23 地下水开发与工程地质应用～结合相关高考真题-备战高考地理之探讨大学地理知识

地下水开发与工程地质应用～结合相关高考真题
【1】地下水的形成和利用
分布广泛，供水条件较稳定，水质良好，是农业灌溉、工矿企业和生活用水的重要水源，在世界各地普遍开发，尤其是地表水贫乏的干旱、半干旱区，往往成为最重要水源。
地下水是存在于地表以下岩石和土体（岩土）空隙中各种不同形式水的总称，其分布和运动受岩石和土体特征影响，与地层的岩性、结构和构造条件密切相关。找水、开采派生问题，均需地质学协助解决。
一、含水层与隔水层
含水层是指贮存有地下水，在自然或人为条件下，能流出水的岩体，如砂层、砂砾石层等。虽然含水但透水很弱的岩层，称隔水层，如黏土层、页岩等。岩土与水的贮容运移有关的性质，称水理性质，包括溶水性、持水性、给水性、透水性等。
容水性指岩土空隙能容纳的水量，通常以容水度来衡量，即岩土中所能容纳的水的体积与岩土体积之比，以百分数表示。在数值上，容水度＝孔隙度。
持水性指岩土颗粒表面对水分子的吸引力，即保持若干水量的性能。分子力在其作用范围内比重力大若干倍，岩土保持的水为结合水，不受重力支配。所以，持水度是受重力作用排水后，岩土空隙中保持的水量与岩土总体积之比。
给水性指饱和含水的岩土在重力作用下，能自由流出(排出)水的性能。给水度即常压下从饱和含水岩土中流出水的体积与饱和岩土总体积之比，数值上等于容水度减去持水度。显然，岩土的持水度与给水度成反比（图6-11）。

透水性指一定压力梯度下，岩土允许水透过的性能。岩土的透水能力取决于空隙直径的大小和连通程度，其次是空隙的多少。水在细粒物质（如黏土）组成的微小孔隙中运动时，受水与孔壁的摩擦阻力而难以通过，细小颗粒还吸附了一层结合水膜，几乎占满了整个孔隙，水很难通过。因此，透水性与持水度成反比，与给水度成正比。即给水性愈好的岩土，透水性也愈好；持水度高，透水性差。
衡量岩土透水性的指标是渗透系数K(表6-5)。透水层与隔水层没有严格的界限，但目前公认，凡渗透系数K小于0.001m/d的岩土，均列入隔水层，大于或等于这个数值的岩土属于透水层。设问：论述岩土颗粒和孔隙度大小对透水性的影响？


粉黏土和黏土，孔隙度大，但颗粒细，空隙小，持水度大，给水度小，透水性也差，常成为隔水层。砾石持水度很小，给水度较大，是很好的含水层，但孔隙度较小，容水度也小，所以含水有限。
中、粗砂与黏土、粉黏土相比，孔隙度稍小，但给水度更高；与砾石相比，虽持水度稍大，但孔隙度更大。综合而言，砂层是最理想的含水层。
坚硬致密的岩石几乎没有空隙，一般不容水也不透水，渗透系数小于10—⁷cm/s量级。但有裂隙发育时，渗透系数变大4~6个数量级，甚至更大（表6-6）。

因此，发育有断层和节理（特别是张性节理)的部位，岩石透水性大大提高，条件允许时，能成为储水岩体。
二、地下水的类型
存在于岩石空隙中的地下水，按力学性质分气态水、结合水(吸湿水和薄膜水)、毛管水、重力水和固态水等。从利用角度看，重力水最重要，它按埋藏条件，分为上层滞水、潜水和承压水。
地面以下的岩石与土体按含水状况分包气带和饱水带。从地表到地下稳定自由水面间的地带，岩土体的空隙没有被水充满，包含许多与大气连通的气体，称包气带。自由水面下的地带，岩土体的空隙全部被液态水充满，即饱水带（图6-12）。

包气带内局部隔水层积聚下渗的重力水，形成局部饱水带，称上层滞水。其范围和水量有限。
饱水带中自地表向下第一个有自由水面的含水层中的重力水，称潜水。潜水一般埋藏在第四系松散沉积物的孔隙或出露地表的基岩裂隙中，分布区与补给区基本一致，有稳定隔水层和较大的水量。潜水面通过包气带的孔隙与大气相连通，受外界气象、水文因素影响，呈季节性变化。受地形、岩性制约，潜水设问：指出潜水水位的时空变化特点？
面常为向下游微倾斜的斜面（图6-13）。

饱水带中充满两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水为承压水。它承受隔水层顶板的静压力。当钻孔穿透顶板时，孔中地下水将上升到一定高度才能静止，此时静止水面高程就是该点的承压水位。如承压水位高于地表，地下水能自喷而出，成为自流水（图6-14)。

与潜水不同，承压水的补给区和分布区不一致。它相对封闭，受外界影响小，相对稳定。因此，承压水是地下水资源开发的重点。
三、储水构造
地下水的富集与贮存需要含水（透水）层与隔水层相互结合。有透水岩层和隔水层，能富集并贮存地下水的地质构造体，称储水构造。储水构造需具备3个条件：
①有透水的岩层或土体构成蓄水空间；
②有相对的隔水层构成隔水边界；
③有透水边界作为地下水补给与排泄的出路。
不同的储水构造，对含水层埋藏及地下水补给水量、水质有很大影响。尤其在坚硬岩层分布地区，查明储水构造，才能找到理想的地下水源。
常见的储水构造主要有：向斜（构造盆地）、单斜、喀斯特、断裂等（图6-15）。

在松散沉积物分布区，根据沉积物的成因与空间分布，分山前冲洪积型、河谷冲积型和湖盆沉积型储水构造。
向斜构造（构造盆地）和单斜构造常由软、硬相间的沉积岩层构成，有透水的含水层，也有隔水层，是最适合承压水形成的储水构造。向斜构造无论盆地（图6-15(a))、山地（图6-15(b)，均有补给区、承压区、排泄区，不同的是，向斜盆地的承压水位可以高出地表，即具有“正水头”，可以成为自流盆地；向斜山地的承压水位无法高出地表形成自流。
单斜构造又称自流斜地，是单斜岩层末端有阻水条件时形成的储水构造。其阻水条件包括4种类型：
①含水层的空隙性和透水性随埋藏深度的增加而减小，到达一定深度成为不透水层（图6-15(c)；
②含水层向其倾没方向尖灭或发生相变而形成阻水条件（图6-15(d)；
③含水层倾没端被阻水断层所封闭，压性断裂或不透水层形成阻水（图6-15（e）)；
④含水层倾没端被阻水岩体（主要是侵入体)所封闭（图6-15(f))。
石灰岩地区岩石可溶蚀，喀斯特地貌发育，形成大量地下裂隙与洞穴，导致地表水分布不均，相对匮乏。喀斯特储水构造分溶管型和溶隙型两类（图6-15(g)。
溶管型储水构造主要是喀斯特洞穴（管道)，其发育往往受断裂带或构造裂隙控制，管道中的水流相对集中，在宽大的洞穴里往往有自由水面，即地下河，进入狭小的管道成为承压流。
溶隙型储水构造指各种网状、脉状、带状的溶蚀裂隙体系，其分布常与构造部位相关，形成的岩溶带可以汇集地下水流，在排泄区形成巨大的岩溶泉群。
总体而言，溶隙型储水构造的水量不如溶管型的多。因此，在纯石灰岩区，褶皱轴部、断裂带、碳酸岩与非碳酸岩接触带等有利于地下溶洞发育的地区，往往是岩溶水的富水地带。
喀斯特储水构造地下水量的时空分布极不均匀。受气候与水文条件影响，喀斯特地下水季节变化显著，丰水期与枯水期水量差别巨大。受集水管道分布的影响，喀斯特地下水的空间差异也非常大，在集水管道底部，水量丰沛，偏离管道则水量骤减。
完整的侵入岩体和背斜构造的轴部本来不利于储水，但在有断层破碎带、张裂隙带的情况下，也可以成为裂隙水的良好储水构造（图6-15(h)。
此外，在缺水地区如果局部存在有利的小型储水构造，也可以找到少量地下水。
设问：分析喀斯特盆地易形成岩溶泉水群的原因？

典例
(2021年河北卷)19.［选修3：旅游地理］（8分）
是谁鞠一捧圣水浇灌出绿洲
是谁将一面铜镜遗落在戈壁大漠
让一池碧水盛满了蓝天白云……
酷爱旅游的某学校地理兴趣小组被大漠边缘清澈的湖水吸引。该湖泊位于阿拉善沙漠世界地质公园，像一颗璀璨的明珠镶嵌在沙漠与花岗岩山体之间，被称为“大漠天池”（图12）。该小组计划于暑期一探究竟。

概括大漠天池旅游景观特点，并围绕天池成因设计研学旅游活动内容。


【答案】19．沙漠、湖泊、蓝天白云、花岗岩体相得映彰，旅游景观多样，非凡性强；
花岗岩裂隙调查与观测、
沙土透水性实验，
天池水盐度和矿物质检测等。
【分析】本题考查旅游资源特点与旅游活动设计，难度较大，需要对大漠天池的形成过程加强理解，从而结合其成因合理设计研学活动。
【详解】根据材料信息可知，该地既有沙漠，又有湖泊，还有花岗岩，再加上蓝天白云等，旅游景观类型多样，具有多样性。同时，干旱地区沙漠与湖泊相得映彰，旅游景观的非凡性强；
注意要围绕天池成因设计研学旅游活动，设计围绕天池成因开展，注意材料信息“像一颗璀璨的明珠镶嵌在沙漠与花岗岩山体之间”，一侧为花岗岩体，一侧为沙漠，中部低洼处为天池，该区域地处内陆干旱区，气候干旱，物理风化作用强，花岗岩裂隙发育，汇水区域广，地表水易沿裂隙下渗向低洼处汇集，而另一侧为沙漠，沙粒粒径小，透水性差，阻隔水分溢出，形成大漠堰塞湖。所以可以开展花岗岩裂隙调查与观测、沙土透水性实验，天池水盐度和矿物质检测等。
四、地下水开采需要注意的问题
地下水通过不断的循环运动保持动态平衡。人类对地下水资源的过度开采，会打破平衡，导致地下水位下降，诱发地面下沉、海水倒灌等地质问题。
(一)地下水允许开采量
地下水的开采应以保证地下水资源不遭受破坏为前提，因此需确定地下水的最大允许开采量。
从开发的角度，地下水资源可分补给量、储存量和消耗量。补给量指天然状态或开采条件下，含水层获得的流入水量。储存量指储存于含水层内重力水的体积，分容积储存量（潜水）和弹性储存量（承压水）。消耗量指地下水从补给区到排泄区消耗的总量，包括天然消耗量和人工开采量，常用单位时间内消耗的水量表示。
当地下水的补给量等于消耗量时，地下水的储存量不变，水位稳定。补给量大于消耗量，地下水的储存量增加，地下水位上升。当补给量小于消耗量，地下水的储存量减少，地下水位下降。
地下水资源的储存量有波动性，还可进一步分为静储量、调节储量和动储量。
静储量指天然条件下，最低水位以下含水层中所储存的水的体积。调节储量指天然条件下，最高水位与最低水位之间含水层中储存的水的体积。动储量指地下水的径流量，即天然条件下，单位时间流经含水层某过水断面的地下水体积，表示含水层的侧向补给量。
地下水的动储量和调节储量是地下设问：论述抽取枯水季节最低水位以下地下水对生态环境的影响？
水补给量的两种表现形式，都存在季节或多年变化。因此，地下水的最大允许开采量可从两个角度确定。
首先，对应最低水位的静储量是含水层中难以补偿恢复的部分，一般不允许开采，调节储量和动储量（包括最低水位时的动储量）是补给量与消耗量相对变化的表现，是人类可开发利用的地下水资源。
从补给与消耗的关系看，消耗量超过补给量必将引起地下水资源的耗竭，因此，地下水的最大开采量不能超过多年平均补给量。考虑到地下水的消耗不仅是人类的开采，还包括有生态意义的天然消耗，实际地下水的允许开采量应是在保证区域基本生态需水量的前提下，多年平均补给量扣除天然消耗后的剩余部分。
但现实社会中，地下水资源的开采常常突破允许开采量，更没有考虑生态需水量，大量抽取静储量的结果是区域性地下水位下降，形成地下水漏斗甚至盆地，不仅地下水资源难以恢复，且严重影响区域生态功能。
(二)地面下沉与地面裂缝
超量开采地下水引起地面下沉与地面裂缝在沿海平原和内陆盆普遍存在，严重的可导致地质灾害。
地下水超采区的地面下沉与区域性地下水位下降有关。在平原或盆地，松散沉积物形成的含水层与隔水层相间分布，在垂直方向上往往成多层结构（图6-16）。

地下水的开采以深层承压水为主，随着地下水位下降，原来处于饱水带的含水层及隔水层进入包气带，并失水收缩，引起地表下沉，严重时造成地面裂缝。具体包括3个方面。
首先，地下深处含水层中的承压水，承受了上覆地层的一部分荷载，承压水被抽出，上覆地层减少原有水层的浮力，在重力作用下下沉。
其次，含水层多空隙，在充满承压水时，上覆荷载由固体颗粒与水层共同承受，当空隙中的水被排出，全部荷载都由固体颗粒负担，颗粒之间的空隙被压缩，孔隙度减小，产生体积变化，在地面表现为下沉。
再次，隔水层主要由颗粒细小、具吸水膨胀特点的黏土、亚黏土组成。在饱水带中，隔水层实际上是含水-不透水层，其容水度大，持水度大，给水度小，透水性差。当含水层的水被排出，其上下的隔水层均会缓慢地释放水分，以保持水分交换的平衡。随着地下水位下降，进入包气带的隔水层逐渐脱水、干燥，体积收缩率可高达25%。地下水位下降引起的地面下沉，主要是黏土性质的隔水层失水收缩的结果。
因此，隔水层的黏土含量、饱和水含量、累计厚度等都会影响地下水位下降后的地面沉降量。一般平原区愈靠近河流下游、河口三角洲，细颗粒沉积物愈丰富，超采地下水引起的地面下沉愈显著。资料表明，天津地下水位下降引起的地面下沉的幅度大于北京。
（三）海水倒灌
正常情况下，水循环是地表径流和地下径流都汇入海洋。但是，超采地下水，在沿海地区可引起海水倒灌，导致地表水和地下水的咸化或盐碱化。
海水倒灌存在两种情况。一，沿海地区超量开采地下水引起地面下沉，沉降区的地面高程低于海平面，海水可直接涌入低洼地区，形成湖或湿地。
第二，地下海水倒灌，主要由于过量开采地下水，在含水层中产生负压，打破地下原有的淡水与海水的压力平衡，使地下海水的水位（包括承压水位）高于淡水，海水向陆地方向渗透，地下淡水资源逐渐咸化，严重的完全为海水替代。
沿海地区地下水超采和地面下沉主要与人口集中的城设问：说明沿海平原地下水咸化的过程？
市相关，海水倒灌发生在地表还是地下，都会产生严重影响。
天津由于海水倒灌，地下水咸化，通过“引滦入津”工程跨流域调水，才缓解了淡水资源匮乏的问题。山东青岛、烟台、威海等沿海地区，同样存在海水倒灌问题。

典例
(2020年全国卷1)利用大型挖泥船将海底岩石搅碎，并将碎石和泥沙一起吹填造地，成为在海中建设人工岛的主要方式。下图示意人工岛地下淡水分布。据此完成下面小题。

7. 参照上图，在造岛物质满足水渗透的前提下，人工岛形成并保持相对稳定的地下淡水区的条件是（ ）
①降水充沛且季节分配均匀 ②降水充沛且季节集中
③人工岛足够长 ④人工岛足够宽
A. ①③ B. ①④ C. ②③ D. ②④
8. 人工岛的地下淡水一般不作为日常生产生活水源，主要因为其（ ）
A. 取水难度大 B. 开采周期长
C. 水质较差 D. 储量较少


【答案】7. B 8. D
【7题详解】参照图中的岛内的淡/咸水界限，可知岛内地下淡水受岛屿周边海洋水的影响。
在造岛物质满足水渗透的前提下，降水充沛且季节分配均匀，雨水得到充分稳定的下渗，有利于岛内地下淡水区稳定；
如果降水季节变化大就会导致淡/咸水界限变化大，岛内地下淡水区空间变化大；
人工岛足够宽也有利于人工岛形成并保持相对稳定的地下淡水区；所以选B。
【8题详解】人工岛一般面积不大，人工岛没有足够宽度，容易受海洋咸水影响，导致人工岛的地下淡水的区域小，地下淡水储量较少，地下淡水储量不能满足日常生产生活的需求，即选D。
此题容易错选水质较差，水质差是受到海水影响的地下水咸水区，地下水淡水区水质没有问题。
【点睛】该题需要充分理解图中信息，明白图中人工岛的地下淡水区的面积及其变化特点。从而才能把握这组试题的命题思路和答题方向。
【2】工程建设的地质环境
工程建筑按用途可概括为工业与民用建筑（“工民建”）、水利工程、道路工程及特殊功能的大型建筑建筑群。不同类型的工程对地质环境要求不同，需要解决的地质问题也不同。
一、工业与民用建筑
以普通厂房或楼房为主，需要解决地基稳定性、周边环境稳定性及施工中的地质灾害预防。
（一）建筑物地基的稳定性
1.地层性质的影响
建筑物的地基或为天然的岩石和土体，或是人工堆填的土石。在建筑物荷载压力作用下，岩土孔隙缩小，颗粒下移，产生变形变位，引起地基沉降。
地基的沉降分均匀沉降和不均匀沉降。从建筑物安全的角度看，一定限度的均匀沉降是容许的，下沉过大或不均匀则会影响建筑物的正常使用，甚至被破坏。
地基的不均匀沉降与地层性质不均匀有关。土体的不均匀表现在不同类型的土体压缩性不同。岩石的不均匀性表现在不同状态的岩石抗压强度各异。
压缩模量(Es)描述土体压缩性，指土在侧限条件下受压时，某压力段压应力增量与压应变增量之比。因此，土体的压缩模量愈大，同等压应力增量下，压应变增量小，即土体的压缩性小；反之，压缩模量愈小，土体的压缩性大。
由于压缩模量随压力区段范围不同而变化，工程上常用压力变化从0.1MPa至0.2MPa所得的压缩模量Es12来判断土的压缩性（表6-7）。设问：分析山前冲积平原某大型建筑地基不均匀沉降的原因？


显然，砾石、干燥的砂和黏土压缩性较小，湿润、饱和、可塑性的砂与黏土压缩性大。同样的建筑物荷载，地层性质的差别，必然导致地基的不均匀沉降。人工堆积的土石，压缩模量小于相类似的天然岩土，因此，建筑物地基跨越自然地层和人工土层时，要注意地基的不均匀沉降。
通常岩石是坚硬的，压缩性很小，但在压力作用下会遭受破碎。岩石的抗压强度是反映岩石抵抗压力破坏的力学指标。岩石单向受压时，抵抗压碎破坏的最大轴向压应力，称岩石的极限抗压强度。不同类型、状态的岩石有不同的抗压强度（表4-1）。

表6-8列出了主要岩石的抗压强度，表明影响抗压强度的因素主要有3类：
①岩性特征，即岩石的矿物成分、颗粒大小、胶结程度，特别是层理、片理构造，对岩石强度影响很大。
一般压力方向垂直层理时的抗压强度大于平行层理；结晶岩石的抗压强度大于非结晶岩石；细晶岩石的抗压强度大于粗晶岩石。
②风化程度，岩石风化形成裂隙，大大降低抗压强度。新鲜花岗岩抗压强度超过1000kg/cm²，而风化后可降低至40kg/cm2或更低。
③水分条件，饱和状态下岩石的抗压强度小于天然或干燥条件下的岩石。
不同岩石抗压强度及最大承载力的差别，也影响地基平衡。
2.活断层的影响
非常严重。活断层造成地面错动及变形，直接损害临近的建筑物。例如1976年河北唐山地震，出现长达8km的地表错断，呈NE30°方向穿越市区，最大水平错距3m，最大垂直断距1.0m，破坏了切过的所有建筑物（图6—17)。宁夏石嘴山红果子沟一带的活断层，将400年前修建的明代长城水平错开1.45m(右旋)，垂直断距达0.9m。

因此，建筑物地基选址应尽可能避免跨越活断层。活断层指目前正在活动、近期有过活动或不久的将来可能重新活动的断层。但对于“近期”的理解不一致，有人认为限于全新世之内（距今12000年以来），也有人认为以14C测年的可靠上限（距今35000年以内)为界。至于“不久的将来”则是指重要大型建筑物（如大坝、核电站等)的使用年限，一般按100年考虑。
活断层的突出特点即近期的活动性，其判别标志有：
①全新世以来地层的错断、拉裂或扭动；
②地表疏松土层出现大面积有规律分布的地裂缝；
③错断现代地貌体，引起水系调整；
④顺谷断层造成河谷两侧河漫滩与低阶地不对称；
⑤古建筑被错断；
⑥伴随火山或地震活动；
⑦有重力、地热、射线等物理异常现象；
⑧可直接监测断层位移量。
设问：说明地震导致某山区河流流向、支流、流域变化的过程？
3.地下水位与水质变化的影响
(1)水位变化对地基的影响：改变地层的物理性状，引起地基不均匀沉降。地下水位的变化包括上升与下降两方面。
地下水位上升，意味着原来处于包气带中的部分岩土体进入饱水带范围，从非饱和状态变成饱和状态。水与岩土相互作用，可使岩土水解、软化、崩解，水的浸润还可溶解岩土中的可溶性盐类，破坏岩土结构，导致不均匀沉降。
例如：黏土含量高、黏结力大的细粒土层，地下水的浸润使其饱和、软化、膨胀，降低了抗剪强度，易塑性变形；黏土含量较低的粉质土层，水的浸润降低了颗粒间的黏结力，水进入空隙时不平衡，引起粒间扩散层增厚的速度也不平衡，在粒间排斥力超过吸引力时，土体会崩解成散体；粉砂及粉细砂层含水饱和时，外来的振动（地震或人工振动）会引起砂土液化，形成流砂、管涌，导致侧壁变形、坍塌等破坏过程。
此外，地下水位接近地表的地区，水位上升可引起表土沼泽化、盐渍化，淹没建筑物地下洞室，甚至使地基上浮，建筑物失稳。在寒冷地区，地下多年冻土层的阻隔使地下潜水位升高，地基土中的含水量偏多。在冻结作用下，地基土冻胀、地面隆起变化，冻结的岩土体有较高的强度和较低的压缩性，但温度升高，岩土解冻，抗压和抗剪强度大大降低，压缩性增高，可使地基融沉，导致建筑物开裂失稳。
地下水位下降是原来处于饱水带中的岩土体进入包气带，从饱和状态变成非饱和状态，岩土体脱水、收缩、硬化，也会引起地面下沉。
人类超量开采地下水资源引起的地下水位下降往往是大范围，且难以恢复的。较大空间范围内地层均一性差，地面的不均匀沉降是必然的。
潜水带地下水位受气候和水文条件影响，发生频繁的季节性升降，在膨胀性岩土分布区极易造成地基膨胀收缩的不均匀变形，产生滑动、破裂、坍塌等不良地质现象。因此，这种地区的地基评价必须注意建筑场区的水文地质条件。
(2)水质变化对地基的影响：侵蚀、破坏建筑材料。水是自然界最普遍的溶剂，地下水形成过程中，往往溶解有一定数量的可溶性盐类，含有一定数量的有机或无机酸类。这些溶解物质决定了地下水的水质，也使其具有腐蚀地基混凝土建筑与金属管线的破坏力。这种破坏包括分解性、结晶性和复合性侵蚀。
①分解性侵蚀：地下水对地基建材的溶解作用。矿化度极低的软水（硬度