地下水資源的開發與使用
地下水是地球陸地上最主要的淡水來源，人類如何有智慧的，管理使用地下水，是維繫人類生活繼續維持高水準的重要一環。但是如何有智慧的管理使用地下水呢？是開發更多的水井嗎？是往下的尋找更多的地下含水層嗎？還是建造出更強有力的馬達，去抽更多的地下水？都不是！二十世紀初期最有貢獻的地下水學家引區默（Philipp
Forchheimer）認為：「要正確的使用地下水，是回到數學。」
正確使用地下水資源的第一步是什麼？
引區默是一個數學家，他在把高等數學裡的「微分方程」（partial
differential
equation）應用到地下水學，並且把一個地區地下水當成是一個整體，而不祗是考慮到一個水井週圍的地下水變化。他開始提出地下水資源管理的一些重要參數，如「地下水補助量」、「地下水蘊藏量」、「地下水安全出水量」，明眼人應該一下子就看出這些地下水的專有名詞，都是數學轉化過來的。地下水補助量是進入地下水的水量。地下水蘊藏量是進出的水量相減以後，所剩下來的。使用地下水不應該超過進入的量，就稱為安全出水量
。
在二十世紀的初期，熱的傳導理論已經非常的完備了，引區默就把解熱傳導的數學帶來解地地下水的問題。這一下子，地下水的課本上充滿了數學的符號，水是積分，又是微分，又是初始條件解，又是邊界條件解，又是拉普拉斯轉換（Laplace’s
transfermation）。到了1950年代，有了電腦的協助計算，另一種數學一數值分析（Numerical
Analysis）也跳上地下水演算的舞台，更多的數學，更複雜的推導，把區域內地下水資源在不同時間與空間上的變化，像平劇上生的二枝花槍耍的團團轉，彷彿精彩萬分。
這個奧地利維也納大學的數學家弗區默，絕對沒有想到，在他於1933年以後，仍然不斷有人重覆他的步伐，在電腦、計算機、數學公式尋找流在地面下淺則數公分，深則幾百公尺的地下水的流動變化。但是從事數學演算的人，可能已不覆記得弗區默的基本論點：「這個大自然是有次序，有法則的，以致用微分方程可以近似解出，地下水中一個變數在時間與空間上的變化。」這種用數學去近似解決問題的途徑，就稱為「模式」。
使用地下水資源需要的第二步驟
當一大把的地下水研究者隨著弗區默進入數學模式的領域。美國的地下水學者曼澤（O.E.
Meinzer）提出另外的一種觀念「將地下水供給用水」的實際需要調查出來，他發現地下水科學家長期在數學模式中，如果缺乏區域性的地下水參數實測資料，就不能確實的描述地下水的變化。曼澤是「美國地質調查所」（U.S.
Geological
Survey）的主管，他的底下兵多將廣，有地質學家，有水文學家，有水利學家。他組織一個地下水調查隊，自1910～1950年，有系統的調查美國地下水的水量、流向、含水層的厚度、深度走向、透水係數，並且將這實地調查的結果，用來評估地下水的使用。曼澤實測的結果與弗區默的數學理論，使人類對於地下水資源的認識與使用，是有互補的正面影響。
地下水資源使用三個考慮
1950年，地下水資源應用進入新的里程碑。地下水質成為地下水使用的重要考慮。最早被提出來的水質因子是碳酸鹽（carbonate），碳酸鹽是地下水中的主要陰離子，其主要的來源是地下含水層中碳酸鈣（CaCO3）或是碳酸鎂（MgCO3）的礦物溶解所產生，另外地下水、土壤中微生物的呼吸作用，釋放出二氧化碳氣體，二氧化碳溶在水中後也會增加水中的碳酸鹽濃度。
碳酸鹽過高的水中，容易造成水管輸送時的碳酸鈣沈澱，產生積銗（scaling）。由於碳酸鈣的積銗與是管路的材質不同，容易造成管內加熱輸送的水流阻力，與加熱不均產生的管子破裂，嚴重時還會造成加熱鍋爐的爆炸。因此將地下水用於民生或是工業用水時，不應該使用碳酸過高的地下水。
碳酸鹽過高的地下水，用於農業灌溉時也會造成負面的影響。碳酸會使土壤中的鈣、鎂產生沈澱，阻塞土壤的孔隙，使的水流無法往下移動，造成地面水無法補助，又在土壤表面造成積水，使的作物的根無法自空氣中獲得氧氣，以進行呼吸作用，這種作物的根容易腐爛，作物會倒伏死亡。另外，土壤中的鈣、鎂是顆粒之間維持穩定的化學物質，鈣、鎂與碳酸形成沈澱後，這種穩定顆粒的特性就會消失，也會產生土壤孔隙減少，土壤表面容易龜裂的現象，這對於作物的生長有不利的影響。
為了區分地下水水質是否有碳酸鹽過高的問題，拍普（A.M.
Piper）在1944年最早提出以碳酸鹽在地下水中陰子濃度的百分比去判斷之。現在看拍普的判斷法是很簡單，但是可貴的是他認為地下水的使用，不要以為水量夠了就可以，更要考慮地下水的品質，否則使用愈多品質不好的地下水，所造成的問題也愈大。這時對於自然品質的注重，也慢慢的覺醒，這對地下水的使用與管理又邁向一個新的里程碑。
資料來源：
1. Domenics, P.A., and F.W.
Schwarty. 1990. Physical and
Chemical Hydrogeslogy. John
Wiley & Sons, Inc. USA.
2. Meinzer, O.E. 1942.
Hydrology. McGraw Hill. USA.
3. Piper, A.M. 1944. A graphic
procedure in the geochemical
interpretation of water
analysis. Trans. Amer. Geophys.
Union. Vol. 25. p.914-923. |
