地下水的存在形式

1.1.1.1 气态水、液态水和固态水
地下水可以以气态水、液态水和固态水的形式存在于地下岩石的空隙中，其中液态水分布最广，是地下水科学的主要研究对象。
气态水和空气分布在未被水饱和的岩石空隙之中，可以随空气一起流动，也可以由绝对湿度大的地方向绝对湿度小的地方迁移。气态水在一定温度和压力下与液态水相互转化。在夏天，当白天的气温高于岩石的温度时，水汽将由大气向岩石空隙中运动、聚集并凝结成水。气态水对干旱地区地下水的补给具有一定的意义。一般来说，气态水不能被直接利用，也不能被植物根系吸收（章至洁等，1995）。
固态水主要以冰的形式分布于岩石空隙之中，这时岩石的温度低于0℃。在多年冻士（多年平均气温低于0℃）分布地区，例如我国东北和青藏高原的一些地区，地下存在冻结层，赋存其中的地下水在多年中保持固态。多年冻士地区液态水和固态水共同存在，受气候变化影响明显，冬季冻结，地下水为固态水；夏季表层或浅部固态水融化为液态水，深部仍为冻结的固态水。
液态水分布于地下被水饱和或未被水饱和的岩石空隙之中。在岩石空隙中，靠近岩石（固体颗粒）表面分布有结合水，远离颗粒表面分布有重力水。此外，在由细小颗粒组成的沉积物中，在饱水带上部由于毛细作用，往往分布有毛细水。
1.1.1.2 结合水、重力水和毛细水
（1）结合水
结合水是由于固体颗粒表面的静电作用而吸附在颗粒表面上的水（图1.1）。固体颗粒和岩石裂隙表面带有电荷，水分子是偶极体，因而固相表面具有吸附水分子的能力。显然，这种吸附能力随着远离固相表面而减小，在某一距离处，水分子将不受静电引力作用，只受重力作用。这一距离的长短随颗粒的大小而改变（de Marsily，1986），颗粒越细小，距离越长。结合水分子受固相表面的引力大于水分子自身的重力，被吸附于固相表面，不能在重力作用下运动。
图1.1 结合水和重力水截面示意图
（据王大纯等，1995）
最接近固相表面受静电引力作用最大的结合水称为强结合水，在其外层受静电引力作用较小的结合水称为弱结合水（图1.1）。强结合水又称为吸着水，水分子排列紧密整齐，其厚度可达约0.1μm，水分子所受到的引力可达1012Pa，但这种引力随远离固相表面迅速减小。强结合水具有较强的黏滞性和抗剪强度，其密度达1.5～2.0g/cm3，不能自由流动，当加热到105～110℃使其转化为气态水时才能流动。弱结合水又称为薄膜水，分布在距离固相表面0.1～0.5μm的结合水外层，其水分子排列不如强结合水紧密和规则，其黏滞性、抗剪强度和密度均小于强结合水。弱结合水可以由水膜厚处向水膜薄处移动，直到厚度相等为止。在非饱和带中，弱结合水分布不连续，所以不能传递静水压力；在饱和带中，若施加一定的外力使之大于弱结合水的抗剪强度，则弱结合水发生流动。对于黏性士层或黏士层中的弱结合水，若存在足够大的水头差，也可以发生流动。
（2）重力水
结合水层以外的水分子，颗粒表面对其的吸引力可以忽略不计，在重力作用下可以自由流动，这部分液态水称为重力水（图1.1）。通过泉排泄或者井孔揭露的地下水都属于重力水。重力水可以被植物吸收，也可以被人类开发利用，是地下水科学的主要研究对象。
岩石空隙中结合水和重力水的多少主要取决于岩石颗粒的大小。颗粒越细小，其比表面积越大，固相表面吸附的结合水就越多。因此，颗粒细小的黏士和黏性士含有较多的结合水，而由颗粒粗大的砂砾石、宽大的裂隙或溶隙构成的介质则很少含有结合水，大多为重力水。
（3）毛细水
毛细水分布在地下水面以上的非饱和带中。岩石中的细小空隙起到毛细管的作用，在毛细力的作用下，水从地下水面沿着细小空隙上升到一定高度，形成一个毛细水带。在毛细水带，毛细水充满全部孔隙，能做垂直方向的运动，能被植物根系吸收。根据形成特点，毛细水可以分为三种类型。在毛细水带下部的毛细水有地下水面支持，因此称为支持毛细水（图1.2a）。在细颗粒层之下有粗颗粒层，当原来在细颗粒层内的地下水位下降到粗颗粒层时，在细颗粒层中会保留与地下水面不连接的毛细水，称为悬挂毛细水（图1.2b）。在颗粒接触处的孔隙大小有可能达到毛细管程度，此处的水形成弯液面将水滞留在孔角上，称为孔角毛细水（图1.2c）。地下水的蒸发作用和士壤盐渍化现象等与毛细水及毛细作用有关。
图1.2 支持毛细水剖面（a）、悬挂毛细水剖面（b）和孔角毛细水截面（c）示意图