向下运动的水最终达到一个完全饱和的区域,即潜水层。潜水层顶部即地下水位或浅层地下水面。地下水位以上的区域称为毛细管带,在毛管带内空隙都充满了靠毛细作用聚集的水。因此,严格地说,潜水含水层如果指为地面以下受降水补给的具有自由水面的饱和岩土,则其上界与完全饱和的岩土层上界不同,潜水含水层的上界是自由水面,即凿井后出露的水面高度,而饱水层的上界要高于自由水面,因为毛细作用的影响,自由水面上一定高度的岩土也是饱和的。在黏土或粉土的极小空隙中,毛细作用非常强。因此,毛细管带可以从地下水位向上延伸很大距离。砂岩或有大孔隙的土壤中,毛细作用非常弱,毛细管带狭窄。
毛细管带和地表面之间是包气带。此层有空气、微生物、薄膜水、毛管水和重力作用驱动的向下移动的水分。薄膜水是由分子吸力附着在单个土壤颗粒上的水分。
含水层和隔水层的复杂组合构成了众多的地下水系统。例如,上层滞水出现在包气带内规模有限的浅层隔水层上,该区域收集了上部渗水,形成一个“小型潜水层”。在许多情况下,上层滞水只出现在雨季期间。上层滞水为水源的水井虽然在旱季会出现缺水,但它通常也是当地重要的地下水源。
自流井用来开采承压含水层中的地下水。由于一承压含水层中的静水压力水头高于地面,井水可以自由流出。
在河流水生态系统保护与修复的技术标准中,应该重视地下水和地表水发生的相互转换。很多转换具有重要的生态学意义。地下水集中出露的称为泉水,不仅具有美学意义和旅游价值,且是很多河道基流的重要补给源。深层承压水承载着一定的地面负荷,水位下降必然将相应的压力负荷转移到含水层和弱透水层上,尤其是弱透水层或隔水层,往往是有黏土构成的,易发生塑性变形,导致地面下沉等环境地质灾害。干旱地区的天然绿洲植被往往是依靠潜水来生存的,在这些地区,必须维持地下水的生态水位,否则植被的衰亡不仅导致生态灾难,甚至会诱发沙漠化等问题。这类地区降水少,地下水的补给主要来自地表水渗漏补给或者灌溉用水的渗漏。为了保护植被,必须维持一定的地下水补给量。山区基流具有更显著的生态意义。
3.地面径流
当降水或融雪水的产水速率超过土壤入渗能力,来不及人渗的水分会在地表汇集流向下游。影响径流过程的因素包括气候、地质、地貌、土壤特性和植被。这一部分介绍三个基本径流类型。
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