9.1 地下水流动状态描述 |
  
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9.1 地下水流动状态描述 |
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地下水运动的主流
如果用一句话来概括，地下水的基本运动规律就是：“水往低处流”。看似简单，但水无形质，总是挑选岩土中最便捷的途径通行，所以理解地下水运动的过程往往是寻找“主流”的过程。
非饱和带中的水受重力和毛细力共同控制，重力使水分下移，而毛细力将水分导向空隙细小和含水量较低的部位。在雨季，非饱和带的水以下渗为主；雨后，非饱和带上部的水以蒸发蒸腾的形式向上排泄，而一定深度以下的非饱和带水则继续下渗补给饱和带，两者之间的界限被称为零通量面，零通量面的位置会随入渗过程不同而发生变化。入渗的多少取决于多种因素：一般来说入渗量占降雨总量的比率变动于10%～40%之间，我国南方岩溶区可达80%以上，西北极端干旱的山间盆地则趋近于零。
非饱和带中的水分含量随时间和空间分布不断发生变化，而含水量的变化会相应引起岩土介质透水能力和保水能力的变化，加之浅表地层中生物活动的影响，水分在非饱和带中的运移机理较为复杂。虽然有针对这一过程建立的经验公式，但由于变量繁多，机制复杂，本领域的理论研究和实践需求衔接程度较低，而非饱和带往往被地下水工作者看作一个“黑箱”，仅从输入和输出过程来考量。
进入饱和带的地下水受含水层基底的阻隔，向下入渗的过程受到抑制，主流方向演变为近水平方向，向着河流和大海的方向前进。在地层深部虽然也有地下水的赋存和流动，但由于压力较大，空隙的数量和连通性有限，所以仅在地热利用等特殊领域有实际意义。通常意义上的“地下水流”，仅指地下数百米以内饱和地下水的近水平运动，受水头高低和岩土分层共同控制。
补给区入渗的地下水会汇集到饱和带，随后沿近水平的方向朝着排泄区运动，还有一部分地下水会通过更深层的地下水循环通道向排泄区运动。地下水流程较短的过程以天计，流程长的过程可能以千年计，甚至更长。上图中还可以看到地下水在穿过地质界面过程中发生的“折射现象”。地下水在流经地质界面时常常会发生“折射”。举例来说，受重力沉积方向的影响，地层在水平方向更容易导水，水平方向的渗透系数常常比垂向渗透系数大几倍甚至几十倍，在特殊地质条件下这一差别可能达到数千倍，所以不难理解地下水在含水层中常常沿水平方向前进。相反在隔水层中地下水因受到阻隔无法沿水平方向运动，但仍然可能在垂直方向传递上下含水层的水头差，所以隔水层中的地下水流动往往是垂向的，这就是地下水折射的一种表现。再比如说，地下水通过水平相邻的两个地质体界面时，由于二者渗透系数不同，所以会形成不同的地下水力梯度，也是一种折射。
地下水典型运动状态
平原和盆地是我国主要的人口聚集区，这里的浅地表往往分布着松散的沉积物，岩土间孔隙比较大，是地下水赋存的理想场所。我国对平原-盆地区地下水的利用，大约占到了全部地下水用量的一半。建国以来对平原-盆地区地下水的大量开发，已经改变了这里地下水的天然流动状态。虽然地下水的总体流动方向仍然朝向江河湖海等大型水体，但局地水流系统已多被人类的地下水开发活动控制，地下水向着抽水形成的地下水降落漏斗中心流动。以地下水开发较为集中的华北平原为例，原来相对独立的地下水漏斗已逐渐扩大汇合，成为华北平原复合地下水漏斗，2005年漏斗面积已达到华北平原总面积的一半以上。在此类地区，仅凭地形起伏已无法准确推断地下水的真实流向，需长期的地下水位监测数据方能综合判断。
除平原-盆地区孔隙地下水外，岩溶区地下水也是重要的地下水源。碳酸盐岩（石灰岩、白云岩）由于其具有可溶性，一般储水空间较大，常常是流通性好的含水层。我国碳酸盐岩分布较广，有的直接裸露于地表，有的埋藏于地下，不同气候条件下，其岩溶发育程度不同，特别是北方和南方地区差异明显。受气候原因影响，南方的岩溶现象发育多比较成熟，南方岩溶地下水往往分布在地下暗河系统中，流通性极好，反而不易开发利用，常常造成“一场大雨遍地淹，十天无雨到处干”。这与地表水的特性比较接近，而地下水的流动也几乎完全由岩溶管道的空间形态而决定。北方岩溶区的特点是地下水在入渗时较为分散，在流动过程中逐渐形成较大的汇流网络，最终集中排出，往往形成大型、特大型水源地，成为城市与大型工矿企业供水的重要水源。梁永平等人将中国北方岩溶区划分为119个子区，其中最具有代表性的子区包括山西的娘子关泉域（7000多平方公里）和山东的趵突泉域（上千平方公里）。
我国是多山国家，山地、高原、丘陵约占国土面积的七成，基岩山区地下水是我国分布最广的一种地下水类型。但除岩溶山区外，基岩山区的地下水资源一般较为贫乏，不适宜集中开采，但对山地丘陵区和高原地区的人、畜用水有重要作用。基岩山区的地下水流动较为直观，一般与地形坡向一致，同时受地质构造条件控制。比如构造破碎带往往比完整的岩层富水性好，从而会控制当地地下水的流动；又比如地下水在流经岩性界面时往往受阻并以泉水的形式出露。