封閉含水層

含水層上面被隔水層所覆蓋,而且地下水充滿了含水層,就變得和封閉的自來水管道相似了。地下水位有升降變化時,含水層體積受上復隔水層的限制,不能象開放含水層那樣自由變化。這種含水層應當叫做"封閉含水層",教科書上的通行術語則是"承壓含水層"。

概述

含水層上面被隔水層所覆蓋,而且地下水充滿了含水層,就變得和封閉的自來水管道相似了。地下水位有升降變化時,含水層體積受上復隔水層的限制,不能象開放含水層那樣自由變化。這種含水層應當叫做"封閉含水層",教科書上的通行術語則是"承壓含水層"。

特點

實際上,無論自來水管道還是封閉含水層,都不是絕對剛性的。它們都具有彈性和可壓縮性。當水位上升時,體積會被漲大,反之則會被壓縮變小。這種漲縮對自來水管道來說微不足道,通常被忽略不計。但對封閉含水層來說,由於下面將要談到的原因,這種可壓縮性和彈性卻不能不加以考慮。

作用

首先,封閉含水層傳導水的能力比自來水管道小許多個數量級。任何一個末端自來水龍頭放水,都能幾乎立即從自來水廠的蓄水容器得到補給。其間的水頭損失比較小。而含水層對水的摩擦阻力很大,從封閉含水層的側向補給源到打井取水地點距離一般又很遠。其間要達到穩定狀態,需有很大的水頭損失。實際上,在達到穩定狀態之前,從水井抽出來的水,並不是來自遠方的側向補給源,而是來自水井周圍含水層的壓縮。水井的抽水,使地下水位下降,在水井周圍形成降落漏斗。對封閉含水層來說,這就象液壓千斤頂放油、汽車輪胎放氣一樣,使含水層壓縮。這樣就從含水層擠壓出一些地下水來。水井抽取的地下水,實際上就是來自含水層壓縮出來的那一部分水。早期,水井抽取的主要是水井周圍近處含水層壓縮出來的地下水,隨著降落漏斗的擴展,抽出來的水逐漸更多地來自較遠處的含水層。從開始抽水到大部分井水不再來自含水層的壓縮,而是來自補給邊界,需要很長的時間,如果補給邊界離抽水井比較遠,甚至需要幾十年時間,那時抽水井水位將下降得很深,乃至抽水成本高到難以接受的程度。此外,封閉含水層中地下水位每下降1米,因壓縮所能給出的水是很少的,只有開放含水層的千分之幾到萬分之幾。因此,地下水位的降落漏斗體積,在同樣出水量的條件下,比開放含水層要大成千上萬倍。

按照質量守恆原理,從含水層抽取的地下水不可能憑空產生,總歸要有來源。開放含水層比較好理解,從含水層抽取的水,部分來自含水層的疏乾,部分來自地表水體的補給。而封閉含水層就有點令人費解。後者既沒有疏乾,也很難從地表水體得到補給。那么從井裡抽出來的水是從那裡來的?二十世紀初地下水水力學的一個重大進展是發現從封閉含水層抽取的地下水是由含水層體積壓縮而來的。最終表現在地面沉降上。根據河北滄州和天津以往長期觀測的結果,多年從封閉含水層抽取的地下水總體積,大體上等於地面沉降的總體積。側向補給少得可以忽略不計。

從封閉含水層抽取地下水會導致地面沉降!這是一個嚴重的問題。到目前為止我們已經有了大量負面的案例。早在六十年代,上海就因地面沉降而遭受了難以彌補的損失。由於地面沉降早期很難憑直覺發現,上海的教訓並沒有被別的地方及時汲取,天津隨後也出現了類似的問題。長江三角洲的蘇州、無錫、常州由於含水層不如上海寬闊,受局部斷陷小盆地的制約,出現不均勻沉降,導致地面裂縫。西安的地裂縫也是長期從封閉含水層抽水的後果。由此可見,從封閉含水層長期大量地抽取地下水,弊大於利,往往是得不償失。抽不了多少水就會引起地下水位大幅度下降,而且經常導致嚴重的地面沉降後果。

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