第五章 地下水
埋藏在地表以下土层及岩石空隙(包括孔隙、裂隙和空洞等)中的水称为地下(ground water)。储存在岩土空隙中的地下水有气态、液态和固态三种，但以液态为主。当水量少时，水分子受静电引力作用被吸附在碎屑颗粒和岩石的表面成为吸着水；薄层状吸着水的厚度超过几百个水分子直径时，则为薄膜水。吸着水和薄膜水因受静电引力作用，不能自由移动。当水将岩土空隙填满时，如果空隙较小，则水受表面张力作用，可沿空隙上升形成毛细水；如果空隙较大，水的重力大于表面张力，则水受重力的支配从高处向下渗流，形成重力水。重力水是地下水存在最主要的方式。
第一节 概述
岩土按其透水性的强弱分为透水的、半透水的和不透水的三类。透水的(有时包括半透水的)岩土层称为透水层；不透水的岩土层称为隔水层；能够给出或透过相当数量水的岩层称为含水层。
第二节 地下水的物理性质和化学成分 一、地下水的物理性质
地下水的物理性质包括温度、颜色、透明度、气味、味道和导电性等。 1.温度
地下水的温度变化范围很大。地下水温度的差异，主要受各地区的地温条件所控制。通常随埋藏深度不同而异，埋藏越深，水温越高。 2.颜色
地下水的颜色决定于化学成分及悬浮物。地下水一般是无色、透明的，但当水中含有某些有色离子或含有较多的悬浮物质时，便会带有各种颜色显得混浊。 3.透明度
地下水多半是透明的，当水中含有矿物质、机械混合物、有机质及胶体时，地下水的透明度就会改变。 4.气昧
地下水一般是无臭、无味的，但当水中含有硫化氢气体时，水便有臭鸡蛋味。
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5.味道
地下水的味道主要取决于地下水的化学成分。含NaCl的水有咸味；含CaCO3，的水清凉爽口；含Ca(OH)2和Mg(HCO3)2的水有甜味，俗称甜水；当MgCl2和MgSO4存在时，地下水有苦味。 6.导电性
地下水的导电性取决于所含电解质的数量与性质(即各种离子的含量与离子价)，离子含量越多，离子价越高，则水的导电性越好。
二、地下水的主要化学成分 1.主要离子及化合物
地下水中分布最广、含量最多的离子是钠离子(Na+)、钾离子(K+)、镁离子
??(Mg2+)、钙离子(Ca2+)、氯离子(Cl-)、硫酸根离子(SO24)、重碳酸根离子(HCO3)
六种，气体有二氧化碳(CO2)，化合物有氧化铁(Fe2O3)等。 2.氢离子浓度
氢离子浓度是指水的酸碱度，用pH值表示。pH??lgH?。根据pH值可将水分为五类，见表5-1。
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3.矿化度
地下水中所含各种离子、分子和化合物的总量称为矿化度(degree of mineralization)，以g／L表示，它表示水的矿化程度。通常以在105～l 10℃下，将水蒸干后所得干涸残余物的含量来确定。根据矿化度可将水分为五类，见表5-2。
?矿化度与水的化学成分之间有密切的关系：淡水与微咸水常以HCO3为主要
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?成分，称为重碳酸盐水；咸水常以SO24为主要成分，称为硫酸盐水；盐水与卤
水则以Cl?为主要成分，称为氯化物水。 4.硬度
水中Ca2?、Mg2?的总含量称为总硬度。将水煮沸后，水中一部分Ca2+、Mg2+的重碳酸盐因失去CO2而生成碳酸盐沉淀下来，致使水中的Ca2+、Mg2+含量减少，由于煮沸而减少的这部分Ca2+、Mg2+的总含量称为暂时硬度。其反应式为
?Ca2??2HCO3?CaCO3??H2O?CO2? （5-2） （5-3）
?Mg2??2HCO3?MgCO3??H2O?CO2?总硬度与暂时硬度之差称为永久硬度，相当于煮沸时未发生碳酸盐沉淀的那部分Ca2+、Mg2+的含量。
我国采用的硬度表示法有两种：一种是德国度，每一度相当于1L水中含有10mg的CaO或7.2mg的MgO；另一种是1L水中Ca2+和Mg2+的毫摩尔数。1毫摩尔硬度=2.8德国度。根据硬度可将水分为五类，见表5-3。
5.气体
地下水中的主要气体成分有O2、N2、CO2和H2S。一般情况下，每升地下水中气体含量只有几毫克到几十毫克。
地下水处在与大气较为隔绝的环境中，当存在有机质时，由于微生物的作用，
?SO24将还原成H2S。
6.胶体成分及有机质
以氮、氢、氧为主的有机质，经常以胶体的方式存在于地下水中。大量有机质的存在，有利于还原作用的进行，从而使地下水的化学成分发生变化。
第三节 地下水的类型及其特征 一、地下水分类
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地下水分类概括起来主要有两种：一种是根据地下水的某种单一的因素或某一种特征进行分类，如按硬度分类、按地下水起源分类等；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。 1.地下水按起源的分类
地下水按起源可分为渗入水、凝结水、埋藏水和岩浆水四类。 (1)渗入水
渗人水由大气降水或地表水渗入岩石空隙而成。 (2)凝结水
单位体积空气实际所包含的气态水量以g／cm3为单位，称为空气的绝对湿度。饱和湿度是随温度而变的，温度愈高，空气中所能容纳的气态水愈多，饱和湿度便愈大。温度降低时，饱和湿度随之降低，形成凝结水。 (3)埋藏水
在封闭的地质构造中，各类沉积物将沉积时所包含的水分长期埋藏保存下来即形成埋藏水。在高温影响下，它们又可从矿物中析出，成为自由状态的水，即再生水。 (4)岩浆水
岩浆水又称为初生水，是岩浆冷凝时析出的水。 2.地下水按埋藏条件和含水层性质的分类 (1)地下水按埋藏条件的分类
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5-1)。
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(2)地下水按含水层性质的分类
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)。 根据上述两种分类，可组合成表5-4所列的几种类型的地下水，如孔隙潜水、裂隙承压水等。
二、各类地下水的特征 (一) 包气带水
包气带水处于地表面以下的包气带岩土层中(图5-2)。包气带水主要是土壤水和上层滞水。 1.土壤水
埋藏于包气带土壤中的水，称为土壤水，它主要以结合水和毛细水形式存在，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。大气降水向下渗入必须通过土壤层，这时渗入水的一部分保持在土壤层里，成为所谓的田间持水量(实际就是土壤层中最大悬挂毛细水量)，多余的部分呈重力水向下补给潜水。土壤水主要消耗于蒸发，水分的变化相当剧烈，受大气条件的控制。当土壤层透水性不好，气候又潮湿多雨或地下水位接近地表时，易形成沼泽，称为沼泽水。当地下水面埋藏不深，毛细管可达到地表时，由于土壤水分强烈蒸发，盐分不断积累于土壤表层，则形成土壤盐渍化。
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(完整版)工程地质学-第五章
