书城科普有趣的物质循环(探索神秘的大自然)
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第18章 藏于地下的地下水(2)

潜水与承压水

潜水是仅次于土壤水的距地表最近的地下水,开发起来比较容易,常常是农业生产和生活用水的重要源泉。一般乡间常见的民井大口井,多是开挖于潜水含水层中的。在挖到第一隔水层后,穿透隔水层,再遇到含水层时,这时含水层中的水称为层间水,即层间水是指埋藏于两个隔水层之间的水。这种含水层的上、下边界都是隔水层,含水层本身不能普遍地与大气直接相连通。由于具有不透水的顶板由地表下渗的水不能直接补给,层间水主要靠侧面流来的水补给,这是层间水与潜水的一个重要区别。

层间水又分为层间无压水和层间承压水两种。顾名思义,层间无压水多半是局部地充填在透水层中而没有完全被水充满,具有自由的水面,这一点与前面提到的潜水相似。层间承压水是指水充满了两个不透水层之间的全部透水层,并对隔水层具有一定的压力,好像水管中流动的水。如果水管漏了洞,水就会从管子中喷出来,当钻孔打到这一层的时候,水便在水压力作用下,上升到含水层的顶板上,有时甚至喷出地面,因此也叫做自流水。

开采地下水的主要方式——井

地下水广泛分布在各个地区。我们的祖先很早就凿井开采地下水,用来灌溉农田和作为饮用水。3000多年前,我国劳动人民在他们的诗歌里就已经有了“凿井而饮”的诗句。无论是古代还是现代,井都是开采地下水的主要方式。井的种类很多,根据它的结构,有筒井和管井之分。

古井筒井也叫大口井,它的口径比较大,有时能达到2米以上,大多数是圆形的,并且“口小肚大”,但井的深度一般并不大。井水是由距地面较近的潜水含水层补给的。大家知道,潜水的上面没有不透水的隔板覆盖,它是地面上的水直接下渗形成的,所以这样的井水中含有很多的微生物,是不洁净的,而且筒井的水量与季节变化很有关系,一到天气干旱的时候,井水面也会下降,有时甚至干枯。

管井呢,是用钻机打出来的井,所以也叫机井。机井的口径与筒井的口径相比,要小得多,而深度一般都比较大。井水来源于封闭在两个不透水层之间的层间水。由于上面有不透水隔板存在,阻挡了上面污水的渗入,它的水质清洁,水量丰富,而且变化不大。

在干旱和半干旱地区,地表水非常缺少,利用井开采地下水显示出更重要的地位。在荒凉寂寞的沙漠上,有了井就有了水,原来的面貌就会改变,出现牧草青青、牛羊成群的绿洲。我国的西北地区,气候干燥,降雨稀少,有的地方,如吐鲁番盆地,整个夏天也不降一个雨滴。可是哈密的西瓜,吐鲁番的葡萄却是驰名中外,这是怎么回事呢?原来当地的人民根据那里的特殊环境,创造了一种开采地下水的特殊的井,叫“坎儿井”。

吐鲁番盆地的降水很少,但是在它周围的高山地方,雨雪还是很多的,所以高山顶上经常覆盖着厚厚的白雪。每到春夏季节,白雪融化成水,沿着山坡往下流。这种雪水流到山脚的时候,大部分渗透到地下,成为地下水。人们就是沿着山坡开凿了一道坎儿井,巧妙地把躲在山脚下面的水引到地面上来给人们使用的。

坎儿井坎儿井是由许多立井和贯穿立井间的暗沟组成的。立井又叫工作井,是和地面垂直的井道,是用来出土和通风的。暗沟是在地下掏挖的沟道,是主要的输水通道,通过它,把地下水引向农田用来灌溉。

在开凿坎儿井时,首先在山坡上选择适当地点,凿一个立井,遇到地下水后,就顺着地下水的流向,每隔30~50米开凿一个立井,然后把井的底部挖通,凿成高2米、宽约1米的暗沟。一直到暗沟内的水流出平地以后,再开明渠,把水引到明渠灌溉。当坎儿井挖好后,在坎儿井立井的井口上常堆上石块或铺上柴草,是为了防止井水蒸发和风沙进入水井,从而减少井中水的损失和保持暗沟的畅通。

由于坎儿井是顺着倾斜的山坡开凿的,因此,立井越往上游越深,越往下游越浅。坎儿井的水源主要是高山积雪融化,积雪融化在不同的季节有显著的变化,坎儿井的水量大小也与季节有很大关系。在夏季,融化量要多于其他季节,坎儿井水量丰富,而此时正是农作物急需大量水分的时候,所以更显示出了坎儿井的威力。我国第一道著名的这种构造的井,是在公元前1世纪,在陕西大荔一带开凿的,当时取的名字叫“龙首渠”。

泉,人们并不陌生,许多园林风光、美景佳色都少不了它的点缀。大家去公园时,常见有各种各样的喷泉,有的从龙口中喷出,似真龙吐水;有的却极其普通,一股纤细的水流,冲向天空,然后分散开来,一串串,一滴滴,向周围溅落,给人以清新舒畅的感受,而且也给周围的景色增添了生机和灵性。那里的喷泉大部分是人工喷泉,自然界中的天然喷泉与人工喷泉相比,更具有神奇的魅力和独特的韵味。自古以来,多少人赞美它,诗人为之讴歌,游人为之流连忘返。

自然喷泉泉的形成,主要决定于地质条件。地下水昼夜不停地在有孔隙的岩层里流动,当这个透水层的下面是坚硬的不透水层,它们的接触面正好遇到了地面时,或者当这个饱含地下水的含水层被外来的不透水岩层所阻挡时,地下水不能再向前流,于是就沿着它们的接触面涌出地表,形成了泉,这样的泉叫做接触泉。这只是各种泉中的一种形式。另外一种情况是某一含水层由于地壳运动,发生了错动,原来倾斜的含水层不再连通,而被不透水层所阻挡,地下水不能再沿着原来的路线向低处流去,不得不顺着断层溢出地表,这就是断层泉。还有一种泉水是顺着岩石的裂隙流到地面上来的,人们称它为裂隙泉。

以上根据泉的形成原因进行分类,可分为接触泉、断层泉、裂隙泉三大类。由于各地地理条件千差万别,自然界中的泉水也有各自的“性格”和“脾气”。我国地质条件复杂,几乎到处都有泉,其中以水质好、水量大等原因而闻名于世的名泉就有几十处之多。

最常见的是淡水泉,这种泉的泉水清澈透明,杂质极少,水质极优。我国济南市自古号称为泉都,是一个以泉水出名的地方,享有“泉城”的美称。曾有著名诗句“家家泉水,户户垂杨”,描写的就是济南的美丽景色。传说济南有72泉,其实何止此数!在济南的许多泉中,最有名的是趵突泉,围绕它有大大小小34个泉,是济南的四大泉群之一,除了趵突泉,还有珍珠泉、黑虎泉、金钱泉等等。

泉的成因是多种多样的,它的水温也千差万别。有的泉水经常热气腾腾,沸水不竭;有的喷泉喷出很高很高的热水水柱,并夹有大量的蒸汽,伴随着刺耳的啸声,景色和场面十分壮观。

温泉我们日常生活中常提到温水、热水,通常把水温高于20℃而低于42℃的水,叫做温水;把温度高于42℃而低于100℃的水,叫做热水;把温度高于100℃的水,叫做过热水。对于泉水呢,只要泉水温度高于当地年平均气温,就是温泉。在我们国家,华北地区水温超过15℃,就是温泉;华南地区水温超过25℃的泉,称为温泉;泉水温度如果超过50℃,那就叫做高温温泉了。

泉水一般是无色、无味、清凉可口,但在有些情况下会是热的。关于地下水的成因问题,过去人们一直认为地下热水的主要来源是由岩浆起源的,这就是所谓的“原生说”。近些年来,人们通过分析大量的实际观测资料,认为大气降水是地下热水的主要来源。大气降水进入地下以后,怎么有的变热,有的不变热呢?这要从地球的构造说起。

地球从表层到深处,温度是不断变化的。地球的表层接收太阳辐射,温度与气温有很大关系。再向下到达一定的深度,太阳的热量已不能影响地温的变化,地温终年不变,这一层我们叫做“常温层”。再往下,由于地球内部的热的作用,地温又逐渐升高。

根据全球的探测资料,对绝大部分地区来说,深度每增加100米,地温升高2℃~5℃。但是在不同地区,这种变化的幅度是不一样的。大气降水渗入地下后,由于埋藏条件的不同,出现温度上的差异。有的地下水储存在温度较高的地方或者循环到地壳深处流经地温高的地方,慢慢地,水温渐渐升高,有的则不是这样,所以有的地方出现温泉,有的地方却没有。大部分的地下热水都是现代大气降水经过地壳内部的深循环后加温形成的。

温泉还有另一种成因,是在火山附近,受到岩浆活动的影响而生成的。火山活动地区,炽热的岩浆本身也含有大量水汽,这些水汽的压力很大,如果遇到岩层中的裂隙就乘机上升,当周围的温度下降到一定程度,就凝结成水。这种水聚集起来,沿着地层中的裂缝上升露出地表,就成为温泉。这就是地下热水起源的“原生说”。自然界中,这部分“原生水”的数量是很有限的。另外,炽热的岩浆在流动时,它所散发出来的热量也能够使附近地层中的水分温度上升,这也是部分温泉的形成原因。

温泉在我国的分布是很广的,其中云南省是我国温泉最多的省份。东南沿海的广东、福建、台湾3省也是温泉密集的地区,东北地区的温泉也比较多。即使在我国西部号称“世界屋脊”的青藏高原上,也有不少温泉。在这样高寒的山区,山上是银白的冰雪,山下竟是热气腾腾的清泉,两者相邻,形成鲜明的对照。当温泉剧烈喷发时,地下发出隆隆的响声,灼热的泉水喷向高空,水沫飞溅,在空中化为五颜六色的水花,真是一种独特的自然奇观。

温泉在我国广泛分布,但并不是杂乱无章的,它主要分布在地壳活动比较强烈的地区。由于地壳活动,岩层断裂较多,为泉水的出露开辟了道路,便于地下热水涌出成为温泉。

我国温泉中著名的有骊山温泉、黄山温泉、星子温泉和安宁温泉。但是,在一些地区,受地质条件的限制,大部分地下热水深深地埋藏在地下,没有机会和大家见面。地下热水是一种可贵的资源,仅仅限于利用地下热水的天然露头——温泉还是很不够的,必须采取一些方法,使物尽其用,充分发挥地下水的潜能。

一般常见的方法是钻孔。把水引到地面,这就是热水井。虽然地下热水分布很普遍,但热水井的位置并不是选在具备热水贮存条件的地方都可以,人们总是首先考虑地下热水埋藏较浅、温度较高的地区。这样的地区常称为“地热区”或“热异常区”。

在当前世界上能源日益紧张的情况下,人们越来越重视地热的开发利用。亿万年来沉睡在地下的热水资源,现在已被人类大规模地开采利用,并在越来越多的方面发挥其独特的作用。

我国在北京、天津、河北平原和西藏羊八井等地,都已开凿了一些热水井。值得一提的是西藏羊八井的地热田,它位于拉萨西北90千米处,那里周围的山峰终年冰封雪盖,但在盆地中却终年热气腾腾,地热资源极其丰富。自1974年起,地质工作者对这里进行了广泛的调查之后,钻出了一批批热水井。

热水资源的最重要用途是发电。地热发电,最早在1904年由意大利开始。世界上第一座地热发电站也是1913年由这个国家建成。热水资源的第二大用途是发热。在这一方面,最为突出的是地处北欧寒冷气候下的冰岛。它的首都居民10家有9家利用地热取暖。知识点重力水重力水,是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水,它是在重力或压力差作用下运动的自由水,对土粒有浮力作用。重力水对土壤的应力状态和开挖基槽、基坑以及修筑地下构筑物时所应采取的排水、防水措施有重要的影响。