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 Untitled Document 地下水資源 | 地下水之流動 | 地下水抽取 | 地下水補注 | 超抽地下水 | 地下水資源經營管理

地下水之流動

地下水流動極慢

要探討地下水的流動,就必需先要認識一法國水利工程師達西(Darcy),他出生於1803年法國第戎市,1823年畢業於工業專科學校,並擔任第戎市工程局技術員,他於1856年發表一篇論文,說明水流經過透水物質時,流速與水頭損失成正比,與流路之長度成反比,如式(1)所示,此項理論即為研究地下水問題之基礎,亦為分析與解決地下水流動與地下水水力學之開始。

上式即為達西定律(Darcy’s Law)。V為流速,h為流路上兩點之水位差,l為流路上兩點之距離,K為滲透係數。其中 定義為水力坡降(hydraulic gradient,I ),即:

在地面下,水受到重力作用而往下滲透,填滿在土壤及岩石中的孔隙。土壤及岩石中的孔隙都是地下水儲存的場所。從地表往下滲透的水在遇到緻密而不透水的岩層時,地下水停止向下滲透,便開始往上累積,形成「地下水體」,其頂部稱為「地下水面」,地下水面通常在地下數公尺至數百公尺深。

地下水的含量及流動與土壤岩石的孔隙率與滲透度有關。孔隙率(porosity)係指土壤岩石內空隙體積與總體積的比值,如式(2),孔隙率愈高,含水量愈高。滲透度是指岩石容許地下水通過的難易程度,滲透度愈大,地下水愈容易流動。一個孔隙率與滲透度均良好的地層,可以供應豐富的地下水資源,即可稱之為含水層(aquifer)。一般而言,砂層及礫石層多屬較佳之含水層,而黏土層則多屬較差之含水層。

為孔隙率, 為土樣孔隙體積, 為土樣顆粒體積, 為土樣總體積。不同土壤組成則有不同之孔隙率,一般水成岩孔隙率範圍如表分布。

土壤之滲透度與滲透係數直接相關,高滲透係數代表地下水流經土壤流速較快,也代表有較佳之出水量。由達西定率可知流量為:

式中, K為水力傳導係數, I為水力坡降, A為有效斷面積及 為流量。K值大小因不同土壤質地而異,一般參考值可由下表查得。如果查得值為-1,代表K值為10cm/s,若值為5,代表K值為0.00001cm/s,即表式此區地下水流速是非常緩慢。

由於地下各點的水壓不同,地下水因而不斷地自壓力高處流向低處,所以地下水不一定是自地勢高處往地勢低處流,而是自高水頭流往低水頭。地下水在孔隙中的流動是相當緩慢的,一般而言平均每天只有約1~2m,與地面水流速比較約有8萬到10萬倍之差!近年來有一些對地下水定年的研究,有助於瞭解地下水的流速,比如由濁水溪沖積扇的地下水放射性同位素定年研究,發現自西元1953年起大約40年間,地下水一共流動了6至8km,換句話說這些地區每天地下水大約是流動50cm上下,真的是非常緩慢。許多深井汲取的地下水在數千年、甚至數萬年前就由補注區滲入至地下,它們是經很長的時間才流到現在的位置。試想,今日如果你抽取地下水是來自超過00~200m深層之地下水,它可能是十幾年至數十年前降雨從地下水補注後而流到現在的位置。



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