地下水

（3）洞穴（溶隙）（cavity）
可溶性岩石（石灰岩等）中的裂隙经地下水的溶蚀逐渐扩大，形成大小不同、形态各异的洞穴，统称为溶隙。与裂隙度类似，可以用喀斯特率来衡量溶隙发育程度。
2. 岩石的透水性（permeability）
（1）岩石透过水的能力称为透水性。
（2）透水性大小的影响因素：① 孔隙大小；② 孔隙多少。
巴尔干半岛广布着石灰岩和喀斯特地貌，是地下水和喀斯特研究的摇篮。19世纪中晚期，岩土工程师贝叶尔（Beyer, 1874）出于军事目的，撰写了关于克罗地亚军事区（喀斯特地区）缺水问题的研究论文，指出了洞穴中存在地下水的可能性。合著者之一、地质学家泰齐（Tietze）提出，地下伏流可能入海，而地表水通过垂直裂隙又补给伏流，在石灰岩中形成“水层”或“水网”。大雨时补给大于排泄，地下水位上升，反之亦然。
第一节 研究简史
地下水及其作用
地表水流有时会突然消失、踪影全无，而洞穴内又常有瀑布飞鸣、流水潺潺，这些自然现象很早就引起了人们的注意和猜想。古希腊学者亚里斯多德就曾推论，洞穴中有与海洋连通的大湖，湖水在入海途中溢出，即成为泉水。天文学家开普勒（第二章）把地球比作巨兽：它饮入苦涩的海水，通过消化过滤，最后排泄出清澈的甘泉。我国明代旅行家徐霞客（1586-1641）不畏艰辛，数次遇险，徒步考察了湖南、广西、贵州和云南等地的喀斯特地形，探寻了一百多个溶洞，详细记录了石灰岩地区的地貌和水流。他的日记——《徐霞客游记》（只留下了大约1/4）不但是旷世的地理名著，也是优美的文学作品。
1. 岩石空隙类型
（1）孔隙（pore）
碎屑岩类或松散沉积物中碎屑间存在形态各异的孔隙，是地下水存在的地方，孔隙多少用孔隙度衡量。
1）孔隙度（porosity）n=Vn/V×100%
上式中Vn—孔隙体积，V—岩石体积
思考：孔隙度如何测量？
2）孔隙度大小的影响因素有：
③ 沉积物的粒度。粒度小，沉积物孔隙度大；粒度大，沉积物孔隙度小。例如，粘土的孔隙度为60%，而砂砾石的孔隙度仅有14%。
④ 颗粒的粗细均匀程度或分选好坏。分选好的碎屑孔隙度大，可以接近理想值（即37%左右），但分选不好的碎屑物，孔度大，反之亦然。
矿化度低的地下水，地下水常含HCO3－，Ca2+，Mg2+等离子；
矿化度中等的地下水，以含SO42－，Na+，Ca2+等离子为主；
矿化度高的地下水，常含Cl－，Na+离子。
地下水中所含Ca2+与Mg2+的总量称为地下水的硬度（总硬度）（hardness）。硬度高的水称为硬水（hard water）；硬度低的水称为软水（soft water）。硬水洗衣，肥皂沫少；硬水做饭，不易煮熟；硬水烧水，易生锅垢；偶饮硬水，会造成肠胃功能紊乱，出现“水土不服”的现象；而常饮硬水，心血管病死亡率降低（但常饮硬度太高或太低（纯净）的水，也不利于健康）。
如果地下水充盈于断层破碎带或接触带中，可以形成脉状裂隙水。脉状裂隙水分布疏密不均，水量较大，彼此之间往往有水力联系。在花岗岩等不透水岩石中，脉状裂隙是地下水主要的赋存场所。若需开发花岗岩等不透水岩石中的裂隙水，可以垂直构造破碎带方向开挖平洞，以在最小距离内获得最大的地下水量。
（3）喀斯特水（karst water）
分布于可溶性岩石中的裂隙洞穴、暗河，分布极不均匀。
以上三种水可以承压，或不承压，主要决定于埋藏条件。
地下水的上述两种划分方案可以综合使用，如“孔隙潜水”、“裂隙承压水”等。
以①为主，所以粘土和淤泥虽然孔隙度大，但孔隙小，所以透水性弱，常构成不透水层。
（3）不透水层（隔水层）、透水层和含水层。
不能透过也不能排出地下水的岩层称为隔水层（aquitard），分为致密岩石和细颗粒岩石两类。前者没有或很少有空隙，含水少且不透水，例如致密的结晶岩石（花岗岩、闪长岩、石英岩等）；后者颗粒细小，孔隙度虽大，但孔隙小，岩层虽含水，但绝大多数是结合水，在常压下水即不能排出，也不能透过，成为不透水层（impermeable）。能够渗透地下水的岩层称为透水层（permeable bed）。既能透水又饱含水的岩层称为含水层（aquifer）。
① 沉积物的胶结压实程度。沉积物经压实、胶结，孔隙度会逐渐减小。
② 颗粒的排列方式。假定碎屑颗粒为理想球形，几何学可以证明，立方体堆积的孔隙度（47.6%）要大于四面体堆积的孔隙度（26%），自然界中两种堆积方式兼而有之，平均值为37%左右。
在松散层中大量开采地下水时，会使碎屑颗粒重新排列，孔隙度减小，土层压密，从而引起地面沉降。
一、地下水的赋存条件
大气降水，一部分在地表流动，形成地面流水，另一部分进入土壤，被植被吸收，然后回到大气，最后一部分渗入地下，形成地下水。地下水通过地下径流或泉涌，最终回到地表，完成在地下的循环。水之所以能够在赋存于地下并流动，靠的是沉积物或地下岩石（层）中的空隙，其中包括孔隙、裂隙和溶隙等3种类型，换句话说，地下空隙是地下水存在前提。
二次世界大战之后，水利和隧道工程快速发展，遭遇和揭露更多地表和地下喀斯特地貌，不同地区、不同气候带之间喀斯特地貌的对比，推动了喀斯特地貌研究的发展和对喀斯特机理认识的深入。研究发现，湿热气候喀斯特地貌更发育的事实与低温水中CO2溶解度高的现象矛盾，从而认识到植物在喀斯特发展过程中的重要性；寒冷地区石灰岩中水的硬度很高，说明可溶性岩石在冷水中的强烈溶蚀。湿热地区虽然有利于石灰岩溶解，但土壤及有机质又会阻碍地表水下渗，使喀斯特发育深度受限；寒冷地区没有这种限制，喀斯特发育深度可以很大，直至永久冻土。戴维斯和A.彭克等人关于平原是喀斯特发育晚期的观念也受到了质疑，研究表明，许多喀斯特实际上与河流作用无关，无法找到冲积物，而且，喀斯特平原可以同时分布在不同高度，并出现于不同的地貌演化阶段，从而提出了边缘溶蚀作用（marginal corrosion）的解释，认为不同高度上的喀斯特平原实际上受控于非可溶性岩石所造成的地方性侵蚀基准面。
图11-2 包气带水、潜水、承压水的分布示意
（箭头代表地下水流向）
然而，如果大量抽取松散层中承压水，会释放粘土层中的孔隙水，使孔隙压力降低，加上前面所说的碎屑颗粒重排等因素，最终导致砂土层压实变形，地面发生沉降。我国已有近百个城市和地区发生不同程度的地面沉降，其中又以上海、天津、苏州、宁波、西安及台北为最。
二、地下水的化学成分
虽然地下水通常无色透明，但却不是纯水，而是一种溶液，溶解了多种离子、分子、化合物及气体。
1. 地下水中含量最高的元素
Cl－，SiO42－，Na+，K+，Ca2+，Mg2+，是地下水中含量最高的6种离子。
2. 矿化度和硬度
地下水所含的各种元素的离子、分子和化合物的总含量称为矿化度（degree of mineralization）。
2. 根据含水层的空隙性质划分
（1）孔隙水（pore water）
存在于岩层孔隙中，一般呈连续的层状分布。例如洪（冲）积扇的扇中、扇缘相附近、河床相冲积物以及砂岩地层中的地下水。
（2）裂隙水（fissure water）
如果含水地层裂隙发育，密集互通，可以形成层状裂隙水。层状裂隙水往往有统一的水位。
虽然人类很早就开始了打井取水的实践，与地下水结下了不解之缘，但是，直到英国的工业革命，采矿业的蓬勃发展，对地下水的认识和开发才得到长足进步。各种采矿巷道掘进到不同深度的地下水层，而新能源和新动力的广泛使用，又使水井钻入更深的地层当中。面对人口稠密、瘟疫流行等问题，人们从被动利用天然泉水，发展到设法抽取清洁无菌的地下水，促进了对地下水规律的认识。法国工程师达西（Herny Darcy, 1803-1858）就是在设计建造第戎市（Dijon）城市压力供水系统时，提出了水文地质学中著名的达西定律；水文地质学的另一重要定律—裘布依定律，也是法国工程师裘布依（Jules Dupuit, 1804-1866）在修建巴黎地下水道系统的实践中提出来的，他后来还成为著名的经济学家，成本效益分析法的创始人。
（2）裂隙（fissure）
岩石在成岩时或成岩后的构造运动和风化作用均能产生裂隙，为地下水赋存提供了有利场所。张性裂隙含水条件好，但延伸不远；剪切裂隙延伸长，但含水条件欠佳；先剪后张的裂隙有利于地下水的富集。规模宏大的断层、特别是经历了多次活动的、现在仍在活动的张性断层含水条件最好，常成为地下水径流、排泄的主要通道。与孔隙度类似，可用裂隙度衡量裂隙的发育程度。
近年来，科学家发现，洞穴钟乳石保存着丰富的古环境信息，可以弥补古环境记录不全地区的空白，极大地推动了喀斯特和古环境研究的深入。
第二节 地下水的基本概念
地表之下隐藏着丰富的水资源，在干旱缺水地区，寻找地下水资源对人民生产生活有着十分重要的意义；即便是在湿润地区，寻找干净水、矿泉水、温泉等，对健康休闲、提高生活品质也有十分重要的作用。相反，不合理地开采地下水，会引发地陷、沉降等各种灾害。因此，了解和掌握地下水运动规律，显得十分必要。
著名地貌学家A.彭克（第十一章）（著名地貌学家W.彭克（第九章）之父）曾根据阿尔卑斯山北坡的冰碛地貌划分出四个冰期，开创了气候周期性变化研究之先河。他建议他年青的天才学生司威治（Cvijic）做喀斯特地貌的博士论文，使司威治从此走上了喀斯特研究之路，并成为该领域的奠基人。
司威治（Jovan Cvijic, 1865-1927）（图11-1）出身于商人家庭，19岁完成中学学习后，本想出国学医，但因资助问题改到贝尔格莱德的大学校（Great School）学习地理，1889年转到维也纳大学主攻自然地理学和地质学，1893年获博士学位，论文的题目是喀斯特现象（the Karst phenomenon）。1899年司威治陪同A.彭克和另一位著名地貌学家戴维斯（第九章）到波黑和黑山地区考察喀斯特地貌，戴维斯运用他的地理循环说解释喀斯特地貌的成因，认为河流侵蚀在先，溶蚀作用在后，逐渐使地形切割分离、剥蚀降低。经过深入调查研究，司威治否定了戴维斯的观点，认为地下水作用在先，地表水侵蚀在后，地表水侵蚀是地下水侵蚀的继续和发展，地下水侵蚀为主的阶段逐会渐发展到地表和地下水共同作用的阶段。第一次世界大战期间，他在法国教授喀斯特地貌学，系统提出了喀斯特地貌演化过程：以可溶性岩石的溶蚀开始，发展到不可溶性岩石的顶面结束。喀斯特早期，水流以垂直循环为主，地表很快变干；喀斯特晚期，水流以水平运动为主，水流重现地表。他划分出喀斯特地区地下水循环的三个带：干带、过渡带和饱水带，并指出气候对喀斯特地貌发育影响的重要性，划分出北方型、地中海型等两种不同的喀斯特地貌。