地下水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查與評(píng)價(jià)

地下水是水資源的重要組成部分，在保障我國(guó)城鄉(xiāng)居民生活、支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、維持生態(tài)平衡等方面具有十分重要的作用。

一、地質(zhì)學(xué)的一些基本概念

地球自形成以來(lái)，經(jīng)歷了約46億年的演化過(guò)程，進(jìn)行過(guò)錯(cuò)綜復(fù)雜的物理、化學(xué) 變化。在距今200萬(wàn)?300萬(wàn)年前，才開(kāi)始有了人類出現(xiàn)。人類為了生存和發(fā)展，一 直在努力適應(yīng)和改變周圍的環(huán)境。利用堅(jiān)硬巖石作為用具和工具，從礦石中提取的銅、 鐵等金屬，對(duì)人類社會(huì)的歷史產(chǎn)生了劃時(shí)代的影響。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)地球的影響越來(lái)越大，地質(zhì)環(huán)境對(duì)人類的制約作用也越來(lái)越明顯。如何合理有效 地利用地球資源、維護(hù)人類生存的環(huán)境，已成為當(dāng)今世界所共同關(guān)注的問(wèn)題。

1. 地質(zhì)的概念

地質(zhì)是指地球的物質(zhì)組成、內(nèi)部構(gòu)造、外部特征，以及各層圈之間的相互作用 和演變過(guò)程。

2. 礦物和巖石

在地球的化學(xué)成分中，鐵的含量最高(35%)，其他元素依次為氧(30%)、 硅(15%)、鎂(13%)等。如果按地殼中所含元素計(jì)算，氧最多(46%)，其他 依次為硅(28%)、鋁(8%)、鐵(6%)、鎂(4%)等。這些元素多形成化合物, 少量為單質(zhì)，它們的天然存在形式即為礦物。

礦物具有確定的或在一定范圍內(nèi)變化的化學(xué)成分和物理特征。礦物在地殼中常 以集合的形態(tài)存在，這種集合體可以由一種，也可以由多種礦物組成，這在地質(zhì)學(xué)中被稱為巖石。由此可見(jiàn)，地質(zhì)學(xué)中所說(shuō)的巖石不僅指我們?nèi)粘Ｋ�理解的“石頭”， 還包括地球表面的松散沉積物——土壤。巖石的特征用巖性來(lái)表示。所謂巖性，是 指反映巖石特征的一些屬性，包括顏色、成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、膠結(jié)物質(zhì)、膠結(jié)類型、 特殊礦物等。

3. 地質(zhì)構(gòu)造

地球表層的巖層和巖體，在形成過(guò)程中及形成以后，都會(huì)受到各種地質(zhì)作用力 的影響，有的大體上保持了形成時(shí)的原始狀態(tài)，有的則產(chǎn)生了形變。它們具有復(fù)雜的空間組合形態(tài)，即各種地質(zhì)構(gòu)造。斷裂和褶皺是地質(zhì)構(gòu)造的兩種最基本形式。

4. 地層與地層層序律

地層是以成層的巖石為主體，在長(zhǎng)期的地球演化過(guò)程中在地球表面低凹處形成 的構(gòu)造，是地質(zhì)歷史的重要紀(jì)錄。狹義的地層專指己固結(jié)的成層的巖石，也包括尚 未固結(jié)成巖的松散沉積物。依照沉積的先后，早形成的地層居下，晚形成的地層在

上，這是地層層序關(guān)系的基本原理，稱為地層層序律。

二、水文學(xué)的一些基本概念

1. 水量平衡

所謂水量平衡，是指任意選擇的區(qū)域(或水體)，在任意時(shí)段內(nèi)，其收入的水 量與支出的水量之間差額必等于該時(shí)段區(qū)域(或水體)內(nèi)蓄水的變化量，即水在循環(huán)過(guò)程中，從總體上說(shuō)收支平衡。水量平衡概念是建立在現(xiàn)今的宇宙背景下。地球 上的總水量接近于一個(gè)常數(shù)，自然界的水循環(huán)持續(xù)不斷，并具有相對(duì)穩(wěn)定性這一客 觀的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)之上的。

從本質(zhì)上說(shuō)，水量平衡是質(zhì)量守恒原理在水循環(huán)過(guò)程中的具體體現(xiàn)，也是地球 上水循環(huán)能夠持續(xù)不斷進(jìn)行下去的基本前提。一旦水量平衡失控，水循環(huán)中某一環(huán)節(jié)就要發(fā)生斷裂，整個(gè)水循環(huán)亦將不復(fù)存在。反之，如果自然界根本不存在水循環(huán) 現(xiàn)象，亦就無(wú)所謂平衡了。因而，兩者密切不可分。水循環(huán)是地球上客觀存在的自 然現(xiàn)象，水量平衡是水循環(huán)內(nèi)在的規(guī)律。

2. 蒸發(fā)

在常溫下水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)進(jìn)入大氣的過(guò)程稱為蒸發(fā)�？諝庵械乃�汽主要來(lái)自 地表水、地下水、土壤和植物的蒸發(fā)。有了蒸發(fā)作用，水循環(huán)才得以不斷進(jìn)行。

水面蒸發(fā)的速度和數(shù)量取決于許多因素(氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速等)，其中 主要決定于氣溫和絕對(duì)濕度的對(duì)比關(guān)系。氣溫決定了空氣的飽和水汽含量，而絕對(duì)濕度則是該溫度下空氣中實(shí)有的水汽含量，該兩水汽含量之差稱為飽和差。蒸發(fā)速 度或強(qiáng)度與飽和差成正比，即飽和差愈大，蒸發(fā)速度也愈大。

風(fēng)速是影響水面蒸發(fā)的另一重要因素。蒸發(fā)的水汽容易積聚在水面上而妨礙進(jìn) 一步蒸發(fā)，風(fēng)將水面蒸發(fā)出來(lái)的水汽不斷吹走，蒸發(fā)加快，因此，風(fēng)速愈大，蒸發(fā)就愈強(qiáng)烈。

蒸發(fā)包括水面蒸發(fā)、土面蒸發(fā)、葉面蒸發(fā)等。通常用水面蒸發(fā)量的大小表征一個(gè) 地區(qū)蒸發(fā)的強(qiáng)度。氣象部門常用蒸發(fā)皿(直徑數(shù)十分米的圓皿)測(cè)定某一時(shí)期內(nèi)蒸發(fā)水量，以蒸發(fā)的水柱高度毫米數(shù)表示蒸發(fā)量，如北京的多年平均年蒸發(fā)量為1 102 mm。

必須注意，氣象部門提供的蒸發(fā)量是指水面蒸發(fā)量，只能說(shuō)明蒸發(fā)的相對(duì)強(qiáng)度， 而不代表實(shí)際的蒸發(fā)水量。因?yàn)橥ǔＲ粋�(gè)地區(qū)不全是水面，并且，用小直徑的蒸發(fā)皿測(cè)得的蒸發(fā)量比實(shí)際的水面蒸發(fā)量要偏大許多。

3. 降水

當(dāng)空氣中水汽含量達(dá)飽和狀態(tài)時(shí)，超過(guò)飽和限度的水汽便凝結(jié)，以液態(tài)或固態(tài) 形式降落到地面，這就是降水。空氣冷卻是導(dǎo)致水汽凝結(jié)的主要條件。暖濕氣團(tuán)由于各種原因變冷就可以產(chǎn)生降水。其中最常見(jiàn)的是鋒面降水。當(dāng)暖濕氣團(tuán)與冷氣團(tuán) 相遇時(shí)，在兩者接觸的鋒面上，水汽大量凝結(jié)形成降水。氣象部門用雨量計(jì)測(cè)定降

水量，以某一地區(qū)某一時(shí)期的降水總量平鋪于地面得到的水層高度毫米數(shù)表示。

降水是水循環(huán)的主要環(huán)節(jié)之一，一個(gè)地區(qū)降水量的大小，決定了該地區(qū)水資源 的豐富程度，對(duì)地下水資源的形成具有重要影響。

以上介紹了主要?dú)庀笠�素的基本概念，這些氣象要素的變化決定了大氣的物理 狀態(tài)。在一定地區(qū)一定時(shí)間內(nèi)，各種氣象因素綜合影響所決定的大氣物理狀態(tài)稱為天氣。而某一區(qū)域天氣的平均狀態(tài)(用氣象要素多年平均值表征)，稱為該地區(qū)的 氣候。無(wú)論是變化迅速的氣象要素，還是變化緩慢的氣候因素，對(duì)于自然界水文循環(huán)過(guò)程，以至地下水的時(shí)空分布都具有重要影響。

4. 下滲

下滲又稱入滲，是指水從地表滲入土壤和地下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。它不僅影響土壤水 和地下水的動(dòng)態(tài)，直接決定壤中流和地下徑流的生成，而且影響河川徑流的組成。下滲強(qiáng)度指的是單位面積上單位時(shí)間內(nèi)滲入土壤中水量，用下滲率/表示，常用毫 米/分或毫米/小時(shí)計(jì)。在超滲產(chǎn)流地區(qū)，只有當(dāng)降水強(qiáng)度超過(guò)下滲率時(shí)才能產(chǎn)生徑 流�？梢�(jiàn)，下滲是將地表水與地下水、土壤水聯(lián)系起來(lái)的紐帶，是徑流形成過(guò)程、水循環(huán)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。

在天然條件下，下滲過(guò)程往往呈現(xiàn)不穩(wěn)定和不連續(xù)性形成這種情況的原因是多 方面的，歸納起來(lái)主要有以下四個(gè)方面。

(1) 土壤特性的影響。土壤特性對(duì)下滲的影響，主要決定于土壤的透水性能及土壤的前期含水量。其中透水性能又和土壤的質(zhì)地、孔隙的多少與大小有關(guān)。一般 來(lái)說(shuō)土壤顆粒愈粗，孔隙直徑愈大，其透水性能愈好，土壤的下滲能力亦愈大。

(2) 降水特性的影響。降水特性包括降水強(qiáng)度、歷時(shí)、降水時(shí)程分配及降水空間分布等。其中降水強(qiáng)度直接影響土壤下滲強(qiáng)度及下滲水量，在降水強(qiáng)度/小于下滲率/的條件下，降水全部滲入土壤，下滲過(guò)程受降水過(guò)程制約。在相同土壤水分條件下，下滲率隨雨強(qiáng)增大而增大。尤其是在草被覆蓋條件下情況更明顯。但對(duì)裸 露的土壤，由于強(qiáng)雨點(diǎn)可將土粒擊碎，并充填土壤的孔隙中，從而可能減少下滲率。 此外，降水的時(shí)程分布對(duì)下滲也有一定的影響，如在相同條件下，連續(xù)性降水的下滲量要小于間歇性下滲量。

(3) 流域植被、地形條件的影響。通常有植被的地區(qū)，由于植被及地面上枯枝落葉具有滯水作用，增加了下滲時(shí)間，從而減少了地表徑流，增大了下滲量。而地 面起伏，切割程度不同，要影響地面漫流的速度和匯流時(shí)間。在相同的條件下，地 面坡度大、漫流速度快，歷時(shí)短，下滲量就小。

(4) 人類活動(dòng)的影響。人類活動(dòng)對(duì)下滲的影響，既有增大的一面，也有抑制的一面。例如，各種坡地改梯田、植樹(shù)造林、蓄水工程均增加水的滯留時(shí)間，從而增 大下滲量。反之砍伐森林、過(guò)度放牧、不合理的耕作，則加劇水土流失，從而減少 下滲量。在地下水資源不足的地區(qū)采用人工回灌，則是有計(jì)劃、有目的的增加下滲

水量;反之在低洼易澇地區(qū)，開(kāi)挖排水溝渠則是有計(jì)劃有目的控制下滲，控制地下 水的活動(dòng)。從這意義上說(shuō)，人們研究水的入滲規(guī)律，正是為了有計(jì)劃、有目的控制入滲過(guò)程，使之朝向人們所期望的方向發(fā)展。

5. 徑流

徑流是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)和水均衡的基本要素，系指降落到地表的降水在重 力作用下沿地表或地下流動(dòng)的水流。因此，徑流可分為地表徑流和地下徑流，兩者具有密切聯(lián)系，并經(jīng)常相互轉(zhuǎn)化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球大陸地區(qū)_平均有47 000 km3的水量通過(guò)徑流返回海洋，約占陸地降水量的40%。這部分水量大體上是人類可利用的淡水資源。

地表徑流和地下徑流均有按系統(tǒng)分布的特點(diǎn)。匯注于某一干流的全部河流的總 體構(gòu)成一個(gè)地表徑流系統(tǒng)，稱為水系。一個(gè)水系的全部集水區(qū)域，稱為該水系的流域。流域范圍內(nèi)的降水均通過(guò)各級(jí)支流匯注于干流。相鄰兩個(gè)流域之間地形最高點(diǎn) 的連線即為分水線，又稱分水嶺。這些概念同樣可用于地下水，但地下水的系統(tǒng)不 像地表水系那樣明顯和易于識(shí)別，具有自己的一些特點(diǎn)。

在水文學(xué)中常用流量、徑流總量、徑流深度、徑流模數(shù)和徑流系數(shù)等特征值說(shuō) 明地表徑流。水文地質(zhì)學(xué)中有時(shí)也釆用相應(yīng)的特征值來(lái)表征地下徑流。

流量(0):系指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)河流某一斷面的水量，單位為m3/s。Q流量等于過(guò)水?dāng)嗝婷娣eF與通過(guò)該斷面的平均流速F的乘積，艮P:

Q=VXF

徑流總量(F):系指某一時(shí)段/內(nèi)，通過(guò)河流某一斷面的總水量，單位為m3。 可由下式求得：

W=QXt

徑流模數(shù)(M):系指單位流域面積F (km2)上平均產(chǎn)生的流量，以US ? km2 為單位，計(jì)算式為：

M=Q/FX\03

徑流深度(y):系指計(jì)算時(shí)段內(nèi)的總徑流量均勻分布于測(cè)站以上整個(gè)流域面積 上所得到的平均水層厚度，單位為mm，計(jì)算式為：

Y=W/FX\03

徑流系數(shù)(ah為同一時(shí)段內(nèi)流域面積上的徑流深度y(mm)與降水量尤(mm) 的比值KAT,以小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。

6. 水文循環(huán)

水文循環(huán)是發(fā)生于大氣水、地表水和地殼巖石空隙中的地下水之間的水循環(huán)， 水文循環(huán)的速度較快，途徑較短，轉(zhuǎn)換交替比較迅速。

水文循環(huán)是在太陽(yáng)輻射和重力共同作用下，以蒸發(fā)、降水和徑流等方式周而復(fù) 始進(jìn)行的。平均每年有577 000km3的水通過(guò)蒸發(fā)進(jìn)入大氣，通過(guò)降水又返回海洋

和陸地。

地表水、包氣帶水及飽水帶中淺層水通過(guò)蒸發(fā)和植物蒸騰而變?yōu)樗�蒸氣進(jìn)入大氣圈。水汽隨風(fēng)飄移，在適宜條件下形成降水。落到陸地的降水，部分匯集于江河 湖沼形成地表水，部分滲入地下。滲入地下的水，部分滯留于包氣帶中(其中的土 壤水為植物提供了生長(zhǎng)所需的水分)，其余部分滲入飽水帶巖石空隙之中，成為地 下水。地表水與地下水有的重新蒸發(fā)返回大氣圈，有的通過(guò)地表徑流或地下徑流返回海洋。水文循環(huán)的過(guò)程參見(jiàn)圖3-17中的7?10及圖3-18。

水文循環(huán)分為小循環(huán)與大循環(huán)。海洋與大陸之間的水分交換為大循環(huán)。海洋或 大陸內(nèi)部的水分交換稱為小循環(huán)。通過(guò)調(diào)節(jié)小循環(huán)條件，加強(qiáng)小循環(huán)的頻率和強(qiáng)度，可以改善局部性的干旱氣候。目前人力仍無(wú)法改變大循環(huán)條件。

地殼淺表部水分如此往復(fù)不已地循環(huán)轉(zhuǎn)化，乃是維持生命繁衍與人類社會(huì)發(fā)展的必要前提。一方面，水通過(guò)不斷轉(zhuǎn)化而水質(zhì)得以凈化;另一方面，水通過(guò)不斷循 環(huán)水量得以更新再生。水作為資源不斷更新再生，可以保證在其再生速度水平上的 永續(xù)利用。大氣水總量雖然小，但是循環(huán)更新一次只要8天，每年平均更換約45 次。河水的更新期是16天。海洋水全部更新一次需要2 500年(中國(guó)大百科全書?大氣科學(xué)?海洋科學(xué)?水文科學(xué)，1987)。地下水根據(jù)其不同埋藏條件，更新的周期 由幾個(gè)月到若干萬(wàn)年不等。

三、地下水的基本知識(shí)

1. 地下水的概念

地下水是指以各種形式埋藏在地殼空隙中的水，包括包氣帶和飽水帶中的水。 地下水也是參于自然界水循環(huán)過(guò)程中處于地下隱伏徑流階段的循環(huán)水。

地下水是儲(chǔ)存和運(yùn)動(dòng)于巖石和土壤空隙中的水，那么地下水必然要受到地質(zhì)條件 的控制。地質(zhì)條件包括巖石性質(zhì)、空隙類型與連通性、地質(zhì)地貌特征、地質(zhì)歷史等。

地下水環(huán)境是地質(zhì)環(huán)境的組成部分，它是指地下水的物理性質(zhì)、化學(xué)成分和貯存空間及其由于自然地質(zhì)作用和人類工程——經(jīng)濟(jì)活動(dòng)作用下所形成的狀態(tài)總和。

2. 地下水的埋藏條件

巖石和土體空隙既是地下水的儲(chǔ)存場(chǎng)所，又是運(yùn)移通道�？障兜拇笮�、多少、 連通性、充填程度及其分布規(guī)律決定著地下水埋藏條件。根據(jù)成因可把空隙區(qū)分為孔隙、裂隙與溶隙三種，并可把巖層劃分為孔隙巖層(松散沉積物、砂巖等)、裂隙巖層(非可溶性的堅(jiān)硬巖層)與可溶巖層(可溶性的堅(jiān)硬巖石)。孔隙巖層中的 空隙分布比裂隙可溶巖層均勻，溶隙一般比孔隙、裂隙巖層中的空隙規(guī)模大。這三 種空隙的大小分別以孔隙度、裂隙率與巖溶率表示，即某一體積巖石中孔隙、裂隙 和溶隙體積與巖石總體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示。

巖石空隙中存在著各種形式的水，按其物理性質(zhì)可分為氣態(tài)水、吸著水、薄膜 水、毛細(xì)水、重力水和固態(tài)水。此外，還有存在于礦物晶體內(nèi)部及其間的沸石水、結(jié)晶水與結(jié)構(gòu)水。水文地質(zhì)學(xué)所研究的主要對(duì)象是飽和帶的重力水，即在重力作用支配下運(yùn)動(dòng)的地下水。

巖石空隙是地下水儲(chǔ)存場(chǎng)所和運(yùn)動(dòng)通道。空隙的多少、大小、形狀、連通情況 和分布規(guī)律，對(duì)地下水的分布和運(yùn)動(dòng)具有重要影響。將巖石空隙作為地下水儲(chǔ)存場(chǎng)所和運(yùn)動(dòng)通道研究時(shí)，可分為三類，即：松散巖石中的孔隙，堅(jiān)硬巖石中的裂隙和可溶巖石中的溶穴。

(1) 孔隙。松散巖石是由大小不等的顆粒組成的。顆�；蝾w粒集合體之間的空隙，稱為孔隙。巖石中孔隙體積的多少是影響其儲(chǔ)容地下水能力大小的重要因素。 孔隙體積的多少可用孔隙度表示�？紫抖仁侵改骋惑w積巖石(包括孔隙在內(nèi))中孔 隙體積所占的比例。

由于多孔介質(zhì)中并非所有的孔隙都是連通的，于是人們提出了有效孔隙度的概 念。有效孔隙度為重力水流動(dòng)的孔隙體積(不包括結(jié)合水占據(jù)的空間)與巖石體積 之比。顯然，有效孔隙度小于孔隙度。

松散巖石中的孔隙分布于顆粒之間，連通良好，分布均勻，在不同方向上，孔 隙通道的大小和多少都很接近。賦存于其中的地下水分布與流動(dòng)都比較均勻。

(2) 裂隙。固結(jié)的堅(jiān)硬巖石，包括沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖，一般不存在或只保留一部分顆粒之間的孔隙，而主要發(fā)育各種應(yīng)力作用下巖石破裂變形產(chǎn)生的裂 隙。按裂隙的成因可分成巖裂隙、構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙。