学科前沿讲座-矿井突水渗流理论及研究方法
渗流理论在地质灾害预警系统

渗流理论在地质灾害预警系统一、渗流理论概述渗流理论是一种研究流体在多孔介质中流动的科学理论,广泛应用于地质学、环境科学、土木工程等领域。
它主要研究流体在岩石、土壤等多孔介质中的渗透、扩散和流动过程。
渗流理论的核心在于理解和预测流体在多孔介质中的运动规律,从而为相关领域的工程实践和科学研究提供理论支持。
1.1 渗流理论的基本原理渗流理论的基本原理包括达西定律和孔隙介质的渗透性。
达西定律描述了流体在多孔介质中的线性渗透流动,其基本公式为:\[ Q = k \cdot A \cdot \frac{\Delta h}{L} \]其中,\( Q \) 表示流量,\( k \) 表示渗透系数,\( A \) 表示横截面积,\( \Delta h \) 表示水位差,\( L \) 表示介质长度。
渗透系数是衡量介质渗透性的关键参数,它与介质的孔隙率、孔隙形状和大小等因素有关。
1.2 渗流理论的应用领域渗流理论在多个领域有着广泛的应用,主要包括:- 地下水资源开发:通过渗流理论可以预测地下水的流动路径和速度,为水资源的开发和利用提供科学依据。
- 环境工程:在污染物的迁移和扩散研究中,渗流理论可以帮助预测污染物在土壤和地下水中的传播路径。
- 土木工程:在地基工程、隧道工程等中,渗流理论可以用于评估地基的稳定性和隧道的安全性。
- 地质灾害预警:渗流理论在地质灾害预警系统中,可以预测和评估地质灾害的发生概率和影响范围。
二、地质灾害预警系统中的渗流理论应用地质灾害预警系统是一种用于监测和预测地质灾害的综合性系统,其目的是通过科学的方法和手段,提前发现地质灾害的征兆,减少灾害带来的损失。
渗流理论在地质灾害预警系统中扮演着重要的角色,通过分析和预测流体在多孔介质中的流动,为地质灾害的预警提供理论支持。
2.1 地质灾害预警系统的基本构成地质灾害预警系统一般包括以下几个部分:- 监测设备:用于实时监测地质环境的变化,如地下水位、土壤湿度、地表位移等。
采矿工程专业毕业设计论文:矿山透水性及渗流规律研究

采矿工程专业毕业设计论文:矿山透水性及渗流规律研究标题:矿山透水性及渗流规律研究摘要:矿山透水性及渗流规律是矿山工程中的重要问题之一。
本文通过对矿山透水性的研究,分析了矿山岩体透水性的主要影响因素,并探讨了矿山渗流规律。
研究结果表明,在矿山设计与开发过程中,合理地控制矿山透水性和渗流规律对于矿山的安全生产和环境保护具有重要意义。
关键词:矿山透水性、渗流规律、安全生产、环境保护1. 引言矿山透水性是指矿山岩体对水的渗透性能,是矿山工程设计、开发和安全生产的关键因素之一。
透水性的大小直接影响着矿山内部的渗流规律,进而对矿山的工况和稳定性产生影响。
合理地掌握矿山透水性及渗流规律,对于确保矿山的安全生产和环境保护至关重要。
2. 矿山透水性研究2.1 透水性的主要影响因素矿山透水性的大小与岩石的孔隙度、岩石压实度、物理组成等因素密切相关。
其中,孔隙度是决定透水性的关键因素之一。
研究发现,孔隙度越大,透水性越强。
此外,岩石的压实度和物理组成也会影响透水性,密实度高的岩石透水性较差,而物理组成中存在一定水分的岩石透水性相对较强。
2.2 透水性测试方法透水性测试是研究矿山透水性的常用方法之一。
常见的测试方法包括渗透试验、渗流试验和岩芯试验等。
其中,渗透试验通过施加一定压力,测量渗透液通过岩石试样的速率和压力变化,结合多孔介质流动理论,计算透水性。
渗流试验则通过实际矿山场地中的水文观测,对矿山透水性进行实时监测和分析。
3. 矿山渗流规律研究3.1 渗流规律的描述方法矿山渗流规律的描述方法主要有达西定律、伏特方程和导通率方程等。
其中,达西定律是描述流体在渗流过程中速度与压力之间关系的经典定律。
伏特方程则是描述流体在多孔介质中的流动规律,通过流速、流量和渗透性等参数进行描述。
导通率方程则结合渗透性、渗流压力和渗透液的物理性质等因素,更全面地揭示了渗流规律的复杂性。
3.2 渗流规律的数值模拟研究为了进一步研究矿山渗流规律,数值模拟方法被广泛应用。
渗流力学与地下水资源开采

渗流力学与地下水资源开采地下水是一种重要的水资源,被广泛应用于城市供水、农业灌溉、工业生产等方面,是人类赖以生存和发展的基础之一。
然而,随着全球人口的增长和工业化进程的加快,地下水资源面临着极大的压力。
在这样的背景下,渗流力学成为了研究地下水资源开采与管理的重要手段。
首先,什么是渗流力学?它是一门研究流体在多孔介质中流动特性和规律的学科。
它的理论基础包括多相流动、非线性扩散和动力学等,涉及领域非常广阔。
在地下水资源开采方面,渗流力学主要应用于模拟地下水运移的过程和变化规律,以及预测可采储量和地下水能否长期稳定供给等。
其次,渗流力学在地下水资源开采中的应用。
通过渗透试验、地下水压力测试、井水位监测和地下水化学分析,可以了解地下水的储层特征和水文地质勘探结果,建立地下水模型。
然后,可以应用渗流力学理论,通过计算分析地下水运移的速度、方向、扩散范围、压力、渗透率等参数,为地下水资源的合理开采提供技术支持。
进一步地,渗流力学的应用可以提高地下水资源开采的效率和质量。
例如,通过数值模拟,可以探究不同开采方案下的地下水位变化、渗透压力分布、水质变化等,预测地下水资源的可采储量、开采效益和环境影响等。
同时,渗流力学的应用也可以指导地下水资源的管理和保护,包括地下水污染的防治、地下水流域的管理和调度等。
另外,渗流力学研究也带来了深刻的科学意义和社会影响。
在地下水资源开采过程中,渗流力学的应用促进了科技与环保的协调发展,提高了资源的利用率,减少了地下水过度开采和污染的风险,增强了人类对地球环境的认识和管理能力。
此外,渗流力学的理论研究还涉及到地球物理、石油勘探、地震预测等领域,对多学科交叉和知识升华也具有一定的启示意义。
最后,我们需要意识到,地下水资源是非常脆弱的生态系统,一旦过度开采或污染,很难进行恢复和修复。
因此,科学管理和保护地下水资源变得尤为重要。
渗流力学作为地下水资源开采和管理的重要工具,不仅需要科学家深入的研究和探索,更需要政府、企业和社会公众的共同参与和推动,建立健全的地下水资源管理制度,实现可持续利用和发展。
渗流力学研究思路

渗流力学研究思路一、引言渗流力学是研究流体在多孔介质中的运动规律和力学特性的学科。
在地下水资源开发、土壤水分运动、油藏开发等领域中具有广泛应用。
本文旨在探讨渗流力学的研究思路。
二、研究背景渗流力学研究的基础是多孔介质的特性分析。
多孔介质是由固体颗粒形成的空隙系统,流体通过这些空隙进行运动。
研究多孔介质的孔隙结构、孔隙度、渗透率等参数,可以为渗流力学的研究提供基础。
三、实验方法1. 渗透率测定渗透率是衡量多孔介质渗流能力的重要参数。
实验可以采用渗流仪或渗透试验进行测定,通过记录单位时间内流体通过多孔介质的体积来计算渗透率。
2. 孔隙度测定孔隙度是指多孔介质中孔隙的体积与总体积之比。
可以使用浸水法、气体置换法或介质饱和法等方法进行测定。
3. 渗流场模拟渗流力学研究需要建立渗流场模型,模拟多孔介质中流体的运动规律。
常用的方法有有限元法、有限差分法等。
通过模拟计算,可以得到流体在多孔介质中的压力分布、速度分布等参数。
四、理论分析1. 边界条件分析在渗流力学研究中,边界条件的设定对结果具有重要影响。
根据具体问题的不同,可以设定不同的边界条件,如恒定压力、恒定流量等。
通过理论分析,可以得到边界条件对渗流场的影响规律。
2. 渗流方程推导渗流力学的核心是渗流方程的建立。
根据流体力学原理,可以推导出多孔介质中渗流方程,如达西定律、理想渗流方程等。
通过对这些方程的研究,可以理解渗流现象的本质。
五、数值模拟数值模拟是渗流力学研究的重要手段。
通过数值方法求解渗流方程,可以得到多孔介质中流体的运动规律。
常用的数值方法有有限元法、有限差分法等。
通过调整模型参数,可以模拟不同条件下的渗流现象。
六、实际应用渗流力学的研究成果在实际应用中具有重要价值。
在地下水资源开发中,可以通过渗流力学研究预测地下水位变化、控制地下水污染。
在土壤水分运动研究中,可以通过渗流力学模型预测土壤水分分布、优化灌溉方案。
在油藏开发中,可以通过渗流力学研究优化注采方案,提高油田开发效率。
试论矿井突(涌)水系统及其研究方法

关键词 :突( 水系统; 涌) 子系统; 认识论 ; 方法论 ; 岩体 结构 ; 控制论 中图分类号:P 2 . 文献标识码 : 文章编号 : 6 2— 19 2 0 )2— 0 1— 4 648 A 17 7 6 ( 0 8 0 0 0 0
引 言
我 国煤 炭资 源 丰富 , 世 界产 煤 最 多 的 国家 是 之一 , 原煤 总产量 的 9 %来 自地 下开 采 。然 而我 5 国煤 田地质 条件 十分复杂 , 突水 事故 、 瓦斯灾 害是 世界 上最严 重 的 国家 , 中国 的煤 与 瓦斯 突 出 总次 数 占全世 界 突 出现 象 总数 的 1 3以上 , 水威 胁 / 受 的煤 炭储量 占探 明储 量 的 2 % , 矿 中频 繁发 生 7 采 的突 ( ) 灾 害 严 重 威 胁 着 煤 矿 的安 全 生 产 。 涌 水 例如 ,9 5年 5月 1 日, 13 3 山东 淄 博 市 北 大 井 , 由 于巷道 掘至 与河水 连通 的断层带 , 造成 突水 , 最大 涌水量 6 8m / i , 山停 产报 废 , 4 mn矿 淹死 矿 工 30 5 人 ; 9 4年 6月 2 日,1 1 采 工作 面 发 生特 大 18 27 综 透水灾 害 , 大涌 水 量 2 5 mi, 使该 矿 井 最 0 3m / n 迫 停产 , 接 经 济损 失 数 亿元 , ;19 直 2 9 7年 2月 1 1 8 日, 徐州 张集 煤 矿 西翼 一3 0m 水 平 太 原 组 轨 道 0 下 山 , 生 了底 板 奥灰 隐 伏 陷落 柱 特 大 突水 淹井 发 灾 害 , 大 涌 水 量 达 2 0 8 m / , 水 量 为 最 49 h 涌 10 0m / 2 0 h左右 。近年 来 随着开 采深 度和 强 度 的 增加 , 开采 环境 日 复杂 , 压 、 趋 水 地应 力和 瓦斯 不断 增大 , 井巷失稳 、 突水 、 冲击 地压 等灾 害性安全 问题 突出 , 煤矿 突水 已成 为安 全 生产 的重 大灾 害 之一 , 也是世 界产煤 国家面 对 的一大安 全 开采 难题 。从 早期前 苏联 、 波兰 、 牙利 等到 当今 科技 和 产煤 大 匈 国美 国 、 国、 英 澳大利亚 , 多专 家学者进 行 了不懈 许 的探索 , 动 了该 领 域 研 究 的 进 展 。我 国从 “ 推 六 五” 将煤 矿 防治 水列 入 国家 重 点攻 关项 目, “ 到 七 五 ”“ 五” 矿防治水 一期和 二期工业 性试 验 、八 煤 的完成 , 在煤矿灾 害机理研 究 、 采煤方 法 、 防治技术
《渗流理论》PPT课件

二. 渗透试验与达西定律
1.渗透试验
▪试验前提:层流 ▪试验装置:如图
▪试验条件: h1,A,L=const ▪量测变量: h2,V,T ▪试验结果
Δh=h1-h2
Q=V/T
Δh↑,Q↑ A↑,Q↑ L↑, Q↓
Q A h L
断面平均流速 v Q A
水力坡降 i h L
vi
2. 达西定律 渗透定律
水对土特性影响的直观理解为:土的含水量小时,土比较硬;土中适当 含水可使散粒土颗粒粘合在一起,使其具有一定的粘结强度,但当土的含水 量过大时则会变软。
当水在土中流动较快时,将引起坝基渗流、基坑渗流、塌方、泥石流及流 土、地下工程受淹等灾害。
土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖
土石坝 浸润线
不透水层
透水层
第3节 流网理论简介
第4节 流土、管涌及其防治 第5节 非饱和土的湿化及其危害
第3节 流网理论简介
一、流网性质
由流线和等势线组成的网格叫流网。流线和等势线正交,所以把网格在 局部绘制成正方形是很方便的。这里,所谓的正方形,是指图所示的与 圆外切的方块形。
第3节 流网理论简介
为了了解这种正方形流网的性质,如图所示,从流网中取出三个正方 形网目A,B,C。 设A和B的内接圆直径分别是d1,d2,通过包含A,B在内的流线间的(称 为流管)流量不变,根据达西定律q=kiA,有:
设在任意时刻测压管的水位为h(变数),水力坡降i=h/l。在dt时间内, 断面积为A的测压管水位下降了dh,则
A t2
h2 dh
k h Adt a(dh)
k
l
dt a
t1
h1
h
l
k
A l
渗流模拟在矿产资源勘探中的应用

渗流模拟在矿产资源勘探中的应用一、渗流模拟技术概述渗流模拟是一种用于模拟流体在多孔介质中的流动行为的技术。
这种技术在多个领域中都有广泛的应用,尤其是在矿产资源勘探中,它能够帮助地质学家和工程师更好地理解和预测地下流体的流动特性。
渗流模拟技术的核心在于通过数学模型和计算机模拟,再现地下流体的流动过程,从而为矿产资源的勘探和开发提供科学依据。
1.1 渗流模拟技术的核心原理渗流模拟技术的核心原理基于流体力学和多孔介质理论。
在多孔介质中,流体的流动受到孔隙结构和介质性质的影响。
通过建立相应的数学模型,可以模拟流体在多孔介质中的流动过程。
这些模型通常包括连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程等,通过这些方程可以描述流体的流动状态和变化规律。
1.2 渗流模拟技术的应用场景渗流模拟技术在矿产资源勘探中的应用场景非常广泛,主要包括以下几个方面:- 地下水资源评估:通过模拟地下水的流动,评估地下水资源的分布和可开采性。
- 油气资源勘探:模拟油气在地下的流动,预测油气的分布和迁移规律。
- 矿山安全评估:模拟矿井中的水害和瓦斯流动,评估矿山的安全风险。
- 环境影响评估:模拟污染物在地下的迁移,评估其对环境的潜在影响。
二、渗流模拟技术的关键技术渗流模拟技术的实现需要依赖一些关键技术,这些技术包括但不限于:2.1 数学模型的建立渗流模拟的数学模型是模拟过程的基础。
这些模型需要准确描述流体在多孔介质中的流动行为,包括流体的渗透率、孔隙率、压力场和速度场等。
常用的数学模型有达西定律、非达西定律、多相流模型等。
2.2 计算机模拟技术计算机模拟技术是实现渗流模拟的关键。
通过高性能计算机和专业软件,可以将数学模型转化为可计算的算法,从而模拟流体的流动过程。
常用的计算机模拟软件有FLAC3D、COMSOL Multiphysics等。
2.3 多相流模拟技术在矿产资源勘探中,常常需要考虑多相流体的流动。
多相流模拟技术可以模拟不同相态流体(如水、油、气)在多孔介质中的流动和相互作用。
煤矿防治水知识讲座的ppt课件

• C、充水强度大小,即矿. 井涌水量的大小
矿井充水水源及其勘探途径
矿坑充水水源(按空间位置)
顶板水
底板水
预 疏 放 探 查 条 件
放 水 试 验 条 件
.
老空水
确定 采空 区面 积和 积水 范围
充水途径
天然通道
人为通道
导 水 裂 隙
导 水 断 层
陷 落 柱
岩 溶 塌 洞
顶 板 三 带
底 板 底 鼓
• 1、按水源类型划分: 顶板水、底板水、老空水 • 2、按导水通道划分:断层突水、陷落柱突水、裂隙岩体
突水、封闭不良钻孔突水、煤(岩)柱突水 • 3、按水源含水介质类型划分:孔隙水、裂隙水、岩溶水
.
科学分类体现了人们对事物认识高度和认识水平, 也 是学科发展水平的标志,我们经常运用科学分类手段对矿 井水害类型做出分类并加以细化。
• 例:我矿1979年那次淹井事故,井底水闸门关闭后,因为 水闸门防水煤柱不足造成的。而1996年8月6日东翼因水 头煤矿出水涌入我矿,我们及时关闭十上山水闸门。2003 年9月1日西翼一八采区18020工作面采空区发现涌水,经 调查是汛期洪水通过丁烟河泻入小关煤矿间接溃入一八采 区的,最后关闭一六采区-20m水平大巷水闸门。有效控 制了水势。
.
当时探与不探的争论很大,由于分管探水工作的领 导 思想坚定,决定打钻探水,结果放出水量200多吨,事后 发现煤柱内残留一口60m的古井,有约0.3MPa的水压, 如有人员在附近作业,必然会发生伤亡事故。
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(5)多相性:固、液、气三相可共存; (6)压缩性:当压力增加时,引起多孔介质压缩。
§2 地下水渗流基本理论概述
3、渗流的分类 ❖ 三个方面:地下渗流、工程渗流及生物渗流。 (1)地下渗流 ❖ 是指土壤、岩石和地表堆积物中流体(包括地下水、石油、天
然气等)的渗流。 ❖ 主要涉及能源工业、农田灌溉、地下水污染及水利工程等。 (2)工程渗流 ❖ 是指各种人造多孔材料和工程装置中流体的渗流。 ❖ 主要涉及化工、冶金、机械、建筑等行业。 (3)生物渗流 ❖ 是指动植物体内流体的流动。分为动物和植物体内的渗流。
2、断层带渗流的定量化研究较少。 ❖ 因此,就以上两个方面作了一点探索。
§2 地下水渗流基本理论概述
一、有关渗流的几个概念
1、渗流 ❖ 流体通过多孔介质的流动称为渗流。渗流实质上不是真实的流
体运动,而是一种假想的流动方式。 ❖ “为了研究地下水的整体运动特征而引入的一种假想的水流,
这种假想的水流具有实际水流的运动特点,并连续充满整个含 水层”。—地下水动力学 ❖ 渗流一词是我国学者的“创新性发明”。在美国等西方国家渗 流被描述为flow through porous media,即是通过多孔介质的流 动,有时也简称为porous flow或seepage 。而俄文中渗流的对应 词意思为过滤器中的流动或“渗滤” 。20世纪60年代初期我国 学者给出了多孔介质流动的汉语定义:渗流。
❖ 郑少河等人在理论上推导了含水裂隙岩体的初始损伤及损伤演 化本构关系,分析了渗透压力对岩体变形的影响机制。
❖ 潘国营利用广义双重介质渗流理论,对焦作矿区岩溶水通过大 量的水流模拟试验,得到了水在岩体裂隙和裂隙网络中的渗流 规律。
❖ 缪协兴、刘卫群、陈占清等研究了采动岩体渗流的力学机制。 ❖ 另外,杨栋 、王芝银 、李云鹏 、黄涛 、张建华 、杨太华 、
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§2 地下水渗流基本理论概述
2、多孔介质 ❖ 具有互相连通空隙的岩石,通常指的是孔隙及较小的裂隙和溶
隙。
❖ 广义:包括孔隙介质、裂隙介质(细小裂隙)和某些岩溶不十 分发育(溶隙分布较均匀)的由石灰岩和白云岩组成的岩溶介 质,都称为多孔介质。狭义:孔隙介质。
❖ 多孔介质的一般性质 (1)储容性:能够储集和容纳流体; (2)渗透性:允许流体在孔隙中流动; (3)润湿性:岩石孔隙表面与流体接触中所表现的亲和性; (4)非均质性:平面上和纵向上物理性质时常差异明显,孔隙
§1 断层突水机理简介
❖ 杨新安将断层突水分为大断层突水与小断层(落差为几米 的一条或几条断层构成的破碎带)突水,并分别分析了各 自突水的特点和突水机理。
4、模拟研究方面 ❖ 杨映涛利用相似模拟研究了底板突水机理,得出了有断层
底板突水的可能性,与断层的位置和角度有关。 ❖ 周钢采用相似模拟探讨了断层上、下盘的开采顺序、推进
方向及煤柱尺寸对断层导水危险性的影响。 ❖ 王成绪、朱第植、王维理等用有限元法,对底板突水进行
了数值模拟。
§1 断层突水机理简介
5、渗流理论方面 ❖ Sheik.A.K和Pariseau.W.G认为在矿井围岩稳定性的研究
中,水是矿井围岩稳定的主要决定因素。 ❖ Geir.et.al在考虑地下水的影响中,采用了一个不受岩体
❖ 潘岳根据Mises增量理论,对岩体断层破裂的突变进行理 论分析。
❖ 杜文堂使用了可靠度分析的“JC”方法,分析了水压力、 煤层抗张强度及突水系数的不确定性,建立了防水煤柱可 靠度分析的极限状态方程。
§1 断层突水机理简介
3、地质科学方面 ❖ 韩爱民从地质力学的角度,在基岩裂隙透水性基本特征
分析的基础上,综合考虑影响断裂带透水性以及可能引 起断层涌水的各种地质因素,总结出易于突水的断层的 特征。 ❖ 倪宏革、罗国煌等提出了底板突水的优势面理论,认为 在众多构造中,对突水起决定性控制作用的当属优势断 裂。 ❖ 刘燕学探讨了断层构造对底板突水的控制作用,定性分 析了相同的地质条件下,断裂破坏带突水的可能性较正 常岩层突水可能性显著提高。
采动影响的渗流模型,并对岩体变形与流体流动的耦合模 型进行了应用。 ❖ 高延法分析了水与水压在底板突水中的力学作用。 ❖ 仵彦卿依据水力学特征,把岩体结构分为五类:孔隙连续 介质、准孔隙连续介质,裂隙网络介质,双重介质,岩溶 管道介质来进行研究。
§2 断层突水机理简介
❖ 刘继山用实验的方法分别研究了单裂隙和两组正交裂隙受正应 力作用时的渗流规律。
周创兵 、王瑗等在流固耦合方面作了很多的工作,提出了很 多有益于工程的建议和结论。
§1 断层突水机理简介
6、其它 ❖ 卜昌森基于大量的现场突水资料,探讨了在矿压作用下,
地质构造的存在更容易引起底板突水。 ❖ 武强阐述了断层滞后突水的弱化机理和主要控制因素,提
出了煤层底板断裂构造突水时间弱化效应的新概念。
学科前沿讲座-矿井突水渗流理论及 研究方法
§1 断层突水机理简介
2、复杂性方法方面 ❖ 邱秀梅、周瑞光等利用重整化群方法研究了断层单元体破
裂的随机性和关联性,并对断层导水裂隙的扩展规律进行 了分析。
❖ 白峰青基于极限设计思想的概率方法提出断层防水煤柱设 计的可靠度方法,认为断层沿侧向突水的概率小于沿工作 面底板突水的概率.
§1 断层突水机理简介
二、小结
❖ 综上这些研究成果,许多学者对断层突水的原因及防治做了 深入地研究,从不同的方面对煤层开采断层突水的机理做了 许多有益的探索,对减少断层突水事故的发生,改善我国煤 矿安全状况起到了重要的作用。但仍存在一些不足之处,主 要包括以下两个方面的问题:
1、由于断层突水问题本身的复杂性,大多数理论只从单一学 科或某一方面进行研究。
§2 地下水渗流基本理论概述
二、研究渗流的科学—渗流力学
1、渗流力学
❖ 研究流体在多孔介质中运动规律的科学。它是流体力学的一 个重要分支,又是流体力学与岩石力学、多孔介质理论、表 面物理、物理化学学科交叉渗透而形成的。 它是多种科学 和工程技术的理论基础之一。
2、地下水
❖ 地表以下岩石空隙中的水。狭义指的是贮存于包气带以下地 层空隙,包括岩石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。