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1、第八章 地下水与环境保护 地下水广泛分布于地壳中 与岩石圈 大气圈 水圈与生物圈 有着千丝万缕的联系 地下水流动易变 是多个动平衡系统的 组成部分 地下水与大气水 地表水构成水循环系统 地 下水与岩土共同构成力学平衡系统 地下水自身形成一个处 于动态平衡状态的渗流场 人类活动使某一范围内地下水的数量与能量发生明显变化时 地下水参与的水循环平衡 岩土力学平衡与地下水渗流平衡均 遭受破坏 从而产生一系列连锁反应 即环境系统的相应改变 人类开发利用地下水产生的环境干扰 可分为有利于人类的影 响 正效应 和不利于入类的影响 负效应 这里我们重点是讨 论后者 8 1 不合理的地下水采灌引发的环境问题 一
2、 过度抽取地下水引起的环境问题 地下水资源在我国水资源中占有举足轻重的地位 由 于其分布广 水质好 不易被污染 调蓄能力强 供 水保证程度高等 正被越来越广泛地开发利用 尤其 在中国北方的许多干旱半干旱地区 地下水成为重要 的甚至是唯一的水源 随着地下水开采量的不断增加 带来了一系列的环境 地质问题 如区域地下水位持续下降 地面沉降 塌 陷 地裂缝 荒漠化 海水入侵等 一 区域地下水位持续下降 2002年新一轮全国地下水资源评价结果显示 全国 已形成区域地下水降落漏斗一百多个 华北平原的深 层地下水已形成了跨冀 京 津 鲁的区域地下水降 落漏斗 有近7万km2的区域地下水位低于海平面 1 区域
3、地下水位持续下降产生的原因 现在世界上许多国家和地区 都存在着不同程度的区 域地下水位持续下降问题 分析其产生的原因 可归 结为以下三方面 过量开采 是产生区域地下水位持续下降的主要原 因 不合理开采 主要是指开采地段 开采层次和时间 上的三集中方式以及开采管理上的无政府状态 地下水补给量减少 主要是由于地表水体的减少和 生态环境恶化所致 另外 随着市政建设的发展 城 市绿地 空地面积不断减少 建筑和硬化面积不断增 加 城市排水体系的不断完善等等因素也在一定程度 上影响了大气降水对地下水的入渗补给 2 区域地下水位持续下降的危害 致使取水工程的出水量不断减少 有时不得不更换抽水设 备 甚至使水
4、井报废 增加了抽水成本 对农灌井的影响尤 其明显 引发了地面沉降 地裂缝 地面塌陷等严重的环境工程地 质问题 在一些沿海地区 由于区域地下水位的大幅度下降 还引 起海水入侵 开采含水层水质恶化 大连市20世纪70年代后 由于大量超采地下水 致使地下水位较60年代降低了10 40m 引起了海水入侵 致使一些著名的大泉干枯 破坏了以泉源为特点的旅游资 源 如我国北方著名的济南趵突泉 河南辉县百泉 太原晋 祠泉等 3 区域地下水位下降的防治措施 关闭某些水源地或减少开采井数 把开采量压缩到地下水补 给量所允许的范围内 这是在没有条件施行地下水人工补给的 地区 防治地下水位持续下降的消极办法 调整开采
5、布局 加强地下水管理 建立合理的开采制度 例如为了防止过量 开采和集中开采 可作出一些限制水位降深 开采量 开采时 间 井间距离的规定 进行地下水人工补给 以增加地下水总的可开采量 这是目 前世界各国防止区域地下水位下降 扩大地下水资源开采量的 一项最积极措施 建立和健全地下水动态观测网 加强水情监测和预报 做到 尽可能早的发现问题 及时采取防患补救措施 二 地面沉降 地裂缝 地面塌陷 1 地面沉降 地面沉降是指在人类工程活动的影响下 由于地下松散 地层固结压缩 导致地壳表面标高降低的一种灾害性工 程地质现象 地面沉降主要是由于过量抽取地下水造成 世界各国均 有发生 我国已经陆续发现有46座城
6、市发生了不同程度 的地面沉降 面积接近5万km2 较严重的城市有上海 天津 北京 西安 太原等 上海市从1921年至今累积 沉降量近3m 地面沉降的危害 a 使城市堤防标高降低 造成防洪 抗风暴潮能力的 降低 b 建筑地基变形加剧 进而破坏建筑物 c 破坏城市地下公共设施 如排水 输水管道 供热 管道 地铁等 d 造成沿海城市地面标高降低 随之而来的是海水入 侵 土壤的次生盐渍化 沼泽化 甚至城市将有被海 水淹没的危险 e 影响排水 造成市区雨后积水 产生地面沉降的原因 a 大量开采地下水 气体或液体矿产资源 这些资源均储存于 地下岩层的空隙中 当被抽取或开采后 在地层上部载荷 建 筑物重力和
7、地层自重压力 的压力作用下 这些空隙将被压缩 从而引发地面变形或沉降 这是产生地面沉降的最主要原 因 b 开采地下固体矿产 特别是沉积矿床 如煤 铁等 将形 成大面积的地下采空区 导致地面变形下沉 c 一些大型的工程建筑物对地基施加的巨大静荷载 使地基土 体发生变形 d 即使是在低荷载的持续作用下 土体的蠕变也可引起地基 土的缓慢变形 地面上的动荷载 振动作用 在一定条件下也将 引起土体的压密变形 防治措施 a 减少地下水开采量 这是最行之有效的措施 如天津 市逐步减少对地下水的过量开采 市区沉降量从1985年 的86mm减至1988年的24mm b 加强地下水开采的管理 例如减少和调整某些地
8、段和 某些层位的开采量 建立合理的开采制度 调整开采布 局等 可对地面沉降有一定的缓和作用 是一种辅助性 措施 c 人工回灌 用人工灌水的方法补充地下水量 以提高 地下水位 达到缓和沉降速率的效果 但要注意回灌用 水的水质必须符合国家的有关法律法规 否则会造成地 下水的污染 2 地裂缝 地裂缝是地表岩 土体在自然或人为因素作用下 产生开裂 并在地面形成一定长度和宽度的裂缝的一种地质现象 当 这种现象发生在有人类活动的地区时 便可成为一种地质灾 害 地裂缝广泛分布于我国各地 数量众多 仅河北 河南 陕 西 山西 山东 江苏 安徽七省的不完全统计 已有200个 县市发现地裂缝700多处 在城市中
9、地裂缝灾害比较严重的有西安 大同 保定 淄 博等 其中以西安最为典型和严重 地裂缝穿越民居 厂矿 农田 横切道路 管道及各种公共 设施 致使建筑物破损 农田毁坏 道路变形 管道破裂 严重影响了人民生活 厂矿生产和安全 地裂缝每年造成的经济损失达数亿元之巨 3 地面塌陷 地面塌陷是指地表岩 土体在自然或人为因素作用下 向下陷落 并在地面形成塌陷坑 洞 的一种地质现 象 地面塌陷分为自然塌陷和人为塌陷两大类 自然塌陷是指地表岩土体由于自然因素作用 向下陷 落而成 如岩溶塌陷 黄土塌陷 冻土塌陷 地震塌 陷等 人为塌陷是由于人为作用导致的地面塌陷 如大量抽 取岩溶水 矿山采空等 三 荒漠化 1992
10、年世界环境与发展大会上通过的荒漠化定义是 气候 和人类活动等各种因素造成的干旱 半干旱和亚湿润地 区的土地退化 早在人类出现以前地球上就有沙漠 但是 荒凉的沙漠 和丰腴的草原之间并没有什么不可逾越的界线 有了水 沙漠上可以长起茂盛的植物 成为生机盎然的绿洲 而 绿地如果没有了水和植物 也可以很快退化为一片沙漠 人们为了获得更多的生存所需 肆意砍树割草 无节制 地开荒种地 放牧 抽取廉价的地下水等 过度抽取地下水使得地下水位不断降低 造成植被的大量死 亡 植被的大量死亡又使得降水量更加减少 水土流失进一 步加剧 风力更大 这就使可耕牧的土地 变成了不宜放牧 和耕种的荒漠化土地 我国的荒漠化形势十
11、分严峻 根据1998年国家林业局防治荒 漠化办公室等政府部门公布的材料 我国是世界上荒漠化严 重的国家之一 根据全国沙漠 戈壁和沙化土地普查及荒漠 化调研结果 我国荒漠化土地面积262 2万km2 占国土面积 的27 4 近4亿人口受到荒漠化的影响 据中 美 加国际 合作项目研究 中国因荒漠化造成的直接经济损失约为541亿 人民币 土地的沙化给大风起沙制造了物质源泉 因此我国北方地区 沙尘暴发生越来越频繁 且强度大 范围广 1993年5月5日 新疆 甘肃 宁夏先后发生强沙尘暴 造成116人死亡或失踪 264人受伤 损失牲畜几万头 农作物受灾面积33 7万hm2 直接经济损失5 4亿元 1998
12、年4月15 21日 自西向东发生 了一场席卷我国干旱 半干旱和亚湿润地区的强沙尘暴 途 经新疆 甘肃 宁夏 陕西 内蒙古 河北和山西西部 4月 16日飘浮在高空的尘土在京津和长江下游以北地区沉降 形 成大面积浮尘天气 其中北京 济南等地因浮尘与降雨云系 相遇 于是 泥雨 从天而降 宁夏银川因连续下沙子 飞机 停飞 人们连呼吸都觉得困难 可以预见 如果我们不采取措施 在不久的将来 我国的西 北甚至是北方 伴随荒漠化的加剧 农业生产将无以为继 二 过量补充地下水引起的环境问题 不仅过仅过 度抽取地下水会引起环环境退化 过过量补补充地下水也会 破坏自然界的水平衡 导导致环环境退化 修建水库 利用地表
13、水灌溉 跨流域调水等 都会使地下水 获获得比天然条件下更多的补给补给 当这这种补给补给 超过过一定限度时时 就会引起环环境问题问题 如次生盐碱化 沼泽化 斜坡破坏效 应 地基失效等 1 次生沼泽化 过过量补补充地下水引起水位上升 平原或盆地区的地下水位上 升 使其毛细饱细饱 和带带达到或接近地表时时 便引起土壤的次生 沼泽泽化 致使原有的农业农业 生产产受到影响 毛细细水上升还还会造 成道路和建筑物的地基软软化 使地基失效 2 次生盐碱化 在干旱和半干旱的平原盆地区 地下水位上升后 因蒸 发浓缩作用加强 引起土壤盐化和地下水咸化 例如 我国50年代后期 华北平原区的地表水大量拦拦蓄和过过度 灌
14、溉溉曾引发发了严严重的土壤次生盐碱化 3 斜坡破坏效应 过过度补补充地下水致使地下水位上升 也会破坏岩土力学 平衡 如果这这种变变化发发生在斜坡地带时带时 因孔隙水压压力 的增大 往往导导致斜坡的变形或破坏 崩塌 滑坡 孔 隙水压压力的这这种影响也是雨季引发发滑坡 水库库和河流塌 岸的主要原因之一 4 水库诱发地震 水库诱发地震最早发生于1931年的希腊马拉松水库 震级 为5级 目前为止 全球共发生了100余次水库诱发地震 其中有两 例地震对大坝局部地段造成损害 一例是我国广东省的新丰 江水库发生过里氏6 1级地震 另一例是印度的柯依纳水库 发生过里氏6 5级地震 数百人在地震中丧生 成千人受
15、伤 坝体建筑和发电设施受到不同程度的破坏 但经过抗震加 固处理后 这两座水库到现在仍在安全运行 全世界目前还没有发生过因水库诱发地震而使大坝垮塌的 水库诱发地震的成因 水库诱发地震的地区一般具有以下特点 大都发生在坚硬岩石地区 岩石有良好的储能条件 地震都发生于新构造运动明显的地区 地震区均有良好的渗透条件 水库蓄水后 厚层水体的静压改变了地下岩石的应力状态 加上水库里的水沿岩石裂隙 孔隙和空洞渗透到岩石中 起 着润滑剂的作用 从而导致岩层滑动或断裂引起地震 例如广东省河源市的新丰江水库 1959年开始蓄水 1962年 3月19日发生了6 1级 一说6 4级 的强震 对大坝的局部地段 造成了损
16、害 8 2 地下水污染 地下水污染是世界上许多国家在地下水开发利用过程中面临 的一个严重问题 它是全球性日趋严重的环境污染问题的一 个重要组成部分 2002年新一轮全国地下水资源评价结果显示 目前全国约有 一半城市市区的地下水污染比较严重 其中尤为严重的是包 头 长春 郑州 鞍山 太原 沈阳 哈尔滨 北京 西安 兰州等大城市 主要污染组分为氢氮 硝基化合物 酚 矿化度 总硬度 铁 锰 重金属等 主要污染源为工业和 生活污染 局部农业区地下水也受到污染 主要分布在城近 郊区的污水灌溉区 也有的是农药和化肥的污染 一 我国地下水污染的特征 我国地下水污染主要有以下几个特征 1 许多天然地下水中不存在的有机化合物 如各种合 成染料 去污剂 洗涤剂 溶剂 油类以及有机农药 等 出现在地下水中 2 天然地下水中含量极微的毒性元素 汞 铬 镉 砷 铅及某些放射性元素 大量的进入了地下水中 3 各种细菌 病毒在地下水体中大量繁殖 远远超出 饮用水质标准 4 地下水的硬度 矿化度 酸度和某些单项的常规离 子含量不断上升 以致超过使用标准 二 地下水污染物的来源 1 工业 大量排放的废气 废水 废渣及矿
