第十四章 地下水与环境

第十四章与地下水有关的环境问题第一节概述第二节过量开发与排除地下水引起的环境退化第三节过量补充地下水引起的环境退化第四节地下水污染主要内容：了解与地下水有关的主要环境问题；初步了解开采与过量开采地下水引起的降落漏斗、地面沉降、海水入侵以及地下水污染问题的机理与防治措施。14.1生态环境系统的特性生态环境是超级复杂系统，构成相互联系、相互作用与相互制约的一个整体。在自然条件下，生态环境处于相对稳定的动平衡状态，除了少数例外（如地震、火山），它的变化从人类角度来看是相当缓慢的。特性：整体性，环境退化的滞后性、环境退化的不可逆性一、整体性生态环境具有整体性，组成它的各个子系统之间相互作用、相互依存，改变其中任一部分，会引起整个生态环境系统的链式连锁反应。人们在某一方面采取的行动，可能在完全意想不到的方面得到反响。人们所采取的从局部来看合理的行动，有可能对整个生态系统带来灾难性后果。矿物燃料→大气CO2浓度上升→温室效应（全球气候变暖）→极地冰雪融化，导致海平面上升→滨海地带海水入侵淡地下水，→滨海地下水位上升造成土壤沼泽化与盐渍化等。二、滞后性相对于人类的不利干扰，生态环境的退化往往具有滞后性。例如，燃烧矿物燃料引起温室效应是在上百年内积累并于近年被发现的。又如，地下水的污染往往难以及时觉察，一旦发现，污染已成事实，治理相当困难。土地沙化，水土流失三、不可逆性生态环境的退化具有不可逆性。外界的干扰较小时，依靠其内在调节机制，环境系统仍能保持稳定；但当外界的干扰超过某一临界值时，生态环境系统的退化将不可逆转或难以逆转的。例如，过量开采孔隙承压水会引起地面沉降，即使地下水位复原，由于粘性土释水造成的那部分地面沉降将是永久性的。四、生态环境问题的敏感性与复杂性生态环境系统的整体性，退化的滞后性与不可逆性，决定了生态环境问题格外敏感与复杂。因此，人们在采取任何可能影响生态环境的行动之前，必须三思而后行。环境问题的存在于加剧是人类不能正确地理解人与自然的关系。可持续的自然观（自然、资源与环境）。为了自身的生存与发展，人类必须保护与改善自然环境，使人类与自然协调发展。14.2作为环境敏感因子的地下水地下水是极其重要的环境因子。地下水是水文循环、渗流场以及水岩力学平衡的重要组成，地下水的变化往往会打破原有的环境平衡状态，使环境发生变化─即可能是有益的，也可能是有害的，在这里我们着重讨论后者。人类活动干扰地下水的方式——三种：（1）过量开发与排除地下水；（2）过量补充地下水；（3）污染物进入地下水干扰地下水。14.3过量开发与排除地下水引起的环境退化过量开发或排除地下水，造成地下水位深降，会引起以下环境退化现象：地表径流衰减沼泽湿地消失土地沙化海(咸)水入侵等中国地质调查局网站全国地下水降落漏斗180多个，总面积约19万平方千米。在121个具有完整统计数据的漏斗中，面积扩大的54个，面积缩小的43个，漏斗面积基本稳定的24个。地下水是水文循环的重要环节，过量开采地下水，首先破坏了原有的水文循环。地下水集中排泄形成大泉，常构成名胜古迹的精华，由于地下水位深降，千古传颂的名泉（如济南的趵突泉、太原的晋祠泉）或不复存在，或成了涓涓细流。由于地下水位深降，由地下水供应的河水基流也减少以至消失，干旱半干旱地区的地表径流也随之衰减甚至消失。一、地表径流衰减二、沼泽湿地消失过度开采地下水使得浅层地下水位大幅度下降后，会疏干原有的沼泽湿地（浅埋地下水维持），水生植物与水禽随之消失，原有景观受到破坏。三、土地沙化在干旱半干旱地区浅层地下水位大幅下降，包气带变厚同时水分供应不足，导致灌木枯萎、草丛退化，表土裸露；地表在强蒸发作用下，土壤逐渐干燥缺乏水分粘结，土壤因其颗粒间的粘结力降低而沙化。最终，依靠植物为生活的野生动物也随之衰减少，导致生态全面退化。例如，我国河西走廊的民勤县，本是沙漠中的一片绿洲，经过大量的打井采水，地下水位下降了3-7m，已有2/3的土地沙化。四、海(咸)水入侵天然条件下地下水形成相对稳定的地下水流动系统。地下水开采中心构成新的势汇后，会形成流线指向开采中心的新的地下水流动系统。如果离海不远，原来由陆地指向海洋的流线将因开采影响转而由海洋指向陆地，海水将入侵淡水含水系统。同样，也可导致周围的咸水入侵淡水含水系统。发生海水入侵的地区从北向南有：辽宁、河北、山东、广西、海南等地区。其中，环渤海地区海水入侵发展迅速，2003年海水入侵面积达2457平方千米，比20世纪80年代末增加了937平方千米，平均每年增加62平方千米。据大连市水务局公布的一份材料表明，2003年海水入侵总面积为404.8平方公里，海水纵向入侵陆地最长达6.8公里，其中海水入侵面积大于20平方公里的主要有6个地段，而海水侵蚀最严重的是瓦房店市谢屯——复州湾——炮台地段，海水入侵面积为73.2平方公里。据悉，从上个世纪80年代开始，随着大连地区工农业的发展，农业灌溉、工业用水的量一直在加大，地下水遭到过度开采，大连市又出现了少有的持续干旱，地下水无法得到及时弥补，导致了旅顺口区、金州地区、瓦房店市等8处地下水漏斗。而在大约20个海水入侵区域中，包括三涧堡、付家庄、大连湾、南关岭等在内，有12个区域的形成原因均为过量开采地下水。五、粘土压密释水释放有害离子地下水位下降引起粘性土压密释水时，还会使地下水水质发生变化。赋存于粘性土中的水通常不易与外界发生交换。但当粘性土压密释水时，粘性土中水的某些组分也随之进入含水层。例如河北东部平原深层孔隙地下水中氟含量的高值中心正与区域地下水位下降漏斗中心吻合；在时间上，随着开采量增加，地下水位下降，地面沉降量增大，深层水中氟离子也随之增大。根据空间与时间上的比较，说明深层孔隙水中对人体有害的氟主要是伴随粘性土释水压密而进入含水层的[张瑞成，1991]。六、破坏岩土力学平衡---地面沉降充盈于岩土空隙中的地下水，与岩土共同构成一个力学平衡系统，孔隙水压力与岩石骨架的有效应力共同与总应力相平衡。开采地下水引起水位下降后，由于孔隙水压力降低，而总应力未变，故有效应力增加，岩土骨架将因此发生释水压密。砂砾层基本呈弹性变形，地下水位复原时地层回弹；而粘性土层则为塑性变形，地下水位恢复时粘性土层的压密基本不再回弹。因此，开采孔隙承压含水系统会导致土层压密，相应地在地表表现为地面沉降，即地形标高的降低。抽汲地下水引起的地面沉降国内外都很普遍。我国上海、天津、宁波、西安等城市均有发现。上海1922—1965年，地面沉降最大累计值为2.37m。地面沉降会造成建筑物破坏，管道损坏，桥空减少，道路破坏等，在沿海地区则意味着陆地的损失。日本东京三角洲在1961—1970年间抽取地下水3.6×l08t，而为克服地面沉降造成的危害，每抽取1t水所支付的费用竟达230日元之多[柴崎达雄，1982]。而陆地损失则更是无法弥补的。14.4过量补充地下水引起的环境退化不但过量抽排地下水会引起环境退化，过量补充地下水也会破坏有地下水参加的各种平衡，导致环境退化：土地的次生盐渍化、次生沼泽化、岩土的力学平衡等。一、土地的次生盐渍化在干旱、半干旱平原盆地中，过量补充地下水引起地下水位上升会使蒸发浓缩作用加强，引起土壤盐渍化及地下水咸化。50年代后期，华北平原不合理地进行地表水灌溉与拦蓄降水，曾使地下水位普遍抬升而土壤次土盐渍化严重发展。新疆焉耆盆地超额灌溉导致62%的垦区内地下水位埋深小于2m，不少耕地因次生盐渍化；而垦区灌溉水的利用效率仅为18%（插图14-2）。插图14-2新疆焉耆盆地土壤次生盐渍化而摞荒二、土地的次生沼泽化过量补充地下水引起地下水位上升，当平原盆地中地下水上升，使其毛细饱和带达到地表时，便引起土壤的次生沼泽化，原有的农业生产、建筑物、道路等均将受到损害。三、破坏岩土力学平衡过量补充地下水使地下水位上升，也会破坏水岩（土）力学平衡。此时孔隙水压力增大，有效应力便随之降低，往往导致斜坡土石体失稳。当滑坡体的潜在滑动面上孔隙水压力上升时，有利于滑动面的破裂与滑动，这就是雨季滑坡容易发生的主要原因之一。水库回水往往使大范围地下水位上升，该范围内斜坡失稳，会触发滑坡与崩坍。对于有裂隙的岩体，地下水位上升普遍使裂隙中孔隙水压力上升。在直立裂隙中，孔隙水压力升高等于给岩体增加一个指向临空面的推力；对于倾斜与水平的裂隙，孔隙水压力升高使有效应力降低，抵抗裂隙移动的摩擦力也随之降低。增加的孔隙水压力在上述两类裂隙同时存在的情况下将促使岩石斜坡崩坍[弗里泽等，1987]。水库诱发地震是过量补充地下水引起的一种环境问题。例如我国新丰江水库修建后曾引发6.1级地震，造成数人死亡，数千间房屋破坏，水库边坡发生崩坍、滑坡与出现大裂缝。修建水库之所以诱发地震，简单地说是由于库水增加了活动断裂的孔隙水压力，使断层面的抗剪强度减少，地应力易于使断裂滑动而引发地震。14.5过度开发水资源引起环境退化的实例在第十章中我们作为实例分析了甘肃河西走廊石羊河流域的孔隙水系统，并指出这一孔隙水系统在沉积物与水流上都是连续统一的。这里的地表水与地下水，上游的水与下游的水都属于同一系统。在此我们要进一步分析本区在过度开发水资源条件下所引起的环境退化〔张惠昌等，1991；范锡朋，1990〕。历史上石羊河流域根据其自然条件建立了如下灌溉格局：山前洪积扇的河水灌溉带，细土平原溢出带的泉水灌溉带，细土平原下部的河水、泉水混合灌溉带。60年代以来，在山区修建水库和对地表渠系采取防渗措施，使石羊河流域的地下水补给量大幅度减少，溢出带的泉水逐年削减。于是只好在原来的泉水灌溉带打井取水以补灌溉水源之不足，最后泉灌区完全被井灌区所代替。细土平原下游原来的泉水河水混灌带也因来水减少，井灌增加，成为井、泉、河水混灌带。总之，除了山前洪积扇地区仍保持河水灌溉外，其余地方普遍打井取水。50年代时，地下水开采量为零，地下水补给量为12.8×108m3/a，其中以泉水形式溢出者为8.36×108m3/a。到了近年，由于河渠入渗减少，地下水补给量降到9.31×108m3/a（为原来的73％），其中以泉水形式溢出者为3.89×108m3/a（为原有泉水量的46％）。以井开采的地下水量为6.99×108m3/a。目前地下水利用量（含井开采量与泉水利用量）总计为10.88×108m3/a。每年地下水排泄量超过地下水补给量达1.57×108m3/a。因此，历年来地下水位不断下降。近20年来地下水位下降速率为0.3—0.9m/a，累计下降6—20m。一、概念地下水污染：在人为影响下，地下水的物理、化学或生物特性发生不利于人类生活或生产的变化。不能作为供水水源，地下水资源的减少14.6地下水污染二、地下水污染与地表水污染的差异地下水污染与地表水污染不同：难以发现：污染物质进入地下含水层及在其中运移的速度都很缓慢，若不进行专门监测，往往在发现时，地下水污染已达到相当严重的程度。滞留时间长：地表水循环流动迅速，只要排除污染源，水质能在短期内改善净化。地下水由于循环交替缓慢，即使排除污染源，已经进入地下水的污染物质，将在含水层中长期滞留；随着地下水流动，污染范围还将不断扩展。治理净化代价高：要使已经污染的含水层自然净化，往往需要很长的时间（几十、几百甚至几千年）；采取打井抽汲污染水的方法消除污染，则要付出相当大的代价。三、地下水污染的来源生活污水与垃圾、工业污水与废渣、农用肥料与农药四、地下水污染的途径（1）不同途径污染地下水雨水淋滤（垃圾与废渣）、污水排入、污水灌溉农田止水不良的井孔，会将浅部的污染水导向深层。废气溶解于大气降水，形成酸雨，也可补给污染地下水。（2）污染物质影响地下水的因素——取决于地质、水文地质条件承压含水层：补给区有污染源；隔水顶板为厚度不大的弱透水层。潜水含水层：污染的危险性取决于包气带的岩性与厚度。颗粒细小（滤去或吸附某些污染物质）且厚度巨大的包气带构成良好的天然净水器。裂隙岩层也缺乏过滤净化能力。岩溶含水层通道宽大，很容易遭受污染。五、地下水污染的分析方法在分析污染物质