地下水基本知识

2.1 地下水基本知识

2.1.1 地下水的基本概念

2.1.1.1 地下水的概念

地球上的水根据其分布区域可以为三大部分，即大气水（atmospheric water）、地表水（surface water）和地下水（groundwater）。其中地下水是指以各种形式赋存于地面以下岩石空隙中的水，狭义上是指地下水面以下饱和含水层中的水。在中华人民共和国国家环境保护标准《环境影响评价技术导则-地下水环境》（HJ-2016）中，地下水是指埋藏在地面以下饱和含水层中的重力水。

地下水也是参于自然界水循环过程中处于地下隐伏径流阶段的循环水。地下水是储存和运动于岩石和土壤空隙中的水，那么地下水必然要受到地质条件的控制。地质条件包括岩石性质、空隙类型与连通性、地质地貌特征、地质历史等。地下水环境是地质环境的组成部分，它是指地下水的物理性质、化学成分和贮存空间及其由于自然地质作用和人类工程——经济活动作用下所形成的状态总和。在岩土工程领域，地下水是岩土的重要组成部分，地下水的赋存状态与渗流特性对岩土的理化性质有着极其重要的影响，进而影响工程结构承载能力、变形性状与稳定性、耐久性等；在环境岩土方面，地下水的赋存状态、理化性质及渗流特性时刻决定了污染物的迁移、转化和归宿。

2.1.1.2 岩土中的空隙

岩石和土体空隙既是地下水的储存场所，又是其运移通道。空隙的大小、多少、连通性、充填程度及其分布规律决定着地下水埋藏条件。根据成因可把空隙区分为孔隙、裂隙与溶隙三种，并可把岩层划分为孔隙岩层（松散沉积物、砂岩等）、裂隙岩层（非可溶性的坚硬岩层）与可溶岩层（可溶性的坚硬岩石）。孔隙岩层中的空隙分布比裂隙可溶岩层均匀，溶隙一般比孔隙、裂隙岩层中的空隙规模大，故又称为溶穴。

图2.1.1.2-1 岩土空隙

（一）孔隙

松散岩石是由大小不等的土壤颗粒组成的。颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。岩石中孔隙体积的多少是影响其储容地下水能力大小的重要因素。孔隙体积的多少可用孔隙度表示。孔隙度是指某一体积的岩土体（包括孔隙在内）中孔隙体积V p与岩土体总体积V（含空隙体积V p和土壤颗粒骨架体积V s）的百分比。岩土体总体积V为含空隙体积V p和土壤颗粒骨架体积

V s之和：

V=V p+V s

则有：

式中n为孔隙度，可用小数或百分数表示。n越大，表明岩土体中空隙越多，含水量相应也越高。各种岩土典型的孔隙度值见表2.1.1.2-1。

表2.1.1.2-1 典型的孔隙度数值表

岩石名称孔隙度

粗的有填充的砾石28

粗砂39

淤泥46

黏土42

细砂岩33

石灰岩30

砂丘砂45

黄土49

凝灰岩41

玄武岩17

风化的花岗岩45

（根据《Groundwater》(2nd Edition) by R. Bowen）

由于多孔介质中并非所有的孔隙都是连通的，只有开孔与开孔连通的孔隙才能允许液体的流动，在应用上也更有价值，于是人们提出了有效孔隙度n e的概念。有效孔隙度是指在一般压力条件下，重力水流动的孔隙体积（不包括结合水占据的空间）与岩土体积之比，其表达式为：

式中(V p)e为有效孔隙体积，即岩土体中相互连通的孔隙体积，不含死端孔隙体积及结合水所占据的体积。显然，有效孔隙度n e小于孔隙度n。

另一衡量岩土体内孔隙多少的重要指标是孔隙比e，可用以下表达式定义：

式中e即为孔隙比，是反应岩土体密实程度的重要指标。e值越大，表明岩土体越疏松，反之则越密实。一般e<0.6的土是密实的高压缩性土，e>1.0的土是疏松的低压缩性土。

当涉及水的储存与迁移时，常采用孔隙度来评价。而涉及岩土的压缩变形时则采用孔隙比。松散岩石中的孔隙分布于颗粒之间，连通良好，分布均匀，在不同方向上，孔隙通道的大小和多

少都很接近。赋存于其中的地下水分布与流动都比较均匀。一般孔隙率随岩石性质不同而有不同，和组成岩石颗粒的形状、排列、淘选度（颗粒大小一致的程度）与胶结度有关。颗粒愈圆、排列愈整齐、淘选度愈佳、胶结度愈低，则岩石的孔隙率愈高。土壤颗粒的性状越不规则，棱角越明显，岩土体内的土壤排列就越松散，孔隙度也越大。

孔隙大小对地下水的迁移有着重要的影响，而影响孔隙大小的主要因素是颗粒大小。但孔隙的大小并不取决于土壤颗粒的平均直径，而是细微颗粒的直径及其所占的比例。此外，孔隙大小还跟土壤颗粒形状、排列方式及胶结程度有关。

（二）裂隙

固结的坚硬岩石，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，一般不存在或只保留一部分颗粒之间的孔隙，而主要发育各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。按裂隙的成因可分成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙。

成岩裂隙是岩石在成岩过程中由于冷凝收缩(岩浆岩)或固结干缩(沉积岩)而产生的。岩浆岩中成岩裂隙比较发育，尤以玄武岩中柱状节理最有意义。构造裂隙是岩石在构造变动中受力而产生的。这种裂隙具有方向性，大小悬殊（由隐蔽的节理到大断层），分布不均一。各种构造节理、断层都是构造裂隙。风化裂隙则是在风化营力作用下，岩石破坏产生的裂隙，主要分布在地表附近。

裂隙的多少以裂隙率表示。裂隙率f r是裂隙体积V f与包括裂隙在内的岩石体积V的比值，即:

或

除了这种体积裂隙率，还可用面裂隙率或线裂隙率说明裂隙的多少。在野外研究裂隙时，应注意测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、填充情况等，因为这些因素都对地下水的运动具有重要影响。坚硬基岩的裂隙是宽窄不等，长度有限的线状缝隙，往往具有一定的方向性。只有当不同方向的裂隙相互穿切连通时，才在某一范围内构成彼此连通的裂隙网络。裂隙的连通性远较孔隙为差。因此，赋存于裂隙基岩中的地下水相互联系较差，分布与流动往往是不均匀的。

（三）溶穴

可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称为溶穴（或溶隙）。溶穴的体积Vk与包括溶穴在内的岩石体积V的比值即为岩溶率kr，即：