2021年11月04日 11:00
【科學快訊】
當你口渴難耐，來到了一眼泉水邊，或者一口水井旁，咕咚咕咚地開懷暢飲時，你是否想過，這沁人心脾的水，來自哪個朝代？
也許是杜甫筆下 「隨風潛入夜，潤物細無聲」 的那場春雨，也許是蘇東坡「竹杖芒鞋輕勝馬」淋過的那場疾雨，也可能是撐著油紙傘的丁香姑娘漫步在雨巷淋過的那場冷雨。你喝下的這一口泉水，也許經曆了多姿多彩的故事。而這一切，要從地表水的下滲開始講起。
（圖片來源：圖蟲創意）
當一場雨來臨，雨水降在大地上，大約有60%-80%會被植物吸收、在日照下蒸發、在地表面流走。剩下的部分，則會滲入地下，往土壤深處開啟一場探險之旅。而在地表的水開始向地下滲透的那一刻，就是地下水的誕生的日子。它，零歲了。
（圖片來源：圖蟲創意）
我們所知的土壤，是一種充滿孔隙的物質。在孔隙中，填充著水和空氣。如果孔隙全部被水充滿，那麼我們則稱這種土壤是飽和的，如果孔隙中仍留存有空氣，則稱其為非飽和的。不同土壤層的含水性也不一樣，有的土壤孔隙多，含有大量的水，水在其中也很容易運動，這樣的一層土，我們就稱之為「含水層」，而有的土壤孔隙又小又少，水的含量不多，進入的水也很難「逃脫」，我們就稱這樣的一層土為「隔水層」。
而地下水，就是存儲在地下岩石和土壤中的水。一般來講，從地面向下，土壤中的水依次增加。淺層的水，孔隙並沒有被水充滿，我們稱之為「土壤水」；當到達地下水水面，土壤的孔隙開始被水充滿，就成為「潛水」；更深處，夾在兩個隔水層間的水，因為兩側隔水層的限制而充滿壓力，被稱為「承壓水」。
圖3：地下含水層示意圖<1>
泉水和井水等我們開采利用的地下水，一般來自於飽和帶，而水在土壤中一點點運動，到達我們的水井和泉水的旅途，往往是一個漫長的過程。想要知道我們喝下的水，來自什麼年代，就需要知道地下水的年齡。
測算地下水年齡的方法，被稱為地下水定年。在地下水定年中，最常用的是同位素技術。它根據放射性元素衰變速度恒定的特性，選擇地下水中特定的放射性元素，分別測量衰變前與衰變後的放射性元素含量，來計算地下水的年齡。對於「年輕」的水，就選擇半衰期短的元素，如3H（半衰期12.32年）；對於「年老」的水，就選擇半衰期長的元素，如14C（半衰期5730年）。不同元素的測年範圍，一般是其半衰期的8倍。
圖4：不同放射性元素測年範圍<2>
知道了不同深度的地下水的年齡，就可以研究地下水入滲的過程。不同於地面的浩浩蕩蕩、洶湧澎湃，水向地下的運動往往是慢條斯理，不急不徐。研究其運動，需要有一個「標記物」，通過標記物的位置的變化，來得到水運動的過程。在上個世紀60-70年代，美蘇等主要國家進行了大量核試驗，核爆炸釋放了大量的氚（3H），給那個時代的水打下了鮮明的標記。
注：TU是氚含量的最小濃度單位，1TU代表在 1018 個H原子中含有一個 3H 原子。
通過測量不同深度地下水的氚含量，繪成圖像，氚含量突然很高的水，就可以認為是那個時代的水。而用其深度除以時間，就能夠得到其入滲的大致速度。
圖6：內蒙古烏丹縣地下水氚濃度剖面圖<4>
上面的圖像，是學者們測量的內蒙古烏丹縣地下水氚含量剖面圖。從圖像中可以看到，烏丹縣1988年的地下水氚濃度峰值位於大約650cm處，1997年時氚峰位於大約1050cm處，假設1963年這一深度的地下水從地面0 cm處開始下滲，可以計算出它們每年大約可以下滲26~31厘米，平均每天向地下走不到1毫米。這一速度，是不是比大家想象的要慢的多？
不同的地區，根據氣候條件、地質條件等不同，地下水的入滲速度也各有區別。但從上述計算可以得知，地下水的運動速度是很慢的。我們開采的地下水，往往來自於數十米的地下，喝下的每一口清澈甘甜的泉水，都可能來自於千百年前，古人所見證的一場雨。它穿越時光，經曆了地下漫長的黑暗，只為給我們送來一口清甜。在沁潤了我們心脾的那一刻，它也走完了它精彩的一生。
（圖片來源：圖蟲創意）
如今，水資源短缺和環境汙染問題日益突出。人類的每一點活動，都有可能對地下水造成影響，被記錄在地下水中，就如同數十年前的一場場核爆。「問渠哪得清如許？為有源頭活水來。」古人愛護自然，今天的我們才得以喝上甘甜的泉水。而如今的我們，也該行動起來，留給後人一片綠水青山。
參考文獻：
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來源：中科院地質地球所
