bu2工學(xué)第八章地下水與環(huán)境保護(hù)

1、第八章 地下水與環(huán)境保護(hù)地下水廣泛分布于地殼中，與巖石圈、大氣圈、水圈與生物圈有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。地下水流動(dòng)易變，是多個(gè)動(dòng)平衡系統(tǒng)的組成部分：地下水與大氣水、地表水構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng)；地下水與巖土共同構(gòu)成力學(xué)平衡系統(tǒng)；地下水自身形成一個(gè)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的滲流場(chǎng)。人類活動(dòng)使某一范圍內(nèi)地下水的數(shù)量與能量發(fā)生明顯變化時(shí)，地下水參與的水循環(huán)平衡、巖土力學(xué)平衡與地下水滲流平衡均遭受破壞，從而產(chǎn)生一系列連鎖反應(yīng)，即環(huán)境系統(tǒng)的相應(yīng)改變。人類開(kāi)發(fā)利用地下水產(chǎn)生的環(huán)境干擾，可分為有利于人類的影響()和不利于入類的影響(負(fù)效應(yīng))，這里我們重點(diǎn)是討論后者。18-1 不合理的地下水采灌引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題一、過(guò)度抽取地下水引起

2、的環(huán)境問(wèn)題地下水資源在我國(guó)水資源中占有舉足輕重的地位，由于其分布廣、水質(zhì)好、不易被污染、調(diào)蓄能力強(qiáng)、供水保證程度高等，正被越來(lái)越廣泛地開(kāi)發(fā)利用。尤其在中國(guó)北方的許多干旱半干旱地區(qū)，地下水成為重要的甚至是唯一的水源。隨著地下水開(kāi)采量的不斷增加，帶來(lái)了一系列的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，如區(qū)域地下水位持續(xù)下降；地面沉降、塌陷、地裂縫；荒漠化；海水入侵等。2(一)區(qū)域地下水位持續(xù)下降2002年新一輪全國(guó)地下水資源評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，全國(guó)已形成區(qū)域地下水降落漏斗一百多個(gè)。華北平原的深層地下水已形成了跨冀、京、津、魯?shù)膮^(qū)域地下水降落漏斗，有近7萬(wàn)km2的區(qū)域地下水位低于海平面。1.區(qū)域地下水位持續(xù)下降產(chǎn)生的原因現(xiàn)在世界上許

3、多國(guó)家和地區(qū)，都存在著不同程度的區(qū)域地下水位持續(xù)下降問(wèn)題。分析其產(chǎn)生的原因，可歸結(jié)為以下三方面。3過(guò)量開(kāi)采：是產(chǎn)生區(qū)域地下水位持續(xù)下降的主要原因。 不合理開(kāi)采：主要是指開(kāi)采地段，開(kāi)采層次和時(shí)間上的三集中方式以及開(kāi)采管理上的無(wú)政府狀態(tài)。 地下水補(bǔ)給量減少：主要是由于地表水體的減少和生態(tài)環(huán)境惡化所致。另外，隨著市政建設(shè)的發(fā)展，城市綠地、空地面積不斷減少，建筑和硬化面積不斷增加，城市排水體系的不斷完善等等因素也在一定程度上影響了大氣降水對(duì)地下水的入滲補(bǔ)給。42.區(qū)域地下水位持續(xù)下降的危害致使取水工程的出水量不斷減少，有時(shí)不得不更換抽水設(shè)備，甚至使水井報(bào)廢，增加了抽水成本。對(duì)農(nóng)灌井的影響尤其明顯。引發(fā)

4、了地面沉降、地裂縫、地面塌陷等嚴(yán)重的環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題。在一些沿海地區(qū)，由于區(qū)域地下水位的大幅度下降，還引起海水入侵，開(kāi)采含水層水質(zhì)惡化。大連市20世紀(jì)70年代后，由于大量超采地下水，致使地下水位較60年代降低了1040m，引起了海水入侵。 致使一些著名的大泉干枯，破壞了以泉源為特點(diǎn)的旅游資源。如我國(guó)北方著名的濟(jì)南趵突泉、河南輝縣百泉、太原晉祠泉等。53.區(qū)域地下水位下降的防治措施關(guān)閉某些水源地或減少開(kāi)采井?dāng)?shù)，把開(kāi)采量壓縮到地下水補(bǔ)給量所允許的范圍內(nèi)。這是在沒(méi)有條件施行地下水人工補(bǔ)給的地區(qū)，防治地下水位持續(xù)下降的消極辦法。調(diào)整開(kāi)采布局。加強(qiáng)地下水管理，建立合理的開(kāi)采制度。例如為了防止過(guò)量開(kāi)采和集

5、中開(kāi)采，可作出一些限制水位降深、開(kāi)采量、開(kāi)采時(shí)間、井間距離的規(guī)定。進(jìn)行地下水人工補(bǔ)給，以增加地下水總的可開(kāi)采量。這是目前世界各國(guó)防止區(qū)域地下水位下降，擴(kuò)大地下水資源開(kāi)采量的一項(xiàng)最積極措施。建立和健全地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng)，加強(qiáng)水情監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，做到盡可能早的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)采取防患補(bǔ)救措施。 6(二)地面沉降、地裂縫、地面塌陷1.地面沉降地面沉降是指在人類工程活動(dòng)的影響下，由于地下松散地層固結(jié)壓縮，導(dǎo)致地殼表面標(biāo)高降低的一種災(zāi)害性工程地質(zhì)現(xiàn)象。地面沉降主要是由于過(guò)量抽取地下水造成，世界各國(guó)均有發(fā)生。我國(guó)已經(jīng)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)有46座城市發(fā)生了不同程度的地面沉降，面積接近5萬(wàn)km2。較嚴(yán)重的城市有上海、天津、北京、

6、西安、太原等，上海市從1921年至今累積沉降量近3m。7地面沉降的危害a.使城市堤防標(biāo)高降低，造成防洪、抗風(fēng)暴潮能力的降低。b.建筑地基變形加劇，進(jìn)而破壞建筑物。c.破壞城市地下公共設(shè)施，如排水、輸水管道，供熱管道，地鐵等。d.造成沿海城市地面標(biāo)高降低，隨之而來(lái)的是海水入侵；土壤的次生鹽漬化、沼澤化；甚至城市將有被海水淹沒(méi)的危險(xiǎn)。e.影響排水，造成市區(qū)雨后積水。8產(chǎn)生地面沉降的原因a.大量開(kāi)采地下水、氣體或液體礦產(chǎn)資源。這些資源均儲(chǔ)存于地下巖層的空隙中，當(dāng)被抽取或開(kāi)采后，在地層上部載荷(建筑物重力和地層自重壓力)的壓力作用下，這些空隙將被壓縮，從而引發(fā)地面變形或沉降。這是產(chǎn)生地面沉降的最主要原

7、因。b.開(kāi)采地下固體礦產(chǎn)，特別是沉積礦床，如煤、鐵等，將形成大面積的地下采空區(qū)，導(dǎo)致地面變形下沉。c.一些大型的工程建筑物對(duì)地基施加的巨大靜荷載，使地基土體發(fā)生變形。d.即使是在低荷載的持續(xù)作用下，土體的蠕變也可引起地基土的緩慢變形。地面上的動(dòng)荷載(振動(dòng)作用)在一定條件下也將引起土體的壓密變形。9防治措施a.減少地下水開(kāi)采量：這是最行之有效的措施。如天津市逐步減少對(duì)地下水的過(guò)量開(kāi)采，市區(qū)沉降量從1985年的86mm減至1988年的24mm。b.加強(qiáng)地下水開(kāi)采的管理：例如減少和調(diào)整某些地段和某些層位的開(kāi)采量，建立合理的開(kāi)采制度，調(diào)整開(kāi)采布局等。可對(duì)地面沉降有一定的緩和作用，是一種輔助性措施。c.

8、人工回灌：用人工灌水的方法補(bǔ)充地下水量，以提高地下水位，達(dá)到緩和沉降速率的效果。但要注意回灌用水的水質(zhì)必須符合國(guó)家的有關(guān)法律法規(guī)，否則會(huì)造成地下水的污染。102.地裂縫地裂縫是地表巖、土體在自然或人為因素作用下，產(chǎn)生開(kāi)裂，并在地面形成一定長(zhǎng)度和寬度的裂縫的一種地質(zhì)現(xiàn)象。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生在有人類活動(dòng)的地區(qū)時(shí)，便可成為一種地質(zhì)災(zāi)害。地裂縫廣泛分布于我國(guó)各地，數(shù)量眾多。僅河北、河南、陜西、山西、山東、江蘇、安徽七省的不完全統(tǒng)計(jì)，已有200個(gè)縣市發(fā)現(xiàn)地裂縫700多處。在城市中，地裂縫災(zāi)害比較嚴(yán)重的有西安、大同、保定、淄博等，其中以西安最為典型和嚴(yán)重。地裂縫穿越民居、廠礦、農(nóng)田，橫切道路、管道及各種公共設(shè)

9、施，致使建筑物破損、農(nóng)田毀壞、道路變形、管道破裂、嚴(yán)重影響了人民生活、廠礦生產(chǎn)和安全。地裂縫每年造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元之巨。113.地面塌陷地面塌陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下，向下陷落，并在地面形成塌陷坑(洞)的一種地質(zhì)現(xiàn)象。地面塌陷分為自然塌陷和人為塌陷兩大類。自然塌陷是指地表巖土體由于自然因素作用，向下陷落而成，如巖溶塌陷、黃土塌陷、凍土塌陷、地震塌陷等；人為塌陷是由于人為作用導(dǎo)致的地面塌陷，如大量抽取巖溶水、礦山采空等。12(三)荒漠化1992年世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)上通過(guò)的荒漠化定義是“氣候和人類活動(dòng)等各種因素造成的干旱、半干旱和亞濕潤(rùn)地區(qū)的土地退化”。早在人類出現(xiàn)以前地球上就

10、有沙漠。但是，荒涼的沙漠和豐腴的草原之間并沒(méi)有什么不可逾越的界線。有了水沙漠上可以長(zhǎng)起茂盛的植物，成為生機(jī)盎然的綠洲；而綠地如果沒(méi)有了水和植物，也可以很快退化為一片沙漠。人們?yōu)榱双@得更多的生存所需，肆意砍樹割草；無(wú)節(jié)制地開(kāi)荒種地、放牧、抽取廉價(jià)的地下水等。13過(guò)度抽取地下水使得地下水位不斷降低，造成植被的大量死亡。植被的大量死亡又使得降水量更加減少，水土流失進(jìn)一步加劇，風(fēng)力更大，這就使可耕牧的土地，變成了不宜放牧和耕種的荒漠化土地。我國(guó)的荒漠化形勢(shì)十分嚴(yán)峻。根據(jù)1998年國(guó)家林業(yè)局防治荒漠化辦公室等政府部門公布的材料，我國(guó)是世界上荒漠化嚴(yán)重的國(guó)家之一。根據(jù)全國(guó)沙漠、戈壁和沙化土地普查及荒漠化調(diào)

11、研結(jié)果，我國(guó)荒漠化土地面積262.2萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的27.4，近4億人口受到荒漠化的影響。據(jù)中、美、加國(guó)際合作項(xiàng)目研究，中國(guó)因荒漠化造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約為541億人民幣。14土地的沙化給大風(fēng)起沙制造了物質(zhì)源泉。因此我國(guó)北方地區(qū)沙塵暴發(fā)生越來(lái)越頻繁，且強(qiáng)度大，范圍廣。1993年5月5日新疆、甘肅、寧夏先后發(fā)生強(qiáng)沙塵暴，造成116人死亡或失蹤，264人受傷，損失牲畜幾萬(wàn)頭，農(nóng)作物受災(zāi)面積33.7萬(wàn)hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失5.4億元。1998年4月15-21日，自西向東發(fā)生了一場(chǎng)席卷我國(guó)干旱、半干旱和亞濕潤(rùn)地區(qū)的強(qiáng)沙塵暴，途經(jīng)新疆、甘肅、寧夏、陜西、內(nèi)蒙古、河北和山西西部。4月16日飄浮在高空的塵

12、土在京津和長(zhǎng)江下游以北地區(qū)沉降，形成大面積浮塵天氣。其中北京、濟(jì)南等地因浮塵與降雨云系相遇，于是“泥雨”從天而降。寧夏銀川因連續(xù)下沙子，飛機(jī)停飛，人們連呼吸都覺(jué)得困難?？梢灶A(yù)見(jiàn)，如果我們不采取措施，在不久的將來(lái)，我國(guó)的西北甚至是北方，伴隨荒漠化的加劇，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將無(wú)以為繼。15二、過(guò)量補(bǔ)充地下水引起的環(huán)境問(wèn)題不僅過(guò)度抽取地下水會(huì)引起環(huán)境退化，過(guò)量補(bǔ)充地下水也會(huì)破壞自然界的水平衡，導(dǎo)致環(huán)境退化。修建水庫(kù)、利用地表水灌溉、跨流域調(diào)水等，都會(huì)使地下水獲得比天然條件下更多的補(bǔ)給，當(dāng)這種補(bǔ)給超過(guò)一定限度時(shí)，就會(huì)引起環(huán)境問(wèn)題。如次生鹽堿化、沼澤化，斜坡破壞效應(yīng)、地基失效等。1.次生沼澤化過(guò)量補(bǔ)充地下水引起水

13、位上升。平原或盆地區(qū)的地下水位上升，使其毛細(xì)飽和帶達(dá)到或接近地表時(shí)，便引起土壤的次生沼澤化，致使原有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到影響。毛細(xì)水上升還會(huì)造成道路和建筑物的地基軟化，使地基失效。162.次生鹽堿化在干旱和半干旱的平原盆地區(qū)，地下水位上升后，因蒸發(fā)濃縮作用加強(qiáng)，引起土壤鹽化和地下水咸化。例如，我國(guó)50年代后期，華北平原區(qū)的地表水大量攔蓄和過(guò)度灌溉曾引發(fā)了嚴(yán)重的土壤次生鹽堿化。3.斜坡破壞效應(yīng)過(guò)度補(bǔ)充地下水致使地下水位上升，也會(huì)破壞巖土力學(xué)平衡。如果這種變化發(fā)生在斜坡地帶時(shí)，因孔隙水壓力的增大，往往導(dǎo)致斜坡的變形或破壞(崩塌、滑坡)。孔隙水壓力的這種影響也是雨季引發(fā)滑坡、水庫(kù)和河流塌岸的主要原因之一。

14、174.水庫(kù)誘發(fā)地震水庫(kù)誘發(fā)地震最早發(fā)生于1931年的希臘馬拉松水庫(kù)，震級(jí)為5級(jí)。目前為止，全球共發(fā)生了100余次水庫(kù)誘發(fā)地震，其中有兩例地震對(duì)大壩局部地段造成損害。一例是我國(guó)廣東省的新豐江水庫(kù)發(fā)生過(guò)里氏6.1級(jí)地震，另一例是印度的柯依納水庫(kù)發(fā)生過(guò)里氏6.5級(jí)地震，數(shù)百人在地震中喪生，成千人受傷，壩體建筑和發(fā)電設(shè)施受到不同程度的破壞。但經(jīng)過(guò)抗震加固處理后，這兩座水庫(kù)到現(xiàn)在仍在安全運(yùn)行。全世界目前還沒(méi)有發(fā)生過(guò)因水庫(kù)誘發(fā)地震而使大壩垮塌的。18水庫(kù)誘發(fā)地震的成因水庫(kù)誘發(fā)地震的地區(qū)一般具有以下特點(diǎn)：大都發(fā)生在堅(jiān)硬巖石地區(qū)，巖石有良好的儲(chǔ)能條件；地震都發(fā)生于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)明顯的地區(qū)；地震區(qū)均有良好的滲透條

15、件。水庫(kù)蓄水后，厚層水體的靜壓改變了地下巖石的應(yīng)力狀態(tài)，加上水庫(kù)里的水沿巖石裂隙、孔隙和空洞滲透到巖石中，起著潤(rùn)滑劑的作用，從而導(dǎo)致巖層滑動(dòng)或斷裂引起地震。例如廣東省河源市的新豐江水庫(kù)，1959年開(kāi)始蓄水，1962年3月19日發(fā)生了6.1級(jí)(一說(shuō)6.4級(jí))的強(qiáng)震，對(duì)大壩的局部地段造成了損害。198-2 地下水污染地下水污染是世界上許多國(guó)家在地下水開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中面臨的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，它是全球性日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題的一個(gè)重要組成部分。2002年新一輪全國(guó)地下水資源評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，目前全國(guó)約有一半城市市區(qū)的地下水污染比較嚴(yán)重，其中尤為嚴(yán)重的是包頭、長(zhǎng)春、鄭州、鞍山、太原、沈陽(yáng)、哈爾濱、北京、西安、蘭州

16、等大城市。主要污染組分為氫氮硝基化合物、酚、礦化度、總硬度、鐵、錳、重金屬等。主要污染源為工業(yè)和生活污染，局部農(nóng)業(yè)區(qū)地下水也受到污染，主要分布在城近郊區(qū)的污水灌溉區(qū)，也有的是農(nóng)藥和化肥的污染。20一、我國(guó)地下水污染的特征我國(guó)地下水污染主要有以下幾個(gè)特征：1.許多天然地下水中不存在的有機(jī)化合物，如各種合成染料(去污劑、洗滌劑、溶劑、油類以及有機(jī)農(nóng)藥等)出現(xiàn)在地下水中；2.天然地下水中含量極微的毒性元素(汞，鉻、鎘，砷、鉛及某些放射性元素)大量的進(jìn)入了地下水中。3.各種細(xì)菌、病毒在地下水體中大量繁殖，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。4.地下水的硬度、礦化度、酸度和某些單項(xiàng)的常規(guī)離子含量不斷上升，以致超過(guò)使用

17、標(biāo)準(zhǔn)。21二、地下水污染物的來(lái)源1.工業(yè)：大量排放的廢氣、廢水、廢渣及礦井排水滲入造成地下水污染。尤其是某些石油化工企業(yè)排放的污水中含有大量的汞、鉻、砷、酚、苯及氰化物等有毒有害物質(zhì)，是造成地下水污染的最主要原因。2.生活垃圾：我國(guó)垃圾的處理方式主要是采用露天堆放、自然填溝和填坑等，在雨水淋溶的長(zhǎng)期作用下，垃圾中的有害物質(zhì)隨下滲水進(jìn)入到地下水中，對(duì)地下水水質(zhì)造成了現(xiàn)實(shí)影響和潛在危害。3.農(nóng)業(yè)：主要是引污水灌溉造成了地下水污染。其次，農(nóng)藥及化肥的大量使用也是重要污染源。另外，一些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)也成了地下水的點(diǎn)狀污染源，如糞堆、農(nóng)場(chǎng)污水、廢棄物、消毒水等。22三、地下水污染的危害地下水污染嚴(yán)重降低了

18、地下水資源的使用價(jià)值，給人類社會(huì)帶來(lái)了種種嚴(yán)重后果，概括起來(lái)有以下幾個(gè)方面：1.有損于人體健康，以致造成殘疾和死亡；2.損害了工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量；3.使農(nóng)作物減產(chǎn)和土地鹽化；4.減少了地下水可采資源的數(shù)量，甚至使整個(gè)水源地廢棄；5.為處理水質(zhì)，增加了水的單位成本。23四、地下水污染的防治措施地下水是水循環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)。因此，防治地下水污染的措施應(yīng)該是全面的、綜合的，必須標(biāo)本兼治、多種措施并舉。1.貫徹“預(yù)防為主”的方針在預(yù)防上投入足夠的人力、財(cái)力、物力是合算的，因?yàn)槲廴景l(fā)生后再去治理將付出巨大的代價(jià)。2.防治地下水污染的管理措施建立、健全并嚴(yán)格實(shí)施有關(guān)防止地下水污染的法律、法令和條例；按環(huán)境容量對(duì)工

19、礦企業(yè)的污水排放，實(shí)行“總量控制”和“有害物質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)”的控制；24建立和健全統(tǒng)一的水資源管理和水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，并賦予它們法律上的權(quán)力；建立地下水源地的衛(wèi)生防護(hù)帶。 3.防治地下水污染的技術(shù)措施治理污染源興建污水處理廠，大力推進(jìn)水的重復(fù)利用和污水資源化。采取技術(shù)措施，防止劣質(zhì)水入侵開(kāi)采含水層。例如：為防止海水入侵，可采用補(bǔ)給水丘法、抽水槽法 、水丘水槽結(jié)合法和地下?lián)跛畨Ψǖ却胧?5補(bǔ)給水丘 抽水槽26水丘水槽結(jié)合法27五、地下水污染治理技術(shù)地下水污染治理技術(shù)歸納起來(lái)主要有：物理處理法、水動(dòng)力控制法、抽出處理法、原位處理法等。(一)物理法：用物理的手段對(duì)受污染地下水進(jìn)行治理的一種方法，又可分為屏

20、蔽法、被動(dòng)收集法。(二)水動(dòng)力控制法：水動(dòng)力控制法是利用井群系統(tǒng)，通過(guò)抽水或向含水層注水，人為地改變地下水的水力梯度，從而將受污染水體與清潔水體分隔開(kāi)來(lái)。水動(dòng)力控制法一般用作一種臨時(shí)性的控制方法，在地下水污染治理的初期用于防止污染物的擴(kuò)散蔓延。(三)抽出處理法：是當(dāng)前應(yīng)用很普遍的一種方法，可根據(jù)污染物類型和處理費(fèi)用來(lái)選用，大致可分為三類：1.物理法，有吸附法、重力分離法、過(guò)濾法、反滲透法、氣吹法和焚燒法等。2.化學(xué)法，包括混凝沉淀法、氧化還原法、離子交換法和中和法等。3.生物法，有活性污泥法、生物膜法、厭氧消化法等。 284.原位處理法：是當(dāng)前地下水污染治理技術(shù)研究的熱點(diǎn)，不但處理費(fèi)用相對(duì)節(jié)省

21、，而且還可減少地表處理設(shè)施，最大程度地減少污染物的暴露，減少對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)，是一種很有前景的地下水污染治理技術(shù)。包括物理化學(xué)處理法及生物處理法。物理化學(xué)處理法a.加藥法：通過(guò)井群系統(tǒng)向受污染水體灌注化學(xué)藥劑，如灌注中和劑以中和酸性或堿性滲濾液，添加氧化劑降解有機(jī)物或使無(wú)機(jī)化合物形成沉淀等。b.滲透性處理床：滲透性處理床主要適用于較薄、較淺含水層，一般用于填埋滲濾液的無(wú)害化處理。c.土壤改性法：利用土壤中的粘土層，通過(guò)注射井在原位注入表面活性劑及有機(jī)改性物質(zhì)，使土壤中的粘土轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)粘土。經(jīng)改性后形成的有機(jī)粘土能有效地吸附地下水中的有機(jī)污染物。d.沖洗法：對(duì)于有機(jī)烴類污染，可用空氣沖洗，即將空氣注入到受污染區(qū)域底部，空氣在