地下水

地下水(ground water),是貯存于包氣帶以下地層空隙,包括巖石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。地下水是水資源的重要組成部分,由于水量穩(wěn)定,水質(zhì)好,是農(nóng)業(yè)灌溉、工礦和城市的重要水源之一。但在一定條件下,地下水的變化也會(huì)引起沼澤化、鹽漬化、滑坡、地面沉降等不利自然現(xiàn)象。
目錄
[隱藏 ]地下水(groundwater),是指貯存于地表以下巖土層中水的總稱。廣義地下水包括土壤、隔水層和含水層中的重力水和非重力水。狹義地下水指土壤、隔水層和含水層中的重力水。
地下水具有地域分布廣、隨時(shí)接受降水和地表水體補(bǔ)給、便于開采、水質(zhì)良好、徑流緩慢等特點(diǎn)。因此,具有重要的供水價(jià)值。 世界許多國(guó)家都把地下水作為人類生活用水和飲用水源。
此外,地下水也是生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。地下水一旦受到污染,即使徹底消除其污染源,也得十幾年,甚至幾十年才能使水質(zhì)復(fù)原。至于要進(jìn)行人工的地下含水層的更新,問題就更復(fù)雜了。
定義
定義1:埋藏和運(yùn)動(dòng)于地面以下各種不同深度含水層中的水。
定義2:儲(chǔ)存在地面以下飽和巖土孔隙、裂隙及溶洞等中的水。
定義3:埋藏在地面以下飽和層中的水。
大氣降水降落到地表,其中一部分滲透到地表以下土層里和巖石的孔隙、裂隙及溶洞中,形成地下水。全球地下水分布面積達(dá)1.3億平方公里,總水量830萬立方公里,占全球總水量的0.59%,占淡水總量的22%,是人們生活和生產(chǎn)的重要供水水源。
地下水位(uderground water level)指的是指地下含水層中水面的高程。根據(jù)鉆探觀測(cè)時(shí)間可分為初見水位、穩(wěn)定水位、豐水期水位、枯水期水位、凍前水位等。
地下水并不一定可飲,甚至可能在天然情況下含有重金屬,會(huì)導(dǎo)致烏腳病等;解決方案為自來水普及使用。
一類水質(zhì):水質(zhì)良好。地下水只需消毒處理,地表水經(jīng)簡(jiǎn)易凈化處理(如過濾)、消毒后即可供生活飲用者。
二類水質(zhì):水質(zhì)受輕度污染。經(jīng)常規(guī)凈化處理(如絮凝、沉淀、過濾、消毒等),其水質(zhì)即可供生活飲用者。
三類水質(zhì):適用于集中式生活飲用水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)、一般魚類保護(hù)區(qū)及游泳區(qū)。
四類水質(zhì):適用于一般工業(yè)保護(hù)區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)。
五類水質(zhì):適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域。超過五類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水體基本上已無使用功能。
地下水作為地球上重要的水體,與人類社會(huì)有著密切的關(guān)系。地下水的貯存有如在地下形成一個(gè)巨大的水庫(kù),以其穩(wěn)定的供水條件、良好的水質(zhì),而成為農(nóng)業(yè)灌溉、工礦企業(yè)以及城市生活用水的重要水源,成為人類社會(huì)必不可少的重要水資源,尤其是在地表缺水的干旱、半干旱地區(qū),地下水常常成為當(dāng)?shù)氐闹饕┧础?
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),20世紀(jì)70年代以色列國(guó)75%以上的用水依靠地下水供給,德國(guó)的許多城市供水,亦主要依靠地下水;法國(guó)的地下水開采量,要占到全國(guó)總用水量1/3左右;像美國(guó),日本等地表水資源比較豐富的國(guó)家,地下水亦要占到全國(guó)總用水量的20%左右。
中國(guó)地下水的開采利用量約占全國(guó)總用水量的10—15%,其中北方各省區(qū)由于地表水資源不足,地下水開采利用量大。根據(jù)統(tǒng)計(jì),1979年黃河流域平原區(qū)的淺層地下水利用率達(dá)48.6%,海、灤河流域更高達(dá)87.4%;1988年全國(guó)270多萬眼機(jī)井的實(shí)際抽水量為529.2×108立方米,機(jī)井的開采能力則超過800×108立方米。
地下水主要來源于大氣降水和地表水的入滲補(bǔ)給;同時(shí)以地下滲流方式補(bǔ)給河流、湖泊和沼澤,或直接注入海洋;上層土壤中的水分則以蒸發(fā)或被植物根系吸收后再散發(fā)入空中,回歸大氣,從而積極地參與了地球上的水循環(huán)過程,以及地球上發(fā)生的溶蝕、滑坡、土壤鹽堿化等過程,所以地下水系統(tǒng)是自然界水循環(huán)大系統(tǒng)的重要亞系統(tǒng)。
地下水的分類方法有多種,并可根據(jù)不同的分類目的、分類原則與分類標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分為多種類型體系。如按地下水的起源和形成,可區(qū)分為滲入水、凝結(jié)水、埋藏水、原生水和脫出水等;按地下水的力學(xué)性質(zhì)可分為結(jié)合水、毛細(xì)水和重力水;如按地下水的化學(xué)成分的不同,又有多種分類。
按貯存埋藏條件分類
1、包氣帶水
結(jié)合水(分吸濕水、薄膜水)
毛管水(分毛管懸著水與毛管上升水)
重力水(分上層滯水與滲透重力水)
2、飽水帶水
潛水
承壓水(分自流溢水與非自流溢水)
按巖土的貯水空隙的差異分類
1、孔隙水
2、裂隙水
3、巖溶水
在上述兩種基本類型的基礎(chǔ)上,將它們組合在一起,便可得到組合類型,如孔隙潛水、承壓裂隙水等等。
按水質(zhì)分類
按地下水的礦化度大小,可分為淡水、微咸水、咸水和鹵水4種。
礦化度小于2克/升的地下水為淡水,礦化度2~3克/升的地下水為微咸水,礦化度3~50克/升的地下水為咸水,礦化度大于50克/升的地下水為鹵水。
此外,從孔隙或構(gòu)造裂隙自然流出地表的地下水稱為泉水。地下水中含有超量的特殊礦物成分或化學(xué)成分(如鍶、硫、二氧化碳等)者稱為礦泉水。地下水的天然溫度超常高或超常低者,分別稱為溫泉或冷泉水。
地下水由于埋藏于地下巖土的空隙之中,因而其分布、運(yùn)動(dòng)和水的性質(zhì),要受到巖土的特性以及貯存它的空間特性的深刻影響。
含水介質(zhì)、含水層
自然界的巖石、土壤均是多孔介質(zhì),在它們的固體骨架間存在著形狀不一、大小不等的孔隙、裂隙或溶隙,其中有的含水,有的不含水,有的雖然含水卻難以透水。通常把既能透水,又飽含水的多孔介質(zhì)稱為含水介質(zhì),這是地下水存在的首要條件。
所謂含水層是指貯存有地下水,并在自然狀態(tài)或人為條件下,能夠流出地下水來的巖體。由于這類含水的巖體大多呈層狀、故名含水層,如砂層、砂礫石層等。亦有的含水巖體呈帶狀、脈狀甚至是塊狀等復(fù)雜狀態(tài)分布,對(duì)于這樣的含水巖體可稱為含水帶、含水體或稱為含水巖組。
對(duì)于那些雖然含水,但幾乎不透水或透水能力很弱的巖體,稱為隔水層,如質(zhì)地致密的火成巖、變質(zhì)巖,以及孔隙細(xì)小的頁巖和粘土層均可戌為良好的隔水層。實(shí)際上,含水層與隔水層之間并無一條截然的界線,它們的劃分是相對(duì)的,并在一定的條件下可以互相轉(zhuǎn)化。如飽含結(jié)合水的粘土層,在尋常條件下,不能透水與給水,成為良好的隔水層;但在較大的水頭作用下,由于部分結(jié)合水發(fā)生運(yùn)動(dòng),粘土層就可以由隔水層轉(zhuǎn)化為含水層。
含水介質(zhì)的空隙性與水理性
1、含水介質(zhì)的空隙性:含水介質(zhì)的空隱性是地下水存在的先決條件之一??障兜亩嗌佟⒋笮?、均勻程度及其連通情況,直接決定了地下水的埋藏、分布和運(yùn)動(dòng)特性。通常,將松散沉積物顆粒之間的空隙稱為孔隙,堅(jiān)硬巖石因破裂產(chǎn)生的空隙稱裂隙,可溶性巖石中的空隙稱溶隙(包括巨大的溶穴,溶洞等)。
2、含水介質(zhì)的水理性:巖土的空隙雖然為地下水提供了存在的空間,但是水能否自由的進(jìn)出這些空間,以及巖土保持水的能力,卻與巖土表面控制水分活動(dòng)的條件、性質(zhì)有很大的關(guān)系。這些與水分的貯容、運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì),稱為含水介質(zhì)的水理性質(zhì),包括巖土的容水性、持水性、給水性、貯水性、透水性及毛細(xì)性等。
蓄水構(gòu)造
所謂蓄水構(gòu)造,是指由透水巖層與隔水層相互結(jié)合而構(gòu)成的能夠富集和貯存地下水的地質(zhì)構(gòu)造體。一個(gè)蓄水構(gòu)造體需具備以下3個(gè)基本條件:
第一、要有透水的巖層或巖體所構(gòu)成的蓄水空間;
第二、有相對(duì)的隔水巖層或巖體構(gòu)成的隔水邊界;
第三、具有透水邊界,補(bǔ)給水源和排泄出路。
不同的蓄水構(gòu)造,對(duì)含水層的埋藏及地下水的補(bǔ)給水量、水質(zhì)均有很大的影響。尤其在堅(jiān)硬巖層分布區(qū),首先要查明蓄水構(gòu)造,才能找到比較理想的地下水源。這類蓄水構(gòu)造主要有:?jiǎn)涡毙钏畼?gòu)造、背斜蓄水構(gòu)造、向斜蓄水構(gòu)造、斷裂型蓄水構(gòu)造、巖溶型蓄水構(gòu)造等。在松散沉積物廣泛分布的河谷、山前平原地帶,有人根據(jù)沉積物的成因類型,空間分布及水源條件,區(qū)分為山前沖洪積型蓄水構(gòu)造、河谷沖積型蓄水構(gòu)造、湖盆沉積型蓄水構(gòu)造等。
地下水雖然埋藏于地下,難以用肉眼觀察,但它象地表上河流湖泊一樣,存在集水區(qū)域,在同一集水區(qū)域內(nèi)的地下水流,構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的地下水流系統(tǒng)。
基本特征
在一定的水文地質(zhì)條件下,匯集于某一排泄區(qū)的全部水流,自成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的地下水流系統(tǒng),又稱地下水流動(dòng)系。處于同一水流系統(tǒng)的地下水,往往具有相同的補(bǔ)給來源,相互之間存在密切的水力聯(lián)系,形成相對(duì)統(tǒng)一的整體;而屬于不同地下水流系統(tǒng)的地下水,則指向不同的排泄區(qū),相互之間沒有或只有極微弱的水力聯(lián)系。此外,與地表水系相比較,地下水流系統(tǒng)具有如下的特征:
1、空間上的立體性:地表上的江河水系基本上呈平面狀態(tài)展布;而地下水流系統(tǒng)往往自地表面起可直指地下幾百上千米深處,形成空間立體分布,并自上到下呈現(xiàn)多層次的結(jié)構(gòu),這是地下水流系統(tǒng)與地表水系的明顯區(qū)別之一。
2、流線組合的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性:地表上的江河水系,一般均由一條主流和若干等級(jí)的支流組合而成有規(guī)律的河網(wǎng)系統(tǒng)。而地下水流系統(tǒng)則是由眾多的流線組合而成的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng),在系統(tǒng)內(nèi)部不僅難以區(qū)別主流和支流,而且具有多變性和不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性,可以表現(xiàn)為受氣候和補(bǔ)給條件的影響呈現(xiàn)周期性變化;亦可因?yàn)殚_采和人為排泄,促使地下水流系統(tǒng)發(fā)生劇烈變化,甚至在不同水流系統(tǒng)之間造成地下水劫奪現(xiàn)象。
3、流動(dòng)方向上的下降與上升的并存性:在重力作用下,地表江河水流總是自高處流向低處;然而地下水流方向在補(bǔ)給區(qū)表現(xiàn)為下降,但在排泄區(qū)則往往表現(xiàn)為上升,有的甚至形成噴泉。
除上述特點(diǎn)外,地下水流系統(tǒng)涉及的區(qū)域范圍一般比較小,不可能象地表江河那樣組合成面積廣達(dá)幾十萬乃至上百萬平方公里的大流域系統(tǒng)。根據(jù)托思的研究,在一塊面積不大的地區(qū),由于受局部復(fù)合地形的控制,可形成多級(jí)地下水流系統(tǒng),不同等級(jí)的水流系統(tǒng),它們的補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)在地面上交替分布。
地下水域
地下水域就是地下水流系統(tǒng)的集水區(qū)域。它與地表水的流域亦存在明顯區(qū)別,地表水的流動(dòng)主要受地形控制,其流域范圍以地形分水嶺為界,主要表現(xiàn)為平面形態(tài);而地下水域則要受巖性地質(zhì)構(gòu)造控制,并以地下的隔水邊界及水流系統(tǒng)之間的分水界面為界,往往涉及很大深度,表現(xiàn)為立體的集水空間。
如以人類歷史時(shí)期來衡量,地表水流域范圍很少變動(dòng)或變動(dòng)極其緩慢,而地下水域范圍的變化則要快速得多,尤其是在大量開采地下水或人工大規(guī)模排水的條件下,往往引起地下水流系統(tǒng)發(fā)生劫奪,促使地下水域范圍產(chǎn)生劇變。
通常,每一個(gè)地下水域在地表上均存在相應(yīng)的補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū),其中補(bǔ)給區(qū)由于地表水不斷地滲入地下,地面常呈現(xiàn)干旱缺水狀態(tài);而在排泄區(qū)則由于地下水的流出,增加了地面上的水量,因而呈現(xiàn)相對(duì)濕潤(rùn)的狀態(tài)。如果地下水在排泄區(qū)以泉的形式排泄,則可稱這個(gè)地下水域?yàn)槿颉?
一些地區(qū)(如中國(guó)的華北平原等地,臺(tái)灣的云嘉南一帶)以地下水作為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖漁業(yè)和生活用水的主要來源,這些地區(qū)過量開采地下水,造成地層下陷,某些沿海地區(qū)還造成海水滲入,造成地下水咸化。
此外,過度使用地下水造成地下水位下降,會(huì)使河水?dāng)嗔鳎纯萁?,甚至造成地裂縫,以及地下水污染、土壤鹽漬化、濕地消失,植被退化,土地沙化,且造成土地防洪以及調(diào)節(jié)的功能喪失等環(huán)境問題。地下水資源比地表水容易受到污染而又難以恢復(fù),所以要保護(hù)地下水資源。
由于過量的開采和不合理的利用地下水,常常造成地下水位嚴(yán)重下降,形成大面積的地下水下降漏斗,在地下水用量集中的城市地區(qū),還會(huì)引起地面沉降。此外工業(yè)廢水與生活污水的大量入滲,常常嚴(yán)重地污染地下水源,危及地下水資源。
地面沉降
地下水資源的開發(fā)利用普遍,開采強(qiáng)度提高,由于開采格局不合理,因抽取地下水而引發(fā)的地面沉降。
巖溶塌陷
大規(guī)模集中開采地下水以及礦山排水等,造成地面塌陷頻繁發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),中國(guó)23個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市)發(fā)生巖溶塌陷1400多例,塌坑總數(shù)超過4萬個(gè),給國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。2003年8月4日,廣東陽春市巖溶塌陷造成6棟民房倒塌、2人傷亡、80多戶400多人受災(zāi);2000年4月6日武漢洪山區(qū)巖溶塌陷造成4幢民房倒塌,150多戶900多人受災(zāi);20世紀(jì)80年代,山東泰安巖溶塌陷造成京滬鐵路一度中斷、長(zhǎng)期減速慢行;貴昆鐵路因巖溶塌陷發(fā)生列車顛覆事件 。
海水入侵
在環(huán)渤海地區(qū)、長(zhǎng)江三角洲的部分沿海城市和南方沿海地區(qū),由于過量開采地下水引起不同程度的海水入侵,呈現(xiàn)從點(diǎn)狀入侵向面狀入侵的發(fā)展趨勢(shì)。海水入侵使地下水產(chǎn)生不同程度的咸化,造成當(dāng)?shù)厝罕婏嬎щy,土地發(fā)生鹽漬化。
水質(zhì)污染
城市與工業(yè)“三廢”不合理或不達(dá)標(biāo)排放量的迅速增加,農(nóng)牧區(qū)農(nóng)藥、化肥的大量使用,導(dǎo)致地下水污染日益嚴(yán)重,呈現(xiàn)由點(diǎn)到面、由淺到深、由城市到農(nóng)村的擴(kuò)展趨勢(shì)。據(jù)新華網(wǎng)報(bào)道,有關(guān)部門對(duì)118個(gè)城市連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,約有64%的城市地下水遭受嚴(yán)重污染,33%的地下水受到輕度污染,基本清潔的城市地下水只有3%。
2012年5月11日,中國(guó)國(guó)土資源部《2011中國(guó)國(guó)土資源公報(bào)》面向社會(huì)發(fā)布,公報(bào)顯示中國(guó)城市地下水較差、極差級(jí)比例已經(jīng)過半,全國(guó)地下水質(zhì)量狀況不容樂觀。
公報(bào)對(duì)中國(guó)200個(gè)城市開展地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)。在4700多個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行的取樣測(cè)試分析結(jié)果表明,水質(zhì)呈優(yōu)良級(jí)的占全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的11%;水質(zhì)呈良好級(jí)不足三成;水質(zhì)呈較差級(jí)的超過四成;水質(zhì)呈較差-極差級(jí)的占55%??傮w來講,全國(guó)地下水水質(zhì)變化以穩(wěn)定為主,呈變好趨勢(shì)和變差趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)比例相當(dāng)。地下水質(zhì)呈變好趨勢(shì)的城市主要分布在四川、貴州、西藏、內(nèi)蒙古、廣東等地的部分城市。
其他問題
改變自然景觀。北京地區(qū)多處歷史名泉已因地下水位嚴(yán)重下降而枯竭;新疆吐魯番地區(qū)的沙漠中有600萬畝綠洲,其中有百萬畝良田,因過量開采地下水,已使良田周圍靠地下水涵養(yǎng)的草場(chǎng)出現(xiàn)枯死現(xiàn)象。[10]
地下水資源分布于中國(guó)的各大平原、山間盆地、大型河谷平原和內(nèi)陸盆地的山前平原和沙漠中,主要包括黃淮海平原、三江平原、松遼平原、江漢平原、塔里木盆地、準(zhǔn)葛爾盆地、四川盆地、以及河西走廊、河套平原、關(guān)中盆地、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、雷州半島等地區(qū)。
中國(guó)平原盆地地下水分布面積273.89平方千米,占全國(guó)評(píng)價(jià)區(qū)總面積的28.86%;地下水可開采資源量1686.09億立方米/年,占全國(guó)地下水可開采資源總量的47.79%。
黃淮海平原是中國(guó)第一大地下水富集區(qū)。評(píng)價(jià)區(qū)面積24.13平方千米,占中國(guó)評(píng)價(jià)區(qū)總面積的2.64%,地下水可開采資源量373.37億立方米/年,占中國(guó)地下水可開采資源總量的10.58%,范圍包括北京市南部、天津市大部、河北省東部、河南省東北部、山東省西北部、安徽省北部和江蘇省北部地區(qū)。
三江-松遼平原是中國(guó)第二大地下水富集區(qū)。評(píng)價(jià)區(qū)面積34.2平方千米,占全國(guó)評(píng)價(jià)區(qū)總面積的3.74%,地下水可開采資源量306.4億立方米/年,占中國(guó)地下水可開采資源總量的8.68%,范圍包括黑龍江省的大部、吉林省西部、遼寧省西部和內(nèi)蒙古自治區(qū)的東北部地區(qū)。
黃土地區(qū)地下水是平原-盆地地下水的一種,是中國(guó)的一大特色,主要分布在中國(guó)的陜西省北部、寧夏回族自治區(qū)南部、山西省西部和甘肅省東南部地區(qū),即日月山以東、呂梁山以西、長(zhǎng)城以南、秦嶺以北的黃土高原地區(qū)。黃土地區(qū)地下水主要賦存于黃土塬區(qū),在一些規(guī)模較大的塬區(qū),地下水比較豐富,具有供水價(jià)值。評(píng)價(jià)區(qū)面積17.18萬平方千米,占全國(guó)評(píng)價(jià)區(qū)總面積的1.81%;地下水可開采資源量97.44億立方米/年,占全國(guó)地下水可開采資源總量的3.0%。
巖溶地區(qū)地下水主要賦存于碳酸鹽巖(石灰?guī)r)的溶洞裂隙中,其賦存狀態(tài)取決于巖溶發(fā)育程度。中國(guó)碳酸鹽巖分布較廣,有的直接裸露于地表,有的埋藏于地下,不同氣候條件下,其巖溶發(fā)育程度不同,特別是北方和南方地區(qū)差異明顯。中國(guó)巖溶地區(qū)地下水分布面積約82.83萬平方千米,占全國(guó)評(píng)價(jià)區(qū)總面積的8.73%;巖溶地下水可開采資源量870.02億立方米/年,占全國(guó)地下水可開采資源總量的26.7%,開發(fā)利用價(jià)值非常大。