2．3 地下水
埋藏在地表以下，存在于岩石和地表松散堆积物的孔隙、裂隙及溶洞中的水，统称为地下水。全球地下水分布面积达1.3×108km2，总水量8300000km3，占全球总水量的0.59％，但它是重要的淡水来源，占淡水量的22％。
（1）地下水的形成
地下水主要来源于大气降水。大气降水到达地表面，其中一部分形成地表径流，进入河流；一部分直接被蒸发和蒸腾；一部分被植物吸收或截流；其余则通过地表土壤进入松散堆积物、岩石变为地下水。此外，地下水还可能在沉积岩形成的时候就将水保留下来，一直埋藏在沉积岩内；这一部分水又称为原生水；岩浆活动也可以释放一部分水分，并保留在岩层中，这是一种矿质化泉水，称为初生水；还有在沿海地区，海洋水通过岩石向陆地渗透，这也是地下水的一种来源。
地下水也有三态，其中以液态为主。在岩层或土壤中，液态地下水又以吸着（湿）水、薄膜水、毛细水和重力水等形式存在（见第九章1．3节）。存在的形式取决于岩石的性质、结构和构造。而不同形式的地下水在地下储存的条件与岩石的水理性质有关。
岩石的水理性质是指岩石与水作用时所具有的特征，包括透水性、容水性、给水性和持水性。
透水性 指岩石能使水下渗、通过的性能。砂岩、砂砾岩等的孔隙较大，透水性好；而板岩、页岩和辉长岩的透水性能很差，属不透水岩石；粘土不易透水。
岩石的容水性是指岩石所能容纳和保持一定水量的能力。容水性用容水度来表示，容水度指岩石所能容纳的水的体积与岩石体积之比。容水较强的岩石是粘土，较差的有卵砾石。
岩石的给水性指岩石中保持的水在重力作用下能够自由流出一定数量水的能力，用给水度表示。给水度是指岩石给出的水量与岩石体积之比值。
岩石的持水性指在重力作用下，岩石依靠分子力和毛管力，能够保持一定液态水的能力。岩石的给水性和持水性显然与岩石的容水性直接相关，在容水性相同的岩石中，如果重力作用超过岩石对水的引力，则给水性强，持水性弱；反之，则给水性弱，持水性强。给水性还与岩面颗粒直径成正比。如卵石给水度大，粘土给水度小。在地壳表层中，地下水的存在有差异。根据岩石赋留地下水的相对状况分出含水层和隔水层岩层。在重力作用下能够给出并且通过相当数量水的饱水岩层称含水层。含水层不仅储存地下水，而且水在其中能够运移。因此，含水层必须有良好的透水性能，同时又必须有一定的地质构造条件和地形条件，使地下水聚集和储存起来。此外，含水层必须有一定的补给水量。
有含水层就必然有隔水层存在。隔水层是指在常压条件下，由于重力作用不能给出并通过相当数量水的岩层。通常由粘土、亚粘土和页岩、泥灰岩等透水性能差的岩石组成的岩层构成隔水层。隔水层对地下水的运动起着阻碍作用。
（2）地下水的理化性质
地下水的理化性质包括温度、颜色、气味、化学成分和矿化度等。
温度：地下水的温度受埋藏深度和所处的自然条件影响。浅层地下水受当地的气温和地表温度影响较大。在温带和亚热带平原地区的浅层地下水的年平均温度比气温高1～2℃，极地、高纬和山区的地下水温度很低。深层地下水因受地热影响，温度较高；岩石受构造运动和深部液体侵入时，可以产生使岩石和水膨胀的异常高的温度，都是地下水的热量来源。另外，成矿作用、水化作用、氧化作用和放射性元素等也是地下水的热源。地下水温度差别很大，有沸点（100℃）以下地下水，有沸点以上地下水，甚至有临界温度（375℃）以上的地下水。
颜色：地下水一般无色，但含某些离子或富集悬浮物质时而有色。如三氧化二铁成分增多呈褐红色；富含腐殖质的水呈黄褐或浅黑色。
气味：地下水因含有不同的气体成分和有机物而有一定气味。如含硫化氢时有臭味，有机质含量增多有异味。
化学成分：地下水的化学成分包括各种气体、离子、胶体物质和有机物等。几乎自然界中存在的元素都可在地下水中找到，只是含量不同而已。地下水中各元素的含量主要取决于其周围岩石的性质及其溶解度。主要气体成分有CO2、O2、N2、H2S、CH4。主要离子成分有Cl-、
胶体成分分布最广的有Fe（OH）3、Al（OH）3和SiO2。有机物多是碳、氢、氧为主的高分子化合物。
总矿化度和硬度：地下水中所含有的各种离子、分子和化合物的总量称为总矿化度，单位为g/l，它表示地下水的矿化程度，是评价水质的重要指标之一。根据总矿化度的大小，地下水可分为淡水、微咸水（弱矿化水）、咸水（中等矿化水）、盐水（强矿化水）和卤水，它们的矿化度分别为＜1、1～3、3～10、10～50和＞50g/l。
地下水的硬度是指水中钙、镁离子的总量。单位体积的地下水水中所含钙镁离子的量愈高则水的硬度愈大。
（3）地下水的运动
地下水存在的形式有多种，它们的运动情况也不相同。地下重力水的运动有三种方式：流动、渗透和扩散。流动指地下水向岩石任一空隙的注入。扩散是一个以物理作用为主的复杂过程。只要地下水的浓度、压力和温度不同，就可以引起扩散。扩散的速度缓慢。渗透是地下水在重力作用下运动的重要形式。渗透的方向指向压力和温度较低处，但也可在岩石、气体或流体压力的影响下从低处流向高处。渗透速度比扩散速度大，但远小于地表水流。
（4）地下水的类型
地下水按其埋藏的深浅可分为浅层地下水和深层地下水。浅层地下水又称为潜水，深层地下水承压喷出的称自流水。在浅层地下水之上，有时存在局部不透水层，滞留一部分重力水，形成上层滞水。因此，地下水按埋藏条件可分为上层滞水、潜水和承压水三类。
上层滞水 是存在于包气带中局部隔水层上的重力水。所谓包气带是指潜水面上部岩石的大部分空隙为空气所充满的部分。上层滞水主要是大气降水或地表水在下渗过程中遇到不透水层的阻隔而聚集形成的。这种地下水分布范围较小，分布区同补给区一致。由于主要靠降水和地表水补给，因而水量有明显的季节变化。由于靠近地表，上层滞水水量还可能消耗于蒸发，另外，受重力作用往下渗透部分水量，以致在干旱季节常消耗殆尽。
潜水 是指地面以下饱水带中第一个稳定隔水层之上具有自由表面的重力水。潜水的自由表面称为潜水面。从地面至潜水面的距离称为潜水的埋藏深度。潜水至下伏隔水层顶板之间的距离称为含水层厚度。潜水面以上一般无隔水层存在，大气降水或地表水可以通过包气带直接补给潜水，所以，通常潜水的补给区与潜水的分布区是一致的。
潜水的基本特征是具有自由水面，而且它处于地面以下饱水带中第一个稳定隔水层之上，它能在重力作用下从潜水面高的地方向潜水面低的地方缓慢流动，而不承受静水压力，故一般是无压力流，称为潜水。潜水的埋藏深度各处差异很大。通常山区，特别是黄土丘陵区一般深达几十米，而平原地区几米之下就可见潜水面，甚至露出地表发育成沼泽。这种埋藏深度除受地形影响外，还受气候影响，雨季地下水补给增加，潜水位上升，埋藏深度变浅；干旱季节相反。潜水因其埋藏浅，分布广而被广泛利用。
承压水 是充满于上下两个隔水层之间的重力水。承压水最重要的特性是具有较大的水压力，因此，只要将承压水的上层隔水层打穿，承压水即可自动涌出，因而又称自流水。承压水的形成与地质构造有很大关系，通常在向斜构造、构造盆地和单斜构造中有利于承压水的存在。承压水的大小取决于含水层的分布范围、厚度、补给区和补给水源的大小，以及含水层的透水性等因素。承压水含水层分布范围广大、厚度大、补给区面积大、补给水源充足，因此能获得很大的涌水量。承压水的上层隔水层妨碍含水层直接从地表获得补给，故承压水的补给与其分布区不一致。