4第四章水资源与地质环境

《环境地质学》长安大学地质工程系成玉祥[e-mail]第四章水资源与地质环境第一节水资源与水环境问题概述第二节水体污染一、水体污染的基本概念二、水体污染的判别指标三、水体的主要污染物及其来源四、水体污染的危害五、水体污染防治对策第三节水资源开发对地质环境的影响一、环境水文地质作用（重点）二、水资源开发的负环境效应（重点）三、水资源开发的正环境效应（重点）第四节水资源保护与可持续利用第一节水资源与水环境问题概述•一、水资源的概念•联合国教科文组织（UNESCO）和世界气象组织（WMO）共同制定的《水资源评价活动——国家评价手册》中，把水资源定义为“可以利用或可能被利用的水源，具有足够数量和可用的质量，并能在某一地点为满足某种用途而可被利用”。•水资源概念通常有广义和狭义之分。狭义上是指人类能够直接使用的淡水。广义上是指人类能够直接或间接使用的各种水和水中物质，在社会生产中具有使用价值的水都可称为水资源。•二、水资源的基本特征•1、储量的有限性•2、补给的循环性•3、时空分布的不均匀性•4、用途的不可替代性•5、利用不当的危害性陆地水,3785.15,2.79%海洋,132000,97.21%1、储量的有限性地球上水的总量很大，据估计约有13.6×108km3。极地、高山77.14%地下深部10.94%地下浅层11.10%大气层0.03%生物体0.00%淡水湖0.33%土壤0.18%河流0.00%咸水湖0.27%•全球陆地可更新的淡水资源量大约为42.75×106km3。其中易于开采、可供人类使用的淡水资源量约（12.5~14.5）×106km3，不足全球淡水的1%，即约占全球水储量的0.007%，这就是湖泊、江河、水库以及埋深较浅易于开采的地下水。•2、补给的循环性•3、时空分布的不均匀性•水的分布决定于气候条件，其中以降水最为重要。降水受综合性气候带的控制，各地降水量的多少差别甚大。因此，受降水所决定的水资源在地域上分布很不均匀。•4、用途的不可替代性•5、利用不当的危害性•三、水环境问题•（一）淡水资源短缺•（二）水体污染•（三）河川流量减少•（四）地下水枯竭第二节水体污染•一、水体污染的基本概念•当进入水体的污染物质超过了水体的环境容量或水体的自净能力，使水质变坏，从而破坏了水体的原有价值和作用的现象，称为水体污染。•水体污染的原因有两类：一是自然的，二是人为的。特殊的地质条件使某种化学元素大量富集、天然植物在腐烂时产生某些有害物质、雨水降到地面后挟带各种物质流入水体等造成的水体污染，都属于自然污染。人为原因造成的水体污染是指人类生活和生产活动中产生的废物对水的污染。人们通常所说的水体污染，是指后者而言。•二、水体污染的判别指标•水质是指水和其中所含的杂质共同表现出来的综合特性。水质指标则表示出水中杂质的种类和数量，是判断水质和水体污染的具体衡量标准。•为了反映水体被污染的程度，就要用污水的水质指标来表示。主要的污水水质指标有下列几项：•1．pH值•2．悬浮物•3．有机物浓度•4．细菌污染•5．有毒物质生物化学需氧量（BOD）化学需氧量（COD）总有机碳：用TOC（TotalOrganicCarbon）和总需氧量TOD•（1）生物化学需氧量：用BOD（BiochemicalOxygenDemand）表示，简称生化需氧量。它是指水中有机污染物经微生物分解所需的氧量（单位体积污水所消耗的氧量，mg/L）。•目前国内外普遍采用在20℃下，5昼夜的生化耗氧量作为指标，以氧的每升毫克数来表示，称5日生化需氧量（BOD5）。生化需氧量指标越高，说明水被有机物污染程度越深。•（2）化学需氧量：用COD（ChemicalOxygenDemand）表示，指用化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需的氧量。COD越高，表明有机质越多。目前常用的氧化剂主要是重铬酸钾或高锰酸钾。以高锰酸钾作氧化剂时，测得的值也称耗氧量。但它不能如实反映被微生物分解氧化有机物时所需氧的量，不能代替生化需氧量，且测得的结果比生化需氧量偏高。•（3）总有机碳：用TOC（TotalOrganicCarbon）和总需氧量TOD（TotalOxygenDemand）表示。TOC是近年来发展的用以间接表示水中有机物质含量的一种综合性指标。它的测定需要专门的仪器，称为总有机碳测定仪。TOC几乎可以反映水中有机物质的总量，但个别耐久的碳化合物不易被燃烧氧化，故所测出的TOC值常低于理论值，其含量以mg/L计。TOD是指水中的还原性物质，主要是有机物质在燃烧中变成稳定的氧化物时所需要的氧量，以mg/L计。它的测定亦需在专门的总需氧量测定仪中进行。TOD能反映几乎全部有机物质经燃烧后变成氧化物时所需的氧量。它比BOD、COD更接近于理论的需氧量。•三、水体的主要污染物及其来源•（一）水体主要污染物•1．需氧污染物•2．植物营养物•3．重金属•4．有毒化合物•5．酸、碱与无机盐类•6．漂浮物•7．放射性物质•8．病原微生物和致癌物•9．工业废热水•（二）水体污染源及其污染特征•1．工业污染源的特征•2．城市生活污染源的特征•3．农业污染源的污染特征•4．自然污染源的特征•四、水体污染的危害•（一）危害人体健康•（二）影响工农业生产•（三）对水生生物的影响•五、水体污染防治对策•1、改进生产工艺技术，减少“三废”排放量•2、调整产业结构，合理安排工业布局•3、重视区域水污染综合防治，加强水资源管理第三节水资源开发对地质环境的影响•一、环境水文地质作用•环境水文地质作用是指地下水在人为和自然因素影响下，由水化学、水动力学、水物理学和生物学性质变化引起的对人类生产和生活环境的制约作用。按作用的机制，环境水文地质作用主要有环境水文地球化学作用、环境水动力学作用、环境水物理学作用、环境水文地质生态作用。各种作用的控制指标及其环境影响结果等列于表3-3。•二、水资源开发的负环境效应•（一）区域地下水位下降•（二）地面沉降•（三）海水入侵•（一）区域地下水位下降•1．区域水位下降的原因•地下水的动态变化，实质上是其补给与排泄两个环节宏观上的综合表现。•随着人类生产活动加剧，地下水多年平均开采量超过多年平均补给量，就会破坏这种动态均衡状态，消耗含水层的“储存量”，其结果就出现了直观上的地下水位逐年下降。•地下水超量开采的直接后果是地下水降落漏斗范围不断扩大，区域地下水水位持续下降。•2．区域水位下降的危害•（1）城市地下水资源枯竭•（2）泉水流量减少•（3）生态系统改变•（4）地面沉降和岩溶地面塌陷灾害加剧•3．防止区域性地下水位下降的措施•（1）保证开采均衡条件下的“合理降深”。把设计开采量作为一个具有权威性的指标。•（2）保持地下水埋藏条件与水压状态分布的正常状况。•（3）开采地下水过程中，实行节制性有计划开采。•（4）保证不减少补给因素。•（5）实行人工回灌，开辟地下水的补给源。•（二）地面沉降•地面沉降是指某一区域内由于开采地下水或其他地下流体导致的地壳浅部松散沉积物压实或压密引起的地面标高下降的现象，又称地面下沉或地陷。•1、地面沉降的特征•地面沉降的特点是波及范围大，下沉速率缓慢，往往不易察觉，但它对于建筑物、城市建设和农田水利危害极大。•2、地面沉降的分布规律•目前，中国已有上海、天津、江苏、浙江、陕西等16个省（区、市）共46个城市（地段）、县城出现了地面沉降问题，总沉降面积达48.7万平方公里。•①大型河流三角洲及沿海平原区•②小型河流三角洲区•③山前冲洪积扇及倾斜平原区•④山间盆地和河流谷地区•3、地面沉降的危害•地面标高损失，继而造成雨季地表积水，防泄洪能力下降；•沿海城市低地面积扩大、海堤高度下降而引起海水倒灌；•海港建筑物破坏，装卸能力降低；•地面运输线和地下管线扭曲断裂；•城市建筑物基础下沉脱空开裂；•桥梁净空减小，影响通航，深井井管上升，井台破坏，城市供水及排水系统失效；•农村低洼地区洪涝积水，使农作物减产等。•4、地面沉降的成因•新构造运动说•地层收缩说和自然压缩说•地面动静荷载说•区域性海平面上升说等•地面沉降是由于过量开采地下水、石油和天然气、卤水以及高大建筑物的超量荷载等引起的。•大量的研究证明，过量开采地下水是地面沉降的外部原因，中等、高压缩性粘土层和承压含水层的存在则是地面沉降的内因。•①地面沉降中心与地下水开采漏斗中心区呈明显一致性。•②地面沉降区与地下水集中开采区域大体相吻合。•③地面沉降量等值线展布方向与地下水开采漏斗等值线展布方向基本一致，地面沉降的速率与地下液体的开采量和开采速率有良好的对应关系。•④地面沉降量及各单层的压密量与承压水位的变化密切相关。•⑤许多地区已经通过人工回灌或限制地下水的开采来恢复和抬高地下水位的办法，控制了地面沉降的发展，有些地区还使地面有所回升。这就更进一步证实了地面沉降与开采地下液体引起水位或被压下降之间的成因联系。•5、地面沉降的形成机制•在孔隙水承压含水层中，抽取地下水所引起的承压水位的降低，必然要使含水层本身及其上、下相对隔水层中的孔隙水压力随之而减小。•根据有效应力原理可知，土中由覆盖层荷载引起的总应力是由孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的。由水承担的部分称为孔隙水压力（Pw）。它不能引起土层的压密，故又称为中性压力；而由土颗粒骨架承担的部分能够直接造成土层的压密，故称为有效应力（Ps）；二者之和等于总应力。假定抽水过程中土层内部应力不变，那么孔隙水压力的减小必然导致土中有效应力等量增大，结果就会引起孔隙体积减小，从而使土层压缩。•相对而言，在较低应力下砂层的压缩性小且主要是弹性、可逆的，而粘土层的压缩性则大得多且主要是非弹性的永久变形。因此，在较低的有效应力增长条件下，粘性土层的压密在地面沉降中起主要作用，而在水位回升过程中，砂层的膨胀回弹到具有决定意义。•6、地面沉降的形成条件•（1）一是地面沉降的地质条件，即具有较高压缩性的厚层松散沉积物。•（2）地面沉降的动力条件，如人类长期过量开采地下水和地下油气资源等。•7、地面沉降的防治•建立健全地面沉降监测网络，加强地下水动态和地面沉降监测工作；•开辟新的替代水源、推广节水技术；•调整地下水开采布局、控制地下水开采量；•对地下水开采层位进行人工回灌；•实行地下水开采总量控制、计划开采和目标管理。•查清地下地质构造、对高层建筑物的地基进行防沉降处理。•在已发生区域性地面沉降的地区，为了减轻海水倒灌和洪涝等灾害损失，还应采取加高加固防洪堤、防潮堤以及疏导河道，兴建排涝工程等措施。•1、海水入侵的概念•海水入侵是由于滨海地区地下水动力条件发生改变，引起海水或高矿化咸水向陆地淡水含水层运移而发生水体侵入的过程和现象。又称盐水入侵、海水内浸、咸水入侵等。•（三）海水入侵（a）水力平衡条件下海水与淡水的不相混溶界面；（b）滨海含水层中淡水和海水的流动过程及混合带•2、海水入侵的形成机制•3．海水入侵的危害•（1）供水井报废•（2）水质恶化•（3）影响工农业生产•（4）生态环境恶化•4．海水入侵的防治对策•（1）合理开采•（2）人工回灌•（3）阻隔水流•（4）监测预测•三、水资源开发的正环境效应•（一）控制土壤返盐•（二）调蓄地下库容•（三）改善水质第四节水资源保护与可持续利用对策•一、缓解缺水地区水资源紧缺的对策•1．农业节水•2．统筹规划•3．开发本地水源•4．综合利用•5、加强监督•二、地下水开发利用的主要对策•1．优先保证生活用水•2．开展井灌井排、旱涝盐碱综合治理•3．开展水资源的地下人工调蓄•4．优化地下水开采布局•5．建立健全地下水资源管理体系•三、中国水资源保护及水污染防治•1．保护饮用水源地•2．发展清洁生产技术•3．城市废水资源化•4．控制企业及农业污染•5．水污染的综合治理和水资源合理规划思考题•1、水资源的概念•2、水体污染的基本概念•3、水体污染的判别指标•4、环境水文地质作用的类型有哪些？•5、简述地面沉降的概念与机理。•6、简述海水入侵的概念与机理。