封閉含水層

首先，封閉含水層傳導(dǎo)水的能力比自來(lái)水管道小許多個(gè)數(shù)量級(jí)。任何一個(gè)末端自來(lái)水龍頭放水，都能幾乎立即從自來(lái)水廠的蓄水容器得到補(bǔ)給。其間的水頭損失比較小。而含水層對(duì)水的摩擦阻力很大，從封閉含水層的側(cè)向補(bǔ)給源到打井取水地點(diǎn)距離一般又很遠(yuǎn)。其間要達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，需有很大的水頭損失。實(shí)際上，在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，從水井抽出來(lái)的水，并不是來(lái)自遠(yuǎn)方的側(cè)向補(bǔ)給源，而是來(lái)自水井周?chē)畬拥膲嚎s。水井的抽水，使地下水位下降，在水井周?chē)纬山德渎┒贰?duì)封閉含水層來(lái)說(shuō)，這就象液壓千斤頂放油、汽車(chē)輪胎放氣一樣，使含水層壓縮。這樣就從含水層擠壓出一些地下水來(lái)。水井抽取的地下水，實(shí)際上就是來(lái)自含水層壓縮出來(lái)的那一部分水。早期，水井抽取的主要是水井周?chē)幒畬訅嚎s出來(lái)的地下水，隨著降落漏斗的擴(kuò)展，抽出來(lái)的水逐漸更多地來(lái)自較遠(yuǎn)處的含水層。從開(kāi)始抽水到大部分井水不再來(lái)自含水層的壓縮，而是來(lái)自補(bǔ)給邊界，需要很長(zhǎng)的時(shí)間，如果補(bǔ)給邊界離抽水井比較遠(yuǎn)，甚至需要幾十年時(shí)間，那時(shí)抽水井水位將下降得很深，乃至抽水成本高到難以接受的程度。此外，封閉含水層中地下水位每下降1米，因壓縮所能給出的水是很少的，只有開(kāi)放含水層的千分之幾到萬(wàn)分之幾。因此，地下水位的降落漏斗體積，在同樣出水量的條件下，比開(kāi)放含水層要大成千上萬(wàn)倍。

按照質(zhì)量守恒原理，從含水層抽取的地下水不可能憑空產(chǎn)生，總歸要有來(lái)源。開(kāi)放含水層比較好理解，從含水層抽取的水，部分來(lái)自含水層的疏干，部分來(lái)自地表水體的補(bǔ)給。而封閉含水層就有點(diǎn)令人費(fèi)解。后者既沒(méi)有疏干，也很難從地表水體得到補(bǔ)給。那么從井里抽出來(lái)的水是從那里來(lái)的？二十世紀(jì)初地下水水力學(xué)的一個(gè)重大進(jìn)展是發(fā)現(xiàn)從封閉含水層抽取的地下水是由含水層體積壓縮而來(lái)的。最終表現(xiàn)在地面沉降上。根據(jù)河北滄州和天津以往長(zhǎng)期觀測(cè)的結(jié)果，多年從封閉含水層抽取的地下水總體積，大體上等于地面沉降的總體積。側(cè)向補(bǔ)給少得可以忽略不計(jì)。

從封閉含水層抽取地下水會(huì)導(dǎo)致地面沉降！這是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。到目前為止我們已經(jīng)有了大量負(fù)面的案例。早在六十年代，上海就因地面沉降而遭受了難以彌補(bǔ)的損失。由于地面沉降早期很難憑直覺(jué)發(fā)現(xiàn)，上海的教訓(xùn)并沒(méi)有被別的地方及時(shí)汲取，天津隨后也出現(xiàn)了類(lèi)似的問(wèn)題。長(zhǎng)江三角洲的蘇州、無(wú)錫、常州由于含水層不如上海寬闊，受局部斷陷小盆地的制約，出現(xiàn)不均勻沉降，導(dǎo)致地面裂縫。西安的地裂縫也是長(zhǎng)期從封閉含水層抽水的后果。由此可見(jiàn)，從封閉含水層長(zhǎng)期大量地抽取地下水，弊大于利，往往是得不償失。抽不了多少水就會(huì)引起地下水位大幅度下降，而且經(jīng)常導(dǎo)致嚴(yán)重的地面沉降后果。2100433B

實(shí)際上，無(wú)論自來(lái)水管道還是封閉含水層，都不是絕對(duì)剛性的。它們都具有彈性和可壓縮性。當(dāng)水位上升時(shí)，體積會(huì)被漲大，反之則會(huì)被壓縮變小。這種漲縮對(duì)自來(lái)水管道來(lái)說(shuō)微不足道，通常被忽略不計(jì)。但對(duì)封閉含水層來(lái)說(shuō)，由于下面將要談到的原因，這種可壓縮性和彈性卻不能不加以考慮。

根據(jù)地質(zhì)條件，有兩種基本類(lèi)型的含水層。

自流含水層潛水含水層

這類(lèi)含水層的水面處于大氣壓力之下，它在地面以下的深度通常隨著地貌條件而不同。潛水含水層通常由降水補(bǔ)給或由其上覆或下伏含水層（滲漏含水層）的越流補(bǔ)給。排泄區(qū)由地貌條件決定，一般不太明顯。地下水流為層流。

對(duì)于飽水厚度b的積分，則得到非均質(zhì)、各向異性介質(zhì)中二維水流的基本方程式：

自流含水層承壓含水層

承壓含水層即自流含水層。這類(lèi)含水層被封閉在兩個(gè)相對(duì)不透水層之間，因此其中的地下水所承受的靜水壓大于大氣壓。這種類(lèi)型含水層的補(bǔ)給來(lái)自其裸露處的降水和其上覆及下伏含水層（承壓漏含水層）的越流。其排泄區(qū)取決于地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。地下水流也是層流。

對(duì)于含水層厚度的積分，并加上源/匯點(diǎn)項(xiàng)和越流項(xiàng)，則得到以下二維水流表達(dá)式：

此地下水受水力坡降的作用開(kāi)始橫向流動(dòng)，土壤空隙充滿水無(wú)空氣存在，稱(chēng)含水層。如果含水層在兩不透水層中間則稱(chēng)為受壓含水層（confining aquifer），其靜水壓力較大氣壓力高。