封闭式和非封闭式含水层系统的比较分析

光片中的密钥区分

• 边界条件: 无限制含水层有自由水位;封闭含水层以封闭层为界,上下均以封闭层为界。
• 补给源: 无封闭含水层直接渗入;封闭含水层通过远处的外围补给或通过封闭床渗出。
• 压力制度:无封闭含水层处于大气压力下;封闭含水层处于蒿压力下。
• 抽水的反应: 封闭含水层显示水位减少;封闭含水层显示强烈地表下降,同时如果压力降至含水层顶部以下,可能出现脱水。

深度的水文地质差异

杂质和储存

在非封闭含水层中,储水系数(具体产量)一般很高,因为引力排水从孔隙中释放水,价值从0.01到0.30不等,而封闭含水层的储水率较低(大约为10-5到10-3),因为水主要是通过压缩含水层基质和扩展水释放的,而水的释放过程受形成和水的弹性特性支配,这意味着封闭含水层可以储存大量水,但每个单位滴水头缓慢释放。

充电和流动

降雨后,无封闭含水层迅速补给,渗入率受土壤质地、土地使用和前期水分控制。 补给可以是直接的(真实的)或间接的(通过溪流床集中 ) 。 封闭含水层只有在没有封闭层(作物区)或平流层之间缓慢垂直渗漏的情况下才能补给。 补给率要小得多,旅行时间可以长达几十年至几千年。 封闭含水层的流量往往更长,地下水速度较低,导致水龄更老,有时甚至数百年或几千年。

对泵式水的反应

从非封闭含水层抽水会使水位上产生一个凹陷锥,这种凹陷锥会迅速加深和扩散,含水层可能局部脱水,减少通量,在封闭含水层中,抽水会减少强度表,但不会使含水层脱水,除非压力降到含水层顶部以下(将其转化为非封闭状态),封闭含水层的凹陷锥由于低层性而往往较宽,受宠,详细数学处理见Theis(1935)关于含水层测试分析的经典著作。

水质和污染脆弱性

不受限制的脆弱性

由于水位直接与地表相连,未封闭含水层极易受到农业径流(硝酸盐、杀虫剂)、化粪系统、地下储水池泄漏和工业溢出物的污染。 水深浅和快速补给使污染物迅速到达含水层,自然衰减有限。 土壤、挥发性有机化合物和营养 地下水质量监测方案经常将未封闭含水层作为第一防线。

封闭式保护

封闭含水层自然受到覆盖的不透水层的保护,这些层过滤出许多污染物,降低渗透率,但是,一旦封闭含水层受到污染——例如,通过密封不当的井或封闭层的断裂——补救极为困难和缓慢,居住时间长,流量快,意味着污染羽流可能持续数百年。

天然水质

封闭含水层的溶解氧量往往较高,溶解固体总量较低(TDS),但也显示出较高的混凝土和细菌数量。 封闭含水层由于与矿物接触时间长,溶解固体的浓度往往较高,包括钙、镁、铁和锰。 在一些封闭的构造中,砷、氟化物或放射性核素含量较高,需要先处理,然后才能用作饮用水。

采掘和井设计考虑

井安装

蓄水层中未封闭的井一般较浅,钻井费用较低,但需要小心放置,以避免季节性的水位波动,从而导致井干,井屏应位于最低预期水位以下,在封闭的含水层中,井必须穿透蓄水层的整个厚度,往往需要更深的钻井和先进的外壳技术,阿耳忒斯井需要压力控制以防止无节制的流.

关税和可持续性

封闭含水层在粗质的含水材料中可以产生高产量,但过度抽取会导致水位大幅下降、溪流基流减少和生态影响。 封闭含水层虽然在蒿类压力下最初产生高流量,但如果头部下降超过弹性限度,则会经历永久性的紧凑(土地沉积 ) 。 突出的例子包括加利福尼亚的圣若望河谷和泰国的曼谷盆地,那里几十年的过度抽取导致每年的沉积率超过10厘米。

管理战略和个案研究

管理非封闭含水层

可持续管理未封闭含水层的中心是:

• 土地利用分区保护补给区免受污染.
• 通过注入井或扩大盆地进行人工补给,以增加供应。
• 实时监测水位水平和地下水质量。
• 实施旱期抽水限制,防止生态破坏.

一个突出的例子就是美国高原含水层(Ogallala),那里广泛的灌溉已经导致一些地区地下水耗竭超过15%。 国家和地方机构现在强制实施地下水保护区,分配水权,推广高效灌溉技术。

管理封闭含水层

封闭含水层的管理要求:

• 认真监测强度测头和水化学,发现超量剥取或污染的预警信号.
• 根据补给率将抽水限制在可持续产量(通常非常低)。
• 防止因适当的井构和废弃而造成水体间渗漏。
• 通过地下水替代、地表水进口或有管理的补给控制土地的沉降。

富罗里丹含水层系统是世界上最有生产力的封闭含水层之一,为美国东南部数百万人供水。 水管理者使用数字模型平衡城市、农业和环境需求,同时保持春季流动并防止盐水侵入沿海地区。