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关于地下水(下)

(2009-07-09 22:23:39)
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杂谈

六、地下水的水流系统

地下水虽然埋藏于地下,难以用肉眼观察,但它象地表上河流湖泊一样,存在集水区域,在同一集水区域内的地下水流,构成相对独立的地下水流系统。

(一)地下水流系统的基本特征

在一定的水文地质条件下,汇集于某一排泄区的全部水流,自成一个相对独立的地下水流系统,又称地下水流动系。处于同一水流系统的地下水,往往具有相同的补给来源,相互之间存在密切的水力联系,形成相对统一的整体;而属于不同地下水流系统的地下水,则指向不同的排泄区,相互之间没有或只有极微弱的水力联系。

此外,与地表水系相比较,地下水流系统具有如下的特征:

1.空间上的立体性。地表上的江河水系基本上呈平面状态展布;而地下水流系统往往自地表面起可直指地下几百上千米深处,形成空间立体分布,并自上到下呈现多层次的结构,这是地下水流系统与地表水系的明显区别之一。

2.流线组合的复杂性和不稳定性。地表上的江河水系,一般均由一条主流和若干等级的支流组合而成有规律的河网系统。而地下水流系统则是由众多的流线组合而成的复杂的动态系统,在系统内部不仅难以区别主流和支流,而且具有多变性和不稳定性。这种不稳定性,可以表现为受气候和补给条件的影响呈现周期性变化;亦可因为开采和人为排泄,促使地下水流系统发生剧烈变化,甚至在不同水流系统之间造成地下水劫夺现象。

3.流动方向上的下降与上升的并存性。在重力作用下,地表江河水流总是自高处流向低处;然而地下水流方向在补给区表现为下降,但在排泄区则往往表现为上升,有的甚至形成喷泉。

除上述特点外,地下水流系统涉及的区域范围一般比较小,不可能象地表江河那样组合成面积广达几十万乃至上百万平方公里的大流域系统。根据托思的研究,在一块面积不大的地区,由于受局部复合地形的控制,可形成多级地下水流系统,不同等级的水流系统,它们的补给区和排泄区在地面上交替分布。

(二)地下水域

地下水域就是地下水流系统的集水区域。它与地表水的流域亦存在明显区别,地表水的流动主要受地形控制,其流域范围以地形分水岭为界,主要表现为平面形态;而地下水域则要受岩性地质构造控制,并以地下的隔水边界及水流系统之间的分水界面为界,往往涉及很大深度,表现为立体的集水空间。

如以人类历史时期来衡量,地表水流域范围很少变动或变动极其缓慢,而地下水域范围的变化则要快速得多,尤其是在大量开采地下水或人工大规模排水的条件下,往往引起地下水流系统发生劫夺,促使地下水域范围产生剧变。

通常每一个地下水域在地表上均存在相应的补给区与排泄区,其中补给区由于地表水不断地渗入地下,地面常呈现干旱缺水状态;而在排泄区则由于地下水的流出,增加了地面上的水量,因而呈现相对湿润的状态。如果地下水在排泄区以泉的形式排泄,则可称这个地下水域为泉域。

七、地下水的垂向结构

(一)地下水垂向层次结构的基本模式

地下水流系统的空间上的立体性,是地下水与地表水之间存在的主要差异之一。而地下水垂向的层次结构,则是地下水空间立体性的具体表征。典型水文地质条件下,地下水垂向层次结构的基本模式。自地表面起至地下某一深度出现不透水基岩为止,可区分为包气带和饱和水带两大部分。其中包气带又可进一步区分为土壤水带、中间过渡带及毛细水带等3个亚带;饱和水带则可区分为潜水带和承压水带两个亚带。从贮水形式来看,与包气带相对应的是存在结合水(包括吸湿水和薄膜水)和毛管水;与饱和水带相对应的是重力水(包括潜水和承压水)。

以上是地下水层次结构的基本模式,在具体的水文地质条件下,各地区地下水的实际层次结构不尽一致。有的层次可能充分发展,有的则不发育。如在严重干旱的沙漠地区,包气带很厚,饱和水带深埋在地下,甚至基本不存在;反之,在多雨的湿润地区,尤其是在地下水排泄不畅的低洼易涝地带,包气带往往很薄,甚至地下潜水面出露地表,所以地下水层次结构亦不明显。至于象承压水带的存在,要求有特定的贮水构造和承压条件。而这种构造和承压条件并非处处都具备,所以承压水的分布受到很大的限制。但是上述地下水层次结构在地区上的差异性,并不否定地下水垂向层次结构的总体规律性。这一层次结构对于人们认识和把握地下水性质具有重要意义,并成为按埋藏条件进行地下水分类的基本依据。

(二)地下水不同层次的力学结构

地下水在垂向上的层次结构,还表现为在不同层次的地下水所受到的作用力亦存在明显的差别,形成不同的力学性质。如包气带中的吸湿水和薄膜水,均受分子吸力的作用而结合在岩土颗粒的表面。通常岩土颗粒愈细小,其颗粒的比表面积愈大,分子吸附力亦愈大,吸湿水和薄膜水的含量便愈多。其中吸湿水又称强结合水,水分子与岩土颗粒表面之间的分子吸引力可达到几千甚至上万个大气压,因此不受重力的影响,不能自由移动,密度大于1,不溶解盐类,无导电性,也不能被植物根系所吸收。

薄膜水:又称弱结合水,它们受分子力的作用,但薄膜水与岩土颗粒之间的吸附力要比吸湿水弱得多,并随着薄膜的加厚,分子力的作用不断减弱,直至向自由水过渡。所以薄膜水的性质亦介于自由水和吸湿水之间,能溶解盐类,但溶解力低。薄膜水还可以由薄膜厚的颗粒表面向薄膜水层薄的颗粒表面移动,直到两者薄膜厚度相当时为止。而且其外层的水可被植物根系所吸收。当外力大于结合水本身的抗剪强度(指能抵抗剪应力破坏的极限能力)时,薄膜水不仅能运动,并可传递静水压力。

毛管水:当岩土中的空隙小于1毫米,空隙之间彼此连通,就象毛细管一样,当这些细小空隙贮存液态水时,就形成毛管水。如果毛管水是从地下水面上升上来的,称为毛管上升水;如果与地下水面没有关系,水源来自地面渗入而形成的毛管水,称为悬着毛管水。毛管水受重力和负的静水压力的作用,其水分是连续的,并可以把饱和水带与包气带联起来。毛管水可以传递静水压力,并能被植物根系所吸收。

重力水:当含水层中空隙被水充满时,地下水分将在重力作用下在岩土孔隙中发生渗透移动,形成渗透重力水。饱和水带中的地下水正是在重力作用下由高处向低处运动,并传递静水压力。

地下水在垂向上不仅形成结合水、毛细水与重力水等不同的层次结构,而且各层次上所受到的作用力亦存在差异,形成垂向力学结构。

(三)地下水体系作用势

所谓“势”是指单位质量的水从位势为零的点,移到另一点所需的功,它是衡量地下水能量的指标。根据理查德兹(Richards)的测定,发现势能(Φ)是随距离(L)呈递减趋势,并证明势能梯度(-dΦ/dL)是地下水在岩土中运动的驱动力。地下水总是由势能较高的部位向势能较低的方向移动。

地下水体系的作用势根据其力源性质,可分为重力势、静水压势、渗透压势、吸附势等分势,这些分势的组合称为总水势。

1.重力势(Φg):指将单位质量的水体,从重力势零的某一基准面移至重力场中某给定位置所需的能量,并定义为Φg=Z,式中Z为地下水位置高度。具体计算时,一般均以地下水位的高度作为比照的标准,并将该位置的重力势视为零,则地下水位以上的重力势为正值,地下水面以下的重力势为负值。

2.静水压势(Φp):连续水层对它层下的水所产生的静水压力,由此引起的作用势称静水压势,由于静水压势是相对于大气压而定义的,所以处于平衡状态下地下水自由水面处静水压力为零,位于地下水面以下的水则处于高于大气压的条件下,承载了静水压力,其压力的大小随水的深度而增加,以单位质量的能量来表达,即为正的静水压势,反之,位于地下水面以上非饱和带中地下水则处于低于大气压的状态条件下。由于非饱和带中有闭蓄气体的存在,以及吸附力和毛管力的对水分的吸附作用,从而降低了地下水的能量水平,产生了负压效应,称为负的静水压势,又称基模势。

3.渗透压势(Φ0):又称溶质势,它是由于可溶性物质在溶于水形成离子时,因水化作用将其周围的水分子吸引并作走向排列,并部分地抑制了岩土中水分子的自由活动能力,这种由溶质产生的势能称为溶质势,其势值的大小恰与溶液的渗透压相等,但两者的作用方向正好相反,显然渗透压势为负值。

4.吸附势(Φa):岩土作为吸水介质,所以能够吸收和保持水分,主要是由吸附力的作用,水分被岩土介质吸附后,其自由活动的能力相应减弱,如将不受介质影响的自由水势作为零,则由介质所吸附的水分,其势值必然为负值,这种由介质吸附而产生的势值称为吸附势。或介质势。

5.总水势:总水势就是上述分势的组合,即Φ=Φg+Φp+Φ0+Φa,但处于不同水带的地下水其作用势并不相等。

八、地下水的污染

地下水是水资源的重要组成部分,尤其是在地表水资源相对贫乏的干旱、半干旱地区,地下水资源具有不可替代的作用,如我国西北、华北地区主要以地下水作为生活、生产水源。与地表水相比,地下水受到各种“屏障”(土壤及岩石层)的保护,基本上都能做到“洁身自好”,只有在矿体、矿化地层中某些矿物质的过量溶解后才会导致水质污染,这称为地下水的第一环境污染问题,它只在少数地区,特殊条件下产生,影响有限。地下水的第二污染是指人类生产、生活而造成的地下水质发生恶化的现象,是地下水污染的主要问题。

有人将我国地下水污染划分为以下四个类型;一是地下淡水的过量开采导致沿海地区的海(咸)水入侵;二是地表污(废)水排放和农耕污染造成的硝酸盐污染;三是石油和石油化工产品的污染;四是垃圾填埋场渗漏污染。其中,农耕污染具有量大面广的特征,未经利用的氮肥在经过地层时通过生物或化学转化成飞硝酸盐和亚硝酸盐,长期饮用这种污染的地下水将可能导致氰紫症、食道癌等疾病的发生。

我国地下水污染的现状。根据国土资源部长期地下水监测资料、1981至1984年和2000至2002年两轮全国地下水资源评价结果,以及1999年以来开展的部分地区地下水污染调查评价结果显示,我国地下水污染问题的确较严重,主要表现在300多个城市由于地下水污染造成供水紧张;地下水污染不仅检出的成份越来越多,越来越复杂,而且污染程度和深度也在不断增加,有些地区深层地下水中已有污染物检出;天然水质不良与水型地方病问题突出。据统计,因天然水质不良导致水型氟中毒2297.78万人,碘缺乏病、克山病567.5万人,患大骨节病102.5万人,全国饮用不符合标准的地下水的人数达数千万之多。

目前,我国大中城市地下水污染,又以北方城市污染更加严重,不仅污染元素多,且超标率高,如华北地区的主要城市中,仅海河流域水质劣于国家地下水质量Ⅲ类标准的水体面积就多达7万平方公里左右,主要超标项目有硬度、三氮、铬、酚、砷、汞、氰、氟、细菌和大肠菌群等。而我国北方城市饮水,恰恰主要是以地下水为主。

九、超采地下水的危害

开发地下水,在我国许多地区是开源抗旱的重要措施,特别是随着人口膨胀与工农业发展,水资源短缺日益严重,人们对地下水寄予更多的希望。然而就在各种现代化手段被用来撮地下水时,超采地下水所导致的多种人为灾害却不期而至了。

所谓超采地下水是指地下水开采量长期超过地下水的补给量,地下水位进入非稳定性恶性下降的情况,它会引起一系列灾害性后果。

1、由于过量开采地下水,我国北京、上海、天津等许多大、中城市出现了地面沉降。如北京东郊约600平方公里的区域累计沉降量达550多毫米。这不仅导致高层建筑的倾斜,而且加重了城市防洪、防潮、排涝的负担。

2、在沿海地区超采地下水会破坏地下淡水与海水的压力平衡,使海水内侵,造成机井报废,人畜饮水困难,土壤盐碱化,地下水质恶化等。

3、在岩溶区开采地下水过量会造成地表塌陷,引起房屋开裂倒塌,地下管道弯裂,中断交通与电力供应等一系列灾难。

4、改变自然景观。北京地区多处历史名泉已因地下水位严重下降而枯竭。新疆吐鲁番地区的沙漠中有600万亩绿洲,其中有百万亩良田,因过量开采地下水,已使良田周围靠地下水涵养的草场出现枯死现象。

另外超采地下水还可能加重地震灾害。一项本是减灾的措施,运用不当竟给人类带来如此多的灾难,甚至威胁到人类基本的生存条件。

据有关资料介绍,2007年6月1日~2008年6月1日,我国北方平原地下水动态监控区平均降水量556.8mm,与上年同时段和多年均值基本持平。统计时段内,监控区约57%的区域地下水位呈下降态势,主要分布在北京西北部,黑龙江大部,吉林大部,辽宁北部、内蒙古东部,河北西部及中部,河南北部,江苏南部、新疆、青海等地;地下水位平均降幅在0.1m~0.7m之间,局部地区降幅大于1.0m。监控区内地下水位上升区主要分布在辽宁南部,河北东部和北部,河南中部和南部,山东大部,安徽大部、江苏北部、山西大部、陕西等地,水位平均升幅在0.1m~0.5m之间,局部地区升幅大于1.0m。统计时段内,监控区地下水储存量总体减少40亿m3。其中:储存量减少区内共减少储存量约91亿m3,河北、内蒙古、吉林、黑龙江、新疆五省区减少较多,共减少74亿m3,占总减少储存量的4/5;储存量增加区内共增加储存量约51亿m3。2007年度,北方平原区地下水开采量656.6亿m3,比上一年增加3.9亿m3,增幅0.6%。开采量中,城镇生活占8.6%,工业占15.9%,农业占67.6%,农村生活占7.9%。与2006年相比,黑龙江省开采量增幅最大,增加了12.4亿m3;河南省开采量减幅最大,减少了8.2亿m3。2007年,在监控的58个超采区中,50%的超采区中心水位上升,24%的超采区中心水位基本稳定,26%的超采区中心水位下降。

十、地下水水文学

地下水水文学是运用水文循环和水量平衡原理研究地下水形成、运动、水情和地下水资源的水文学分支学科。它和主要研究地下水起源、类型、分布、运动、化学成分的形成和地质环境的水文地质学关系密切,但研究内容各有侧重。

地下水是自然界的一种水体,地下径流是水文循环的一个环节,地下水资源是水资源的重要组成部分。所以地下水的研究,不仅有理论意义,而且在解决供水、排水和土壤盐渍化的防治等方面有实际意义。

公元16世纪以前,人们地下水的现象只限于直接观察和推测。柏拉图推测,地下有个巨大的洞穴,其中的水是河流的源头。我国唐代柳宗元在《天对》中记述了地下水在岩土空隙中的存在、渗入、蒸发和流动等现象。

从公元17世纪到20世纪初,科学家们通过观察、试验和分析,提出了一系列关于地下水形成和运动的重要概念、定律和方法。法国科学家佩罗研究了地下水毛细管上升现象;法国学者马略特测量了由雨水入渗补给的地下水量,得出了泉水是由降雨入渗补给的重要结论;1856年,法国工程师达西通过试验建立了地下水渗流的基本定律,奠定了地下水运动的理论基础;1863年法国学者裘布衣,根据实际的潜水面坡度很小的事实,作了一些简化和假定,运用达西定律导出了地下水井流公式;1870年德国人蒂姆改进了裘布衣公式,从而可用稳定流抽水试验来计算渗透系数等参数。这些工作,为地下水水文学的发展,奠定了基础。

进入20世纪后,由于生产的需要和科学技术的进步,地下水水文学逐渐形成一门独立的学科,并得到迅速的发展。1928年,美国学者迈因策尔论述了承压含水层的可压缩性和弹性,为地下水非稳定理论的建立准备了比较丰富的实践基础。

1935年,美国学者泰斯利用地下水非稳定流动和热传导之间的相似性,导出了著名的泰斯公式;1937年美国学者马斯克特在《均匀流体通过多孔介质的流动》一书中,用数学方法较系统地论述了地下水的运动;1930年荷兰水文工程师德赫莱用数学方法,分析了地下水渗过弱透水层的越流现象;地下水污染的研究,从20世纪60年代以后得到发展。

我国在1949年以后,在大面积范围内对地下水资源评价、地下水水位及开采量的预报、水文及水文地质参数的确定和地下水调节计算等方面作了许多工作,取得了成果。

地下水主要来自大气降水和地表水的入渗,在灌区还有灌溉水的入渗。入渗的水在地下经过重新分配,组成自然界水文循环的一部分。地下水水文学研究地下水在自然界水循环中的作用,研究它与降水、蒸发、地表水之间的联系和转化,它的补给、排泄、与此有关的水文和水文地质参数,以及地下水资源评价等。

地下水运动的基本定律是达西定律,可根据质量守恒原理和达西定律,推导出不同条件下地下水运动的数学物理方程。计算地下水运动的基本方法是,求出这些方程在各种初始条件和边界条件下的解。利用地下水运动方程的解,可以预测未来某时某地的地下水水位等水文要素,也可以计算导水系数等水文地质参数,为地下水资源评价提供可靠的依据。

地下水水情也称地下水动态,指地下水水位、水量、水质、水温等要素在自然和人为因素影响下发生的变化。研究这些变化规律,建立各要素在时间和空间上的定量关系。通常利用观测站和试验场,进行地下水观测和野外试验,利用取得的资料,计算水文和水文地质参数,评价地下水的补给量、储存量和允许开采量、监测地下水的水质以防止地下水的污染等。

地下水开发应在查明地下水资源的基础上统筹安排、合理规划。地下水的管理除了制订规划之外,还要建立地下水管理机构;进行水资源的合理调配;规定开采地下水的技术要求;保护水源,防止污染;防治因抽水引起的地面沉降或坍陷、海水入侵,以保证长期安全供水等。

地下水的形成与分布,同地质地理环境有密切联系。因此,地下水水文学与地质学和地理学有关。地下水运动的研究要以水力学和流体力学的基本理论为基础。在地下水动态资料的分析和地下水预测中广泛应用概率论和数理统计学。

由于地下水水文学是从水文循环的观点来研究地下水的,因而它与气候学、地表水水文学、土壤学有密切联系。地下水质评价,要运用水化学和水文地球化学知识。此外,系统分析理论在地下水的开发利用中已逐渐得到采用。

有关专家认为,地下水水文学中有些问题如降水、地表水和地下水三者的转化关系,地下水资源开发及管理等研究较少,不少方面尚处于探索阶段。在大区域内的复杂的水文地质条件下,确定含水层参数尚无完善的办法。开展水均衡要素室内和室外的观测和试验研究,建立新的数学物理模型,应用电子计算机和电模拟技术,可能使上述问题逐步取得进展。另外,污染物质的弥散、含水层温度场、地下水动态规律与预测等领域,也期待有更多的研究和突破。

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