Akvifer
En akvifer är ett underjordiskt lager av vattenförande , permeabel sten , bergsprickor eller okonsoliderade material ( grus , sand eller silt ). Grundvatten från akviferer kan utvinnas med hjälp av en vattenbrunn . Akviferer varierar mycket i sina egenskaper. Studiet av vattenflödet i akviferer och karakteriseringen av akviferer kallas hydrogeologi . Besläktade termer inkluderar aquitard , som är en bädd med låg permeabilitet längs en akvifär, och aquiclude (eller aquifuge ), som är ett fast, ogenomträngligt område som ligger under eller över en akvifer, vars tryck kan skapa en begränsad akvifer. Klassificeringen av akviferer är som följer: Mättad kontra omättad; akvifärer kontra akvifärer; instängd kontra obegränsad; isotrop kontra anisotrop; porös, karst eller sprucken; gränsöverskridande akvifer.
Utmaningar för att använda grundvatten inkluderar: överdragning (utvinning av grundvatten utanför jämviktsutbytet av akvifären), grundvattenrelaterad sättning av mark, grundvatten som blir salt, grundvattenförorening .
Egenskaper
Djup
Akviferer förekommer från ytan nära till djupare än 9 000 meter (30 000 fot). De som är närmare ytan är inte bara mer benägna att användas för vattenförsörjning och bevattning, utan är också mer benägna att fyllas på av lokal nederbörd. Även om akviferer ibland karakteriseras som "underjordiska floder eller sjöar", är de faktiskt porösa stenar mättade med vatten.
Många ökenområden har kalkstenskullar eller berg inom sig eller nära dem som kan utnyttjas som grundvattenresurser. En del av Atlasbergen i Nordafrika, Libanon och Anti-Libanon sträcker sig mellan Syrien och Libanon, Jebel Akhdar i Oman, delar av Sierra Nevada och närliggande områden i USA:s sydväst , har grunda akviferer som utnyttjas för sina vatten. Överexploatering kan leda till att den praktiska hållbara avkastningen överskrids; dvs mer vatten tas ut än vad som kan fyllas på.
Längs kustlinjerna i vissa länder, såsom Libyen och Israel, har ökad vattenanvändning i samband med befolkningstillväxt orsakat en sänkning av grundvattnet och den efterföljande föroreningen av grundvattnet med saltvatten från havet.
Under 2013 upptäcktes stora sötvattenakviferer under kontinentalsockeln utanför Australien, Kina, Nordamerika och Sydafrika. De innehåller uppskattningsvis en halv miljon kubikkilometer "låg salthalt" vatten som ekonomiskt skulle kunna bearbetas till dricksvatten . Reserverna bildades när havsnivåerna var lägre och regnvatten tog sig ner i marken i landområden som inte var under vatten förrän istiden slutade för 20 000 år sedan. Volymen uppskattas vara 100 gånger den mängd vatten som utvunnits från andra akviferer sedan 1900.
Ladda om
Klassificering
En aquitard är en zon inom jorden som begränsar flödet av grundvatten från en akvifer till en annan. En aquitard kan ibland, om den är helt ogenomtränglig, kallas en aquiclude eller aquifuge . Aquitards är sammansatta av lager av antingen lera eller icke-porös sten med låg hydraulisk konduktivitet .
Mättad kontra omättad
Grundvatten kan hittas på nästan varje punkt i jordens grunda underyta till viss del, även om akviferer inte nödvändigtvis innehåller sötvatten . Jordskorpan kan delas in i två regioner: den mättade zonen eller den freatiska zonen (t.ex. akviferer, aquitards, etc.), där alla tillgängliga utrymmen är fyllda med vatten, och den omättade zonen (även kallad vadoszonen ), där det finns är fortfarande luftfickor som innehåller lite vatten, men som kan fyllas med mer vatten.
Mättad betyder att vattnets tryckhöjd är större än atmosfärstrycket (det har ett övertryck > 0). Definitionen av vattenytan är den yta där tryckhöjden är lika med atmosfärstrycket (där övertryck = 0).
Omättade förhållanden uppstår ovanför grundvattenytan där tryckhöjden är negativ (absolut tryck kan aldrig vara negativt, men övertryck kan) och vattnet som ofullständigt fyller porerna i akvifermaterialet är under sug . Vattenhalten i den omättade zonen hålls på plats av ytvidhäftningskrafter och den stiger över vattenytan (nolltrycksisobaren) genom kapillärverkan för att mätta en liten zon ovanför den freatiska ytan ( kapillärkanten ) minst än atmosfärstrycket. Detta kallas spänningsmättnad och är inte detsamma som mättnad på vattenhaltsbasis. Vattenhalten i en kapillärfrans minskar med ökande avstånd från den freatiska ytan. Kapillärhuvudet beror på jordens porstorlek. I sandjordar med större porer blir huvudet mindre än i lerjordar med mycket små porer. Den normala kapillärhöjningen i en lerig jord är mindre än 1,8 m (6 fot) men kan variera mellan 0,3 och 10 m (1 och 33 fot).
Den kapillära ökningen av vatten i ett rör med liten diameter involverar samma fysiska process. Vattenytan är den nivå till vilken vattnet kommer att stiga i ett rör med stor diameter (t.ex. en brunn) som går ner i akvifären och är öppen mot atmosfären.
Akviferer kontra aquitards
Akviferer är typiskt mättade områden i underytan som producerar en ekonomiskt genomförbar mängd vatten till en brunn eller källa (t.ex. sand och grus eller sprucken berggrund utgör ofta bra akvifermaterial).
En aquitard är en zon inom jorden som begränsar flödet av grundvatten från en akvifer till en annan. En helt ogenomtränglig aquitard kallas en aquiclude eller aquifuge . Aquitards innehåller lager av antingen lera eller icke-porös sten med låg hydraulisk konduktivitet .
I bergiga områden (eller nära floder i bergiga områden), är de huvudsakliga akvifererna typiskt okonsoliderat alluvium , sammansatt av mestadels horisontella lager av material som avsatts av vattenprocesser (floder och strömmar), som i tvärsnitt (som tittar på en tvådimensionell skiva) av akvifären) verkar vara lager av omväxlande grova och fina material. Grova material, på grund av den höga energi som krävs för att flytta dem, tenderar att hittas närmare källan (bergsfronter eller floder), medan det finkorniga materialet kommer att göra det längre från källan (till de plattare delarna av bassängen eller strandkanten). områden—kallas ibland tryckområdet). Eftersom det finns mindre finkorniga avlagringar nära källan, är detta en plats där akviferer ofta är obegränsade (kallas ibland förviksområdet), eller i hydraulisk kommunikation med landytan.
Instängd kontra obegränsad
Det finns två ändelement i spektrumet av typer av akviferer; instängd och obegränsad (med semi-confined vara emellan). Oavgränsade akviferer kallas ibland också för vattenytan eller freatiska akviferer, eftersom deras övre gräns är vattenytan eller den freatiska ytan. (Se Biscayne Aquifer .) Vanligtvis (men inte alltid) är den grundaste akvifären på en given plats obegränsad, vilket betyder att den inte har ett begränsande lager (en aquitard eller aquiclude) mellan sig och ytan. Termen "uppflugen" hänvisar till grundvatten som ackumuleras ovanför en enhet eller skikt med låg permeabilitet, såsom ett lerskikt. Denna term används vanligtvis för att hänvisa till ett litet lokalt område med grundvatten som förekommer på en höjd högre än en regionalt omfattande akvifer. Skillnaden mellan uppflugna och obegränsade akvifärer är deras storlek (uppflugen är mindre). Instängda akviferer är akviferer som är överlagrade av ett begränsande lager, ofta uppbyggt av lera. Det avgränsande lagret kan erbjuda ett visst skydd mot ytföroreningar.
Om distinktionen mellan instängd och obegränsad inte är tydlig geologiskt (dvs. om det inte är känt om det finns ett tydligt begränsande skikt, eller om geologin är mer komplex, t.ex. en sprucken berggrundsakvifer), returneras värdet av storativitet från en akvifer test kan användas för att bestämma det (även om akvifertester i oavslutade akvifärer bör tolkas annorlunda än instängda). Instängda akviferer har mycket låga lagringsvärden (mycket mindre än 0,01 och så lite som 10 −5 ), vilket betyder att akvifären lagrar vatten med hjälp av mekanismerna för akvifermatrisexpansion och vattenkompressibiliteten, som vanligtvis båda är ganska små kvantiteter . Unconfined akviferer har storativitet (typiskt kallad specifik avkastning ) större än 0,01 (1% av bulkvolymen); de släpper ut vatten från lagring genom mekanismen att faktiskt dränera akvifärens porer, släpper ut relativt stora mängder vatten (upp till den dränerbara porositeten hos akvifärmaterialet eller den lägsta volymetriska vattenhalten ).
Isotrop kontra anisotrop
I isotropa akviferer eller akviferlager är den hydrauliska konduktiviteten (K) lika för flöde i alla riktningar, medan den under anisotropa förhållanden skiljer sig åt, särskilt i horisontell (Kh) och vertikal (Kv) mening.
Halvslutna akviferer med en eller flera aquitarder fungerar som ett anisotropt system, även när de separata skikten är isotropa, eftersom de sammansatta Kh- och Kv-värdena är olika (se hydraulisk transmissivitet och hydrauliskt motstånd ).
Vid beräkning av flöde till avlopp eller flöde till brunnar i en akvifer, ska anisotropin beaktas så att den resulterande designen av dräneringssystemet inte kan vara felaktig.
Porös, karst eller sprucken
För att hantera en akvifer på rätt sätt måste dess egenskaper förstås. Många fastigheter måste vara kända för att förutsäga hur en akvifer kommer att reagera på nederbörd, torka, pumpning och förorening . Var och hur mycket vatten kommer in i grundvattnet från regn och snösmältning? Hur snabbt och i vilken riktning vandrar grundvattnet? Hur mycket vatten lämnar marken som källor? Hur mycket vatten kan hållbart pumpas ut? Hur snabbt kommer en föroreningsincident att nå en brunn eller källa? Datormodeller kan användas för att testa hur exakt förståelsen av akvifärens egenskaper matchar den faktiska akvifärens prestanda. Miljöbestämmelser kräver att platser med potentiella föroreningskällor ska visa att hydrologin har karakteriserats .
Porös
Porösa akviferer förekommer vanligtvis i sand och sandsten . Porösa akviferegenskaper beror på den sedimentära avsättningsmiljön och senare naturlig cementering av sandkornen. Miljön där en sandkropp avsattes styr sandkornens orientering, de horisontella och vertikala variationerna och fördelningen av skifferskikten. Även tunna skifferlager är viktiga hinder för grundvattenflödet. Alla dessa faktorer påverkar porositeten och permeabiliteten hos sandiga akviferer.
Sandavlagringar som bildas i grunda marina miljöer och i vindblåsta sanddyner har måttlig till hög permeabilitet medan sandiga avlagringar som bildas i flodmiljöer har låg till måttlig permeabilitet. Nederbörd och snösmältning kommer in i grundvattnet där akvifären är nära ytan. Grundvattenflödesriktningar kan bestämmas från potentiometriska ytkartor över vattennivåer i brunnar och källor. Akvifertester och brunnstester kan användas med Darcys lagflödesekvationer för att bestämma förmågan hos en porös akvifär att transportera vatten.
Att analysera denna typ av information över ett område ger en indikation på hur mycket vatten som kan pumpas utan övertrassering och hur föroreningar kommer att färdas. I porösa akvifärer rinner grundvatten som långsamt läckage i porer mellan sandkorn. En grundvattenflödeshastighet på 1 fot per dag (0,3 m/d) anses vara en hög hastighet för porösa akviferer, vilket illustreras av vattnet som långsamt sipprar från sandsten i den medföljande bilden till vänster.
Porositet är viktigt, men ensamt bestämmer det inte en bergarts förmåga att fungera som en akvifer. Områden med Deccan Traps (en basaltisk lava) i västra centrala Indien är bra exempel på stenformationer med hög porositet men låg permeabilitet, vilket gör dem till dåliga akviferer. På liknande sätt har den mikroporösa (Övre krita ) kritgruppen i sydöstra England, även om den har en rimligt hög porositet, en låg korn-till-korn-permeabilitet, med sina goda vattenavkastande egenskaper främst på grund av mikrosprickbildning och sprickbildning.
Karst
Karst akviferer utvecklas vanligtvis i kalksten . Ytvatten som innehåller naturlig kolsyra rör sig ner i små sprickor i kalksten. Denna kolsyra löser gradvis upp kalksten och förstorar därigenom sprickorna. De förstorade sprickorna tillåter en större mängd vatten att komma in, vilket leder till en progressiv förstoring av öppningar. Rikliga små öppningar lagrar en stor mängd vatten. De större öppningarna skapar ett ledningssystem som dränerar akvifären till fjädrar.
Karakterisering av karst-akviferer kräver fältutforskning för att lokalisera sänkhål, swallets , sjunkande strömmar och källor förutom att studera geologiska kartor . Konventionella hydrogeologiska metoder såsom akvifertester och potentiometrisk kartläggning är otillräckliga för att karakterisera komplexiteten hos karst akviferer. Dessa konventionella undersökningsmetoder behöver kompletteras med färgspår , mätning av vårutsläpp och analys av vattenkemi. US Geological Survey färgspårning har fastställt att konventionella grundvattenmodeller som antar en enhetlig fördelning av porositet inte är tillämpliga för karst akviferer.
Linjär inriktning av ytegenskaper som raka strömsegment och sänkhål utvecklas längs sprickor . Att lokalisera en brunn i ett sprickspår eller korsning av sprickspår ökar sannolikheten för att stöta på god vattenproduktion. Tomrum i karst akviferer kan vara tillräckligt stora för att orsaka destruktiv kollaps eller sättning av markytan som kan skapa ett katastrofalt utsläpp av föroreningar. Grundvattenflödet i karst akviferer är mycket snabbare än i porösa akviferer som visas i medföljande bild till vänster. Till exempel, i Barton Springs Edwards akvifer, mätte färgspår karstgrundvattenflödet från 0,5 till 7 miles per dag (0,8 till 11,3 km/d). De snabba grundvattenflödena gör karst-akviferer mycket känsligare för grundvattenföroreningar än porösa akviferer.
I extremfallet kan grundvatten finnas i underjordiska floder (t.ex. grottor som ligger under karsttopografin .
Brutna
Om en bergenhet med låg porositet är mycket sprucken kan den också göra en bra akvifer (via sprickflöde ), förutsatt att berget har en hydraulisk ledningsförmåga som är tillräcklig för att underlätta förflyttning av vatten.
Gränsöverskridande akvifer
gäller termen gränsöverskridande akvifär .
Gränsöverskridande är ett begrepp, ett mått och ett tillvägagångssätt som introducerades först 2017. Relevansen av detta tillvägagångssätt är att de fysiska egenskaperna hos akvifärerna blir bara ytterligare variabler bland det breda spektrumet av överväganden om en akvifärs gränsöverskridande natur:
- social (befolkning);
- ekonomisk (grundvattenproduktivitet);
- politisk (som gränsöverskridande);
- tillgänglig forskning eller data;
- vattenkvalitet och kvantitet;
- andra frågor som styr agendan (säkerhet, handel, invandring och så vidare).
Diskussionen ändras från den traditionella frågan om "är akvifären gränsöverskridande?" till "hur gränsöverskridande är akvifären?".
De socioekonomiska och politiska sammanhangen överväldigar effektivt akvifärens fysiska egenskaper och lägger till dess motsvarande geostrategiska värde (dess gränsöverskridande)
Kriterierna som föreslås av detta tillvägagångssätt försöker kapsla in och mäta alla potentiella variabler som spelar en roll för att definiera en akvifärs gränsöverskridande karaktär och dess flerdimensionella gränser.
Människans användning av grundvatten
Utmaningar för att använda grundvatten inkluderar: överdragning (utvinning av grundvatten utanför jämviktsutbytet av akvifären), grundvattenrelaterad sättning av mark, grundvatten som blir salt, grundvattenförorening .
Efter land eller kontinent
Afrika
Utarmning av akvifärer är ett problem i vissa områden, särskilt i norra Afrika , där ett exempel är projektet Great Manmade River i Libyen . Nya metoder för hantering av grundvatten såsom konstgjord påfyllning och injektion av ytvatten under säsongsbetonade våta perioder har dock förlängt livslängden för många sötvattenakviferer, särskilt i USA.
Australien
Great Artesian Basin i Australien är utan tvekan den största grundvattenakvifären i världen (över 1,7 miljoner km 2 eller 0,66 miljoner kvadratkilometer). Det spelar en stor roll i vattenförsörjningen för Queensland och vissa avlägsna delar av södra Australien.
Kanada
Diskontinuerliga sandkroppar vid basen av McMurray-formationen i Athabasca Oil Sands -regionen i nordöstra Alberta , Kanada, kallas vanligen för basalvattensand (BWS) akviferer . Mättade med vatten är de inneslutna under ogenomtränglig bitumen -mättad sand som utnyttjas för att återvinna bitumen för syntetisk råoljeproduktion. Där de är djupt liggande och återuppladdning sker från underliggande devonformationer är de salthaltiga, och där de är grunda och laddas upp av ytvatten är de icke-salta . BWS utgör vanligtvis problem för återvinning av bitumen, antingen genom dagbrottsbrytning eller genom in situ -metoder såsom ångassisterad gravitationsdränering (SAGD), och i vissa områden är de mål för avloppsvatteninjektion.
Sydamerika
Guarani -akvifären , som ligger under ytan av Argentina , Brasilien , Paraguay och Uruguay , är ett av världens största akvifersystem och är en viktig sötvattenkälla . Uppkallad efter Guaranifolket täcker den 1 200 000 km 2 (460 000 sq mi), med en volym på cirka 40 000 km 3 (9 600 cu mi), en tjocklek på mellan 50 och 800 m (160 och 2 620 fot) och ett maximalt djup cirka 1 800 m (5 900 fot).
Förenta staterna
Ogallala akvifären i centrala USA är en av världens stora akvifärer, men på sina ställen utarmas den snabbt av växande kommunal användning och fortsatt jordbruksbruk. Denna enorma akvifer, som ligger bakom delar av åtta stater, innehåller främst fossilt vatten från tiden för den senaste istiden . Den årliga påfyllningen, i de torrare delarna av akvifären, beräknas uppgå till endast cirka 10 procent av de årliga uttagen. Enligt en rapport från 2013 från United States Geological Survey (USGS) är utarmningen mellan 2001 och 2008, inklusive, cirka 32 procent av den kumulativa utarmningen under hela 1900-talet."
I USA är de största användarna av vatten från akviferer jordbruksbevattning och utvinning av olja och kol. "Kumulerad total utarmning av grundvatten i USA accelererade i slutet av 1940-talet och fortsatte i en nästan jämn linjär takt fram till slutet av århundradet. Förutom allmänt erkända miljökonsekvenser påverkar utarmningen av grundvatten också den långsiktiga hållbarheten för grundvattenförsörjningen negativt. för att hjälpa till att möta nationens vattenbehov."
Ett exempel på en betydande och hållbar karbonatakvifer är Edwards Aquifer i centrala Texas . Denna karbonatakvifer har historiskt sett tillhandahållit högkvalitativt vatten till nästan 2 miljoner människor, och är än idag full på grund av enorm uppladdning från ett antal bäckar, floder och sjöar i området . Den primära risken för denna resurs är mänsklig utveckling över laddningsområdena.
Se även
- Lagring och återvinning av akvifer – Injektion av vatten i en akvifer för senare användning
- Artesisk akvifer – Instängd akvifer som innehåller grundvatten under positivt tryck
- Avrinningshydrologi – Hydrologi av dräneringsbassänger
- Hydraulisk tomografi – Användning av flera hydrauliska tester för att karakterisera en akvifer
- Överexploatering – Att utarma en förnybar resurs
- Säsongsbunden värmeenergilagring – Lagring av värme eller kyla under perioder på upp till flera månader
- Vår (hydrologi) – Punkt där vatten kommer ut från en akvifär till ytan
- Ytlig akvifär – Grunt, tunn akvifär
externa länkar
- IGRAC International Groundwater Resources Assessment Center
- The Groundwater Project - Onlineplattform för grundvattenkunskap
| Kanada | |
|---|---|
| Förenta staterna |
|
| Mexiko | |
| Sydamerika | |
| Australien | |
| Afrika | |
| Mellanöstern | |
| Europa | |
| Relaterade artiklar | |
| Luft |
|
||||
|---|---|---|---|---|---|
| Energi | |||||
| Landa | |||||
| Liv | |||||
| Vatten |
|
||||
| Relaterad |
|
||||
| Nationalbibliotek | |
|---|---|
| Övrig | |
