地下水分类及其特征

地下水分类及其特征_工程地质认识与分

第二节　地下水分类及其特征

一、地下水分类

地下水受诸多因素的影响，各类因素的组合更是错综复杂，因此，出于不同的目的或角度，人们提出了各种各样的分类。概括起来主要有两种：一种是根据含水层的空隙性质进行分类；另一种是根据地下水的若干特征综合考虑进行分类，如按地下水埋藏条件分类。地下水按含水层性质可分为孔隙水、裂隙水、岩溶水（或喀斯特水）（表4-4）。地下水按埋藏条件可分为包气带水（包括土壤水和上层滞水）、潜水、承压水（图4-1）。

表4-4　地下水分类

图4-1　潜水、承压水及上层滞水示意图

1．隔水层；2．透水层；3．透水层2；4．地下水位；5．上升泉；6．水井

二、不同埋藏条件地下水特征

（一）包气带水

土（或岩石）空隙充满水的地带称为饱和带，这个带的地下水称为饱和带水（包括潜水和承压水）；在饱和带以上未被水充满的地带称为包气带或未饱和带，包气带中的地下水称为包气带水，包气带水包括土壤水和上层滞水。

1．土壤水

土壤水主要以结合水和毛细管水形式存在，靠大气降水的渗入、水汽的凝结及潜水由下而上的毛细作用补给。土壤水主要消耗于蒸发过程，水分变化相当剧烈，并受大气条件的制约。当土壤层透水性很差，气候又潮湿多雨或地下水位接近地表时，易形成沼泽，称沼泽水。当地下水面埋藏较浅，毛细水可达到地表时，由于土壤水分强烈蒸发，盐分不断积累于土壤表层，会造成土壤盐渍化。

2．上层滞水

上层滞水是存在于包气带中局部隔水层之上的重力水。上层滞水的特点是：分布范围有限，补给区与分布区一致；直接接受当地的大气降水或地表水补给，以蒸发或逐渐向下渗透的形式排泄；水量不大且随季节变化显著，雨季出现，旱季消失，极不稳定；水质变化大，—般较易被污染。

在建筑工程中，经常遇到上层滞水。这种水可能突然涌入基坑，妨碍施工，但由于其水量不大，通常可用水泵直接排除，或避开雨季施工，因此易于处理。

（二）潜水

1．潜水的概念

自地表向下第一个连续稳定隔水层之上的含水层中，具有自由水面的重力水称为潜水（图4-2）。潜水一般是存在于第四纪松散沉积物的空隙中（空隙潜水）及出露地表的基岩裂隙和溶洞中（裂隙潜水和岩溶潜水）。

图4-2　潜水埋藏示意图

潜水的自由水面称潜水面；潜水面的标高称为潜水位；潜水面至地面的垂直距离称为潜水埋藏深度；由潜水面往下到隔水层顶板之间充满重力水的部分称为含水层厚度（图4-2），它随潜水面的变化而变化。

2．潜水的特点

潜水的埋藏条件，决定了潜水具有以下特点。

（1）潜水分布区与补给区一般情况下一致。潜水通过包气带与地表相通，所以大气降水和地表水可直接渗入补给潜水，成为潜水的主要补给来源。但二者也可能不一致，如在山区的裂隙潜水、岩溶潜水则不一致。

（2）潜水具有自由表面。在重力作用下，自水位较高处向水位较低处渗流。潜水面的形状是潜水的重要特征之一，它一方面反映外界因素对潜水的影响，另一方面也反映潜水的特点，如流向、水力坡度等。一般情况下，潜水面不是水平的，而是向排泄区倾斜的曲面，起伏大体与地形一致，但较地形平缓。

潜水面的形状和坡度还受含水层岩性、厚度、隔水底板起伏的影响。当含水层的岩性和厚度沿水流方向发生变化时，潜水的形状和坡度也相应发生变化。潜水流中途受阻，此地段上水流厚度变薄，潜水面可接近地表，甚至溢出地面成泉。

（3）埋藏深度和含水层厚度变化较大。二者受地形、气候和地质条件影响大。在强烈切割的山区，埋藏深度可达几十米甚至更深，含水厚度差异也大；而在平原地区，埋藏深度较浅，通常为数米至十余米，有时可为零，含水层厚度差异也小；就是同一地区，也随季节不同而有显著变化，在雨季，潜水面上升，埋藏深度变小，含水层厚度随之加大，旱季则相反。

（4）潜水主要以垂直和水平两种方式排泄。在埋藏浅和气候干燥的条件下，潜水通过上覆岩层不断蒸发而排泄时，称为垂直排泄。垂直排泄是平原地区和干旱地区潜水排泄的主要方式。潜水以地下径流的方式补给相邻地区含水层，或出露于地表直接补给地表水，称为水平排泄。水平排泄方式在地势比较陡峻的河流中、上游地区最为普遍。由于水平排泄可以使溶解于水中的盐分随水一同带走，不容易引起地下水矿化度的显著变化，所以山区潜水的矿化度一般较低。而垂直排泄时，因只有水分蒸发，水中盐分不排泄，结果导致水量消耗，矿化度升高。因此，在干旱和半干旱的平原地区，潜水矿化度一般较高。若潜水的矿化度高，而埋藏又很浅时，则往往促使土壤盐渍化的发生。

3．潜水面的表示方法

潜水面形状一般有两种表示方法，现分述如下。

1）剖面法

按一定比例尺绘制水文地质剖面（图4-3）。在该图上不仅要表明含水层、隔水层的岩性及厚度变化、层位关系、构造特征等地质情况，还应将各水文地质点（钻孔、井、泉、地表水体等）标于图上，并标出上述各点同一时期的水位，绘出潜水面的形状。

图4-3　潜水面表示方法

1．砂土；2．黏性土；3．地形等高线；4．潜水等水位线；5．河流及流向；6．潜水流向；7．潜水面；

8．下降泉；9．钻孔（剖面图）；10．钻孔（平面图）；11．钻孔编号；12．Ⅰ-Ⅰ′剖面线

2）等水位线法

该法是以平面图的方式绘制等水位线，等水位线即潜水面的等高线［图4-3（b）］，表示潜水面上标高相等各点的连线。它是以一定比例尺的地形等高线图作底图，按一定的水位间隔将某一时间潜水位相同的各点连成不同高程的等水位线而构成。由于潜水等水位线图能够表明潜水的埋藏深度、流向及含水层厚度等，所以在工程上有很大的实用价值，是评价工程所在地区水文地质条件的重要图件。利用潜水等水位线图主要可以解决下列问题。

（1）确定潜水流向。潜水自水位高的地方向水位低的地方流动，形成潜水流。在等水位线图上，垂直于等水位的方向，即为潜水的流向，如图4-3（b）箭头所示的方向。

（2）计算潜水的水力坡度。在潜水流向上取两点的水位差除以两点间的距离，即为该段的水力坡度。

（3）确定潜水与地表水之间的关系。如果潜水流向指向河流，则潜水补给河水［图4-4（a）］；如果潜水流向背向河流，则潜水接受河水补给［图4-4（b）］；也可一侧补给河水，另一侧接受河水补给［图4-4（c）］。

（4）确定潜水的埋藏深度。等水位线图应绘于附有地形等高线的图上。某一点的地形标高与潜水位之差即为该点潜水的埋藏深度，如图4-3（b）。

图4-4　潜水与地表水之间的关系

（三）承压水

1．承压水概念

充满于两个隔水层间的并承受水压力的地下水称为承压水。其上部不透水层的底界面和下部不透水层的顶界面，分别称为隔水顶板和隔水底板。当地下水充满承压含水层时，地下水在高水头补给的情况下，具有明显的承压特性，如果钻孔穿过承压含水层的上覆隔水层，水便会沿钻孔显著上升，甚至喷出地表。所以承压水又称自流水，出露泉点多表现为上升泉。

2．承压水的形成条件

承压水的形成主要决定于地层结构与地质构造。其中地质构造主要是向斜构造和单斜构造。

1）向斜构造

向斜构造是承压水形成和埋藏的最有利的地方。埋藏有承压水的向斜构造又称承压盆地或自流盆地。一个完整的自流盆地一般可分为三个区，即补给区、承压区和排泄区（图4-5）。

（1）补给区出露于自流盆地边缘，主要接受大气降水和地表水的补给。在补给区，由于含水层之上无隔水层覆盖，故地下水具有与潜水相似的性质。承压水压力水头的大小，在很大程度上决定于补给区出露地表的标高。

（2）承压区位于自流盆地中部，是自流盆地的主体，分布面积较大。在承压区地下水承受水头压力，当钻孔打穿隔水顶板时，地下水即沿钻孔上升至一定高度，这个高度称为承压水位。承压水位至顶板隔水层底面的距离即为该处的压力水头。承压区压力水头的大小各处不一，取决于隔水顶板（底面）与承压水位间的高差。当承压水头高出地面高程时，水便沿钻孔涌出地表，这种压力水头称正水头；如果地面高程高于承压水位，则地下水位只能上升到地面以下的一定高度，这种压力水头称负水头（图4-5）。地面标高与承压水位的差值称地下水位埋深。承压水位高于地表的地区称为自流区，在此区，凡钻到承压含水层的钻孔都形成自流井，承压水沿钻孔上升喷出地表。将各承压水位连成的面称承压水面。

图4-5　自流盆地剖面图

A．补给区；B．承压区；C．排泄区；H ₁．负水头；H ₂．正水头

3）排泄区与承压区相连。承压水在此处或补给潜水含水层或向流经其上的河流排泄，有时则直接出露地表形成泉水流走。

2）单斜构造

埋藏有承压水的单斜构造称为承压斜地或自流斜地。形成自流斜地的构造条件，通常是含水层下部被断层截断，或含水层下部在某一深度尖灭（图4-6）。

图4-6　承压斜地

1．隔水层；2．透水层；3．流向；4．水位；5．上升泉

3．承压水的补给和排泄

承压水上部由于受隔水层的覆盖，大气降水和地表水不能直接补给整个含水层，只有在含水层直接出露的补给区，方能接受大气降水或地表水的补给，所以承压水的分布区和补给区是不一致的，一般补给区远小于分布区。另一方面，由于受隔水层的覆盖，承压水受气候及其他水文因素的影响也较小，故其水量变化不大，且不易蒸发。因此，地下水动态比较稳定。此外，由于承压水具有水头压力，所以它不仅可以由补给区流向自流盆地或自流斜地的低处，而且可以由低处向上流至排泄区，并以上升泉的形式出露于地表，或者通过补给该区的潜水和地表水而得到排泄。

4．承压水的特点

承压水具有如下特征。

（1）不具自由水面，承受一定的静水压力。承压水承受的压力来自补给区的静水压力和上覆地层压力。由于上覆地层压力是恒定的，故承压水压力的变化与补给区水位变化有关。当接受补给水位上升时，静水压力增大。水对上覆地层的浮托力随之增大，从而承压水头增大；反之，补给区水位下降，承压水位随之降低。

（2）分布区与补给区不一致。常常是补给区远小于分布区，一般只通过补给区接受补给。

（3）动态比较稳定，受气候影响小。

（4）不易受地面污染。

5．承压水面表示方法

承压水面在平面图上用承压水等水压线图表示。所谓等水压线图就是承压水面上高程相等点的连线图［图4-7（a）］。如上所述，承压水头指从上覆隔水顶板的底面到承压水位的垂直距离。把承压区各个钻孔测得的承压水头绝对标高相等的点连接起来，即可得到承压水的等水压线图。

图4-7　承压水面表示方法

1．地形等高线；2．等压水位线；3．剖面线及编号；4．承压水位线；5．承压水流向；

6．自流区；7．井；8．含水层；9．隔水层；10．干井；11．非自流井；12．自流井

等水压线图上必须附有地形等高线和顶板等高线。后者表明钻孔钻到什么深度能见到承压水（初见水位）。当深挖基坑或开凿隧道时，如果穿透了承压水含水层的上覆隔水层，水就会大量涌出，给工程施工或营运造成困难和危害。

根据等水压线图可以确定承压含水层的下列重要指标。

（1）承压水位距地表的深度。

（2）承压水头的大小。

（3）承压水的流向等。

三、不同含水介质地下水特征

（一）孔隙水

孔隙水主要储存于松散沉积物孔隙中，由于颗粒间孔隙分布均匀、相互连通，因此其基本特征是分布均匀连续，多呈层状，并具有统一的水力联系。下面就两种典型的孔隙类水进行说明。

1．冲积层中的地下水特征

冲积物（层）是经常性流水形成的沉积物，其分选性好，层理清晰。河流上、中、下游或河漫滩、阶地的岩性结构、厚度各不相同，这就决定了其中孔隙水的特征和差异。

（1）河流中、上游冲积层中的地下水。河流上游峡谷内冲积砂砾、卵石层分布范围狭窄，但透水性强、富水性好、水质优良，是良好的含水层；河流中游河谷两侧的低阶地，尤其是一级阶地与河漫滩，是富水区。

（2）河流下游平原冲积层地下水。冲积平原上，常埋藏有由颗粒较粗的冲积砂组成的古河道，其中储存有水量丰富、水质良好且易于开采的浅层淡水。

2．洪积层中的地下水

洪积层广泛分布于山间盆地和山前平原地带，常呈扇状地形，故又称洪积扇。

根据地下水埋深、径流条件和化学特征，可将洪积扇中的地下水大致分为三个带（图4-8）。

（1）深埋带。又称径流带，在顶部靠近山顶，地形坡度较陡，为粗砂砾石堆积，有良好渗透性和径流条件，水的矿化度低（小于1g／L），多为重碳酸盐型水，又被称为地下水盐分溶滤带。

（2）溢出带。由于地形变缓，细砂、黏土等交错沉积，渗透性变弱，径流受阻，水向上涌，出露成泉。水的矿化度增高，为重碳酸-硫酸盐型水，故又称盐分过路带。

（3）下沉带。由黏土和粉砂组成，渗透性极弱、径流很缓慢，蒸发强烈，以垂直交替为主，由于河流排泄作用，地下水埋深比溢出带稍有加强，又称潜水下沉带，因地下水埋深浅，在干旱、半干旱条件下，蒸发强烈，水的矿化度急剧增加（大于3g／L），为硫酸-氯化物或氯化物型水，地表盐渍化，又称盐分堆积带。

图4-8　山前冲积扇地下水分带

A．只有潜水位区；B．潜水位与承压水位重合区；C．承压水位高于潜水位区

上述洪积层中的地下水分带规律在我国北方具有典型性。而南方多雨，缺少水质的明显分带性，地下水多为低矿化度的重碳酸盐型水。

（二）裂隙水

埋藏于基岩裂隙中的地下水称为裂隙水。岩石裂隙的发育情况决定地下水的分布情况，在裂隙发育的地方，含水丰富；裂隙不发育的地方，含水甚少。所以，在同一构造单元或同一地段内，含水性和富水性有很大变化，很不均一。

岩层中的裂隙常具有一定的方向性。即在某些方向上，裂隙的张开程度和连通性比较好，因而其导水性强，水力联系好，常成为地下水的主要径流通道；在另一些方向，裂隙闭合或连通性差，其导水性和水力联系也差，径流不通畅。

1．裂隙水的埋藏类型

裂隙水是山区广泛分布的地下水类型，根据埋藏情况，可划分为面状裂隙水、层间裂隙水和脉状裂隙水三种。

1）面状裂隙水

面状裂隙水埋藏在各种基岩表层的风化裂隙中，又称风化裂隙水。其上部一般没有连续分布的隔水层，因此，它具有潜水的基本特征（图4-9）。但是，在某些古风化壳上覆盖有大面积的不透水层（如黏土）时，也可形成承压水。

图4-9　风化裂隙中的潜水示意图

1．风化裂隙；2．砂岩；3．地下水位；4．坡积层

风化裂隙含水和透水的强弱，随岩石的风化程度、岩性等因素的不同而各异。例如，以砂岩为主的地段比以泥岩为主的地段，水量多一倍至几倍；而同一种岩石分布地区的分水岭地带比河谷附近的水量少得多。一般认为，微风化带的性质近似于不透水层，故常视其为面状裂隙水的下界。

2）层间裂隙水

埋藏在层状岩石的成岩裂隙和区域构造裂隙中的地下水称为层间裂隙水。其分布一般与岩层的分布一致，因而常有一定的成层性，如砂岩含水层。在岩层出露的浅部，它可以形成潜水，当层间裂隙水被不透水层覆盖时，则形成承压水。

层间裂隙水在不同的部位和不同的方向上，因裂隙的密度、张开程度和连通性有差异，其透水性和涌水量有较大的差别，具有不均一的特点。

3）脉状裂隙水

脉状裂隙水埋藏于构造裂隙中，其主要特征如下。

（1）沿断裂带呈脉状分布，长度和深度远比宽度大，具有一定的方向性。

（2）可切穿不同时代、不同岩性的地层，并可通过不同的构造部位，因而导致含水带内地下水分布的不均匀性。

（3）地下水的补给源较远，循环深度较大，水量、水位较稳定，有些地段具有承压性（图4-10）。

图4-10　脉状承压水示意图

1．张裂隙；2．断层；3．剪切裂隙；4．断裂破碎带；5．脉状承压水；6．喷水孔；7．干井

脉状裂隙水一般水量比较丰富，常常是良好的供水水源，但对隧道工程往往造成危害，如产生突然涌水事故等。

2．裂隙水的富集条件

裂隙水的富集，必须具备三个条件：①有较多的储水空间，即要求裂隙发育；②有充足的补给水源，在裸露区或与地表水直接接触地带通常补给较好；③有良好的汇水条件，地形较陡或地势较高，不利于地下水汇积。

（三）岩溶水

储存和运动于可溶性岩石的溶蚀洞隙中的地下水称为岩溶水。按埋藏条件，岩溶水可以是潜水，也可以是承压水。

（1）岩溶潜水。在大面积出露的厚层石灰岩地区广泛分布着岩溶潜水。岩溶潜水的动态变化很大、水位变化幅度可达数十米，水量变化可达几百吨。这主要是受补给和径流条件影响，雨季水量很大，旱季水量很小，甚至干枯。

（2）岩溶承压水。岩溶地层被覆盖或岩溶地层与泥、页岩互层时，在一定构造条件下，就能形成岩溶承压水。岩溶承压水的补给主要取决于承压含水层的出露情况。岩溶水的排泄多数靠导水断层，经常形成泉或泉群，也可补给其他地下水，岩溶承压水动态较稳定。

岩溶水的分布主要受岩溶作用规律的控制。空间分布变化很大，甚至比裂隙水更不均匀。在较厚层的石灰岩地区，岩溶水的分布及富水性和岩溶地貌有很大关系。在分水岭地区，常发育着一些岩溶漏斗、落水洞等，构成了峰林地貌，它常是岩溶水的补给区。在岩溶水汇集地带，常形成地下暗河，并有泉群、地下河出现。

岩溶水的动态与大气降水关系十分密切。大气降水是岩溶水的主要补给来源，它通过各种岩溶通道迅速地补给地下水。其主要特点，一是水位水量变化幅度大，水位变化幅度可达80m，流量变化更大；二是有些岩溶水对大气降水的反映极为灵敏，但是并非所有的岩溶水动态都不稳定。

由于流动条件的差异，岩溶水运动性质也截然不同。在大的孔洞中，岩溶水常呈无压水流；而在断面小的裂隙处，则呈有压水流，即在同一含水层中有压水流和无压水流可以并存。同时，在大断面的孔洞地段，地下水流速快，而出现紊流状态；在裂隙中渗流的水，由于阻力大、流速小而处于层流状态。此外，岩溶地区既存在一些与周围联系极差的孤立水流，也存在具有统一地下水面的岩溶水流。前者常出现在岩溶山地，后者主要出现在岩溶发育的河谷地带和岩溶平原。在一定条件下，两者也可同处于一个含水层。

岩溶水排泄的最大特征是集中和排泄量大。岩溶水在排泄时，常常形成一些特殊的泉，如反复泉和多潮泉。反复泉只有下雨时才有泉水流出，而平时或干旱时则起消水作用（地表水流入地下）。多潮泉是泉的涌水量呈潮汐变化，有时水量大，有时几乎干涸，呈周期性的变化。