【知识分享】技术前沿：地下水

【知识分享】技术前沿：地下水

地下水在地表以下几乎无处不在。饮用地下水的广泛存在是美国大约一半人口使用它作为供水来源的原因，其中包括几乎所有使用家庭自备供水系统的人口。

成为地下水的淡水自然来源是：(1)通过不饱和带渗透到地下水位的降水面积补给；(2)来自溪流和其他地表水(如湖泊和湿地)的补给。面积补给量从年平均降水量的一小部分到大约一半不等。因为地面补给发生在广阔的地区，即使很小的平均补给率(例如，每年几英寸)也代表了大量流入地下水。溪流和其他地表水体要么从地下水中获得水，要么向地下水补给水。在干旱和半干旱地区以及喀斯特地形(石灰岩和其他可溶岩石覆盖的地区)，溪流通常是山前和陡峭山坡下游地下水补给的重要来源。

▲ 非饱和带、毛细水带、地下水位和饱和带

       地表以下的水主要分布在两个区域，即非饱和带与饱和带。在非饱和带，颗粒之间的空间和岩石的裂缝包含空气和水。尽管在非饱和带中可以存在相当数量的水，但由于毛细管力把水控制得太紧，这些水不能被井抽走。

与非饱和区不同，饱和区空隙完全被水填满。饱和带的近似上表面称为地下水位。地下水位以下饱和地带的水称为地下水。在地下水位以下，水压足够高，可以让水进入井中，因为井中的水位通过抽水降低，从而允许地下水被提取出来供使用。

在非饱和带和地下水位之间是一个过渡带，即毛细水带。在这个区域，空隙被毛细管力固定的水呈饱和或几乎饱和状态。

地下水体的顶部，即地下水位，是一个通常在陆地表面以下的表面，它随降水和地表水体补给的变化而季节性和逐年波动。在区域尺度上，地下水位的形态通常是陆地表面地形的柔和复制品。地下水位的深度各不相同。在某些情况下，它可以在地表或接近地表；例如，在潮湿气候的地表水附近。在其他情况下，地下水位的深度可能在地表以下数百英尺。

地下水通常是地表水的重要来源。地下水对河流总流量的贡献在不同的河流中差别很大，但水文学家估计，在中小型河流中，地下水的平均贡献在40%到50%之间。但不能将这些数字直接外推到大型河流；然而，地下水对美国所有河流流量的贡献可能高达40%。地下水也是湖泊和湿地的主要水源。

地下水是一个巨大的地下水库。据估计，在所有现存的淡水中，大约75%储存在极地冰和冰川中，大约25%储存在地下水中。储存在河流、湖泊和土壤中的淡水不到世界淡水总量的1%。一些大型地下水系统的储存方面可能是这些系统开发的关键因素。地下水总储存量与抽水抽取的地下水或与自然排泄的地下水的大比例是地下水系统潜在的有用特征之一，它使供水能够在长期干旱时期保持不变。另一方面，在补给很少的地区，地下水的大量使用有时会导致地下水位的广泛下降和地下水水库储存量的显著减少。

地下水流的速度一般较低，比溪流的速度小几个数量级。地下水的运动通常以缓慢的渗流形式发生，通过松散土物质颗粒之间的孔隙空间或通过固结岩石中的裂缝和溶洞网络。每天1英尺或更大的流速是地下水的高流速，而地下水的流速可以低至每年1英尺或每十年1英尺。相比之下，溪流的速度通常用英尺/每秒来测量。每秒1英尺的速度大约等于每天16英里。地下水流的低速可能有重要的影响，特别是与污染物的移动有关。

在自然条件下，地下水沿着水流路径从泉水或溪流、湖泊和湿地的补给区流向排泄区。在沿海地区，排泄也以渗漏到海湾或海洋的形式发生，也以根部延伸到地下水位附近的植物蒸腾作用发生。被移动的地下水饱和的泥土物质的三维体，从补给区延伸到排泄区，被称为地下水流动系统。

▲ 局部规模的地下水流动系统

       在这个局部尺度的地下水流动系统中，地面补给的水流入发生在地下水位。水的流出发生在：(1)以地下水蒸散发的形式排泄到大气中(在地下水位或接近地面时，由扎根于地下水位或附近的植被蒸腾或从地下水位直接蒸发)；(2)地下水直接通过河床排泄。短而浅的水流路径起源于靠近溪流的地下水位。随着距离溪流的增加，流向溪流的路径变得更长更深。在长期平均条件下，流入这个天然地下水系统的水量必须等于流出水量。

地下水流动系统的面积范围从几平方英里或更小到数万平方英里不等。地下水流路径的长度从几英尺到几十英里，有时甚至数百英里。在补给区和排泄区之间具有长流路径的深层地下水流动系统可能被几个更局部的浅层流动系统覆盖，并与之有水力联系。因此，地下水流动系统的定义在某种程度上是主观的，部分取决于研究的规模。

▲ 由不同尺度的子系统和一个复杂的水文地质框架组成的区域性地下水流动系统

该区域地下水流动系统的部分描述的重要特征包括：(1)地下上层含水层中的局部地下水子系统，它们向最近的地表水体(湖泊或溪流)排泄，并在地形较高的地区被地下水分水岭隔开；(2)地下含水层中的分区域地下水子系统，其中源自地下水位的水流路径不排入最近的地表水体，而是排入较远的地表水体；(3)位于地下水位子系统之下并与地下水位子系统水力连接的深层区域地下水流子系统。水流系统的水文地质框架表现为高导水率含水层单元和低导水率单元的复杂空间排列。这个图形的水平尺度可能从几十英里到几百英里不等。

地下水的年龄(自补给以来的时间)在地下水流动系统的不同部分是不同的。地下水的年龄沿着特定的水流路径从补给区到排泄区稳步增长。在浅层、局部尺度的水流系统中，排泄区域地下水的年龄可能从不到一天到几百年不等。在具有长流路径(数十英里)的深层区域流系统中，地下水的年龄可能达到数千年或数万年。

地表和地下土壤物质在颗粒固结程度、颗粒大小、固结岩石中颗粒之间和裂缝之间的孔隙或开放空间的大小和形状，以及颗粒的矿物和化学组成方面变化很大。地下水既存在于松散聚集和未固结的物质中，如沙子和砾石，也存在于固结的岩石中，如砂岩、石灰石、花岗岩和玄武岩。

地球物质传输和储存地下水的能力差别很大。土壤物质传输地下水的能力(量化为水力渗透性)存在数量级变化，并由不同类型物质中固体之间的大小、形状、连通性和体积决定。例如，砂砾中相互连通的孔隙空间大于细粒度沉积物中的孔隙空间，砂砾的水力渗透率大于细粒度物质的水力渗透率。土壤物质储存地下水的能力也因不同类型的物质而异。例如，每单位体积花岗岩的裂缝和裂缝中储存的水量远远小于每单位体积砂砾颗粒之间的粒间空间中储存的水量。

井是研究地下环境的主要直接窗口。水井不仅用于多种用途的抽取地下水，还能提供有关地下状况的重要信息。例如，(1)可以直接测量井内的水位；(2)可以对地下水进行采样以进行化学分析；(3)提供在井内进行大量物理测量的途径，这些测量可以间接提供有关井附近流体和地球物质性质的信息；(4)允许对井附近的土壤物质进行水力测试(含水层试验)，以确定其传输和储存特性的局部值。此外，在钻井过程中，可以在任何深度直接取样土壤物质。

从井中抽取地下水总是导致：(1)在井内和附近地下水位下降；(2)地下水向抽水井的流动。这些地下水本来正在缓慢地流向自然的、可能遥远的排泄区域。单井的抽水通常对地下水流动系统有局部影响。在大面积抽取许多井(有时是数百或数千口井)会对地下水系统产生区域性的重大影响。

▲ 含水层中某一点的“水头”概念

       考虑无承压含水层中A点和B点的海平面以上高度，以及承压含水层中C点的海平面以上高度。现在考虑在这三个点添加具有短筛缝的井。从每口井的水位到海平面的垂直距离是水头的度量，分别参考a点、B点和C点的公共基准面。因此，含水层中某一点的水头是，(a)该点高于公共基准面(通常是海平面)的高度；(b)该点筛缝井中静水柱点的高度。当讨论特定含水层中地下水位的下降或上升时，指的是该含水层中筛缝井的水头或水位的变化。
（编译于USGS相关材料）

文章来源：宝航环境修复