地下水百科知识
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一、地下水
下雨时，一些落在土地上的水下沉或渗入地下，这个过程被称为渗透。实际上，地壳上部就像一块巨大的海绵，可以吸收水分。水向下渗透过程中，有些只会渗入土壤，附着在矿物颗粒和有机碎片的表面。这种水，即土壤水分，后来可能蒸发，被植物的根吸收，或者被新的土壤水分推回到地面。
其余部分下沉到更深的沉积物或岩石中，与岩石形成时被困在岩石中的水一起，构成了地下水。地下水流动缓慢，可能在地下停留几个月、几万年甚至几百万年，然后返回地表，再次进入水文循环。地下水主要存在于地壳上部，因为在地下大约20到30公里的深处，变质反应吸收水分，岩石呈塑性流动，水不再保持液态。
1.1孔隙度和渗透性
为了了解地下水存在的位置，我们必须首先考察孔隙度和渗透率的性质。实际上只有一小部分地下水存在于露天洞穴或地下溪流中。大多数地下水存在于沉积物或岩石中固体矿物颗粒之间的相对较小的开放空间中，或存在于各种大小的裂缝中。
在我们讨论石油如何在地下产生时，一个空间或在一定体积的沉积物或岩石中打开的裂缝形成孔隙，而孔隙率指的是物质中开放空间的总体积，以百分比表示。例如，如果我们说一块岩石有30%的孔隙度，那么这块岩石30%的体积是由孔隙组成的。
水文地质学家区分了两种基本孔隙度。原生孔隙在沉积物沉积或岩石形成过程中发育。它包括颗粒没有完全接触的空隙。次生孔隙是指岩化后形成的新孔隙空间。当地下水穿过岩石并溶解矿物时，或者由于与节理和断层作用相关的裂缝发育而形成这种孔隙。
如果固体岩石完全包围一个孔隙，孔隙中的水就不能流到另一个位置。为了使地下水流动，孔隙必须通过管道(开口)连接起来。物质允许流体通过相互连接的孔隙流动的能力就是渗透性。地下水很容易流过具有渗透性的物质，如松散的砾石。水流缓慢地通过低渗透物质，但不能通过不透水的物质流动。物质的渗透性取决于以下几个因素：
1.1.1可用通道的数量
通道数量增加，渗透性也随之增加
1.1.2通道的尺寸
流体在较宽通道中的流速比在较窄通道中的流速快
1.1.3通道的直线性
流体通过直线通道的速度高于弯曲通道的速度
要注意的是，孔隙度和渗透性并不是一回事，一种孔隙相互隔离的材料可以具有高孔隙度，但低渗透性。渗透性是指岩石或沉积物中孔隙之间的联系和水从一个孔隙移动到另一个孔隙的程度。
1.2含水层、弱含水层和地下水位
考虑到孔隙度和渗透性的概念，水文地质学家识别了具有高渗透性和孔隙度的含水层、沉积物或岩石，以及无论孔隙度如何，具有相对低渗透性的储水层、沉积物或岩石。地质学家进一步区分了无压含水层(从地表开始向下延伸)和承压含水层。
含水层由高孔隙度、高渗透率的岩石组成。弱含水层由低渗透岩石组成。有些含水层不受压，有些则受压
水文地质学家认为饱和区是水完全充填孔隙空间的地下区域。通常，不饱和区从地表向下延伸一定深度，在不饱和区中，水只部分地覆盖孔隙，因此保留了一些被空气覆盖的孔隙空间。不饱和区和饱和区之间的地下边界被称为地下水位。地下水位形成了地下水的顶部边界。由于表面张力以及水分子之间和表面之间的吸引力，一些地下水沿着颗粒渗出。在毛细作用下，在地下水位之上产生一个毛细边缘的湿润。
地下水位的深度随位置的不同而变化很大。如果地下水位位于地表，则不存在非饱和带，地面是湿的、潮湿的。如果地面低于地下水位，低水位就会下降，变成湖泊或溪流。地下水位隐藏在地表以下的地方，地表通常是干燥的。在潮湿地区，水通常在地表几米或几十米的范围内，而在干旱地区，水可能在地表以下数百至数千米。
1.3地下水位和地形
在丘陵地区，地下水位的形状倾向于以一种柔和的方式模拟上覆地形的形状。这就意味着，在丘陵下面的地下水位比在山谷下面的要高。地下水位的高度因地面地形的不同而变化，这似乎令人吃惊。毕竟，当你把一桶水倒进池塘时，池塘的表面会立即调整到保持水平。
地下水位的高度是不同的，因为地下水在岩石和沉积物中移动太慢，不能迅速形成一个水平表面。当雨水落在山上，水渗透到地下水位时，地下水位会轻微上升。在没有雨的一段时间里，地下水位下降得很慢，以至于当再次下雨并导致地下水位再次上升时，地下水位还没有来得及下降很远。
在一些地方，透镜状的不透水岩石层(如页岩)位于厚厚的含水层中。在该地区地下水位以上的高度上，这样一个弱透水层上方可能堆积着一堆地下水。水文地质学家将这样一堆地下水的顶部表面称为“上层滞水面(Perched water table)”。
二、地下水的流动
在非饱和区，水只是向下渗透，但在地下水位以下的饱和区，地下水的流动更为复杂，因为该区域的水不仅响应重力，而且响应差压力。压力会导致地下水侧向流动，甚至向上流动。因此，要了解地下水流动的性质，首先必须了解地下水压力的来源。为了简单起见，我们只考虑未承压含水层中的地下水。
对地下任一特定点，地下水的压力来自于从该点到地下水位的所有上覆水的重量。(上覆岩石的重量对施加在地下水上的压力没有贡献，因为矿物颗粒之间的接触点承受着岩石的重量。)
因此，在地下水位以下深度较大的点比深度较小的点感受到的压力更大。如果地下水位是水平的，那么在地下水位以下某一特定深度的一个假想的水平面在任何地方都受到同样的压力。但如果地下水位不是水平的，施加在某一特定深度水平面上各点上的压力会逐点变化。
地下水的高度和水内的压力可以驱动地下水流动。水文地质学家已经确定，从剖面上看，地下水通常沿着凹凸弯曲的路径流动。这些弯曲的路径最终将地下水从地下水位高的地区(如山下)带到地下水位低的地区(如山谷下)。水进入地面的位置(即水流有向下轨迹的地方)是补给区，而地下水回流到地面的位置则是释放区。与沿浅层路径进入地下深处的地下水相比，沿浅层路径进入地下深处的地下水通常必须从补给区移动到释放区，因此在地下停留的时间更长。
在陡峭的河道中，水流的速度可以达到每小时30公里。相比之下，地下水每年移动的速度在5到500米之间。地下水的流动速度比地表水慢得多，首先，地下水必须遵循一个弯曲的微小管道网络，比它沿直线走的距离大得多。其次，地下水和管道壁之间的摩擦减缓了水流。
某一地点地下水流动的实际速度取决于地下水位的坡度和地下水流动所通过物质的渗透性。地下水流过高渗透性岩石的速度比流过低渗透性岩石的速度快，而且在地下水位坡度陡的地区，地下水流过的速度比在地下水位坡度平缓的地区快。法国研究人员亨利·达西(Henry Darcy)提出了一个方程式，即现在为人所知的达西定律，它更全面地描述了地下水流动的控制。
三、地下水的供应
如果你有机会乘飞机飞越干旱地区，看看窗外，看看绿色作物的圆形斑点。在每个农田的中央都有一个水泵吸干地下水，为一个在农田提供灌溉。在地表水不存在的干旱地区或地表水受到污染的温带或湿润地区，地下水可能是清洁淡水的唯一来源。我们可以从水井，或者从泉水获得地下水。
3.1喷泉
想象一个被沙漠的干沙包围的绿色的棕榈树绿洲。这些植物赖以生存的水从何而来？沙漠绿洲的水从泉水中流出，泉水是地下水自然溢出或渗漏到地表的自然出口。
泉水可以提供新鲜、清澈的水供饮用或灌溉，而无需花费钻探或挖掘的费用，因此世界上许多村庄和城镇都毗邻泉水而建。虽然我们可以看到泉水溢出到干燥的土地上，但许多泉水淹没在溪流或湖泊下面。这些泉水提供了稳定的水源，有助于保持河流或湖泊的水流。泉水可在各种地质环境中形成。
3.2井
在没有泉水的地方，也可以通过挖洞来获取地下水。如今人们通常通过钻探来打井更容易。水文地质学家根据井中水的压力来区分两种井。
在普通的井中，井底位于地下水位以下，所以水只是简单地从地下蓄水层渗入井中，并将其推到地下水位的水平。在地下水位以上的钻孔中无法获得水源。一些普通的井是季节性的，这意味着它们只在雨季，当地下水位超过井底的时候才发挥作用。在旱季，地下水位在这些井的底部以下，因此它们变得干燥。
要从一口普通的井中提取水，你可以用桶把水提上来，也可以用泵把水抽出来。只要地下水渗入井中的速度等于或超过你抽走水的速度，井附近的地下水位就会保持不变。但是如果你把水从井里抽出的速度过快，井周围的地下水位就会下降，形成一个向下的锥形表面，称为凹锥。深井的下降可能会导致附近钻探的浅井干涸。
如果地下水位高于地面，那么这口井就是一口自流井，从这样一口井里流出的水会源源不断地从地下涌出。当含水层补给区域的海拔高度高于井的位置时，即存在自流井。
3.3温泉
就是公元60左右。当时，占领英国的罗马人在现在的英国巴斯城修建了一个公共澡堂。士兵们会花几个小时在洒满热水的游泳池里放松。为什么要在巴斯建这样的温泉？罗马人不需要建造炉子来加热水，因为巴斯镇周围就有一个温泉。
温泉水的温度在30℃到104℃之间，形成于两种地质环境。由于地热梯度，大多数地方地下几公里深处的温度都在30摄氏度以上。如果地下水从这些深处以足够快的速度上升，那么当它上升的时候就不会失去热量，这种情况发生在断层或裂缝为上升的深水提供高渗透通道的地方。在火成岩活动地区也有温泉，在这些地区，岩浆加热岩石中的地下水。
在火成岩活动地区，温泉形成了许多独特的特征。例如，由温泉滋养的天然水池可能会因为在热水中生长的嗜热细菌和古菌而变得色彩鲜艳。
在黄石国家公园五颜六色的细菌和古细菌
在热水上升到富含火山灰和粘土的土壤的地方，就会形成一种粘性的泥浆，并使泥盆沸腾。当含有高浓度溶解矿物的热水从温泉中流出并冷却后，矿物沉淀和其他化学沉积岩形成多彩的石灰土丘或阶地。在一些温泉地区，滚烫的水定期从温泉中喷涌而出。这种喷泉被称为间歇泉。
来源：知乎 长胖的罗汉果
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