系列逐渐发展变化的喀斯特地貌，其中峰顶尖锐，基部相连，成簇状分布者称峰从，如峰体上部高大，基部相连部分较少，则称为峰林，而单独耸立的称为孤峰
18、。u溶洞：指地下水沿可溶性岩层的构造面进行剥蚀，并进一步崩塌扩大而形成的洞穴。在潜水面附近强烈的地下水作用下，溶洞迂回曲折，长度可达几十千米。地壳运动时可能产生上下几级溶洞群。u溶蚀谷与天然桥：溶洞或地下暗河中因为顶部的岩石坍塌而露出地表，形成两岸陡峭的峡谷，称为溶蚀谷，局部洞顶残留在地下河上部就形成天然桥。u喀斯特洼地与喀斯特平原：扩大的溶斗连接合并，形成较大的盆状洼地，称为喀斯特洼地，洼地中常发育漏斗和落水洞，底部残积层可作为耕地，当地壳长期稳定，侧向侵蚀充分进行时，喀斯特洼地可以进一步发育成喀斯特平原。u影响喀斯特发育的因素l气候：气候潮湿、降雨量大以及常年高温有利于喀斯特发育，例如我国
19、两广、贵州等地区。l岩石性质：可溶性岩石是发育喀斯特的物质基础，包括卤族岩类、硫酸盐类，但是以碳酸盐类分布最为广泛。l地质构造：构造薄弱的地带最容易发育喀斯特，如广泛发育断层、节理的岩层，背斜顶部等，另外岩层走向倾向也有影响，水平岩层容易发育喀斯特。l水的影响：主要取决于水中溶解CO2的浓度和水的流速流量。l构造运动：稳定的地质构造可以充分发育喀斯特喀斯特地形的发育过程三、地下水的搬运和沉积作用因为流速缓慢，地下水机械搬运能力不强，但是地下水与岩石的接触面积大，作用时间长，能充分的溶解其流经区的可溶性物质，主要靠化学方式搬运，包括溶液形式和胶体形式两类，搬运物主要是重碳酸盐。1、搬运作用2、沉
20、积作用1）机械沉积，地下暗河流到开阔地段流速降低可出现砾石、砂和粘土沉积，量少，粒细。2）化学沉积，地下水沉积以化学沉积为主，可能引起化学沉积的因素包括地下水流出地表减压，溶解度降低；水温降低，特别是温泉；水分蒸发产生沉淀。按化学沉积的场所可以分为几类：u孔隙沉积：主要是在孔隙中沉积的胶体物质，能形成较硬的结核，如黄土中的钙质结核与铁锰结核u裂隙沉积：在裂隙中形成的脉状沉积体，比如方解石脉，石英脉等u溶洞沉积：在溶洞中富含重碳酸钙的水体在某些环境下析出碳酸钙形成各种形式的沉积，包括石钟乳、石笋、石柱、石帘等各种形态。u温泉沉积：在温泉出口处沉积的疏松多孔的沉积物称为泉华，其中石灰质的称为钙华，
21、硅质的称为硅华。第五节 地下水的开发和利用地下水资源在我国水资源中占有举足轻重的地位，由于其分布广、水质好、不易被污染、调蓄能力强、供水保证程度高，正被越来越广泛地开发利用。尤其在中国北方、干旱半干旱地区的许多地区和城市，地下水成为重要的甚至唯一的水源。据计算我国可更新地下淡水资源总量为8700亿方，占我国水资源总量的31%。目前全国有近400个城市开采地下水作为城市供水水源，300多个城市存在不同程度缺水，每年水资源缺口大约为1000万方，据不完全统计其中以地下水水源地做为主要供水水源的城市超过60个，如：石家庄、太原、呼和浩特、沈阳、济南、海口、西安、西宁、银川、乌鲁木齐、拉萨等 一、我国
22、地下水资源开发现状山东省目前地下水开采量与可承受量对比二、过量开采引发严重的环境地质问题1)地面沉降：地面沉降是由于超量集中开采地下水，造成地下水水位的大幅度下降，含水介质压密所至，在长三角(长江以南)10万平方公里的范围内，因为长期超采地下水，引起了区域性地面沉降与地裂缝等地质灾害，区内三分之一范围内累计沉降已超200毫米，面积近1万平方公里，调查显示，由于过量开采地下水形成“地面沉降”，造成长三角地区经济损失近3150亿元。 。2)海水入侵：海水入侵主要发生在我国沿海城市地区，主要是由于大量开采地下水以后，引起海入回灌，海水入侵直接导致地下淡水资源被破坏、减少，造成土地盐碱化和淡水变咸，水质恶化，直至完全丧失供水功能。“环渤海地区海水入侵发展迅速，2003年海水入侵面积达2457平方千米，比20世纪80年代末增加了937平方千米，平均每年增加62平方千米。2)地面塌陷：地面塌陷主要发生在岩溶水分布地区，特别是城市地下水集中开采局部地段较为多见。地面塌陷问题在我国分布较广，但受岩溶水分布的控制，南方的发生率高于北方，在南方地面塌陷问题比较严重的地区有水城、遵义、咸宁、黄石、湘潭等地,北方有临沂、泰安、枣庄等。
