第十五讲地下水与环境Word文档格式.docx

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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。

生态环境在现代之所以成为严重的问题，这与人类不能正确地理解人与自然的关系有关。

人类本身就是大自然的一个组成部分，人类与大自然是互相依赖的，人不应当妄想征服大自然。

人类与自然不是主人与奴隶的关系，而是休戚与共的朋友。

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。

第二节　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。

其中前二者都会引起水文循环、渗流场以及水岩力学平衡的破坏，造成一系列不良后果（图14-1）。

第三节　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

一、地表径流衰减

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（如济南的约突泉、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。

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，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。

沿海地区的大连、秦皇岛、沧州、青岛、北海、海南新英湾等城市和地区由于过量开采地下水引起不同程度的海水入侵，呈现从点状入侵向面状入侵的发展趋势（插图14-1）。

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。

插图14-1　全国海水入侵分布图

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

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。

七、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×

目前地下水利用量（含井开采量与泉水利用量）总计为10.88×

每年地下水排泄量超过地下水补给量达1.57×

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。

强烈开采使地下水咸化，与1975年前比较，1975年以后有57.3％井点的地下水矿化度升高0.1—1g/L，最高的升幅为1.77g/L。

由于灌溉用地下水中有近50％为矿化度大于2g儿的咸水，故灌溉使土壤累盐。

再加上部分土地由于缺乏淡水灌溉而弃耕，在强烈蒸发作用下表层累盐，盐渍化土地面积达19.28万亩。

地下水位下降与土壤盐渍化又加速了土地沙化。

地下水位下降使起防砂固砂作用的灌丛植被衰亡，为流砂所覆盖；

林木也有2/3的面积因此而衰退。

由于缺乏水源或因土地盐碱而弃耕的土地，土壤水分极低，缺乏植被保护，极易遭受风蚀，砂粒就近堆积为砂丘。

绿洲边缘与内部的砂丘以每年数米的速度推进。

1983年民勤绿洲就有7.8万亩已播种的土地因流砂前移而被压埋。

石羊河流域生态环境全面退化的根本原因是过度开发水资源，加上开发方式的不合理，破坏了原有的地表水与地下水，上游水与下游水相互转化的天然平衡。

人们片面追求局部的短期的经济效益，而酿成了生态环境全面退化的恶果。

如不及时改变，最终将导致本区的农牧业生产无以为继。

第四节　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。

第五节　地下水污染

一、概念

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，称为地下水污染。

地下水污染达到一定程度，便不合乎供水水源的要求。

当然，对于不同用途的地下水，污染标准是不同的。

地下水污染意味着可以利用的宝贵的地下水资源的减少。

不仅如此，地下水的污染很不容易及时发现。

一旦发现，其后果也难以消除。

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。

1986年4月，前苏联切尔诺贝利核反应堆发生事故后，首先采取的措施之一就是将核污染物质与含水层隔离。

之所以这样做，正是考虑到了一旦污染地下水将酿成难以消除的不良后果。

保护地下水免于污染，是环境保护的一项重要内容。

三、地下水污染的来源

污染物质主要来源于：

　生活污水与垃圾

　工业污水与废渣

　农用肥料与农药

随着人口急剧增长与工农业发展，产生的污染物质数量十分巨大。

全球几乎找不出不受污染的净地。

据报道，南极企鹅体内已检出滴滴涕，两极冰雪的铅浓度在逐年增加〔区永和，1988〕。

据国家环保局资料，我国每天的污水排放量约108m3〔汪民等，1991〕。

我国50个城市调查，发现其中45个城市的地下水已不同程度地受到硝酸盐、酚、氰、有机磷等的污染，包头市受氰化物污染的面积达162km2。

四、地下水污染的途径

（1）不同途径污染地下水

　雨水淋滤堆放在地面的垃圾与废渣中的有毒物质进入含水层。

　污水排入河湖坑塘，再渗入补给含水层。

　利用污水灌溉农田，但处理不当时，可使大范围的地下水受污染。

　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

　承压含水层上部有隔水顶板，只要污染源不分布在补给区，就不会污染地下水。

　承压含水层为厚度不大的弱透水层，污染物则有可能通过顶板进入含水层。

　潜水含水层到处可以接受补给，污染的危险性取决于包气带的岩性与厚度。

包气带中的细小颗粒可以滤去或吸附某些污染物质。

粗颗粒的砾石没有过滤净化作用。

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

在分析污染物质的影响时，要仔细分析污染源与地下水流动系统的关系：

（1）污染源处于流动系统的部位

　污染源分布于补给区时，随着时间延续，污染物质将沿流线从补给区向排泄区逐渐扩展，最终可波及整个流动系统。

即使将污染源移走，在污染物质最终由排泄区泄出之前，污染影响将持续存在。

　污染源分布于排泄区，污染影响的范围比较局限，污染源一旦排除，地下水很快便可净化。

当然，当人为地抽取或补充地下水形成新的势源或势汇时，流动系统将发生变化，原来的排泄区可能转化为补给区。

在分析时不仅要考虑天然条件，还要预测人类活动的影响。

（2）污染源处于哪一级流动系统

　在局部流动系统时，流动系统深度不大，规模小，水的交替循环快，短期内污染影响可以波及整个系统；

但去除污染源后，自然净化也快，数月到数年即可消除污染影响。

　区域流动系统，影响范围深大，流程长而流速小，水的交替循环缓慢；

污染物质的扩展缓慢，但如有足够的时间，污染影响可以波及相当广大的范围；

区域流动系统遭受污染后，即使将污染源排除以后，污染影响仍将持续相当长的时间，自然净化期长，污染后再治理相当困难，有时甚至是不可能的。

六、地下水污染的预防

为了避免地下水遭受污染，首先要控制污染源，力求污染物质经处理后再行排放。

其次，要根据岩性以及地下水流动系统分析污染条件，尽量将可能发生污染的工矿企业安置在不易污染地下水的部位。

七、我国的地下水污染情况

新一轮地下水资源评价结果表明，我国地下水水质状况总体较好。

城市与工业“三废”不合理或不达标排放量的迅速增加，农牧区农药、化肥的大量使用，导致我国地下水污染日益严重，呈现由点到面、由浅到深、由城市到农村的扩展趋势。

全国195个城市监测结果表明，97%的城市地下水受到不同程度污染，40%的城市地下水污染趋势加重；

北方17个省会城市中16个污染趋势加重，南方14个省会城市中3个污染趋势加重。

部分地区，地下水污染已经造成了严重危害，危及到供水安全。

例如：

　辽宁省海城市污水排放造成大面积地下水污染，附近一个村长期饮用受污染的地下水，多数人患上当地未曾有过的特殊病症，160人因水而亡；

　淮河安徽段近5000km范围内，符合饮用水标准的浅层地下水面积仅占11%；

　首都北京，浅层地下水中也普遍检测出了具有巨大潜在危害的DDT、六六六等有机农药残留和单环芳烃、多环芳烃等“三致”（致癌、致畸、致突变）有机物。

“三致”有机物在我国东部其他城市和地区，很可能同样存在；

　水土污染，导致一些优质农产品，如蔬菜、水果、茶叶等品质下降，出口受到严重影响。