bu2[工学]第八章地下水与环境保护

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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()和不利于入类的影响(,负效应,)，这里我们重点是讨论后者。,1,8-1 不合理的地下水采灌引发的环境问题,一、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,。,2,(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km,2,的区域地下水位低于海平面。,1.区域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。,3,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。,4,2.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1040m，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。,5,3.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。,6,(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座城市发生了不同程度的地面沉降,，面积接近5万km,2,。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。,7,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。,8,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。,9,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。,10,2.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，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。,11,3.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。,12,(三)荒漠化,1992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。,13,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,。,14,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hm,2,，直接经济损失5.4亿元。1998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。,15,二、过量补充地下水引起的环境问题,不仅过度抽取地下水会引起环境退化，过量补充地下水也会破坏自然界的水平衡，导致环境退化。,修建水库,、,利用地表水灌溉,、,跨流域调水,等，都会使地下水获得比天然条件下更多的补给，当这种补给超过一定限度时，就会引起环境问题。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,过量补充地下水引起水位上升。平原或盆地区的地下水位上升，使其毛细饱和带达到或接近地表时，便引起土壤的次生沼泽化，致使原有的农业生产受到影响。毛细水上升还会造成道路和建筑物的地基软化，使地基失效。,16,2.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,的地表水大量拦蓄和过度灌溉曾引发了严重的,土壤次生盐碱化,。,3.斜坡破坏效应,过度补充地下水致使地下水位上升，也会破坏岩土力学平衡。如果这种变化发生在斜坡地带时，因孔隙水压力的增大，往往导致斜坡的,变形,或,破坏,(,崩塌,、,滑坡,),。孔隙水压力的这种影响也是雨季引发滑坡、水库和河流塌岸的主要原因之一。,17,4.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。,18,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害。,19,8-2 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。,20,一、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。,21,二、地下水污染物的来源,1.,工业：,大量排放的废气、废水、废渣及矿井排水渗入造成地下水污染。尤其是某些,石油化工企业,排放的污水中含有大量的汞、铬、砷、酚、苯及氰化物等有毒有害物质，是造成地下水污染的最主要原因。,2.,生活垃圾：,我国垃圾的处理方式主要是采用,露天堆放,、,自然填沟,和,填坑,等，在雨水淋溶的长期作用下，垃圾中的有害物质随下渗水进入到地下水中，对地下水水质造成了,现实影响,和,潜在危害,。,3.,农业：,主要是引,污水灌溉,造成了地下水污染。其次，,农药,及,化肥,的大量使用也是重要污染源。另外，一些农业生产活动也成了地下水的点状污染源，如,粪堆,、,农场污水,、,废弃物,、,消毒水,等。,22,三、地下水污染的危害,地下水污染严重降低了地下水资源的使用价值，给人类社会带来了种种严重后果，概括起来有以下几个方面：,1.,有损于人体健康，以致造成残疾和死亡；,2.,损害了工业产品的质量；,3.,使农作物减产和土地盐化；,4.,减少了地下水可采资源的数量，甚至使整个水源地废弃；,5.,为处理水质，增加了水的单位成本。,23,四、地下水污染的防治措施,地下水是水循环的一个环节。因此，防治地下水污染的措施应该是全面的、综合的，必须,标本兼治,、,多种措施,并举。,1.,贯彻“预防为主”的方针,在预防上投入足够的人力、财力、物力是合算的，因为污染发生后再去治理将付出巨大的代价。,2.,防治地下水污染的管理措施,建立、健全并严格实施有关防止地下水污染的法律、法令和条例；,按环境容量对工矿企业的污水排放，实行“总量控制”和“有害物质排放标准”的控制；,24,建立和健全统一的水资源管理和水质监测机构，并赋予它们法律上的权力；,建立地下水源地的卫生防护带。,3.,防治地下水污染的技术措施,治理污染源,兴建污水处理厂，大力推进水的重复利用和污水资源化。,采取技术措施，防止劣质水入侵开采含水层。,例如：为防止海水入侵，可采用,补给水丘法,、,抽水槽法,、,水丘水槽结合法,和,地下挡水墙法,等措施。,25,补给水丘 抽水槽,26,水丘水槽结合法,27,五、地下水污染治理技术,地下水污染治理技术归纳起来主要有：,物理处理法,、,水动力控制法,、,抽出处理法,、,原位处理法,等。,(一)物理法：,用物理的手段对受污染地下水进行治理的一种方法，又可分为,屏蔽法,、,被动收集法,。,(二)水动力控制法：,水动力控制法是利用井群系统，通过抽水或向含水层注水，人为地改变地下水的水力梯度，从而将受污染水体与清洁水体分隔开来。水动力控制法一般用作一种临时性的控制方法，在地下水污染治理的初期用于防止污染物的扩散蔓延。,(三)抽出处理法：,是当前应用很普遍的一种方法，可根据污染物类型和处理费用来选用，大致可分为三类：,1.,物理法,，有,吸附法,、,重力分离法,、,过滤法,、,反渗透法,、,气吹法,和,焚烧法,等。,2.,化学法,，包括,混凝沉淀法,、,氧化还原法,、,离子交换法和中和法,等。,3.,生物法,，有,活性污泥法,、,生物膜法,、,厌氧消化法,等。,28,4.,原位处理法：,是当前地下水污染治理技术研究的热点，不但处理费用相对节省，而且还可减少地表处理设施，最大程度地减少污染物的暴露，减少对环境的扰动，是一种很有前景的地下水污染治理技术。包括,物理化学处理法,及,生物处理法,。,物理化学处理法,a.加药法：,通过井群系统向受污染水体灌注化学药剂，如灌注中和剂以中和酸性或碱性渗滤液，添加氧化剂降解有机物或使无机化合物形成沉淀等。,b.渗透性处理床：,渗透性处理床主要适用于较薄、较浅含水层，一般用于填埋渗滤液的无害化处理。,c.土壤改性法：,利用土壤中的粘土层，通过注射井在原位注入表面活性剂及有机改性物质，使土壤中的粘土转变为有机粘土。经改性后形成的有机粘土能有效地吸附地下水中的有机污染物。,d.冲洗法：,对于有机烃类污染，可用空气冲洗，即将空气注入到受污染区域底部，空气在上升过程中，污染物中的挥发性组分会随空气一起溢出，再用集气系统将气体进行收集处理。,e.射频放电加热法：,通入电流使污染物降解。,29,生物处理法,实际上是自然生物降解过程的人工强化。,它是通过采取人为措施，包括添加氧和营养物等，刺激原位微生物的生长，从而强化污染物的自然生物降解过程。,通常原位生物修复的过程为：,先通过试验研究，确定原位微生物降解污染物的能力，然后确定能最大程度促进微生物生长的氧需要量和营养配比，最后再将研究结果应用于实际。强化供氧技术大致有以下几种：,a.生物气冲技术：,将空气注入受污染区域底部，达到刺激微生物生长的目的。,b.溶气水供氧技术：,由维吉尼亚多种工艺研究所的研究人员开发的技术。它是制成一种由2/3气和1/3水组成的溶气水，把这种气水混合物注入受污染区域，可大大提高氧的传递效率。,30,c.过氧化氢供氧技术：,该技术是把过氧化氢作为氧源注入到受污染地下水中，过氧化氢分解以后产生氧以供给微生物生长。,d.强化营养物供应技术：,有渗透墙技术等。是在污染区域内垂直于地下水流方向建一道渗透墙，先将渗透墙内的水抽出，添加营养物后再回灌入渗透墙。在渗透墙下游就会形成一个生物活跃区，从而强化了生物降解过程。,另外，强化措施还可以从微生物的角度入手。可以先在地表设施中对微生物进行选择性培养，然后再通过注射井注入到受污染区域，或直接引进商品化菌种，都可以起到强化生物降解过程的作用。,总的来说，原位生物修复技术具体的工艺形式很多，但其原理无非都是自然生物降解过程的人工强化。,一般情况下，原位生物修复要与井群系统配合运行，即通过抽水井与注水井的配合，以加速地下水的流动及氧和营养物的扩散，从而缩短处理时间。,31,