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浅谈地下水常识

时间:2020-01-07 信息来源:绿岩水利 点击:4次

补给程度

全国地下水天然补给资源评价面积914.97万平方千米,地下水天然补给资源总量9234.72亿立方米/年,平均补给模数为10.09万立方米/平方千米?年。我国地下水资源补给量具有从东南沿海地区向西北内陆地区减少的规律,海南、广东等省的地下水补给资源量最大,在50万立方米/平方千米。年以上,新疆、内蒙古自治区最小,不足5万立方米/平方千米?年。《中国地下水补给资源量分布图》以水文地质单元为基础,以单位面积地下水天然补给资源量为依据编制而成,用个五级别来反映地下水补给的丰富程度。
地下水补给丰富区。单位面积地下水补给量大于50万立方米/平方千米年,主要分布在海南省、广东省、湖北省和广西壮族自治区的部分地区,黑龙江省、吉林省、四川省、台湾省、陕西省、宁夏回族自治区也有零星分布。地下水资源补给丰富区的面积约18.56万平方千米,占全国总面积的1.96%。
地下水补给较丰富区。单位面积地下水补给资源量20—50万立方米/平方千米?年,分布在海南省、广西壮族自治区、广东省、福建省、贵州省和上海市的大部分地区,江苏省、重庆市、山东省、辽宁省、北京市、湖南省、西藏自治区和新疆维吾尔自治区也有分布。地下水资源补给较丰富区的面积约137.64万平方千米,占全国总面积的14.51%。
地下水补给中等区。单位面积地下水补给资源量10—20万立方米/平方千米?年,主要分布在北方地区的黄淮海平原区、南方地区的云南省、贵州省、四川省、江西省、湖南省等地的岩溶石山地区,西北地区、东北地区、西南地区的平原河谷地带也有分布。地下水资源补给丰富区的面积约178.34万平方千米,占全国总面积的18.79%。
地下水补给较贫乏区。单位面积地下水补给资源量小于5—10万立方米/平方千米?年,从东部沿海地区到西部内陆地区均有分布,主要集中分布在中部地区,范围几乎涉及全国所有省份,主要包括东北三省、山东、山西、河北、河南、安徽、江西、四川、重庆等省(市)的丘陵山区,其它省份也有零星状分布。地下水资源补给丰富区面积约236.03万平方千米,占全国总面积的24.87%。
地下水补给贫乏区。单位面积地下水补给资源量小于5万立方米/平方千米?年,分布在我国西北的绝大部分地区、东北西部、华北北部和西南的部分地区,主要分布在新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区、宁夏回族自治区、陕西省、甘肃省的大部分地区,青海省、山西省、河北省、西藏自治区的也有分布。地下水资源补给丰富区面积约378.37万平方千米,占全国总面积的39.87%。
三 全国地下淡水可开采资源量3527.79亿立方米/年,现状(1999年)实际开采量1058.33亿立方米/年,地下淡水剩余量为2469.45亿立方米/年。从全国总的来看,地下淡水剩余量还比较多,占可开采资源量的70%。但地下淡水剩余量的分布极不均一,北方地区剩余量为744.77亿立方米/年,南方地区余量为1724.69亿立方米/年,分别占全国地下水淡水剩余量的30.2%和69.8%,占当地地下水可开采资源量的48.5%和86.8%。

开采程度

《中国地下水资源开采潜力图》根据全国地市级行政单位的统计结果编制而成,划分为六个潜力等级,基本反映了我国地下水资源开采潜力的总体规律。北京、天津、河北、河南、山东、山西、陕西、甘肃、新疆的许多地区地下水超采;“三北”地区北部的广大地区地下水开采潜力较小;东北平原、塔里木盆地、四川盆地、江汉平原、巴颜喀拉山区、以及南方的部分地区,地下水开采潜力中等;长江流域、淮河流域、珠江流域的地下水开采潜力较大或大。
地下水地下水
超采区。地下水开采潜力小于0,需要采取调整开采布局、调引客水补源、推行节约用水等措施,缓解地下水紧张矛盾。主要分布在北京市、天津市、河北省的大部分地区,上海市、山东省、河南省、陕西省的部分地区,新疆维吾尔自治区的乌鲁木齐、哈密、吐鲁番等地区,辽宁省的营口、铁岭等地区及台湾省。地下水超采区面积62.35万平方千米,占全国总面积的6.6%。
基本平衡区。地下水开采潜力0—1万立方米/平方千米?年,不能盲目扩大开采。北方地区应该把这部分水留作生态用水。主要分布华北、西北、东北地区的北部,包括内蒙古自治区、西藏自治区的大部分地区,甘肃省的酒泉、新疆维吾尔自治区的部分地区,以及四川省、陕西省、湖北省、江西省、福建省的部分地区。地下水采-补平衡区面积273.64万平方千米,占全国总面积的28.8%。
开采潜力较小区。地下水开采潜力1—5万立方米/平方千米?年的地区,可适度开发利用地下水。主要分布在青海、新疆、重庆、福建的大部分地区,黑龙江、吉林、辽宁三省的松嫩、松辽平原区,以及云南、贵州、湖南等省份的部分地区。地下水开采潜力较小的地区面积429.85万平方千米,占全国总面积的45.3%。
开采潜力中等区。地下水开采潜力5—10万立方米/平方千米?年的地区,可以适当增加地下水开采强度,减少地表水的利用。主要分布于长江流域和华南地区,包括四川省、贵州省、湖南省、湖北省、安徽省、广东省、广西壮族自治区等的大部分地区,北方地区仅在三江平原等局部地区分布。地下水开采潜力中等区面积100.58万平方千米,占全国总面积的10.6%。
开采潜力较大区。地下水开采潜力10—20万立方米/平方千米?年的地区,应该鼓励开发利用地下水,充分利用地下水水质优良、动态稳定和多年调节的特点。主要分布在长江沿岸、淮河沿岸和华南地区,包括江苏、安徽、广东、海南省的大部分地区,贵州省、湖南省、湖北省也有零星分布。地下水开采潜力较大区面积47.70万平方千米,占全国总面积的5.0%。
开采潜力大区。地下水开采潜力大于20万立方米/平方千米?年的地区,主要分布在广西壮族自治区、广东省、海南省的小部分地区。虽然这些地区地下水开采潜力大,但由于降水充沛,地表水丰富,社会经济对地下水的依赖程度不高,地下水开采潜力的实际价值不大。地下水开采潜力大区面积4.82平方千米,占全国总面积的0.5%。备注:
1、地下水资源及其开采潜力的分布,主要依赖于不同级次水文地质单元的补给条件与开采状况,按照行政单位进行地下水开采潜力分析,其结果难免有与局部地区事实不相符的地方。
2、地下水是一种就地资源,在一个区域内往往是超量开采与资源剩余并存,区域平均结果有时掩盖了一些地方局部剩余与局部超采的客观实际,希望在使用这张图时有所辨别,以免产生误解。

污染程度

《中国地下水污染状况图》以国家地下水质量标准(GB/T 14848-93)为依据,将人类活动影响下的地下水质量现状与天然条件下的地下水质量“背景值”相对照,确定地下水污染超标组分,按照单要素评价与多要素综合评价相结合的原则编制而成,反映了城市地下水污染程度和污染组分二方面内容。地下水污染程度分为污染严重、污染中等和污染较轻三级,反映的地下水污染组分包括硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮、铅、砷、汞、铬、氰化物、挥发性酚、石油类、高锰酸盐指数等指标。
东北地区重工业和油田开发区地下水污染严重。东北地区的地下水污染,不同地区有不同特点。松嫩平原的主要污染物为亚硝酸盐氮、氨氮、石油类等;下辽河平原硝酸盐氮、氨氮、挥发性酚、石油类等污染普遍。各大中城市地下水的污染程度不同,其中,哈尔滨、长春、佳木斯、大连等城市的地下水污染较重。
华北地区地下水污染普遍呈加重趋势。华北地区人类经济活动强烈,从城市到乡村地下水污染比较普遍,主要污染组分有硝酸盐氮、氰化物、铁、锰、石油类等。此外,该区地下水总硬度和矿化度超标严重,大部分城市和地区的总硬度超标,其中,北京、太原、呼和浩特等城市污染较重。
西北地区地下水受人类活动影响相对较小污染较轻。西北地区地下水污染总体较轻。内陆盆地地区的主要污染组分为硝酸盐氮;黄河中游、黄土高原地区的主要污染物有硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、铬、铅等,以点状、线状分布于城市和工矿企业周边地区,其中,兰州、西安等城市污染较重。
地下水地下水
南方地区地下水局部污染严重。南方地区地下水水质总体较好,但局部地区污染严重。西南地区的主要污染指标有亚硝酸盐氮、氨氮、铁、锰、挥发性酚等,污染组分呈点状分布于城镇、乡村居民点,污染程度较低,范围较小。中南地区主要污染指标有亚硝酸盐氮、氨氮、汞、砷等,污染程度低。东南地区主要污染指标有硝酸盐氮、氨氮、汞、铬、锰等,地下水总体污染轻微,但城市及工矿区局部地域污染较重,特别是长江三角洲地区、珠江三角洲地区经济发达,浅层地下水污染普遍。南方城市中,武汉、襄樊、昆明、桂林等污染较重。 七 《中国地下水质量分布图》根据建国50年来,特别是近20年来,地下水勘查开发与地下水环境监测资料,参照不同用途的水质标准,在地下水水质评价和地下水污染评价基础上,经过系统分析与综合研究编制而成。地下水质量共分为四级:可供饮用的地下水、适当处理后可供饮用的地下水、不宜直接饮用但可供工农业利用的地下水、不宜直接利用的地下水。
我国地下水质量分布的总体规律是:南方地下水质量优于北方地下水质量,东部平原区地下水质量优于西部内陆盆地,山区地下水质量优于平原,山前及山间平原地下水质量优于滨海地区,古河道带的地下水质量优于河间地带,深层地下水质量常常优于浅层地下水。
东北地区地下水质量优劣不均局部污染。东北地区地下水质量从山区到平原由优变劣,基岩地区地下水质量优于松散岩类地下水,承压地下水质量优于潜水。该区大部分地下水为可供生活与工农业供水水源,松辽盆地中部地下水质量差,不宜直接利用。重工业和油田开发导致部分城市和地区的地下水遭受污染。
华北地区地下水质量分带明显污染普遍。华北地区是人类活动最强烈的地区之一,地下水环境受人类活动的干扰影响大。该区地下水主要赋存于黄淮海平原及其外围山区,浅层地下水质量分布具明显的分带规律,从山区、平原到滨海,地下水质量由优变劣,且城市地区地下水污染普遍。大部分地区的地下水可供直接饮用。
西北地区地下水质量总体较差污染较轻。西北地区地下水质量天然不良,并呈由山区向盆地、由盆地边缘向盆地中部,地下水质量呈现出由优变劣的变化特点,表现为环带状分布特点,不宜直接利用的地下水分布面积占全区总面积的18%。在西北地区,人类活动对地下水的干扰影响主要表现为开采造成的生态环境变化,地下水污染程度总体较轻。
地下水地下水
南方地区地下水质量总体优良局部污染。南方大部分地区的地下水质量优良,可供直接饮用,其中江西、福建、广西、广东、海南、贵州、重庆等省(区、市),可供直接饮用地下水的分布面积占全省面积的90%以上。但在一些平原地区,经济发达,城市化进程较快,人类活动对地下水影响较大,浅层地下水遭到污染。长江三角洲、珠江三角洲等经济发展核心地区,浅层地下水质量差,人们对浅层地下水的开采越来越少,对深层地下水的开采越来越多,诱发了严重的地面沉降。 地下水
八 随着社会经济的快速发展和地下水开发技术的不断提高,我国地下水开发正在向“深”、“广”发展,开采层不断加深,开采范围不断扩大。全国660个城市中,开采地下水的城市400多个;地下水有效灌溉面积7.48亿亩,占全国耕地总面积的40%;过去东南沿海从不开采地下水的地区,大量开采地下水;华北平原、长江三角洲等地区,因浅层地下水污染,地下水开采大量转向深层地下水。地下水的开发利用,一方面给社会经济发展提供了水源支撑,另一方面不合理超量开采地下水,诱发了许多环境地质问题。特别是以地下水为主要供水水源的北方城市和地区,掠夺式开采现象严重,引发的环境地质问题突出。
《中国地下水环境地质问题图》根据全国地下水环境调查监测资料编制而成,反映的主要环境地质问题有区域地下水降落漏斗、地面沉降、地面塌陷、地裂缝、海水入侵和土壤盐渍化等,主要分布在地下水集中开采和超量开采地区。

补给方式

地下水主要有降水入渗、灌溉水入渗、地表水入渗补给,越流补给和人工补给。在一定条件下,还有侧向补给。地下水的排泄主要有泉、潜水蒸发、向地表水体排泄、越流排泄和人工排泄。泉是地下水天然排泄的主要方式。

主要功能

地下水与人类的关系十分密切,
地下水地下水
井水和泉水是我们日常使用最多的地下水。地下水可开发利用,作为居民生活用水、工业用水和农田灌溉用水的水源。地下水具有给水量稳定、污染少的优点。含有特殊化学成分或水温较高的地下水,还可用作医疗、热源、饮料和提取有用元素的原料。在矿坑和隧道掘进中,可能发生大量涌水,给工程造成危害。在地下水位较浅的平原、盆地中,潜水蒸发可能引起土壤盐渍化;在地下水位高,土壤长期过湿,地表滞水地段,可能产生沼泽化,给农作物造成危害。不过,地下水也会造成一些危害,如地下水过多,会引起铁路公路塌陷,淹没矿区坑道,形成沼泽地等。同时,需要注意的是:地下水有一个总体平衡问题,不能盲目和过度开发,否则容易形成地下空洞、地层下陷等问题。
地下水作为地球上重要的水体,与人类社会有着密切的关系。地下水的贮存有如在地下形成一个巨大的水库,以其稳定的供水条件、良好的水质,而成为农业灌溉工矿企业以及城市生活用水的重要水源,成为人类社会必不可少的重要水资源,尤其是在地表缺水的干旱半干旱地区,地下水常常成为当地的主要供水水源。
据不完全统计,70年代以色列国75%以上的用水依靠地下水供给,德国的许多城市供水,亦主要依靠地下水;法国的地下水开采量,要占到全国总用水量1/3左右;像美国,日本等地表水资源比较丰富的国家,地下水亦要占到全国总用水量的20%左右。中国地下水的开采利用量约占全国总用水量的10—15%,其中北方各省区由于地表水资源不足,地下水开采利用量大。根据统计,1979年黄河流域平原区的浅层地下水利用率达48.6%,海、滦河流域更高达87.4%;1988年全国270多万眼机井的实际抽水量为529.2亿立方米,机井的开采能力则超过800亿立方米。
问题的另一面,由于过量的开采和不合理的利用地下水,常常造成地下水位严重下降,形成大面积的地下水下降漏斗,在地下水用量集中的城市地区,还会引起地面发生沉降。此外工业废水与生活污水的大量入渗,常常严重地污染地下水源,危及地下水资源。因而系统地研究地下水的形成和类型、地下水的运动以及与地表水大气水之间的相互转换补给关系,具有重要意义。

组成结构

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。
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。
综上所述,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。

运动模式

绝大多数地下水的运动属层流运动。在宽大的空隙中,如水流速度高,则易呈紊流运动。
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。


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