地下水环境 第5章 地下水开采对环境的影响.doc

第五章 地下水开采对环境的影响
§1 地下水利用与环境
地下水是埋藏在地面以下的岩石和土壤孔隙中的重力水。常见的井水、泉水、包括岩溶发育地区的地下河等等，都是地下水
1.1 地下水是重要的水资源
· 地下水与地表水一样是人类社会得以生存和发展必不可少的水资源。
· 地下水作为一种资源，主要是从供水的角度来说的。地下水可以长期不间断地供应一定数量的水，以满足人类的需求。
例如： 美国有47％的饮用水依靠地下水提供；英国有30％的饮用水来自地下水；我国：生活用水方面，有33.7%的大中城市主要以地下水作为供水水源，灌溉方面，北方纯井灌区占灌溉总面积约20%，海河流域在水资源开采zylh 中一般都是地下水。

1.2 地下水资源与环境密切相关
地下水资源与环境密切相关，可以从以下几个方面看出：
· 地下水本身就是环境的一个重要组成部分：地下水资源的形成不仅与地质环境所提供的储存条件有关，而且与地表水体、大气降水的入渗补给的自然地理环境有关。因此，地表径流状况、大气降水量及其入渗条件的任何改变都将直接影响地下水资源的形成（包括数量和质量）。
· 地下水资源的形成与环境条件有着密切的联系。大气条件、地表水文径流影响地下水的补给、消耗和径流。
· 同时，地下水资源本身状态的改变又反过来对环境产生重大的影响。例如: 大量开采地下水会导致地下水位大幅下降，极大的改变天然的径流状态，相邻含水层之间的水力联系性质发生改变
· 此外,地下资源的开采，还会改变其上部：土壤的水盐均衡(表土盐量下行)；土壤生态系统平衡（河流流量减少，泉群消失，湖泊干涸，土壤破坏）；土层应力状态（地面沉降）；地面植被状态。
· 正是由于地下水对人类的重要性，和它与环境的复杂联系，在开发地下水资源的时候，必须充分考虑地下水与环境之间的相互制约关系，以达到兴利除弊、获得最佳的经济、社会和环境效益。
§2 地下水不合理开采引起的环境问题
2.1 由于地下水水量均衡被破坏而引起的区域地下水位持续下降及其严重后果
1、区域地下水位持续下降，水资源枯竭
原因：超采，补给不足，消耗储量——持续下降，资源枯竭
统计资料：（见图版）
北方各省平原区单位面积地下水蓄变量排序图：只有青海、辽宁、山东、宁夏的蓄变量是正的，其余均为负。
举例：河北漏斗；山西太原漏斗，山东沿海地区，江西南昌，湖北孝感，海南省等
概括：地下水资源是有限的，合理开采，即采补量相当，才可保证持续不断的取出一定的水量，使地下水位在平均水平上下波动。相反，若长期无限制超采，补不足，耗储存，——导致地下水位持续下降而无法回升

2、生态环境的破坏
（1）水位下降—水循环改变—河流流量减少
· 其一，表层非饱和层加厚，降雨入渗补给土壤水增加，地表径流、地表水源减少。
· 其二，水位下降袭夺天然条件下河流的水量，将对河流的航运旅游和下游用水户产生不利影响。
举例：英格兰，北京市
（2）水位下降—泉群消失和湖泊沼泽干涸
· 天然泉水实际上是地下水的出口，泉水流出在低洼地带，形成湖泊。
· 由于地下水大幅下降，打破了各类水资源的天然依存关系，便出现了泉水消失、湖泊干涸的严重后果。
举例：北京市，泉城济南，太原市晋祠泉群
（3）水位下降—生态系统恶化—土壤资源破坏
· 水是生命之源，水土同时又是植物及其它生物的生存依托。
· 干旱地区，降雨稀少，土壤水分主要依靠地下水向上补给，地下水位的下降直接造成土壤水分的减少，地表植被枯亡、草丛衰退，进而土地沙化，土壤资源破坏。
· 举例;
（4）水位下降—影响局部气候
· 区域地下水位的下降，土壤湿度降低，地表水体萎缩，地区呈现干旱化的趋势。
· 据天津统计资料，近40年来，本区降水量持续减少，空气湿度呈现持续下降的特点，气温在波动中缓慢上升。
2.2 由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化
地下水水质恶化指地下水在开采过程中，因水动力、水化学条件的改变，而使地下水中的某些化学、微生物成分含量不断增加，以致超出灌溉使用标准的水质变坏过程。
· 地下水水质恶化是全球性日趋严重的环境污染问题的组成部分 。；
· 2006年调查显示，全国2/3的城市地下水水质已经下降，1/2城市市区的地下水严重污染，数以千计的供水井报废
· 我国地下水污染特点已现出由点向面演化、由东部向西部扩展、由城市向农村蔓延、由局部向区域扩散的趋势；污染物组分由无机向有机发展，危害程度日趋严重；地下水污染面积不断扩大，污染程度不断加重
· 水质恶化的主要原因 ——地下水动力条件和化学条件的变化
1、水动力条件改变导致水质恶化
· 处于多孔介质中不同点的流体之间具有能量差，在能量梯度的驱使下，流体由高(能量)向低(能量)运动，这种能量差就是流体运动的水动力条件
· 地下水含水层被污水体入侵的条件：二者之间存在某种直接或间接的水力联系；在地下水开采过程中，形成了污水体向含水层运动的水动力条件。
· 水动力污染常见的两种形式：海水入侵；傍河取水。
（1） 海水入侵——滨海含水层在海岸线处与海水接触，当抽水量超过补给量时，淡水水位下降，海水进入含水层，并逐步向内陆推进，直至达到新的平衡。
u 滨海含水层的咸淡水界面 天然条件下，地下水位高于海平面，水力梯度朝向海洋，淡水向海洋排泄，咸淡水之间保持一平衡的界面；见图
天然条件下，对静止的海水，设水流稳定，在海平面以下、深度为hs的咸淡水界面上，有平衡关系：gshs=gf(hs+hf)， 即 hs=[gf /(gs- gf)]hf =[1/(1.025- 1)]hf =40hf
开采条件下，当开采量大于天然补给量，地下水位降低，破坏原稳定界面，界面向陆地推移——海水入侵含水层。  根据关系 hs = 40 hf ，有：若沿海潜水含水层水位普遍下降1m，则咸淡水界面将相应上升40m 。
升锥界面：实际开采条件下，由于抽水作用使原天然界面向抽水井底部方向升高，该现象称为界面升锥，所形成的向抽水井底部锥形凸起的界面称为升锥界面。
对于静止海水，抽水量大小不同，形成不同的稳定界面，图f；当抽水量不断增大，超过临界流量时，界面和咸水会到达抽水井。
升锥界面的确切形状和临界抽水量受多种因素影响（地下水补给量，K, 界面以上淡水流速，井深，井距海岸距离，含水层厚度等）
海水入侵的控措施：
· 减少地下水开采，控制含水层水位下降，确保开采量小于含水层的补给量
· 已入侵的地区，采用人工回灌，增大地下水补给量；
· 利用水利工程拦蓄降雨和地表径流；
· 平行海岸线设一排回灌井，形成一条测压水位高于海平面的压力脊，保持淡水向海洋排泄，阻止海水入侵；
· 或平行海岸线设置抽水排井，形成一条水位低槽，类似排水沟，防止海水入侵。

（2） 傍河取水水质恶化
· 傍河取水是开采河岸附近潜水含水层中的水，该含水层的补给来源部分来自河流的侧渗
· 若地表河流遭污染，必然侧渗污染含水层，导致地下水质恶化。开采量增大，河流污染加重，地下水质恶化更趋严重。
· 在我国，以沈阳市浑河沿岸的诸水源地，鞍山太子河岸边的首山河源地，兰州和西安的大型傍河水源地的水质恶化问题最为严重。
· 措施——净化河水。
2、水化学条件改变导致水质恶化
· 指地下水在开采过程中，出现矿化度、硬度及铁镁离子含量增高及PH值降低等水质恶化现象
· 产生原因：含水层疏干——大气进入——变成强氧化环境——增强含水层中硫、铁、锰以及氮的化合物的氧化作用——促进环境的酸化，使原来在还原条件下几乎不溶于水的化合物（如土中常存在的钙、镁、铁、锰化合物） 变得较易溶解——地下水中钙、镁、铁、锰离子含量增加，矿化度、硬度随之提高。
· 硬度的提高已成为北方地下水水质恶化的一个主要问题。
· 水化学条件改变也有积极作用，含水层水文地球化学条件的改变有时也带来一些积极的作用，例如在一些地下水流动缓慢而使地下水天然水质不良的地区因强烈抽取地下水造成的地下水位大幅下降可促使地下水交替循环条件得到改善，淋溶作用加强，从而使地下水中超标的溶质浓度降低。如吉林省中东部的含高铁孔隙潜水和西部的高氟潜水，多年用抽水强度较大的水井供水，水中的含铁和含氟量一般都明显低于使用年限短开采强度小的井水。

3、水井工程结构或施工质量问题引起地下水水质恶化
· 因水井结构不合理,施工质量低劣,或井管损坏而使相邻劣质含水层中的水体或地表劣质水体沿井管、井壁间隙或井管破损处进入开采层，导致开采层水质恶化
2.3 由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生
· 起因：地下水是维持土体平衡的一个重要因素。大量开采地下水，水体从含水层孔隙中排出或使地下水压力降低，改变了土体原来的应力状态和平衡条件，致使土体结构和稳定性遭到破坏，产生各种环境地质灾害
· 由于这种原因引起的地质灾害主要有：地面沉降；岩溶地面塌陷；地裂缝。
1、地面沉降
· 原因：土壤饱和时，水压力＋骨架支承力——上覆荷载压力相平衡
· 当过量开采承压水时，水压减小，骨架压密，破坏原有水力平衡，产生地面沉降；
· 尤其对粘性土，水压力减小使土层原有结构被破坏，并重新组合排列。这种粘土层的释水压密是不可逆变形，它是产生地面沉降的最主要原因。
· 沉降量计算
· 认为水和岩层符合弹性变形规律，由虎克定律，当水的压力变化 DP 时，原来的水体积 Vw 和岩层体积 Vs 分别变化 DVw 和 DVw，
水的压缩系数：
岩石的压缩系数
· 压力水头和压力之间的关系为：DP = g DH （g 为水的容重），代入上两式，有

· 据Vw＝n Vs ，可得在单位体积含水层中，由于单位水头变化而引起的水体积变化为g n bw。

· 对于厚度为M，单位水平面积的含水层中，由于单位水头变化引起水体积的变化为g n bw M ; 由于单位水头变化而引起土体积的变化为g Mbs ;两项之和就定义为承压含水层的弹性释水系数，用 me 表示：
· me ＝ g Mnbw＋ g Mbs＝ g M( nbw＋bs)

· 将g bs代入上式，整理后得到地面沉降量DM：
　　　　　 DM ＝ DH (me - g M n bw)
· 对于粘性土层，bs=0.02~0.05cm2/kg，而bw一般为0.00005cm2/kg，即bs>>n bw ，此时沉降量DM可近似认为仅由岩石的压缩而导致，计算可简化为
DM = g DHM bs
· 砂层的bs一般为10-5~10-4cm2/kg，必须按下式计算沉降量DM：
　　　　　 DM ＝ DH (me - g M n bw)
· 试验表明，粘性土的沉降量远大于砂土

· 危害性：
· 一些城市面临被海淹没的危险 东京、曼谷、伦敦、威尼斯等
· 加重城市防洪排涝防潮负担 曼谷、上海、天津等城市，地面沉降，城市防洪系统降低，使积水难排，洪、潮灾害加重。如天津，地面沉降使海河两岸防洪堤下降1-2m，加上河道淤积，使海河泄洪能力下降2/3，77年7月，市区暴雨积水损失2亿元。
· 造成建筑物破坏 由于地面的不均匀沉降，城市建筑、公路铁路、桥梁输水管道、灌溉系统等遭到破坏，对人民生命、财产安全、工农业生产造成巨大损失。
· 控制措施：
· 限制地下水的开采量
· 地表水人工回灌，补给地下水资源
· 调整地下水的开采层次
2、岩溶地面塌陷
· 概念：地面塌陷是指地表覆盖物出现下沉、开裂以至突然向下陷落，形成各种坑、槽的地质现象，它是在覆盖型岩溶地区大量开采地下水引起的一种严重的环境地质灾害。
· 原因：当在覆盖型岩溶地区开采地下水或矿坑排水时，由于洞穴充填物和水体被带出，地下水流对盖层的溶蚀和冲刷作用加剧，使溶岩中空洞扩大，覆盖土层的结构及其稳定性遭到破坏，从而导致地面塌陷。
· 特点：突然性，难预防，损失大
3、地裂缝
· “地裂缝” 地面裂缝的简称。是地表岩层、土体在自然因素(地壳活动、水的作用等)或人为因素(抽水、灌溉、开挖等)作用下，产生开裂,并在地面形成一定长度和宽度的裂缝的一种宏观地表破坏现象。（地震裂缝）
·
§3 合理利用地下水
· 地下水是一种重要的资源，合理利用可以造福人类，而不合理的利用则会给人类和环境带来灾难
· 除了利用地下水进行供水以外，适时适地合理利用地下水还有以下用途（以农业为例）：
ü 降低地下水位，防止土壤返盐
ü 腾空库容用于除涝防渍
ü 充分利用降雨资源，增加入渗水量，减轻防洪压力
ü 促进土壤脱盐和地下水淡化

要求：
理解海水入侵和地面沉降的原因和机理，掌握相应的计算和推导方法（自己推导以增强理解）。