潜水面的确定方法

饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水称作潜水。潜水没有隔水顶板，或只有局部的隔水顶板。潜水的表面为自由水面，称作潜水面从潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层的厚度。潜水面到地面的距离为潜水埋藏深度。潜水含水层厚度与潜水面潜藏深度随潜水面的升降而发生相应的变化。

由于潜水含水层上面不存在完整的隔水或弱透水顶板，与包气带直接连通，因而在潜水的全部分布范围都可以通过包气带接受大气降水、地表水的补给。潜水在重力作用下由水位高的地方向水位低的地方径流。潜水的排泄除了流入其他含水层以外，还可以通过径流和蒸发排泄。

一般情况下，潜水面是向排泄区倾斜的曲面，起伏大体与地形一致而较缓和。潜水面上任一点的高程称为该点的潜水位。

潜水面为一个自由水面，它到地面的距离为潜水面深度。各构造带潜水面深度通常不一致，由于受断层分隔，同一构造带潜水面也有区别。潜水面深度的确定方法分为4种。

1.承压水头法

充满于两个隔水层(弱透水层)之间的含水层中的水，称为承压水。承压含水层上部的隔水层(弱透水层)称作隔水顶板，下部的隔水层(弱透水层)称作隔水底板。隔水顶、底板之间的距离为承压含水层厚度。

多数情况下，潜水与承压水经常处于相互转化之中，除了构造封闭条件下与外界没有联系的承压含水层外，所有承压水最终都由潜水转化而来，或由补给区的潜水侧向流入，或通过弱透水层接受潜水的补给。因此，在某一区域内如果存在明显的承压水补给区，则承压水水面即为潜水面(图3-3)。

图3-3 潜水与承压水关系

2.测井分析法

潜水面以上由于地层中没有水介质，类同于孔隙内充满空气，在测井曲线上有非常明显的特征:①由于潜水面以上地层导电性差，电阻率明显升高，所以潜水面上、下电阻率曲线有较明显的台阶②由于孔隙中无流体，与正常地层比较，声波时差普遍增大，“周波跳跃严重”，密度孔隙度变大，中子孔隙度变小，所以潜水面上、下孔隙度曲线也有较明显的台阶。

3.地震波分析法

潜水面上、下地层由于孔隙内包含的物质不同，造成地震波传播速度存在显著差异，潜水面为速度的分界面，潜水面之上的包气带可视为低降速层，潜水面之下可视为高速层。因此，潜水面深度即为低降速层厚度。根据三塘湖盆地实测地震资料计算出该地区潜水面深度在3.2～49.2m之间(表3-2)，平均为19.5m。

表3-2 马朗凹陷潜水面求取数据

续表

4.反推法

在开放体系中，储层压力理论上与埋深之间具有线性关系，因此，在0压力时的海拔高度即可求取潜水面深度。但这种方法需要的压力资料往往在油田进入开发时期才能得到。

图3－4 潜水面形状(据北京地质学院水文地质教研室，1965)

1.潜水面的形状及其影响因素

潜水面的形状是潜水的重要特征之一，它一方面反映外界因素对潜水的影响另一方面也反映潜水的特点，如流向、水力坡度等。

潜水在重力作用下从高处向低处流动，称为潜水流。在潜水流的渗透途径上，任意两点的水位差与该两点间的距离之比，称为潜水的平均水力坡度(水力梯度)。一般潜水的水力坡度很小，平原区常为千分之几或更小，山区可达百分之几或更大。这是因为不同地区的水文网发育程度和切割程度不同，潜水的排泄条件也不同，排泄条件好的，潜水面坡度就大，反之则小。

一般情况下，潜水面是呈向排泄区倾斜的曲面。潜水面的形状和水力坡度受地形地貌，含水层的透水性、厚度变化及隔水底板起伏，气象水文因素和人为因素等的影响。

自然状态下，潜水面的起伏和地表的起伏大体一致，但较地形平缓。古凹地中埋藏的潜水，潜水面可以是水平的，当潜水不能溢出古凹地时则成为潜水湖，能溢出时变为潜水流。如山东张夏河谷盆地中，在干旱季节潜水就成潜水湖，而雨季补给充沛时就转化为潜水流。

当含水层变厚，透水性变好时，水力坡度也随之变小，潜水面平缓反之，水力坡度变大，潜水面变陡(图3－4)。

隔水底板凹陷处含水层变厚，潜水面变缓隔水底板隆起处，潜水流受阻，含水层变薄，潜水面突起，甚至接近地表或溢出地表形成泉(图3－5)。

图3－5 受阻的潜水流

在河流的上游地段，水文网下切至含水层时，潜水补给河水，潜水面向河流或冲沟倾斜在河流的下游地段，河水位高于潜水，河水补给潜水，潜水面便倾向于含水层。在河间地带，潜水面的形状取决于两河水位的关系，可以形成分水岭也可以向一方倾斜，由高水位河流向低水位河流渗透 ( 图 3 －6) 。

人为因素的影响可急剧地改变潜水面形状。如集中开采区可形成中心水位下降数十米的降落漏斗。水库回水使地下水水位大幅度升高，不仅改变潜水面形状而且可改变补排关系。

图3－6 两河间不同季节潜水面形状

2. 潜水面的表示方法和意义

潜水面的形状和特征在图上的表示方法一般有两种。一种是水文地质剖面图，另一种是平面的等水位线图。这两种图都要在水文地质调查及勘探中获得有关水文地质资料的基础上编制。这些资料除了包括地形图资料外，应当有潜水天然露头点位置及水位、水量、各井孔的位置标高、地下水位、含水层的岩性、厚度、成井工艺等。在基岩地区，尚有岩心获取率、岩心素描及钻探情况，以及有关水文、气象资料等。

水文地质剖面图是在具有代表性的剖面线上，按一定比例尺绘制而成。该图上不仅要表示含水层、隔水层的岩性和厚度的变化情况以及各层的层位关系等地质情况，还应把各水文地质点 ( 钻孔、井、泉等) 的位置、水量标于图上，并标上各水文地质点同一时期的水位，连出潜水的水位线。水文地质剖面图可以反映出潜水面形状和地形、隔水底板、含水层厚度及岩性等关系 ( 图 3 －7) 。

潜水等水位线图，就是潜水面的等高线图。它是在一定比例尺的平面图上 ( 通常以地形等高线图为底图) ，按一定的水位间隔 ( 等间距) ，将某一时期潜水位相同的各点连成线，这就是水位等高线，它是水文地质基本图件之一 ( 图 3 －8) 。由于潜水位随时间而变化，所以在编制潜水等水位线图时，必须利用同一时期的水位资料。其具体编制方法与地形等高线图的编制方法相仿。编制等水位线图时，首先必须有足够的潜水天然露头点和井孔点的水位资料，点的密度决定于编制该图的比例尺大小。将这些点及其水位资料投于地形图上，根据各点水位高低，按等间距将水位相同的点连成线，这就是水位等高线。等水位线的间距大小，决定于比例尺和观测点的数目及潜水水力坡度的大小。为了反映不同时期潜水面形状，在一个地区最好编制出高水位和低水位不同时期的等水位线图，以便对比。

图3－7 南京市附近水文地质剖面图( 据王德明等，1986)1—黏性土2—细砂3—中砂4—粗砂5—砂砾6—砾石7—黄土状粉土8—砂岩及页岩9—砾岩夹薄层砂岩10—钻孔11—泉12—地下水水位线13—地表水水位

根据等水位线图可以解决以下几方面的实际问题:

( 1) 确定潜水的流向

潜水流向始终是沿着潜水面坡度最大的方向流动，即沿垂直等水位线的方向由高水位向低水位运动，如图 3 －8 箭头所示。

图3－8 利用等水位线图求潜水流向及水力坡度( 据王大纯等，1986)

( 2) 确定潜水面的水力坡度

相邻两条等水位线的水位差除以其水平距离即为潜水面坡度，当潜水面坡度不大时，可视为潜水的水力坡度。按此定义，图 3 －8 上 A，B 两点间的平均水力坡度为

普通水文地质学

式中:IAB为A，B间的水力坡度HA，HB为A，B两点的水位高程，mAB为A，B两点间距离，m。

(3)判断潜水和地表水的补排关系

在标有河水位的潜水等水位线图上，根据图中地下水的流向，就能确定潜水与地表水的补排关系(图3－9)。

图3－9 地表水和潜水关系(据北京地质学院水文地质教研室，1965)

(4)确定潜水埋藏深度

等水位线与地形等高线相交之点，二者的高程之差，即为该点潜水的埋藏深度。根据各点的埋藏深度，按照埋藏深度的不同等级，将埋藏深度相同的点连成圆滑的曲线，可以绘出潜水埋藏深度图。

(5)确定泉水出露位置和沼泽化范围

地形等高线与潜水等水位线标高相等且相交的地点，为泉水出露点，或是与潜水有联系的湖泊、沼泽等地表水体。

(6)推断含水层岩性或厚度的变化

当地形坡度无明显变化，而等水位线变密处，表征该处含水层透水性能变差，或含水层厚度变小。反之，等水位线变稀的地方，则可能是含水层透水性变好或厚度增大的地方(图3－9)。

(7)确定含水层厚度

当已知隔水底板高程时，可用潜水位高程减去隔水底板高程，即得该点含水层厚度。

(8)作为布置引水工程设施的依据

取水工程最好布置在潜水流汇合的地区，或潜水集中排泄的地段。取水建筑物排列方向一般应垂直地下水流向，即和等水位线相一致。

潜水面就是包气带以内的地下水面，地下水位一般指的就是潜水面水位。这个图的意思就是，在丰水期（汛期），河道水位高于地下水位，因此河道径流补给地下水；在枯水期，地下水位高于河道水位，因此地下水补给河道径流。

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