一、泉水叮咚响
泉既是地下水的天然露头,那么活动于地下的水又是如何形成的呢?为什么总流不完呢?要想明白其中的奥秘,得讲清以下三个问题:首先是作为地下水补给来源的自然界中水的循环,其次是形成地下水必要条件的岩石的含水性和透水能力;第三是地下水的储存与出露状况,及其分布的基本规律。
自然界中的水自地球分离出来后,就以气态、液态和固态等形式赋存于天空、地表及地下,分别称之为大气水、地表水和地下水。据科学家估算,地球上水的总量约为×10立方米。其中地表水约为×l0立方米,广泛分布在地球表面的海洋、江湖和高山及极地的固态冰雪,尤以海洋居首位,约占总水量的%;地下水约为×l0立方米,约占总水量的%,存身于地表以下的地层中,地表水和地下水脉络相通,组成了地球的一个水圈。存身于天空中的大气水最少,约为×l0立方米,约占总水量的%,以水蒸气的状态飘浮在大气中。另有%以上的水,以固态冰雪的形式分布于高山及极地。
随着温度和压力诸条件的改变,水会发生同态、液态、气态相互间的转化。在太阳辐射热作用下,水自江河湖海的水面、岩石土壤的表面和植物的叶面,不断地由液(或固)态转变为人眼不易觉察的水汽进入大气,这就是蒸发过程(水自植物叶面的蒸发称为蒸腾)。蒸发形成的水汽,徐徐上升到天空,地表温度较高官含水汽的空气在上升过程中,随着与地面距离增加,气温不断下降,其中水蒸气就凝结出小水滴、小冰晶,形成云雾。在适当的条件下,这些小水滴或冰晶互相碰撞,结合成大水滴或大冰晶,在重力驱使下,迅速降落。降落途中,如遇到热空气上升,冰晶能变成水滴,又可能会部分或全部变为蒸气。而降落到地球表面的水滴或者冰晶,就是我们见到的雨或雪,称为大气降水。
大气降水降落到地表以后,一部分以地表径流形式,顺着无数条细小的沟溪从高处向低处流动,汇入江河,注入海洋:一部分就地蒸发,返回大气中,可再次形成降水,还有一部分渗入地下,存在于土壤或岩石的空隙中,成为地下水。地下水中部分留在表层的土壤里,或被蒸发,或被植物吸收后而蒸腾返回大气,部分以地下径流形式,或直接排入地表的江河湖海里,或在流动过程中遇到地形低凹处及地面裂缝等以泉的形式出露,转变为地表水,再度汇入沟溪江何,归流湖海。这些汇入海洋或直接下落于海洋的大气降水,又会再度蒸发,周而复始,大气水、地表水、地下水这样不停地相互转化、不断迁徒,成为一个自然界水体的大循环。而把海洋内部和描地内部自身的循环称为小循环。正是自然界的水循环作用,使地下水成为一种能经常得到补偿的资源,泉口才能源源不断地向外涌水。同理,江河溪流也是因地下水和大气降水的不断补给,才昼夜不息,世代奔流;海洋水也不断变为气体,所以尽管无数条江河千万年的注入,都不满不溢,并且提供了形成大气降水水汽的主要来源。
大气降水渗入作用使地下水得到补给,从高水位向低水位流动,然后在适当的地点涌出地表成为泉。在地下水循环过程中,其首要条件是地表岩石或松散堆积物中存在空隙,没有空隙,大气降水降到地表后既无法下渗,又不能透水流动。岩石空隙包括孔隙、裂隙、洞穴。岩石颗粒与颗粒之间或颗粒——结合体之间的空隙叫孔隙。松散的岩石(砂、砂砾层等),孔隙很发育,孔隙的大小和均匀性取决于岩石的颗粒大小及其均匀分选程度。比较均匀的砂或砾石层的孔隙度为.. 30—35%;砂和砾石混合,孔隙度减小为15—20%;均匀的粘土,孔隙度可超过.. 50%。至于已经固结成岩石的坚硬岩石(如石灰岩、花岗岩等),孔隙较少又不连通,却有裂隙或洞穴发育。裂隙、洞穴多且宽、长、深,彼此连通,张开性好而未被细小物质充填,富水性强,反之就弱。在山地区域,我们会常见到岩石裂缝中有水滴出,流出,有的沿岩层层面流出,有的沿裂隙流出,这就是裂隙水或称泉水。
地下水资源多少,不单单只看岩石的空隙条件,还要看岩石空隙的大小及其连通状况,岩石的透水能力等状况。如粘土的孔隙度高达.. 60%,但因孔隙细小,透水性极差:砂子的孔隙度约为粘土的一半,但有较强的透水性能。
岩石的透水性能,通常用渗透系数表示,单位是米/昼夜(24小时)。根据岩石的渗透系数,将岩石的透水性能分为五类(见表.. 1):当岩石的渗透系数小于.. 0.001米/昼夜,称不透水层或隔水层。其固体颗粒粒径越大,越均一,连通性越好,富水性越强。“面面砂(粉砂》、娃娃泥(粘质砂土),有水仅够小桶提、细流砂(细砂)、小米砂(中砂),有水可够水车拉;高粱砂(粗砂)、石馒头(卵石),水足可供机器抽。”这顺口俚语不正说明了地下水形成的地表岩石和松散堆积物条件。
表.. 1 各种岩石的渗透系数表透水性渗透系数(米昼夜)代表性岩石强透水岩石透水岩石弱透水岩石微透水岩石不透水岩石>=-1K=-0.01K=-0.001K<砾石、粗砂、溶洞发育的岩石砂、裂隙发育的岩石细砂、亚砂土、裂隙发育较差的岩石粉砂、亚粘土、砂质页岩等粘土、淤泥、无裂隙的致密状页岩等其次,决定地下水的储存与出露状况的是相应的地质构造和地貌等条件。地表疏松堆积的土壤和裂隙广布的岩石,使元孔不入的大气降水就“乘虚”而入,由这种渗入作用而形成的地下水叫渗入水。渗入水的少量能被土壤、岩石颗粒表面的静电引力和分子引力所吸附。形成一层极薄的水膜叫结合水(其中强结合水又叫吸着水,弱结合水又叫薄膜水),这部分被固体颗粒牢牢吸住的结合水,一般情况下不能再下渗了,这种水只能供土壤中的微生物的生长使用。还有少部分渗入水,进入土壤和岩石的细小孔隙(叫毛细孔隙)中,受表面张力和附着力的共同作用,通常也滞留下来,保持在土壤、岩石中,叫毛管水,能被植物根系吸收或蒸发而失去。只有渗入到较大的土壤孔隙或岩石裂隙中的大气降水,才能在重力作用下。自由地向土壤、岩石深处运动,充满于空隙中,这种水称划重力水,也就是我们平时看到的井水、泉水等。重力水也不能无限地垂直下渗,因到一定深度后,岩石的裂贮变成闭合状或呈致密块状,水再无法渗人,于是被阻存在岩石裂隙和土壤空隙之中,形成有一定厚度的饱水带;其上是未被重力水饱和的饱气带。水文地质学上,将重力水能通过的地层称透水层,重力水不能通过的地层叫隔水层,透水层被重力水饱和后就是我们常称的含水层。
自然界中含水层和隔水层有多种组合形式,又常常互相叠置、相间分布。
根据地下水埋藏形式不同,将其区分为上层滞水、潜水和承压水,上层滞水是存在于饱气带里局部隔水层之上的重力水;潜水是赋存于地表以下第一个连续隔水层之上的重力水,潜水的自由水面叫潜水面。槽水面的坡度一般小于地表的坡度,在地形低凹处与地表面相交,地下水出露地表形成潜水泉。
地下水均是自上而下流出地表,称为下降泉。地下水埋藏在两个隔水层之间,还承受一定的静水压力。这类埋藏形成的水叫承压水,承压水顶部隔水层一旦有裂隙或被流水切穿与地面沟通时,水自下部涌出地表形成承虚水泉。承压水形成的泉,水自下而上运动,称为上升泉。上层滞水和潜水由于埋藏较浅,其丰富程度与气候条件息息相关,涌水量很不稳定,甚至旱季断流,销声匿迹。上层滞水泉常常是季节性泉。
大气降水或地表河水能够渗入地下,经过一段时间流动后,在适宜的部位出露地表形成泉。这类泉的涌水量明显地受地质、地貌条件控制。这是因为地质、地貌条件决定着地表水的汇集、径流和渗入作用,进而影响着埋藏于表层的地下水的丰富程度及泉水的涌出量。加坡面缓倾,地形平坦,植被茂密,相对位置较低的盆地、凹地及沟谷低地,地下水丰富,“三面环山中间低,水流都在盆地里”、“两沟相交,泉水滔滔”就是例子。反之,透水性差的红粘土区,黄土丘陵区或沟谷切割深度大、密度高的基岩山区,大气降水多以地表径流方式排泄掉,渗入补给地下水的量很少,地下水相对贫乏。
从山区到平原,俩者之间在地貌上常常有一个规模不等的过渡带,在这个地带内接受山区带来大量的碎屑物质堆积,形成洪积——冲积扇。山前洪积物以沙砾,砾石为主,透水性极强,不仅可接受山区下泄的地下径流,而且能吸收大气降水以及来自山区的地表径流,成为山前地带地下水的主要补给区。杭州西湖三大名泉之一的玉泉水的由来,正是由于当大气降水和地表溪流,从北高峰、飞来峰、天竺山、月桂峰以及桃源岭、灵峰等三面向玉泉汇流,到达山坡和平缓丘岗地交界处时,遇到洪积扇顶部粗大的碎屑物质,大部分地表水便渗透到洪积扇的堆积层中,变成地下水,源源不断地流向玉泉。由于山前洪积物厚度大,径流条件好,埋藏较深,受蒸发作用损失的水分不多,从而形成丰富的地下水储存带。如黄河流出禹门口形成百余平方公里的冲积扇,附近并深多米,沙砂石层厚米,单井出水量高达每昼夜多吨。新疆干旱地区的绿洲,几千年来,劳动人民利用山前洪积扇地下水,创造性地修建了引水工程——坎儿井,把径流带潜水引入潜水下沉带进行灌溉(如图)。
图坎儿井纵剖面示意基岩(不透水层)2.砂砾石(含水层)3.粘土平原一般多分布于近代地壳沉降区,但各地沉降速度并不一致,在这里堆积着厚度不等,成因不同的松散沉积物,包括湖相、河流相、海相等。如我国华北平原第三纪以来沉积了—800米,有的甚至达米左右厚的新生界沉积层,内部结构比较复杂,多种成因类型相互叠置,在垂直方向上有几个含水层,在水平方向上有的成带,有的不连续。地下水资源埋藏丰富,有利于开采利用。
地下水除主要来自大气降水补给外,还有小部分是当大气中水汽压大于土壤中的水汽压时,大气中的水汽可进入土壤及其他松散堆积物中,在温度降低到零点时便凝结成水。这部分水尽管甚少,但在降水极少,地表温度昼夜变化急剧的干旱沙漠区,水蒸气的凝结作用在经常进行着,凝结水是干旱沙漠区地下水的主要补给来源。
山地是近期或地质历史上长期隆起的结果,它多少经过变动,岩石裸露,经受风化、侵蚀破坏,有利于地下水通道的形成,以接受大气降水的补给。
但山地情况是复杂的,事实上,有的山区地下水资源丰富,有的则不然。如位于东岳泰山玉皇顶西南侧碧霞柯后的天井泉,所在的地形条件很差,方圆数百公里内四周皆悬崖峭壁,利于大气降水地表流失,而不利于降水的下渗,尽管泰山年降雨量达余毫米,但大气降水渗入补给地下水的条件极差。
那么,天井泉水是从哪里来的呢?
泰山是在地势低平的平原和丘陵区兀然拔起的一座山岭,山下的空气温度高,包含着相当丰富的水蒸气,山上空气温度低,气压也没有山下高。当山下温暖湿润的空气沿山坡上升时,随着气温下降,水蒸气不断凝结成云雾,除呈现出苍苍缥渺、无边无际的“云海玉盘”奇景之外,水蒸气还会自大气层不断地进入山顶岩石裂隙中。每当夜晚时,天井泉周围的岩石温度低于饱和云雾的空气温度时,水蒸气逐渐凝结成较大的水滴,这些水滴顺岩石裂隙向下渗流,使地下水经常得到补充,成为天井泉之水的主要来源。无怪乎历来把山与水紧紧连在一起,“有山必有水”,“山高水长”,天公就是如此将“天水”布施到人间。登临泰山顶,能饮上清澈见底、甘醇可口的天井泉水,是极大满足。