地下水的储存与分类

一、地下水的储存空间与岩石的水理性质
（一）含水层和隔水层
   地下水的储存空间是岩石的空隙，它可分为孔隙、裂隙和溶隙三类。自然界中的岩石都有大小不等、数量不一的空隙，都有一定的含水能力。但是，所谓含水层是指储存有地下水并在自然条件或人为条件下，能流出水来的岩石，由于这种含水的岩石大多呈层状，所以叫做含水层，如砂层、砂卵石层等等。有些岩层虽然含水但几乎不透水或透水很弱，称为隔水层，如粘土、页岩等。实际上，含水层与隔水层之间并没有一条截然的界线，它们的划分是相对的。隔水层通常可分两种：一种是致密岩石，其中没有空隙，既不含水，也不透水；另一种是孔隙度很大，但孔隙直径很小，孔隙中存在的水绝大部分是结合水，在常压下不能靠重力自由流出，因此也不能透水。
    含水层:岩层按其渗透性可分为透水层与不透水层。饱和地下水的透水层是含水层。即能够透过并给出相当数量的岩层。是地下水贮存和运动的场所。
    隔水层:指的就是几乎不透水或透水性很低的岩层，一般指渗透系数小于0.001m d-1的岩层,又叫不透水层。 （二）储存空间
    地下水的储存空间是岩石的空隙（包括孔隙、裂隙和溶隙），它们既是地下水的储存场所，又是地下水的运动通路。空隙的多少、大小及其分布规律，决定着地下水分布与运动的特点。
    孔隙是指松散岩石颗粒与颗粒集合体之间的空隙。
    裂隙是指固结的坚硬岩石在各种力的作用下形成的空隙。
    溶隙是指可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰石和白云岩等在地下水溶蚀下产生的空隙（空洞）。
（三）岩石的水理性质
    岩石的空隙虽然为地下水提供了储存的空间，但是水能否自由进出这些空间却与岩石表面控制水分活动的条件、性质有很大的关系，这些与水分的贮存运移有关的岩石性质通常称为岩石的水理性质。它包括容水性、持水性、给水性、透水性、毛管性等。
    1.容水性：
    指岩石空隙能容纳一定水量的性能，通常以容水度来衡量。
    容水度是指岩石所能容纳的水体积与容水岩石体积之比，即容水度＝水体积/岩石体积×100％（小数或百分数表示）。
    容水度在数值上与岩石的孔隙率或裂隙率、岩溶率相等。但对于具有膨胀性的粘土，充水后其体积会增大，容水度可以大于孔隙率。
    2.持水性：
    指由于岩石颗粒表面对水分子的吸引，而在岩石空隙中保持若干水量的性能。
    因为在分子力作用范围内分子力比重力大若干倍，所以岩石所保持的这种水不受重力支配。岩石的持水性能用持水度来衡量。持水度是指受重力作用排水后，岩石空隙中保持的水量与岩石总体积之比，在这种情况下所能保持的水主要是结合水，它取决于岩石颗粒表面对水分子的吸附能力。在松散沉积物中，颗粒组成物质愈细，空隙直径愈小，则体积内的总表面积愈大，持水度愈大。所以持水度实际上说明岩石中结合水与毛管水含量的多少。
    3.给水性：
    指饱和含水的岩石在重力作用下，能自由流出（排出）若干水量的性能。以给水度作为数量指标。给水度表示在常压下从饱和含水岩石中流出来的水体积与饱水岩石总体积之比。给水度在数值上等于容水度与持水度之差。粗粒松散岩石以及具有张开裂隙的岩石，持水度很小，给水度接近于容水度，粘土以及具有闭合裂隙的岩石，持水度接近于容水度，给水度几乎近于零。
    4.透水性：
    指在一定压力梯度条件下岩石允许水透过的性能。岩石的透水能力首先取决于空隙直径的大小和连通程度，其次是空隙的多少。因为水在细粒物质（如粘土）组成的微小孔隙中运动时，不仅由于水与孔壁的摩擦阻力而难以通过，而且还由于小颗粒吸附了一层结合水水膜，这种水膜几乎占满了整个孔隙，水是很难通过的。坚硬的岩石中空隙愈多、透水性愈强。衡量岩石透水性的指标是岩石的渗透系数K。透水层与隔水层虽然没有严格的界限，不过目前已公认，凡渗透系数K小于0.001md-1的岩石均列入隔水层，大于或等于这个数值的岩石属于透水层。
    渗透系数K：表示土或岩层透水性大小的一个参数。在数值上等于水力坡度为1时的地下水渗流速度。其大小随岩石性质而异，是计算地下水流量、水井涌水量、水库和渠道渗漏水量及水工建筑物地基设计中不可缺少的基本数据。
    5.毛管性：
    是指松散岩石中存在的毛细孔隙，具有孔隙毛管作用的性质。
　　毛管力作用支持的水称为毛管水，这种水在常压下不能靠重力作用流出来。在潜水面上部常出现一个毛管上升带。水的毛管上升高度与毛管的半径成反比，所以地下水在松散岩石中毛管上升带的高度大致与粒径成反比。
二、岩石中水的分类
 
（一）根据物理力学性质特点分类
    储存于岩石空隙中的地下水，按其物理力学性质不同，分为气态水、吸着水（吸湿水）、薄膜水（膜状水）、毛管水、重力水与固态水几种主要形态。它们均能在一定条件下相互转化，形成统一的动力平衡系统。吸着水（吸湿水）和薄膜水（膜状水）为结合水，毛管水和重力水为自由水。（图2.1 各种形态水在地壳中的分布）
    地面以下，根据土壤岩石含水是否饱和可分为两个带：即地下水面以上的包气带，又称非饱和带，及地下水面以下的饱水带，又称饱和带。饱水带中的土壤岩石空隙全部被液态水充满，主要是重力水；饱水带以上的土壤岩石空隙没有完全被水充满，包含有与大气连通的气体，称作包气带，它是大气水、地面水与地下重力水相互转化的过渡带。若久旱不雨，包气带近地表部分土壤干燥，主要分布气态水和结合水（吸着水、薄膜水）。靠近下部饱和水带部位，形成一个以毛管水为主的毛管带，水资源中的地下水一词通常专指饱水带中的重力水。
    1. 气态水
    　　指呈水汽状态、贮存和运动于未被饱和的岩石空隙中的水。通过蒸发和凝结作用，汽态水对岩石中水的重新分布起着一定的作用。气态水在一定温度、压力条件下，与液态水相互转化，两者保持动态平衡。
    2. 吸着水
    　　指由分子引力和静电引力牢固地吸附在土壤颗粒表面，且不受重力影响的水。吸湿水只有在105 ～ 110℃高温下才能汽化散失，它不能被植物吸收利用，属无效水。
    3. 薄膜水
    　　在吸着水层以外的液态水膜即为薄膜水（土壤含水量达最大吸湿量后，即不再吸收气态水，但土粒表面的分子引力并未饱和。使这种土壤与液态水接触，土粒可吸收液态水而在吸着（湿）水外围形成的水膜，这部分水即为薄膜水）。它能以液体状态由水膜较厚的土粒向水膜较薄的土粒移动，移动速度0.2～0.4mm/h。它难被植物吸收利用，属难有效水。
    4. 毛管水
    受毛管力作用而保持在土壤毛管孔隙（直径0.001－0.1mm的孔隙）中的水。依其与地下水的关系及所处部位，分毛管上升水和毛管悬挂水，它们为有效水。
    毛管上升水: 是指贮存在饱水带地下水面以上岩石或土壤毛细管孔隙中的水，并且与饱水带的地下水直接相连。当地下水面上升或下降时，毛管水的位置相应变动。
    毛管悬着水：指贮存在包气带的岩石或土壤毛管中的水，并且与饱水带的地下水没有水力联系，呈“悬挂”状态。
    5. 重力水：
    指在重力作用下，贮存在岩石和土壤的非毛管孔隙中自由运动的水。平常从泉眼中流出的地下水，以及从井孔中抽出的水都是重力水。它们在重力作用下自由流动，也可传递静水压力。
    6. 固态水：
    固态水：当岩石或土壤的温度低于水的冰点时，岩石中的水便变为固态的冰。在我国黑龙江、内蒙北部以及青藏高原的某些多年冻土地区，地下水终年以固态水的形式存在。