地下水开发中主要环境地质问题分析及对策.docx

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地下水开发中主要环境地质问题分析及对策

地下水开发中主要环境地质问题分析及对策

1.引言

地下水是一种宝贵的自然资源,，又是环境构成的基本要素。

它是自然界水循环的重要组成部分，是人类赖以生存和社会发展的重要基础，与人类活动和生存息息相关。

当前人类开发利用地下水资源，一方面满足了自身物质文明的需要，另一方面又在改变和破坏自然环境的平衡。

随着生产的发展，这种开发利用地下水资源而引起环境恶化的问题将日益严重。

如区域地下水位下降、地下水资源枯竭、地下水水质恶化、海水入侵、地面沉降、地面裂缝和地面塌陷等，不仅严重影响国民经济的发展，而且危及人类自身的生存。

与此同时，地下水与其周围介质的物理化学作用过程十分复杂，其进程往往十分隐蔽和缓慢，以上不良环境问题，既不容易及早发现，又难以在较短时间内治理奏效。

为此，怎样合理开发利用地下水资源及其保护自然环境，既是地质科学研究的重大课题，也是当前人们所关注的社会问题。

2.地下水开发利用中的问题

2.1区域地下水位下降问题

由于我国经济建设的快速发展，人们对水的需求日益增加，地下水资源因缺乏有效管理、无节制地长期过量开采，造成地下水位区域性下降。

此外，在干旱地区，由于地下水与地表水联系密切，当地下水资源过量开采时，就会造成区域地下水位大幅度下降，地表水消失，包气带增厚，草场、土地退化和沙化，导致绿洲面积减少。

解决办法可通过调整开采含水层层次，控制开采量和进行人工回灌等措施，使水位回升。

2.2地下水水质恶化

随着经济的高速发展和城市人口的急剧膨胀，近些年由于工业及生活废水大量不合理的排放，而治理设施跟不上发展要求，从而导致城市地下水遭到不同程度的污染。

与此同时过量开采地下水，致使地下水动力场和水化学场发生改变，也会造成地下水某些物理化学组分如微生物含量增加，而引起水质恶化。

2.3海水入侵

在近海（或干旱内陆）地区取水，由于过量开采地下水而改变其水动力条件，造成地下水位过分下降，常常会带来海水（咸水）入侵，使水质污染，这种事例在国内外屡见不鲜。

2.4地下水资源枯竭

在地下水实际开发过程中，当单井的抽水量大于其出水能力，整个井场的开采量超过了水源地可能的补给保证时，开采区的动水位将大幅度下降。

这种过量开采的初期将会出现少数水井的吊泵及枯井（超过设计降深），最终将导致整个水源地疏干，造成地下水资源枯竭。

2.5地面沉降

地面沉降指在自然或人为超强度开采地下流体（地下水、天然气、石油等）等造成地表土体压缩而出现的大面积地面标高降低的现象。

地面沉降通常产生在大陆沉积物比较发育的地区，如大河下游的近海冲积平原或在巨厚松散沉积物发育的大型盆地。

由于这些地区的城市规模巨大，工农业集中，大量开采地下水使地下水压力降低，松散沉积物被压缩，即地下水与沉积物的压力失调，从而产生了地面沉降。

据不完全测定，全国已陆续发现具有不同程度的区域性地面沉降的城市有30多座，包括西安、上海、天津、太原、无锡、嘉兴、宁波、常州等。

如西安市用水主要开采深100～300m的承压水，1972年至1983年，最大累计沉降量777毫米，平均每年30～50mm的沉降中心有5处。

到1989年最大累计沉降量已达1.51m，沉降量100mm的范围达200km²。

上海市自1860年开凿第一口深井开采地下水以来，至今已增至1100多眼，日开采地下水量达到65万t，因此，在市区及近郊已形成地下水面降落区，中心水位最大降深在海平面以下30～40m，在地面也形成了与地下水面降落区相似的碟形沉降洼地，最大的沉降量为2.63m。

这些都与地下水开采量有直接的对应关系。

地面沉降具有成生缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防止难度大的特点。

而我国城市地面沉降的最主要原因是城市发展对地下水的长期超强度的开采，将含水层和相邻非含水层中空隙水压力减少，土的有效应力增大，产生压缩沉降。

因此，加强城市地下水资源管理的力度，是遏制城市地面沉降发展的有效途径。

为了做好地面沉降的防治工作，应搞好规划，精心设计、精心施工，并设置区域性的观测网，对开采量、水位及地面标高进行长期的系统监测。

2.6地面塌陷

地面塌陷是隐伏的岩溶洞穴，在第四纪土层覆盖以后，在自然或人为活动的作用下产生的塌陷现象。

地面塌陷有岩溶塌陷和非岩溶塌陷两种。

截止1999年统计，全国有24个省发现岩溶塌陷，其中以桂、湘、川、赣、滇、鄂等省最为发育；25个城市有岩溶塌陷发育，其中包括贵阳、昆明、杭州、武汉、南京、南宁六个省会城市。

岩溶塌陷点达800处以上，塌陷坑总数超过3万个，给建筑物和生命线工程造成了严重威胁。

如1988年4月河北省秦皇岛市柳江水源地塌陷，面积达34万m²，出现塌坑286个，最大直径12m，深7.8m；1988年5月武汉市陆家街塌陷，黑龙江七台河市塌陷等等，都是由于过量开采地下水、地下土质疏松、地下溶洞塌陷等原因而发生的，造成了很大的损失。

非岩溶塌陷，主要是矿山采空和煤层自然引起的地面塌陷。

如安徽铜陵铜矿区，山西平朔煤矿区、大同煤矿区，宁夏中卫南煤矿区、石咀山煤矿区等。

安徽省铜陵市铜矿区，曾因抽排地下水，使市区20多万平方米内出现地面塌陷，陷坑直径数米，深不见底，陷坑周围地裂缝断断续续长达200多米，导致1000多户人家的5万多平方米房屋受到破坏，地下供水、供气、排水管道也遭受破坏。

岩溶塌陷受控于岩性、构造、岩溶发育状况、上覆第四纪松散层性质、厚度和水动力条件等。

而隐伏岩溶的发育是形成岩溶塌陷的基础，而人类过度抽、排岩溶区地下水是导致塌陷的根本因素。

2.7地面裂缝

自20世纪60年代起，我国先后在一些地区发生了地面裂缝问题，如西安、兰州、大同、太原、泰安、沧州、青岛等200多个县市相继发现地裂缝757处，最严重的西安市年经济损失数亿元。

西安市区有七条明显的地裂缝和三条隐藏的地裂缝，总体走向NE70º，呈雁行排列，裂口上宽下窄，可见深度达11m，范围达110km²。

从地裂缝的走向、形态来看，与西安-----临潼断裂一致，说明构造活动是地裂缝发育的基础。

从近期大量抽汲地下水，造成地下水位下降，并与地裂缝快速发展在时间上的吻合来分析，抽汲地下水是地裂缝发生和发展的直接诱因。

3.对策与建议

综上所述，地下水资源不合理利用是造成水环境问题的主要原因。

切实解决好地下水资源开发利用与水环境保护的矛盾与问题，是我国面临的一项长期而艰巨的任务。

3.1在政策和法规上

　　行政管理方面,建立统一的地下水资源管理机构,实行规划开发,统一合理调度,如在市区内逐步停止自采井,统一调度使用城市供水；培养一批地下水资源监测、科研队伍,加强对事故处理的能力,同时为科学管理提供依据，建立完备的应急预案、水质监测、预警监控体系和严格的监管制度。

在资金支持上,完善投入补偿机制。

要加大对饮用水水源保护区的投入,研究制定优惠政策,多方筹集资金,用于饮用水水源地环境保护工作。

法制管理方面,认真贯彻国家有关地下水资源管理的方针、政策及法规,制定符合地方实际情况的地下水管理条例,加强地下水资源环境保护与节约用水的宣传教育。

3.2在地下水开采管理上

　　根据地下水超采造成危害的程度的预测评估,并考虑地下水资源的恢复、补给能力,将地下水开采管理划分为禁采区、限采区和控采区或不同的保护区,进行分区开采。

深层地下水和浅层严重超采区实行禁采政策,如市区内、长期农业灌溉的严重超采区;浅层地下水一般超采区、已引发地质灾害地区和受污染地区,并具有一定的补给及恢复能力的地区实行限采政策;轻微超采区实行控制开采,实现采补平衡。

并通过适当调整不同地区的水资源费来协助施行分区管理的政策。

　　进一步完善地下水动态监测网络和地面沉降的检测,改进监测手段,如采用GPS技术,实现CPS监测与分层监测标组监测自动化,提高监测成果的时效性和服务水平。

从而及时掌握地下水开采与地面沉降动态情况,适时调整地下水开采计划,实现地下水资源的动态管理,所得数据对科研工作也具有重要意义。

　　充分利用雨水灌溉,开展人工增雨作业,增设人工增雨作业点,灌溉季节增加有效降雨,工业生产和民用中尽量多的利用中水,据有关资料统计,城市供水的80%转化为污水,经收集处理后,其中70%的再生水可以再次循环使用。

合理利用中水、雨水,减少地下水的开采量,以恢复和养蓄地下水,改善水文地质环境。

　　此外,还可以加强生态治理、加强地下水污染治理,通过拦蓄工程、湿地工程等,提升水体自我降解和生物降解能力。

3.3在地下水超采造成的各种地质问题防治方法研究上

　　在第七届国际地面沉降学术研讨会（2005）上,国土资源部副部长貟小苏讲话:

“各个地区都根据自身实际,开展了深入和系统的地面沉降防治工作,并逐步形成和推进了区域联动。

其中以上海、江苏、浙江为主体的长江三角洲地区;以北京、天津、河北等地为主的华北平原地区;以西安、太原为代表的构造盆地地区,其地面沉降监测、防治与研究都取得显著的成效”。

在测量学上应加强对城市大范围进行地表沉降测量的研究,结合水文数据,对地下水超采形成地面沉降的研究工作具有重大意义。

恢复养蓄地下水

　　因地制宜开展地下水人工回灌。

人工回灌是防治地面沉降的有效手段之一,且方法简单,并能起到蓄水储能的综合效果,但需水量大。

应积极创造条件,在保证水质的前提下,进行回灌。

各含水层组之间水力联系较好的地区,具有接受大气降雨入渗与河水补给的特点,建设引雨回灌工程,利用雨洪资源渗漏回补地下水。

采取的措施有:

在供水井与海水之间打一排井,利用抽水造成水位低槽,或用注水方法形成水力屏障;在有利地质条件下,也可修建地下防水堤,这些方法,均可起到防止海水入侵的效果。

应加强对这些工程地质方法在处理海水入侵中的研究。

4.结语

地下水资源研究是一门跨领域、多学科的综合研究，地下水资源的有效治理，需要不同地区、不同部门、不同专业协调一致的共同努力。

只有相关领域在地下水资源控制问题上的相互沟通、交流和借鉴，提高综合学术水平、技术能力和管理水平，才能推动我国地下水资源问题的科学治理。

随着水资源统一管理的不断完善，水务体制改革的进一步加强，水资源管理部门应该为控制地下水资源有更多地作为。

地下水资源评价方法

1.地下水资源评价概述

地下水资源是指在一定期限内，能提供给人类使用的，且能逐年得到恢复的地下淡水量。

是水资源的组成部分。

通常以地面入渗补给量（包括天然补给量和开采补给量）计算其数量。

因此，地下水资源的开采一般不应超过补给量，否则会给环境带来危害，使生态条件恶化。

地下水根本来源，从长期均衡观点看，非静态地下水的储存量的根本来源是补给量。

前者是在补给量大于排泄量的情况下积累起来的。

当补给量持续超过排泄量时，则储存量终将达到它的极限值而使地下水溢出地表，沼泽化就是这样形成的；反之，最小储存量以上的地下水总有疏干之日。

大自然中现存的地下水，在未开采前，大多是处在补给量和排泄量周期性相互消长和储存量周期性波动的自然过程中。

　　开采量中稳定的部分来自补给量，不稳定的部分则来自于储存量。

地下水的开采,按其性质虽也属排泄,但开采量与排泄量有一个重要区别：

即排泄量因受地下水天然运动的制约，为补给量所控制，故其变化是有规律的，在天然条件下长期累积的排泄总量应等于补给总量；而开采量则不受地下水天然运动的制约，可人为地任意扩大，甚至疏干含水层，因此是地下水存在或消失的决定因素。

资源和储量的关系

2.地下水资源的基本概念

储存量就是当前储存在地下岩层中的水的总量。

它是在长期的补给和排泄作用下，逐渐在地层中储积起来的。

与其他流体矿藏不同，地下水的储存量经常处于流动中，但速度极为缓慢，甚至一年地下水流动不到一米远。

当补给和排泄处于平衡时，储存量的数量保持不变；而当补给呈周期性变化时，储存量则相应地呈周期变化。

储存量的大小，主要取决于含水层的分布面积与其充水和释水的体积百分比。

还与地下水的排泄类型和排泄基准面的高低有关。

在排泄基准面以下的储存量，即使断绝了补给源也能长期保存，故称之为最小储存量。

补给量通过不同途径进入含水层的水量（以单位时间体积计）。

补给量按补给性质分为天然补给量和开采补给量，按补给方向分有垂直补给量和水平补给量。

对含水层的补给，常见的途径有：

地下水径流的流入、降水的渗入、地表水的渗入、相邻含水层的补给和人工补给等。

可见补给量与气象、水文和人类活动的关系十分密切。

补给途径可以是天然条件下发生的，亦可以是在开采条件下诱发的。

天然补给量与开采补给量的主要区别在于后者是依靠人类的生产活动夺取的新的补给量。

补给量进入含水层后，一部分转化为储存量，滞留在含水层中；另一部分成为排泄量排出。

补给量既随补给条件的变化而改变，同时又随径流和排泄条件的变化而改变。

当补给条件和排泄条件变化不大时，含水层中的补给量才呈相对稳定状态。

补给量是含水层中重力水赖以存在的源泉。

排泄量通过溢出、蒸发等形式从含水层中排出的流量，虽然这一部分水量已脱离含水层而不再归属于地下水的范畴，但它主要来源于地下水的补给量，故可用以反推补给量。

当地下水动态稳定时，排泄量恰等于补给量，储存量不变。

当地下水的动态呈周期性变化时，则每一周期的补给量应等于排泄量和储存量的增量之和。

开采量通过井、渠从含水层中取出的流量。

开采地下水可改变地下水的天然流向，使部分排泄量改从井、渠中排出。

也可扩大地下水的消耗总量，有可能促使补给量增加。

例如在下渗和蒸发的补给排泄类型中，因开发将地下水位降低到极限蒸发深度之下，可使原来蒸发损失的地下水转化为开采量，而为人们所用。

又如在河水补给地下水的情况下，因开采而使原来的地下水位大幅度降低，促使河水更多地补给地下水。

当存在着这种相互影响时，地下水资源评价必须和地下水开采设计一起进行。

开采量又分稳定的和不稳定的两种，前者是指流量和水位均稳定不变，或仅作周期性的波动；后者是指流量或水位持续变小或下降情况下的开采量。

不引起地面沉降、地下水水质恶化或其他不良现象的稳定开采量称允许开采量。

3.地下水资源评价

在给出均衡期地下水位允许变幅值的条件下，将计算的均衡要素代入水量平衡方程式，计算均衡时段内的地下水开采量，用此量可分析评价地下水资源对用水的保证程度。

在一定的开采（涉及到布井方案、开采量、开采时间等）、补给和排泄条件下，计算均衡时段的地下水位变幅值，用该值可分析评价地下水资源开采的合理程度。

地下水资源评价和地下水资源计算（或地下水水量计算）是两个词义相近但在实质上又有区别的概念。

地下水资源计算，实际上就是选用某种公式，计算出某种类型水资源的数量。

而地下水资源评价，应该包括计算区水文地质模型的概化、水量计算模型的选取和水量计算、对计算结果可靠性的评价和允许开采资源级别的确定等一系列的内容。

目前使用的地下水资源计算方法种类繁多，从简单的水文地质比拟法到复杂的地下水数值模拟；从理论计算到实际抽水方法。

（常用的地下水资源计算方法有：

经验方法（水文地质比拟法）、Q-S曲线方程法、数值法、水均衡法、动态均衡法、解析法等。

地下水资源评价和地下水资源计算（或地下水水量计算）是两个词义相近但在实质上又有区别的概念。

地下水资源计算，实际上就是选用某种公式，计算出某种类型水资源的数量。

而地下水资源评价，应该包括计算区水文地质模型的概化、水量计算模型的选取和水量计算、对计算结果可靠性的评价和允许开采资源级别的确定等一系列的内容。

目前使用的地下水资源计算方法种类繁多，从简单的水文地质比拟法到复杂的地下水数值模拟；从理论计算到实际抽水方法。

常用的地下水资源计算方法有：

经验方法（水文地质比拟法）、Q-S曲线方程法、数值法、水均衡法、动态均衡法、解析法等。

一切不符合质量要求的地下水都不能作为水资源。

为了保障人民身体健康和工农业用水需要，很多国家已颁发统一的饮用水、工业用水及灌溉用水等的水质评价标准。

地下水质评价一般应分两部分：

①用取样分析化验的方法查清地下水的水质，对照水质标准评价其适用性；②若在水文地质勘察过程中发现水质已受污染或有受污染的可能，则应查清污染物质及其来源、污染途径与污染规律，在此基础上预测将来水质的变化趋势和对水源地的影响。

水质变化的预测，须通过由弥散方程、连续方程、运动方程和状态方程组成的数学模型，即弥散系统，用数值法解算出污染物质的浓度随时间和地点的变化，从而提出地下水资源的防护措施。

在岩土中赋存和运移的、质和量具有一定利用价值的水。

是地球水资源的一部分，与大气降水资源和地表水资源密切联系，互相转化。

地下水资源评价的方法按其所依据的理论可分为：

基于水量平衡原理的方法——水量平衡法。

基于数理统计原理的方法——相关分析法。

基于实际试验的方法——开采试验法。

基于地下水动力学原理的方法——解析法和数值法。

地下水资源是由地下水的储存量和补给量组成的，评价时还须考虑排泄量和开采量。

3.1水量平衡法

水量平衡法是根据水量平衡原理，建立水量平衡方程来进行地下水资源评价的方法。

评价水量的一切方法都离不开水量平衡原理，尤其是在较大范围之内进行区域性地下水资源评价时，往往因水文地质条件及其他影响因素的复杂性，当用其他方法评价都比较困难时，采用水量平衡法具有概念清楚、方法简单、适应性强等优点。

该方法是目前生产中应用最广泛的一种地下水资源评价方法。

对于一个平衡区（或水文地质单元）的含水层组来说，地下水在补给和消耗的动平衡发展过程中，

任一时段补给量和消耗量之差，永远等于该时段内单元含水层储存水量的变化量，这就是水量平衡原理。

若把地下水的开采量作为消耗量考虑，便可建立开采条件下的水平衡方程：

（Qk-Qc）+（W-Qw）=±μFΔH/Δt

式中：

（Qk-Qc）——侧向补给量与排泄量之差

（W-Qw）——垂向补给量与消耗量之差

W=Pr+Qcf+Qe-Eg

式中：

Pr——降水人渗补给量

Qcf——渠系及田间灌溉入渗补给量

Qe——越流补给量

Eg——潜水蒸发量

Qw——地下水开采量

μFΔH/Δt——单位时间内单元含水层（平衡区）中储存量的变化量

μ——含水层的给水度

F——平衡区的面积

Δt——平衡时段

ΔH——时段内的水位变幅利用该水量平衡方程既可以根据已知的均衡要素计算开采量或水位变幅，也可以根据地下水动态观测资料反求水文地质参数。

若在均衡期确定了允许的地下水位变幅值后，均衡方程（8一1）便可写成预测开采量的公式（若在开采过程中，ΔH为负值）。

Qw=（Qk-Qc）+W±μFΔH/Δt

可见区域地下水开采量由3部分组成，一是侧向补给量（Qk-Qc）;二是垂向补给量w；三是开采过程中动用的储存量。

这个关系式从理论上说明了开采量的可能组成规律。

若在均衡期确定了允许开采量，则可计算地下水位变幅，即

ΔH=[（Qk-Qc）+（W-Qw）]t/μF

计算的地下水位变幅ΔH为正，说明评价区的地下水储量增加，地下水位上升，称为正均衡；ΔH为负，则地下水储量减少，地下水位下降，称为负均衡。

地下水均衡计算是根据水量均衡原理，分析均衡区在一定时段内地下水的补、排量及地下水升降等要素，在此基础上评价地下水资源的盈亏。

3.1.3均衡区的划分

由于均衡方程中的各项补给量和排泄量（均衡要素）是随区域水文地质条件不同而变化的，特别是当评价区面积较大时，其均衡要素差别更大，为了准确地计算均衡要素，应将评价区进行分区（划分均衡区）。

均衡区一般可划分为一级区、二级区或更次一级的若干分区。

一级区一般以地下水类型或含水层成因类型的组合作为分区依据。

如山前洪积扇区，可分为基岩裂隙水区；洪积扇顶部潜水区；中下部孔隙潜水——承压水区。

二级分区是在一级分区内，以水文地质条件作为分区依据，也就是以含水层岩性结构、导水性和给水性，地下水位埋深等作为指标。

3.1.4均衡时段的选择

均衡时段最短应选一个水文年，为了使地下水资源评价结果更加具有代表性，力争选用包括丰水年、平水年和枯水年在内的一个多年均衡期。

3.1.5均衡要素的分析与计算

均衡要素的分析与计算必须在具有一定数量的水文及水文地质资料的基础上进行，常用的方法主要为分项计算法。

应当指出的是，地下水量平衡方程中所列出的均衡要素仅仅是一些最基本的，而在实际生产中，往往是根据评价区具体的水文、水文地质条件确定其主要的均衡要素。

3.1.6水量均衡法的特点及适用条件

水量均衡法的原理明确、计算公式简单，但计算项目有时较多，有些均衡要素难于准确测定，甚至要花费较大的勘探试验工作量。

水量均衡法的计算结果能够反映大面积的平均情况，而不能反映出评价区内由于水文地质条件的变化或开采强度的不均所产生的局部水位变化。

但水量均衡法适应性较强，可粗可细，许多情况下都能应用。

对于开采强度均匀、地下水补排条件简单、水均衡要素容易确定且开采后变化不大的地区，利用水量均衡法评价地下水资源效果良好。

尤其当进行多年水均衡分析计算时，由于充分考虑了地下水资源的调蓄性特点，不仅可以分析枯水年所借用的储存量能否在丰水年补偿回来，而且还可确定枯水年的最大水位降深，看其是否超过最大允许降深，从而为地下水资源的合理开发利用提供依据。

3.2相关分析法  

根据地下水动态要素与气象、水文或其他因素的关系，计算相关系数确定允许开采量的方法。

相关分析法有单相关法（直线相关、曲线相关）和复相关法（复直线相关、复曲线相关）两种。

3.3开采试验法 

按照开采条件或接近开采条件时的井数（含井的布局）、水位降深和开采量进行抽水试验（见水文地质试验），利用抽水结果和观测资料，直接或间接地确定允许开采量的方法。

开采试验法的适用场合是：

水文地质条件复杂地区，补给条件一时难于查清，而又急需提出允许开采量。

由于开采试验法要求与水源地的开采条件相当，且费用高昂，一般常用在中、小型水源地的水资源评价中。

3.4解析解法     

 利用对地下水稳定流或非稳流的基本微分方程，求得在不同边界条件下的解析公式（即水文地质参数计算公式），用其计算允许开采量的方法。

对于含水层几何形状规整、水文地质条件简单且含水层比较均质的水源地，常采用解析解法确定允许开采量。

4.结语

区域地下水位下降、地面沉降、岩溶塌陷和地裂缝等与城市超采地下水有关。

因此，为了保护地下水资源，防止地下水过量开采，就必须加强地下水科学研究和监测工作。

要研究开采条件下地下水资源的评价和水环境问题，制定合理开发利用地下水的规划，建立统一的地下水位、水量和水质以及地面变形的监测网站，及时掌握和预报地下水的动态变化，为保护地下水资源和水环境提供科学的依据。

此外，要利用大气水、地表水和地下水相互循环转化以及地下水运动缓慢的特点，充分蓄积天然降水，多渠道引蓄洪水，回灌补给地下水，有条件的地方可修建地下水库，从而达到涵养水源，有效控制利用水资源的目的。