第2章 地下水的分类、特点及运移规律
2.1 地下水的类型及其特征
埋藏在地表以下岩石（包括土层）的空隙（包括孔隙、裂隙和溶隙等）中的各种状态的水统称为地下水。地下水这一名词有广义与狭义之分。广义的地下水是指赋存于地面以下岩土空隙中的水，包气带及饱水带中所有含于岩石空隙中的水均属之。狭义的地下水仅指赋存于饱水带岩土空隙中的水。饱水带中的重力水是开发利用或排除的主要对象。
地下水的运动和聚集，必须具有一定的岩性和构造条件。空隙多而大的岩层能使水流通过，称为透水层。储存有地下水的透水岩层，称为含水层。空隙少而小的致密岩层是相对的不透水岩层，称为隔水层。然而，在各种不同情况下，人们所指称的含水层与隔水层涵义有所不同，他们的定义具有相对性。岩性相同、渗透性完全一样的岩层，可能在有的地方被当做含水层，而在另一些地方被当做隔水层。即使在同一个地方，渗透性相同的某一岩层，在涉及某些问题时被看做透水层，在涉及另一些问题时则可能被看做隔水层。含水层、隔水层与透水层的定义取决于运用它们时的具体条件。
地下水受诸多因素的影响，各种因素的组合错综复杂，因此，出于不同的目的或角度，人们提出了各种各样的地下水分类。但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种特征进行的分类，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的分类。如根据地下水的埋藏条件则可分为包气带水、潜水和承压水。不论哪种类型的地下水，均可按其含水层的空隙性质分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。
2.1.1 包气带水
图2.1 包气带及饱水带示意图
位于潜水面以上未被水饱和的岩土中的水，称为包气带水。包气带水主要是土壤水和上层滞水，如图2.1所示。
1.土壤水
埋藏于包气带土壤层中的水，称土壤水。主要包括气态水、吸着水、薄膜水和毛管水。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，这时渗入的水一部分保持在土壤层中，成为所谓的田间持水量（即土壤层中最大悬着毛管水含水量），多余的部分呈重力水下渗补给潜水。
土壤水主要消耗于蒸发和蒸腾，水分的变化相当剧烈，主要受大气条件的控制。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，称沼泽水。当地下水面埋藏不深，毛细管可达到地表时，由于地表水分强烈蒸发，盐分不断积累于土壤表层，则形成土壤盐渍化，从而危害农作物生长。所以，研究控制土壤层中的水分的变化，对农业生产和建筑物基础埋置具有重要意义。
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。上层滞水接近地表，补给区和分布区一致。接受当地大气降水或地表水的补给，以蒸发的形式排泄。雨季获得补充，积存一定水量，旱季水量逐渐消耗，甚至干涸。上层滞水一般含盐量低，但易受污染。根据上层滞水水量不大，季节变化强烈的特点，它只能用于农村少量人口的供水及小型灌溉供水。不仅松散沉积层中可以埋藏有上层滞水，就是在裂隙岩层和可溶岩层中同样也可以埋藏有上层滞水。
2.1.2 潜水
2.1.2.1 潜水及其特征
潜水是埋藏于地面以下第一个稳定隔水层之上的具有自由水面的重力水，如图2.2所示。潜水一般多储存在第四系松散沉积物中，也可以存储在裂隙或可溶性基岩中，形成裂隙潜水和岩溶潜水。
潜水面任意一点的高程，称为该点的潜水位（H）。潜水面至地面的铅直距离为潜水的埋藏深度（T）。自潜水面至隔水底板之间的铅垂直距离为含水层厚度（H0）。
根据潜水的埋藏条件，潜水具有以下特征：
（1）潜水具有自由水面。在重力作用下可以由水位高处向水位低处渗流，形成潜水径流。
（2）潜水的分布区和补给区基本上是一致的。在一般情况下，大气降水、地面水都可通过包气带入渗直接补给潜水。
（3）潜水的动态（如水位、水量、水温、水质等随时间的变化）随季节不同而有明显变化。如雨季降水多、潜水补给充沛，则使潜水面上升，含水层厚度增大，水量增加，埋藏深度变浅；而在枯水季节则相反。
（4）在潜水含水层之上因无连续隔水层覆盖，因此，容易受到污染。
图2.2 潜水埋藏示意图
1—砂层；2—隔水层；3—含水层；4—潜水面；5—基准面；T—潜水埋藏深度；H0—含水层深度；H—潜水位
2.1.2.2 潜水面的形状及其表示方法
1.潜水面的形状
在自然界中，潜水面的形状因时因地而异，它受地形、地质、气象、水文等各种自然因素和人为因素的影响。一般情况下，潜水面不是水平的，而是向着邻近洼地（如冲沟、河流、湖泊等）倾斜的曲面。只有当盆地或洼地中潜水集聚而潜水面呈水平状态时，则形成潜水湖，如图2.3所示。
潜水面的形状与地形有一定程度的一致性，一般地面坡度越陡，潜水面坡度也就越大。但潜水面坡度总是小于相应的地面坡度。其形状比地形要平缓得多。
当含水层的透水性和厚度沿渗流方向发生变化时，会引起潜水面形状的改变。在同一含水层中，当岩层透水性随渗流方向增强或含水层厚度增大时，则潜水面形状趋于平缓，反之变陡，如图2.4所示。
气象、水文因素会直接影响潜水面的变化，如大气降水和蒸发，可使潜水面上升或下降。在某些情况下，地面水体的变化也会引起潜水面形状的改变，如图2.5所示。
图2.3 潜水湖示意图
1—砂；2—含水砂；3—隔水层；4—潜水面
图2.4 潜水面形状与岩层透水性
（a）岩层透水性沿流程变化；（b）岩层厚度沿流程变化；1—含水砂；2—含水砾石；3—隔水底板；4—流向
图2.5 河水位变化与潜水面形状的关系
人为修建水库或渠道以及抽取或排除地下水，都会引起地下水位的升高或降低，改变潜水面的形状。
2.潜水面的表示方法
为清晰地表示潜水面的形状，常用两种图示方法，并且两种图常配合使用。
（1）剖面图。按一定比例尺，在具有代表性的剖面方向上，先根据地形绘制地形剖面图，再根据钻孔、试坑和井、泉的地层柱状图资料，绘制地质剖面图。然后画出剖面图上各井、孔等的潜水位、连出潜水面，即绘成潜水剖面图，如图2.6所示。它也称为水文地质剖面图。从这种图上可以反映出潜水面与地形、含水层岩性及厚度、隔水层底板等的变化关系。
（2）等水位线图。在平面上潜水面的形状可以用潜水面等高线图表示，此图称潜水等水位线图。如图2.7所示。其绘制方法与绘制地形等高线图基本相同，即根据在大致相同的时间内测得的潜水面各点（如井、泉、钻孔、试坑等）的水位资料，将水位标高相同的各点相连绘制而成。
图2.6 水文地质剖面图
1—黏性土；2—砂；3—砂砾石；4—砂；5—页岩；6—石灰岩；7—地下水位
图2.7 潜水等水位线图及埋藏深度图
1—地形等高线；2—等水位线；3—等埋深线；4—潜水流向；5—潜水埋藏深度为零区（沼泽区）；6—埋深0～2m区；7—埋深2～4m区；8—埋深大于4m区
潜水等水位线图一般在地形图上绘制。因为潜水面随季节时刻都在变化，所以等水位线图要注明测定水位的日期。通过不同时期内等水位线图的对比，有助于了解潜水的动态。
根据潜水等水位线图可以解决下列问题：
（1）确定潜水的流向。因为潜水是沿着潜水面坡度最大的方向流动的，所以垂直等水位线从高水位指向低水位的方向，即为潜水的流向。常用箭头表示，如图2.8所示。
（2）确定潜水面的坡度。在潜水流向上任取两点得水位差，与水的渗流路径之比，即为潜水的水力坡度。一般潜水的水力坡度很小，常为千分之几至百分之几。
（3）确定潜水与河水的相互关系。在近河等水位线图上可以看出，潜水与河水有以下三种关系：①潜水补给河水，如图2.8（a）所示，潜水面倾向河流，多见于河流的中上游山区；②河水补给潜水，如图2.8（b）所示，潜水面背向河流，多见于河流的下游（如黄河下游）；③一岸河水补给潜水，另一岸为潜水补给河水，如图2.8（c）所示，即潜水面一岸背向河流，另一岸倾向河流，如某些山前地区的河流可见到此种情况。
图2.8 潜水与河水之间不同补给关系的等水位线图
（4）确定潜水的埋藏深度。某一地点的地面标高减去该点的水位标高，即为此点的潜水埋藏深度。根据各点的埋藏深度，可进一步做出潜水埋藏深度图（图2.7）。
（5）确定含水层的厚度。若在等水位线图上有隔水底板等高线时，则可确定任一点的含水层厚度，其值等于潜水位标高减去隔水底板标高。
（6）推断含水层透水性及厚度的变化。潜水自透水性较弱的岩层流入透水性强的岩层时，潜水面坡度由陡变缓，等水位线由密变疏；相反，潜水面坡度便由缓变陡，等水位线由疏变密［图2.4（a）］。潜水含水层岩性均匀，当流量一定时，含水层薄的地方水面坡度变陡，含水层厚的地方水面坡度变缓，相应的等水位线变密集或稀疏［图2.4（b）］。
根据等水位线图的资料，还可以合理布置给水或排水建筑物的位置，一般应平行等水位线（垂直于流向）和地下水汇流处，开挖截水渠或打井。
2.1.3 承压水
2.1.3.1 承压水及其特征
承压水是充满于两个隔水层（或弱透水层）之间具有静水压力的重力水（图2.9）。承压水含水层上部的隔水层，称为隔水顶板；下部的隔水层，称为隔水底板；顶、底板之间的垂直距离称为承压含水层的厚度（M）。打井时，若未凿穿隔水顶板则见不到承压水，当凿穿隔水顶板后才能见到水面，此时的水面高程为初见水位；以后水位不断上升，达到一定高度便稳定下来，该水面高程称为稳定水位，即该点处承压含水层的承压水位（测压水位）。承压水位高出地面的，称作正水头（H1），低于地面的称作负水头（H2）。在适宜的地形地质条件下，水可以溢出地表甚至自喷（H1）。
当两个隔水层之间的含水层未被水充满时，则称为层间无压水。
承压水的埋藏条件，决定了它与潜水具有不同的特征：
（1）承压水具有承压性能，其顶面为非自由水面。
（2）承压水分布区与补给区不一致。
（3）承压水动态受气象、水文因素的季节性变化影响不显著。
图2.9 承压盆地剖面示意图
A—承压水分布范围；B—潜水分布范围；a—补给区；b—承压区；c—泄水区；H1—正水头；H2—负水头；M—承压水厚度；1—含水层；2—隔水层；3—承压水位；4—承压水流向
（4）承压水的厚度稳定不变，不受季节变化的影响。
（5）承压水的水质不易受到污染。
2.1.3.2 承压水的埋藏类型
承压水的形成主要决定于地质构造。在适宜的地质构造条件下，无论是孔隙水、裂隙水或岩溶水均能构成承压水。适宜形成承压水的蓄水构造（蓄水构造是指在地下水不断交替过程中能积蓄地下水的一种构造）大体可分为两类：一类是盆地或向斜蓄水构造，称为承压（或自流）盆地；另一类是单斜蓄水构造，称为承压（或自流）斜地。
1.承压盆地
承压盆地按水文地质特征由补给区、承压区和排泄区3个部分组成（图2.9）。
（1）补给区一般位于盆地边缘地势较高处，含水层出露地表，可直接接受大气降水和地表水的入渗补给。
（2）承压区一般位于盆地中部，分布范围广，地下水承受静水压力。
（3）排泄区一般位于盆地边缘的低洼地区，地下水常以上升泉的形式排泄于地表。
当承压盆地内有几层承压含水层时，各个含水层都有不同的承压水位（图2.10）。若蓄水构造与地形一致时，称为正地形，此时下层的承压水位高于上层承压水位；若蓄水构造与地形不一致时，称为负地形，其下层的承压水位低于上层的承压水位。水位高低不同，可造成含水层之间通过弱透水层或断层发生水力联系，形成含水层之间的补给排泄关系。承压盆地的规模差异很大，四川盆地是典型的承压盆地。小型的承压盆地一般只有几平方公里。
图2.10 承压蓄水构造与地形的关系
1—含水层；2—隔水层；3—承压水位；Ⅰ—上层承压水位；Ⅱ—下层承压水位
2.承压斜地
承压斜地的形成有3种情况：
（1）含水层被断层所截而形成的承压斜地（图2.11）。单斜含水层的上部出露地表成为补给区。下部被断层切割，若断层不导水，则向深部循环的地下水受阻，在补给区能形成泉排泄。此时补给区与排泄区在相邻地段。若断层是导水的，断层出露的位置又较低时，承压水可通过断层排泄于地表，此时补给区与排泄区位于承压区的两侧与承压盆地相似。
图2.11 断层形成的承压斜地
1—隔水层；2—含水层；3—地下水流向；4—泉
（2）含水层岩性发生相变和尖灭、裂隙随深度增加而闭合，使其透水性在某一深度变弱（成为不透水层）形成承压斜地（图2.12）。此种情况与阻水断层形成的承压斜地相似。
（3）倾入岩体阻截形成的承压斜地。各种侵入岩体（如花岗岩、闪长岩等），当它们侵入到透水性很强的岩层中并处于含水层下游时，便起到阻水作用而形成承压斜地。如山东济南的承压斜地，济南市南为寒武奥陶系构成的山区，地形与岩层产状均向济南方向倾伏。由于市区北侧被闪长岩侵入体所阻截，来自南面千佛山一带石灰岩补给区的地下水流，便在侵入体接触带汇集起来，使水位抬高，形成了承压斜地。地下水通过近20m厚的第四系覆盖层出露地表而成为泉（图2.13），如趵突泉、珍珠泉等泉群。在2.6km2的范围内出露有106个泉，故济南有“泉城”之称。
图2.12 岩性变化形成的承压斜地
1—隔水层；2—含水层；3—地下水流向；4—泉
图2.13 济南市（千佛山—趵突泉）水文地质剖面图
Q—第四系；O2—中奥陶统石灰岩；O1—下奥陶统白云岩；∈—寒武系石灰岩；δ—闪长岩
承压盆地和承压斜地在我国分布非常广泛。根据其地质年代和岩性的不同，可分为两类：一类是第四系松散沉积物构成的承压盆地和承压斜地，广泛地存在于山间盆地和山前平原中；另一类是第四系以前坚硬岩层构成的承压盆地和承压斜地。
2.1.3.3 承压水等水压线图
承压水位标高相同点的连线，便是承压水等水压线。平面图上的等水压线图，可以反映承压水（位）面的起伏情况。承压水（位）面和潜水面不同，潜水面是一个实际存在的地下水面，即含水层的顶面，而承压水（位）面是一个势面，这个面可以与地形极不吻合，甚至高出地面。只有当钻孔打穿上覆隔水层至含水层顶面时才能测到。因此，承压水等水压线图通常要附以含水层顶板等高线。
图2.14 承压水等水压线图
1—地形等高线；2—含水层顶板等高线；3—等水压线；4—地下水流向；5—承压水自溢区；6—钻孔（平面图）；7—自喷钻孔（平面图）；8—含水层；9—隔水层；10—承压水位线（剖面图）；11—钻孔（剖面图）；12—自喷钻孔（剖面图）
承压水等水压线图的绘制方法，与潜水等水位线图相似。在某一承压含水层内，将一定数量的钻孔、井、泉（上升泉）等的初见水位（或含水层顶板的高程）和稳定水位（即承压水位）等资料，绘在一定比例尺的地形图上，用内插法将承压水位等高的点相连，即得等水压线图，如图2.14所示。
根据等水压线图，可以分析确定以下几个问题：
（1）确定承压水的流向。承压水的流向应垂直等水压线，常用箭头表示，箭头指向高程较低的等水压线。
（2）计算承压水某地段的水力坡度。也就是确定承压水（位）面坡度。在流向方向上，取任意两点的承压水位差，除以两点间的距离，即得该地段的平均水力坡度。
（3）确定承压水位距地表的深度。可由地面高程减去承压水位得到。这个数字越小，开采利用越方便；该值是负值时，表示水会自溢于地表。据此可选定开采承压水的地点。
（4）确定承压含水层的埋藏深度。用地面高程减去含水层顶板高程即得。
（5）确定承压水头值的大小。承压水位与含水层顶板高程之差，即为承压水头值高度。据此，可以预测开挖基坑和洞室时的水压力。