水文地质学基础 General Hydrogeology --主讲：李明辉.

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1 水文地质学基础 General Hydrogeology --主讲：李明辉

2 第三章 不同埋藏条件地下水 第1节 包气带与饱水带 第2节 含水层、隔水层 与弱透水层 第3节 地下水分类 第4节 潜 水 第5节 承压水
第4节 潜 水 第5节 承压水 第6节 上层滞水

3 3.1 包气带与饱水带 一、包气带与饱水带的划分 地下水面（水位）： （一般通过打井，地下开挖来确定）
3.1 包气带与饱水带 一、包气带与饱水带的划分 地下水面（水位）： 地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满， 形成一个自由水面，以海拔高度表示称之地下水位 （一般通过打井，地下开挖来确定） 包气带与饱水带

4 第1节 包气带与饱水带

5 第1节 包气带与饱水带 包气带和包气带水类型 地表以下第一个连续稳定自由水面以上的岩土层，称为包气带。存在于包气带中的水，称为包气带水。
特点： ①岩石空隙未被水充满 ②是固、液、气三相介质并存介质 水的存在形式（多样） 结合水、毛细水（各种）、重力水、气态水

6 第1节 包气带与饱水带 包气带（zone of aeration or zone of unsaturation）
包气带水的垂直分带 土壤水带， 中间带（过渡带） 支持毛细水带，毛细饱和水带 包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道；“重力水”通过包气带获得降水、地表水的入渗补给（补充），部分水又通过包气带将水分传输，蒸发，消耗出去。

7 第1节 包气带与饱水带 包气带水垂直分带： 包气带水来源： 土壤水带、过度带和毛细带。 -大气降水 -地表水体渗漏
-地下水面通过毛细上升输送 -地下水蒸发

8 第1节 包气带与饱水带 土壤水带 补给：降水和灌溉得到补给达到饱和。 范围：地表向下直到植物的主根带；厚度随土壤类型和植物变化。 分类：
结合水：吸附在土壤颗粒表面，不能被植物利用 毛细水：表面张力作用，能被植物所利用 重力水：过剩的土壤水，在重力作用下能从土壤中排放出来

9 第1节 包气带与饱水带 过度带（中间带） 毛细带 范围：土壤水带下界与毛细带上界之间。厚度变化大
分类：气态水、结合水、毛细水、过路性质的重力水。 毛细带 范围；饱水带水面与水的毛细上升极限之间，与岩性有关。

10 第1节 包气带与饱水带 包气带类型 簿型（△H＜Hc）：厚度不大，几十cm~1m左右；降水入渗补给地下水途径短，地下水面上升快；土层含水量大。 厚型（ △H 》Hc ）：厚度大，一般几十米；降水入渗补给途径长，补给量减少；地下水蒸发明显减弱，甚至完全停止；土层含水量小。 过渡型：厚度介于两者之间，明显的季节性，即雨季为簿型，旱季为厚型。

11 第1节 包气带与饱水带 二、饱水带 特点: 岩石空隙全部为液态水所充满→是二相介质（固相+液相水） 空隙中水的存在形式： ①重力水 ②结合水
①重力水 ②结合水 性质： 重力水：连续分布（孔隙是连续的）→传递压力→在水头差作用下，地下水（空隙中的水）可以连续运动。 饱水带开挖坑道、巷道、基坑，打井均有重力水涌出来！ 饱水带是人类开发利用或排除的主要对象，也是水文地质学研究的主要对象。

12 第2节 含水层、隔水层与弱透水层 一、基本概念 饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力而进行的划分 含水层： 隔水层： 透水层：
是能够透过并给出相当数量水的岩层--各类砂土、砂岩、裂隙或岩溶发育的岩层等。 不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩层——裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、致密粘土等。 指在一般的野外条件下允许大量的水在其中运动透过的地层。

13 第2节 含水层、隔水层与弱透水层 弱透水层： 指那些渗透性相当差的岩层，在一般的供排水中它们所能提供的水量微不足道，似乎可以看作隔水层的地层,但在较大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的岩层。 如：松散层中的粘性土、基岩中的砂质页岩、泥质粉砂岩等

14 概念的相对性 从实际应用角度来看划分的相对的性——相当水量 从理论意义来看——微不足道
定义中的模糊概念—“相当水量，微不足道，较大水力梯度”等 严格的“是与非”的逻辑思维，在很多情况下是相对的和模糊的概念相对性的意义： 从实际应用角度来看划分的相对的性——相当水量 满足需要就可以了。如在某处一口井出水量80m3/d，作为1万人的供水，非含水层；作为饮料厂、装瓶生产则为含水层。又如一个小泉水流量0.11/s≈8.6m3/d，大厂——非，村用——是。 从理论意义来看——微不足道 微不足道，有时空尺度的制约。 如华北平原早期地下水开采就是典型的例子，深层水与浅层水的开采有一粘土隔水层；后开采深层，水量大，水位降低快，浅层水向深层“越流”--粘土层成为“透水层”。 现在进行水文地质计算、模拟时，不再简单二分了，而是用模糊学的研究方法，给个隶属度1，0之间，可以为 0.8,0.7,… 0.3,表示“透水性”？

15 第2节 含水层、隔水层与弱透水层

16 第2节 含水层、隔水层与弱透水层 含水层、隔水层和透水层的相对性 岩性相同的地层根据不同研究目的可划分为含水层或隔水层。
修水库时，要考虑建库后水库是否渗漏？ 供水时，考虑水量是否足够，是否为含水层？ 某组地层是含水层还是隔水层？其界定要灵活运用！ 现代水文地质模拟计算，不再简单地划分为含水层、隔水层，而是把不同岩层附于不同渗透参数。

17 概念的思考？ 1.这组地层是含水层还是隔水层？ 煤层开采，巷道（矿坑）会否有水？ 如果需要修水库，建坝后库水是否渗漏？ 如供水的需要——如何布置勘探？ 大坝 A B

18 第2节 含水层、隔水层与弱透水层 含水层与隔水层

19 第2节 含水层、隔水层与弱透水层 含水层的分类 根据含水层空隙情况分： 孔隙含水层：含水层的空隙主要是孔隙。如砾石或砂砾石含水层。
裂隙含水层：含水层的空隙主要是裂隙。如砂岩裂隙含水层、花岗岩裂隙含水层。 岩溶含水层：含水层的空隙主要是溶穴。如溶孔、溶洞等充水后形成的岩溶含水层。

20 第2节 含水层、隔水层与弱透水层 根据含水层透水性在空间上的变化分： 均质含水层：K（x，y，z）= 常量 如厚层均匀的砂砾石层
根据渗透性与水流运动方向的关系分： 各向同性含水层： Kx = Ky = Kz 各向异性含水层： Kx ≠ Ky ≠ Kz

21 第2节 含水层、隔水层与弱透水层 含水带、含水系统 基岩含水带 地下水埋藏分布受岩性控制与地质体分布一致者，为含水层；
地下水埋藏分布不受地质体限制而主要受地质构造或风化作用控制的含水形式，为含水带。其形态多种多样，如带状、脉状等。 带状含水带：分布范围较宽的带状、似层状含水带 风化裂隙含水带 与岩层褶曲有关的构造裂隙含水带 岩溶含水带

22 第2节 含水层、隔水层与弱透水层 脉状含水带：分布范围呈狭长脉状的含水带 断层破碎带含水带 岩脉含水带 侵入接触带含水带
管状或洞穴状含水带——地下河 这是岩溶地区一种特有的岩石空洞含水形式，由大型水平溶洞构成地下河或地下湖。 与含水带对应的岩石的相对不透水部分，则构成含水带的隔水边界，称为隔水围岩。

23 第2节 含水层、隔水层与弱透水层 含水系统—Groundwater aquifer system 地下水含水系统：
是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系 含水系统：包含多个含水层和弱透水层，或局部隔水层 含水系统：可以进行子系统划分 含水系统的定义是从大的空间尺度研究含水层、隔水层、 与弱透水层的组合关系，是从地质成因角度对岩层的水文地质特征进行划分的分析方法(或给出的概念)

24 含水系统层次划分—系统与子系统 A B

25 第3节 地下水分类 地下水: subsurface water---指赋存于地面以下岩土空隙中的水。
第3节 地下水分类 地下水: subsurface water---指赋存于地面以下岩土空隙中的水。 groundwater---指赋存于饱水带岩土空隙中的水。 地下水分类 单一因素分类 按起源：初生水、再生水、凝结水、渗入水 按地下水动态：深入—蒸发型、深入—径流型 深入—蒸发径流（过渡型） 按化学成分：TDS、酸碱度、硬度 综合因素分类

26 第3节 地下水分类 孔 隙 水 岩 溶 水 裂 隙 水 包 气 带 水 潜 水 承 压 水 含水介质类型 埋藏条件
第3节 地下水分类 含水介质类型 埋藏条件 孔 隙 水 岩 溶 水 裂 隙 水 土壤水局部粘性土隔水层上季节性存在的重力水（上层滞水）过路及悬留毛细水及重力水 裂隙岩层浅部季节性存在的重力水及毛细水 裸露岩溶化岩层上部岩溶通道中季节性存在的重力水 各类松散沉积物浅部的水 裸露于地表的各类裂隙岩层中的水 裸露于地表的岩溶化构造中的水 山间盆地及平原松散沉积物深部的水 组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的各类裂隙岩层中的水 组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的岩溶化岩层中的水 包 气 带 水 潜 水 承 压 水

27 第3节 地下水分类 地下水埋藏条件 指含水层在垂直剖面上所处的位置及地下水在其中的运动是否受到隔水层的限制。 含水层介质
第3节 地下水分类 地下水埋藏条件 指含水层在垂直剖面上所处的位置及地下水在其中的运动是否受到隔水层的限制。 含水层介质 孔隙介质(porous media)——孔隙水 裂隙介质(fractured media)——裂隙水 岩溶介质(karstic media)——岩溶水

28 第3节 地下水分类 表3-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9类 孔隙水 裂隙水 岩溶水 包气带 上层滞水 潜水 孔隙潜水 裂隙潜水
第3节 地下水分类 表3-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9类 孔隙水 裂隙水 岩溶水 包气带 上层滞水 潜水 孔隙潜水 裂隙潜水 岩溶潜水 承压水 孔隙承压水 裂隙承压水 岩溶承压水

29 第3节 地下水分类

30 第4节 潜 水 一、潜水与潜水含水层概念 潜水： 饱水带中第一个稳定分布的隔水层之上，具有自由水面的稳定含水层中的水
第4节 潜 水 一、潜水与潜水含水层概念 潜水： 饱水带中第一个稳定分布的隔水层之上，具有自由水面的稳定含水层中的水 自由表面—即设有隔水层限制，与大气直接相通，除大气压强外不受其它力。 稳定—具有一定的空间连续性（范围）以示区分上层滞水 潜水含水层 ---赋存潜水的岩层 屋建筑时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）

31 第4节 潜 水 二、基本要素（专业术语） 潜水面 (water table)地面以下第一个连续自 由水面。
第4节 潜 水 二、基本要素（专业术语） 潜水面 (water table)地面以下第一个连续自 由水面。 潜水位 (water level )潜水面的海拔高程。 潜水含水层-地面以下第一个具有连续自由水面的含水层。 含水层厚度-潜水面到隔水底板的垂直距离。 潜水埋深-潜水面到地面的垂直距离。 潜水没有隔水顶板，或只有局部的隔水顶板； 潜水要素图

32 第4节 潜 水 5 6 3 D 4 8 7 M 1 2

33 第4节 潜 水 An unconfined aquifer with a horizontal impermeable base

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35 第4节 潜 水 潜水特征 分布区与补给区一致 潜水面不承受除大气压力外的其他任何附加压力 补给：降水入渗，河湖水入渗
第4节 潜 水 潜水特征 分布区与补给区一致 潜水面不承受除大气压力外的其他任何附加压力 补给：降水入渗，河湖水入渗 两种排泄方式：径流排泄：泉和渗流形式泄出地表 蒸发排泄：土面蒸发和植物蒸腾 补给或排泄通过含水层厚度变化而储水与释水！ 动态：受水文和气象控制和影响，呈季节性变化 水质和水量： 水质取决于气候、地形及岩性条件 ；易污染。 水量易恢复，但缺乏多年调节性 。

36 第4节 潜 水 潜水面形状及其影响因素 形状：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 。
第4节 潜 水 潜水面形状及其影响因素 形状：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 。 水平状：平原地区、潜水湖盆地 抛物状：山区、河谷两侧 折线状：断层、岩性及含水层厚度变化地区 辐射状：河曲地段、孤山地形 漏斗状：抽水井附近 倒漏斗状：注水井附近

37 第4节 潜 水 影响因素： 地形：通常地面坡度大的地方，水力坡度大。 含水层厚度及透水性

38 第4节 潜 水 水文气象因素：潜水面的形状和位置随时间变. 地质构造因素：除控制区域性潜水面形状外，不同构造部位，潜水面形状不同。
第4节 潜 水 水文气象因素：潜水面的形状和位置随时间变. 地质构造因素：除控制区域性潜水面形状外，不同构造部位，潜水面形状不同。 人为因素：开挖河渠、修建水库、取水、排水等。

39 第4节 潜 水 潜水等水位线图 由某时刻潜水位相等的各点连线组成的图件，称为潜水等水位线图 。（某时刻潜水面的等高线图） 确定潜水流向
第4节 潜 水 由某时刻潜水位相等的各点连线组成的图件，称为潜水等水位线图 。（某时刻潜水面的等高线图） 潜水等水位线图 确定潜水流向 确定潜水面水力坡度 确定潜水与地表水的补、排关系 确定潜水面埋深 分析推断含水层透水性及厚度变化 合理布置给排水工程

40 第4节 潜 水

41 第4节 潜 水 ①确定潜水流向（水流流向垂直于等水位线，从水位高的地方流向水位低的地方）； ②确定潜水的水力坡度；

42 第4节 潜 水 ③确定潜水与地表水的关系

43 第4节 潜 水 ③确定潜水与地表水的关系

44 第4节 潜 水 ④ 确定潜水埋藏深度及含水层厚度；

45 太原盆地孔隙水系统深层水位下降漏斗演变图
第4节 潜 水 ⑤了解地下水的变化趋势。 1、1965年漏斗范围（以770m水位线闭合面积）；2、1972年漏斗范围；3、1980年漏斗范围；4、1984年漏斗范围；5、2000年漏斗范围；6、地质界线。 太原盆地孔隙水系统深层水位下降漏斗演变图

46 第4节 潜 水 练习1

47 第4节 潜 水 读“潜水等水位线图” 回答下面题。 　　1、C处潜水位埋藏的深度为：（　　） 　　　A.5m　　　B.10m 　　C.15m 　　　D.20m 　　2、E处潜水的流向是：　　（　　） 　　　A.由西南向东北流　　　B.由东北向西南流　 　　　C.由东向西流　　　　　D.由西向东流 　　3、下列说法正确的是：　　（　　） 　　　A.C处为一河流　　　　　　　　B.E处为一河流 　　　C.A处地下水流速小于D处　　　D.C处有固定的潜水位 　　4、若该地地下水位上升可能导致：　　（　　） 　　　A.河水倒灌　　B.土壤盐渍化　　C.洪涝灾害　　D.农作物高产 1.A　　　2.A　　　3.C　　　4.B

48 第4节 潜 水 练习2

49 第4节 潜 水 上图为某地潜水等水位线图，读图回答1—3题
第4节 潜 水 上图为某地潜水等水位线图，读图回答1—3题 1.图中潜水的流向主要是: A.自北向南     B.自东向西 C.自西向东     D.自南向北 2.在A. C.D. E.四点中可能发育河流的是: A.A点  B.E点  C.C点   D.D点 3.如果在BCDE四点打井，如果不考虑其它因素，仅考虑地下水水位离地面的距离，最容易打到水是： A.E点  B.B点  C.C点   D.D点 答案:1.D  2.C  3.C

50 第4节 潜 水 练习3

51 第4节 潜 水 上图为某地两条河流两侧的潜水位等值线示意图，可反映河流与潜水补给关系的一般情况。图中数字表示潜水位(单位：米)。读图判断。
第4节 潜 水 上图为某地两条河流两侧的潜水位等值线示意图，可反映河流与潜水补给关系的一般情况。图中数字表示潜水位(单位：米)。读图判断。 A．a图河流和b图河流均自北向南流 B．a图河流自北向南流，b图河流自南向北流 C．a图潜水补给河流，b图河流补给潜水 D．a图河流补给潜水，b图潜水补给河流

52 第4节 潜 水 练习4

53 第4节 潜 水 上图中实线为地形等高线，虚线为潜水面等高线（单位：米），读图回答1—3题。
第4节 潜 水 上图中实线为地形等高线，虚线为潜水面等高线（单位：米），读图回答1—3题。 1． 钻孔井甲的潜水埋藏深度约 A．10米 B．5米 C．2.5米 D．0米 2． 地下水流速 A．①＝② B．②＝④ C．①＞③ D．③＞④ 3． 排水沟位置选择合理的是 A．① B．② C．③ D．④

54 第5节 承压水 基本概念 承压水：是充满在两个隔水层之间的含水层中具有静水压力的重力水。 承压含水层：赋存承压水的含水层。
隔水顶板和隔水底板：承压含水层上部和下部的隔水层（弱透水层）称作隔水顶板和隔水底板。 承压含水层厚度：隔水顶底板之间的距离为承压含水层厚度。 承压水盆地：形成承压水的向斜盆地。

55 第5节 承压水

56 第5节 承压水

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58 第5节 承压水 初见水位：钻进时，钻孔（井）揭穿承压含水层隔水顶板时所见到的水位。
承压水位（测压水位）：井中静止水位的高程就是承压水在该点的测压水位 。 承压水面：承压含水层各点的承压水位所组成的面。 承压水头：钻孔中静止水位到含水层顶面之间的距离称为承压水头。 正水头：承压水面高出地面时的承压水头。 负水头：承压水面低于地面时的承压水头。 自流水与自流区：具有正水头的承压水。自流水的分布区。

59 第5节 承压水

60 基岩自流盆地中的承压水 ①承压含水层 ②隔水顶板 ③隔水底板 ④承压含水层厚度（M） ⑤埋深（D） ⑥测压水位线（面）： ⑦承压高度-H
⑧补给区 ⑨承压区 ⑩排泄区 ⑾自溢区

61 第5节 承压水 承压水特点 分布区大于补给区。含水层中心部分埋没于隔水层之下，是承压区；两端出露于地表，这非承压区。含水层从出露位置较高的补给区获得补给，向另一个侧出露位置较低的排泄区排泄。 隔水顶板承受一定的静水压力。即静止水位高于初见水位。 承压水面是虚构面，只有在揭穿隔水顶板时才存在。 含水层厚度不发生显著变化（弹性储水与释水）

62 第5节 承压水 补给与排泄 有限区域与外界联系，水循环迟缓些，水交替慢，平均滞留时间长（年龄老或长）——恢复性差 水化学
变化较大，矿化度一般要高点，可以保留“古老”的水 动态 要稳定些，如果分布面积大，厚度稳定—则调节能力很强 问题？承压含水层的变化：在储水与释水时，含水层厚度是不变的，承压含水层的储水与释水是如何进行的？！

63 第5节 承压水 承压含水层得到补给而水量增加时，增加的水量通过水的密度的增加及含水介质空隙的增大而容纳；因排泄而水量减少时，减少的水量表现为含水层中水的密度减小及含水介质空隙的缩减。 贮水系数 （S）：指测压水位下降（或上升）一个单位深度，单位水平面积承压含水层释出（或储存）的水体积。 贮水率（Ss）（弹性给水度）：测压水位下降（或上升）一个单位深度，从单位体积的承压含水层释出（或储存）的水体积。

64 第5节 承压水

65 3.5.3 承压含水层的储水与释水 承压含水层的储水与释水 弹性给水度 μe 测压水位降低导致 这两部水很有限，所以 μe 很小 ；
承压含水层中当测压水位下降(或上升)1个单位，单位水平面积含水层较体所释放(或储存)的水量 测压水位降低导致 含水层孔隙中水的压力降低—水体积膨胀释水，水的膨胀系数约为 1/20000 孔隙水压力降低，岩层颗粒间承受压力增加—骨架被压缩 颗粒不变—骨架压缩 = 空隙体积减小（排列改变） ———发生释水（挤出来）水 这两部水很有限，所以 μe 很小 ； 与重力给水度 μd相比要 小10-1 ~ 10-3

66 承压含水层的弹性给水度 从理论上来看： 弹性给水度是可以恢复的 实际上弹性是有限恢复的
越过含水层弹性范围（限定），将产生一次性 的变形—即永久性不可恢复的变形 最终导致含水层的弹性给水与释水能力降低

67 3.5.4 潜水与承压水的相互转化 在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也是相对的 在复杂条件下，很难将某些含水层中的水划定为潜水或承压水
几个例子： 山区基岩互层 一个 较厚的含水层 一个封闭的含水层—潜水？ 开采前—潜水含水层 开采后—承压含水层 开采潜水与承压水的转化 Company Logo

68 第5节 承压水 承压水类型 承压水的形成条件 主要取决于构造条件：盆地构造、单斜构造等 其次是地层、岩性条件：透水性与地层的组合关系
最后是地形地貌条件： 盆地、谷地、山岭等影响补给与排泄 岩层组合关系影响蓄水条件

69 第5节 承压水 承压盆地水 埋藏于向斜构造的承压含水层中的水。 补、径、排特征： 补给区：具有潜水性质
补给来源：大气降水、地表水体水质与来源水接近，常为淡水 径流区：具有承压性，且不同位置的承压水头不同 排泄区：上升泉、泄流、潜水含水层 TDS相对较高。

70 第5节 承压水 两个承压含水层之间的补排关系：

71 第5节 承压水 承压斜地水 单斜构造：在一定范围内岩层产状基本不变的倾斜构造。 承压斜地水：埋藏于单斜构造中承压含水层的水。 三种情形：
-含水层沿倾斜方向在深部尖灭 -单斜含水层被导水断层所截形成的 承压斜地水 -含水层倾没端为阻水构造， 如阻水断层、岩脉或岩体。

72 第5节 承压水

73 第5节 承压水

74 第5节 承压水

75 第5节 承压水 等水压线图 某承压含水层 承压水面的等高线图。 确定承压水流向 确定承压水面水力坡度 确定承压水位距地表的深度
确定承压水头大小 确定与其他含水层或地表水体的关系。（需有等水位线图或地表水体水位）

76 第5节 承压水

77 第6节 上层滞水 上层滞水 包气带中位于局部隔水体以上具有自由水面的重力水。 有如下特点： 补给：大气降水 排泄：蒸发、向隔水体边缘流散排泄
动态变化：雨季补给，旱季消耗，甚至没有。 水质水量：含盐量低，易受污染； 水量小，仅能作为小型或暂时性供 水水源。

78 第6节 上层滞水 Perched aquifer and water table above a lens of low K clay

79 3.5 承压水与承压含水层 第三章结束 这是包气带中唯一有实际利用价值的重力水
3.5 承压水与承压含水层 这是包气带中唯一有实际利用价值的重力水 前第一、二、三章，是水文地质学中常用的基本概念和术语，要求掌握 后几章将着重介绍一些基本理论与方法 有关地下水运动的内容，请参考学习《水力学》中有关水头、水力梯度的概念。 第三章结束

80 作业 1．绘制简单水文地质剖面图，分别反映并表示地下水面、饱水带、包气带（土壤水带、中间带、毛细水带）？    2．绘制一水文地质剖面图，使之反映并表示出含水层、隔水层、潜水、承压水、上层滞水？(1—隔水层；2—透水层；3—饱水部分；4—潜水位；5—承压水测压水位；6—泉（上升泉）；7—水井，实线表示井壁不进水；a—上层滞水；b—潜水；c—承压水)