1.1地下水、地球和人类

本书从以下几方面阐述地下水，即：控制地下水存在的地质环境；描述地下水运动的物理定律；伴随地下水水流的化学演变；人类在天然地下水体系中的影响以及天然地下水体系对人类的影响等。

“地下水”一词一般用来指：出现在完全饱和的土层和地质构造中的水位以下的地下水体。我们将保留这个传统的定义，但我们也充分认识到对于地下水的研究必须建立在对地下水体系更广泛理解的基础之上。本书将与侧重浅层、饱和地下水体系的传统一致，但同时也将研究在水文循环中扮演重要角色的近地表非饱和土壤水分体系和在地质过程中有着重要影响的深层饱和地下水体系。

我们认为地下水研究是跨学科的。本书尝试将地下水研究中的化学和物理学、地质学和水文学、基础科学和工程学进一步整合。地下水研究与地质学家、水文学家、土壤学家、农业技师、森林工作者、地理学家、生物学家、土力学工程师、采矿工程师、卫生工程师、石油贮藏分析技师以及其他很多有关方面密切相关。我们希望这种整合处理能够适应广泛的跨学科需求。

如果这本书写在十年以前，它将会完全把地下水作为一种资源来讨论。因为时代的需要，书籍的撰写将反映其所处时代的需要。出于对产水量的关注，那个时代重视发展打井等促进供水的手段以及含水层产水量的计算。当然，地下水的供水状况依然是重要的，所以本书仍然会按照不同的服务对象对地下水体系分别进行论述。但是地下水的意义不止是作为一种资源，它还是自然环境的一个重要特征。地下水与环境问题息息相关，在很多情况下作为溶解介质起着重要的作用。地下水是水文循环的一个组成部分，地下水在水文循环中所起的作用是流域资源研究和环境污染区域性评价的综合分析中的必需知识。一直以来，地下水会在工程中带来一些岩土学问题，如边坡稳定和地面沉陷等。此外，地下水也是了解多种地质过程的一把钥匙，例如地震的产生、石油的运移和积聚、一些沉积矿床、土壤类型和地貌的产生等。

地下水和水文循环本  书的前5章阐述了学习地下水的物理、化学和地质学基础。后面6章把这些原理应用于地下水、地球和人类间相互作用的各个方面。下面这一节可以被看作是后面每一章的简介。

地下水和水文循环

水在海洋、大气和陆地之间无休止的运行称为“水文循环”。我们的兴趣集中在循环的陆地部分。这种循环，有时可以在一个单独的流域上完成。图1.1和1.2提供了某个流域水文循环的两张示意图。它们在这里主要向读者介绍水文专业术语。图1.1在概念上比较清楚，强调了其运动过程，并说明了水文循环的水流系统概念。图1.2中所用的框式符号与流程线代表水文模型的系统说明，它不反映系统的动态过程,但是清楚地将包含有运动速率的那些概念（六角形框图）与仅含有贮集量的概念（矩形框图）区分开来。

以雨或雪的形式到达地面的“降水”，通常考虑为水文循环的进水量。出水量则通常为“河流”（或径流）和“蒸散发”（它是开放水体和土壤表面蒸发以及植物在土壤中生长时的散发的总称）。雨水进入河流有两种方式：一是在地表面，形成“坡面流”，进入支流小溪。二是经过“渗滤”进入到土壤中以后，通过地下流通路径，形成“壤中流”和“基流”。图1.1清楚地显示，一个流域应该被视为一个地表排水区和地表以下的土壤与土壤下方地质构造的综合体。地表以下的水文过程与地表以上的同样重要。事实上，地下水文过程可能更重要些，因为本质上是地下物质控制着渗透速率，而渗透速率则直接影响地表径流的时间和空间分布。在第6章,我们将比较详细地介绍区域性地下水流的性质，同时我们将研究渗滤、地下水补给、地下水排放、基流和河流之间的相互关系。在第7章,我们还将考察地下水的化学演化，因为它与地下水水文循环是紧密结合的。

在结束本节之前，有必要介绍一组数据，它反映了地下水在水文循环中与其它组分相比，具有数量上的重要性。近年来，“世界水平衡”的概念受到越来越多的关注（Nace, 1971；Lvovitch, 1970； Sutcliffe, 1970）,根据这些数据的估算，我们认识到，在水圈中，地下水无处不在。 从表1.1可知，如果我们不去考虑占地球总水量94%的高咸度海水，那么地下水约占全世界淡水资源的三分之二。如果考虑到淡水资源在可用性上的限制（即减掉冰盖和冰川）， 那么地下水就几乎等于全部的淡水资源。即使如果我们仅考虑最“活跃的”的地下水体系，由勒沃维奇（Lvovitch, 1970）所估计的地下水总量也在4×10⁶km³左右（而不是表 1.1中所列60×10⁹km³）。地下水仍占总淡水量的95%, 而湖泊、沼泽、水库和河流、渠道等仅占3.5%, 土壤水分约占1.5%。

表 1.1 世界水平衡估算

类别	表面积 (km2) × 106	体积 (km3) × 106	体积 (%)	等效深度 (m)*	滞留时间
海洋	361	1,370	94	2,500	~4,000年
湖泊和水库	1.55	0.13	<0.01	0.25	~10年
沼泽湿地	<0.1	<0.01	<0.01	0.007	1–10年
河道，渠道	<0.1	<0.01	<0.01	0.003	~2周
壤间水	130	0.07	<0.01	0.13	2周–1年
地下水	130	60	4	120	2周–1万年
冰盖和冰川	17.8	30	2	60	10–1000年
大气圈水	504	0.01	<0.01	0.025	~10天
生物圈水	<0.1	<0.01	<0.01	0.001	~1周

但是，这种体积上的巨大优势却大大局限于平均滞留时间。例如，河水有一个约2星期的周转时间，而地下水运动则更为缓慢，其滞留时间一般以10年，100年，甚至1000年计。第2章中的基本原理和第6章中的区域性水流概念，将说明如何对地下水的大规模运动进行水文地质控制。

大多数水文学书籍都包括水文循环和全球水平衡问题的详细讨论。威斯勒（Wisler）和布拉特（Brater）（1959）与林斯利（Linsley）、科勒（Kohler）和鲍拉斯（Paulhus）（1975）等都是受到广泛应用的导论性质的水文学参考书。伊格尔森（Eagleson）（1970）最近的参考书将其中科学理论更新到了更为先进的水平。由周文德（Chow, 1964a）编辑的重量级的《实用水文手册》也是有价值的参考书。

水文学思想发展的历史是一个有趣的课题。周文德（1964b）对这一课题提出了简明的讨论。毕斯瓦斯（Biswas, 1970）全书的研究成果也为我们提供了丰富的资料，其中包括远古时代埃及、希腊和罗马哲学家的贡献，直至十八和十九世纪水文科学在西欧诞生。

地下水资源

传统意义上而言，研究地下水的最初动力是因为它作为资源的重要性。对于美国来说，从美国地质调查局的统计研究中就可以看出地下水作为天然水资源组成部分的重要性。这些统计研究是最近于1970年由默里（Murray）和里夫斯（Reeves）（1972）报告并由默里（1973）总结概括。

表1.2记载了美国在1950-1970年期间用水的增长情况。1970年，全国用水量为1400×10⁸立方米/天。其中，57%为工业用水，35%为农业灌溉用水。地表水提供用水总量的81%, 地下水占19%。图1.3说明了1950-1970年在四个主要领域内地下水与地表水在利用量方面的对比情况。地下水在工业方面的重要性较小，但是在居民供水（农村和城市）和农业灌溉方面则占有很大的比重。

表1.2和图1.3中的数据无法体现用水量的区域性差别。约80%的灌溉用水都使用在西部的17个州内，而84%的工业用水则使用在东部的31个州内。地下水在西部得到了更广泛的应用，占其城市居民供水的46%，工业用水的44%（而在东部，它们所占的比例则分别是29%和16%）。在加拿大，据梅布姆（Meyboom, 1968）估算，农村和城市的地下水利用量为1.71×10⁶立方米/天，占农村和城市水总消费量的20%。就算考虑到两国的人口比例，这个地下水的利用水平与美国比较起来是相当低的。由图中细节可知，加拿大农村对地下水的利用和发展情况与美国相似，但城市对地下水的利用则明显地少于美国。最显著的区别在于灌溉和工业用水上，其中加拿大的相对总用水量比美国显著较少，同时其对地下水的利用也极小。

表 1.2 1950-1970年美国的用水情况

		立方米/天 × 106*					占1970年用水量的百分比
	1950		1955	1960	1965	1970
总引水量	758		910	1,023	1,175	1,400	100
使用情况
城市供水	53		64	80	91	102	7
农村供水	14		14	14	15	17	1
灌溉	420		420	420	455	495	35
工业	292		420	560	667	822	57
水源
地下水	130		182	190	227	262	19
地表水	644		750	838	960	1,150	81

麦吉尼斯（McGuinness, 1963）引用一项美国参议院委员会的研究，提出了美国将来水量需求的预测。它认为，1980年需水量将达到1700×10⁶立方米/天。到2000年，则为3360×10⁶立方米/天。达到这个生产水平，说明表1.2中所列的用水量将有一个明显的加速增长。图中2000年的需求量将开始接近国家总的水资源潜力，这个总水资源的潜力估算值约为4550×10⁶立方米/天。为了满足要求，广泛认为，地下水资源将在总的供水量中占有较大的比例。麦吉尼斯注意到，如果地下水所占的比例从19%增加到33%，那么在1980年，地下水的利用量就必须由现在的262×10⁶立方米/天增加到705×10⁶立方米/天，而在2000年,则为1120×10⁶立方米/天。他认为，地下水令人满意的特质，诸如清澈、无菌或少菌、稳定的温度和化学性质，将促使人们对它大规模地开发利用。但他也警示到（特别是当大量地开发时），地下水原本在勘探、评价、开发和管理上，就比地表水要困难和昂贵。他也像我们一样地注意到， 地下水是水文循环整体中的一部分，那种认为地下水和地表水是两种分离的资源的时代已经过去。对水资源的规划必须认识到地表水与地下水同出一源这一原则。

在第9章，我们将讨论地下水资源评估的技术：从含水层勘探的地质问题（通过野外和实验室方法对参数进行测量和估算），到井的性能、含水层产水量和流域性地下水开发利用的模拟等。

地下水污染

在世界水资源的开发利用中，如果想要地下水继续起着重要的作用，那么它就应该从日益加剧的地下污染的威胁中得到保护。自从第二次世界大战以来，人口的增长和工农业生产的发展，以及与之相应的日益增长的能源需求，使人类历史上第一次产生了超过环境所能吸收的大量废物。废物处置方法的选择，已变成一个劣中择优的问题。如图1.4中所指出的，当前没有一种可行的大规模废物处置方法不会对我们自然环境的某一部分带来潜在的严重污染。尽管对于空气污染与地表水污染的担忧与日俱增，但这一活跃的趋势还没有延伸到地下环境领域。事实上，减少地表污染的紧迫感，一部分正是由于废物管理行业开始觊觎地下环境这一事实。在目前所应用的处置方法中，有两种技术从长远角度看是最有市场的，分别是液态废弃物的深井注入和固体废弃物的卫生填埋。这两种方法都可能导致地下污染。此外，广泛用于大规模废弃物处置系统组成部分的污水池和污泥池的渗漏，以及动物粪便、肥料、杀虫剂从农业用地向下的渗滤，都会导致地下污染。

在第9章，我们将分析地下水污染问题，并将探讨一些基本原理和过程，用于分析城市和工业废弃物处置这些一般性问题，以及与农业活动、石油溢出、采矿活动和放射性废物等有关的一些特殊问题。我们还将讨论已受到盐水入侵影响的海岸地下水污染问题。在所有这些问题中，对地下水流的物理研究必须与第3章所介绍的化学特性和原理相结合，也必须参考第7章中所讨论的天然地球化学演变的概念。

地下水与岩土工程

地下水并不总是使人类受益。在加里福尼亚圣杰新托（San Jacinto）隧道的施工过程中，由于从一个高度破碎的断层带系统中意外涌入大量的水，导致这段投资数百万美元的隧道工程搁置了数月。

墨西哥市在1938-1970年间，部分市区地面下降了8.5米。不均匀的沉陷直到现在还给工程设计遗留下严重问题。下沉的基本原因已经查清，是由于从地下含水层中过量抽水所致。

爱达荷州的哲柔姆（Jerome）大坝的失败，并不是由于坝体本身构造上的缺陷，而只是由于大坝蓄不住水，在靠近大坝的岩石层中形成了地下水流系统，造成严重的渗漏，导致大坝必须被废弃。

在加拿大不列颠哥伦比亚省拟议中的瑞沃尔斯托克（Revelstoke）大坝，坝址上游数英里的库区边一个古代滑坡上，已进行了数年的勘探性地质调査。人们担心水库蓄水会造成地下水对滑坡的压力增加，可能重新触发边坡的不稳定性。1963年在意大利一个声名狼藉的瓦依昂水库曾发生过的类似事件中夺走了近2500条生命。瑞沃尔斯托克已经制订了一项大规模的排水计划，以避免重演瓦依昂水库的悲剧。

在第10章，我们将探索地下水流原理在岩土工程及其它问题上的应用。诸如坝体渗漏、隧洞和露天矿坑突水等一些问题都是由于过大的地下水流量引起的。其它问题，诸如地面沉陷和边坡的不稳定性，主要是受到地下水中流体压力过大的影响而非水流流量。在这两种情况下，像第5章中所介绍的那样，绘制流网，乃是一种有力的分析工具。

地下水和地质过程

极少的地质过程是在没有地下水的情况下发生的。例如，地下水流系统与陆地景观中地貌的发展有密切关系，不管是被河流沉积过程和冰磧过程所影响，或是被天然坡度的发展所影响。地下水是喀斯特环境的发展上最重要的控制因素。

地下水，在某些有经济意义的矿床的富集和石油的迁移与累积上也扮演着重要角色。

也许地下水所扮演的最惊人的地质角色是在活断层与冲断层中流体压力的控制上。由这种相互作用所促成的一项最新进展是，有可能通过控制断层带中的天然流体压力来控制活断层上的地震。

在第11章，我们将进一步深入研究地下水在各种地质过程中所起到的作用。

1.2地下水研究的科学基础

研究地下水，需要地质学、物理学、化学和力学等许多基本原理方面的知识，自然环境中的地下水流紧紧依赖于其流经的地质沉积的三维形态因此地下水水文学家或地质学家必须具备地质解释和预测地质环境的能力，而且具有沉积学和地层学方面的基础，能对火山喷发和岩浆侵入的过程有所了解，熟悉构造地质的基本概念，能够认识和预测断层和褶皱对地质系统的影响。而对于学习地下水的学生来说，特别重要的则是要了解地表沉积和地貌的特征。大部分的地下水流和地下水资源的变化产生于由河流沉积、湖泊沉积、冰川沉积、三角洲沉积和风积地质过程所形成的非固结地表沉积中。在北美北部三分之二的地区，关于地下水生成和流动的认知几乎全部是建立在更新世沉积物（Pleistocene deposits）冰川历史的基础上。

地质学可以提供关于地下水的定性认识，但是，提供定量分析的工具是物理学和化学。地下水也像热和电一样，是作为一个“场”而存在的。对其他典型“场”的了解可以为地下水流的分析提供很好的经验。控制地下水流动规律的定律是流体力学(物理学的一个分支)的一个特例。对流体和固体基本力学特征的了解和对其量纲和单位的熟练，将帮助学生掌握地下水流定律。附录I提供了各种流体力学要素的基础知识。强烈建议任何对于像密度、压力、能、功、应力和水压等概念尚不熟悉的读者在接触第2章以前精读一下这个附录。斯特里特(Streeter, 1962)和文纳德(Vennard, 1961)的著作可作为标准用于更详细的流体力学研究。艾伯森(Albertson) 和西蒙斯 (Simons)（1964）的书是一个实用简短的综述。对于多孔介质的水流这一特殊课题，若想进行比本书所涉及的内容更深一层的物理学分析，可以参考夏德格 (Scheidegger, 1960) 和柯林斯 (Collins, 1961),尤其是贝尔(Bear, 1972)的著作。

地下水的天然化学演变和地下水中污染物动态的分析会涉及一些无机的和物理化学原理。这些原理很早以来就是地球化学方法论的一部分，在最近几十年开始广泛应用于地下水的研究中。原子化学领域的原理和技术现在对于我们进一步了解地下水环境有很大帮助。例如自然产生的、稳定的放射性同位素可以用来确定地下水的年龄。

地下水水文学是一门定量的学科。因此，当发现它以数学为语言或者至少是它的表达方式之一时并不应该觉得奇怪。如果忽略了那些基于数学理解而发展出的，强有力的地下水专业工具，将是十分不可取的。地下水传统研究基础的数学方法是起源于热学、电学、磁学等实用数学领域。随着计算机的出现，及其广泛的实用性，在地下水系统分析中，很多重要的现代进展都建立在不同的数学演算方法上， 一般称其为数值方法。虽然本书不会详细叙述传统的解析解方法和数值方法，但是我们还是会有意识地去包括足够丰富的引述材料，以便阐明一些比较重要的概念。

诚然，我们这本书并不是第一本写地下水的书，在一些早期的书中也有很多相关的资料。一直以来托德(Todd, 1959)的书都是地下水水文学中标准的引导性参考书。戴维斯(Davis)和杜伊斯特(De Wiest, 1966)的书格外注重水文学的介绍。在介绍地下水资源评价方面，没有哪一本著作比沃尔顿(Walton, 1970)、克鲁斯曼(Kruseman) 和徳里达(De Ridder) (1970)的更好。与前辈们不同，多门尼科(Domenico, 1972)所写的一本新近的参考书包括了在水文系统数值模拟的基础理论。海外最好的参考书有:肖勒(Schoeller, 1962)，贝尔、札斯拉夫斯基(Zaslaysky)、艾尔梅(Irmay) (1968)，古斯托蒂奥(Custodio)和拉马斯(Llamas) (1974)，波留巴里诺娃-科奇娜 (Polubarinova-Kochina) (1962)的高水平俄文论文。

其他一些实用地球科学也有涉及到多孔介质内流体流动的问题。地下水水文学、土壤物理学、土壤力学、岩石力学和石油存贮工程学之间有着紧密不可分割的联系。学习地下水的同学可以从这些领域内的参考书，贝弗(Bayer)、加德尼(Gardner)、加德尼(Gardner) (1972)，柯克曼(Kirkman)，鲍尔斯(Powers)（1972），斯科特(Scott, 1963 )，耶格(Jaeger)、 库克(Cook)（1969）和皮尔逊(Pirson, 1958)等人的著作中学习到很多相关的知识。

1.3地下水资源开发利用的技术基础

这一章的前两节是本书中的主题的引论。同样重要的是我们确定了本书中不会包含的内容。像大多数的应用科学一样，地下水的研究可分为三大方面，即：科学、工程与技术。这本书会着重阐明科学原理，包含工程分析方面的很多内容，但是不会涉及任何技术内容。

未作详细讨论的技术科目是：钻井方法；水井的设计、施工与维修；地球物理测井记录与采样。这些内容都是一个合格的地下水专家所必需的知识，但是它们在很多书中都有详细的介绍，而且其最好的学习方法是去实践，而不是死记硬背。

若想了解不同类型水井钻井设备和技术，可参看书籍（Briggs和Fiedler, 1966，Gibson 和Singer, 1971, Campbell和Lehr, 1973,美国环境保护署，1973a, 1976)。这些书中也包括水井滤水网的设计与安置、抽水机的选择与安装、水井的施工与维修等方面的内容。

在钻孔地球物理测井方面，皮尔逊(1963)是石油工业标准的参考书，包含大部分技术的介绍。帕顿和本奈特(Patten和Bennett, 1963)的书中探讨了各种地下水勘探技术。8.2节中将简要地介绍地下钻井及钻孔测井记录问题，但是要想看到更多地下水资源评价的实例记载，请参考沃尔顿(Walton, 1970)的著作。

这里有一项特殊的地下水技术问题未被本书所考虑进去，那就是地下水法规问题。一般地下水资源的开发与管理，必须在现有法律所规定的水权范围内进行。而且这样的法律一般要由国家或省级来制订。而北美的法则却是由不同传统、权利和法规等拼凑而成的法律。派珀(Piper, 1960)和迪尤斯纳特(Dewsnut)等人(1973)曾评估过美国的情况，托马斯(Thomas, 1958)已经注意到了水文学与法律之间的一些矛盾。