地层水分分布状况分析

地下水系在垂直剖面上的分布可以按照空隙空间中含水的相对比例划分成两个带:饱和带和充气带。饱和带中的全部空隙充满了水;充气带位于饱和带之上,其中同时包含着气体(主要是空气和水蒸气)和水。

图2.2表示地下水系的分布状况。水(如大气降水或灌溉水)自地面渗入,在重力作用下运动和聚集,最后在某些不透水层之上充满岩石中所有相互连通的空隙,这样就在不透水层之上形成了饱和带。饱和带的上界面为潜水面(见图2.2),潜水面是一个其表面上压力等于大气压力的面。如果井孔打入基本上为水平流动的含水层中,则井孔中的水面就是潜水面。实际上,饱和带要高出潜水面一定距离,此距离的大小与土的种类有关,因为不同种类的土,其毛细作用不同。井、泉和某些河流靠来自饱和带的水补给。

图2.2 地面以下水的分布状况

充气带从潜水面延伸至地面,它通常由3个亚带,即土壤水带、中间带(或渗水带)和毛细管带组成。土壤水带邻近地表,向下延伸通过植物根系带,该带水分分布不仅受降水、灌溉、空气温度及湿度、季节性变化和日变化等地表条件的影响,而且受埋藏得浅的潜水面的影响。在渗水期(如降水、地面洪泛和灌溉时期)该带的水向下运动,而蒸发与植物的蒸腾作用则使该带的水向上运动;在过量渗水的短时期内,该带的土壤可以暂时完全为重力水所饱和。(www.xing528.com)

在土壤表面没有供水的情况下,经长期排水之后残留于土中的水分的含量叫作野外容水率。在野外容水率以下的土壤中包含着毛细管水。毛细管水靠表面张力保持在土壤颗粒周围形成连续水膜。此种水在毛细作用下运动,对植物有用。当水分含量小于吸湿度的时候,土壤中所含的水称为吸着水。所谓吸湿度,就是在20℃时使原来的干土与相对湿度为50%的大气接触所能吸收的最大水分含量。由于吸着水形成极薄的薄膜牢固地黏附在土颗粒表面,因而对植物无用,但对土颗粒之间的相互作用有一定影响。

中间带自土壤水带的下缘延伸至毛细管带的上缘。如果潜水面太高,致使毛细管带扩展到土壤水带,或甚至达到地表时,中间带便不复存在。中间带中停止着的水(即薄膜水)靠附着力及毛细力保持在空隙中,重力水可暂时通过该带向下运动。

毛细管带自潜水面向上扩展,其厚度取决于土的性质及空隙大小的均匀性。毛细上升从粗粒物质中的零变化到细粒物质(例如黏土)中的2～3 m或更高。通常,毛细管带内的水分含量随着潜水面高度的增加而逐渐减小,稍高出潜水面的空隙实际上是饱和的;再向上,只有较小的、连通的空隙含水;在更高的地方,能被水饱和的只是那些连通的最小的空隙。因此,毛细管带的上界具有不规则形状。实际上取某个平均的光滑曲面作为毛细管带的上界面,而在这个曲面以下可以认为土是饱和的(比如说,可以根据土的饱和度将饱和度大于75%作为毛细管带上界面的确定标准)。

在毛细管带中,压力小于大气压力,水可以发生水平流动及垂直流动。当潜水面以下饱和带的厚度比毛细管带大得多时,通常忽略毛细管带的流动。但在许多排水问题中,研究非饱和带的流动具有重要意义。

很明显,上述水分分布剖面是从空隙大小的多变性、透水地层的存在,以及暂时性渗入水的运动等许多复杂情况中概括出来的。