第四章水资源与地质环境

1、环境地质学环境地质学长安大学地质工程系长安大学地质工程系成玉祥成玉祥第四章第四章 水资源与地质环境水资源与地质环境第一节第一节 水资源与水环境问题概述水资源与水环境问题概述第二节第二节 水体污染水体污染 一、水体污染的基本概念 二、水体污染的判别指标 三、水体的主要污染物及其来源 四、水体污染的危害 五、水体污染防治对策第三节第三节 水资源开发对地质环境的影响水资源开发对地质环境的影响 一、环境水文地质作用（重点） 二、水资源开发的负环境效应（重点） 三、水资源开发的正环境效应（重点）第四节第四节 水资源保护与可持续利用水资源保护与可持续利用第一节第一节 水资源与水环境问题概述水资源与水环境问

2、题概述 一、水资源的概念一、水资源的概念 联合国教科文组织（联合国教科文组织（UNESCOUNESCO）和世界气象组织）和世界气象组织（WMOWMO）共同制定的）共同制定的水资源评价活动水资源评价活动国家评国家评价手册价手册中，把水资源定义为中，把水资源定义为“可以利用或可能可以利用或可能被利用的水源，具有足够数量和可用的质量，并被利用的水源，具有足够数量和可用的质量，并能在某一地点为满足某种用途而可被利用能在某一地点为满足某种用途而可被利用”。 水资源概念通常有广义和狭义之分。狭义上是指水资源概念通常有广义和狭义之分。狭义上是指人类能够直接使用的淡水。广义上是指人类能够人类能够直接使用的淡水

3、。广义上是指人类能够直接或间接使用的各种水和水中物质，在社会生直接或间接使用的各种水和水中物质，在社会生产中具有使用价值的水都可称为水资源。产中具有使用价值的水都可称为水资源。 二、水资源的基本特征二、水资源的基本特征 1 1、储量的有限性、储量的有限性 2 2、补给的循环性、补给的循环性 3 3、时空分布的不均匀性、时空分布的不均匀性 4 4、用途的不可替代性、用途的不可替代性 5 5、利用不当的危害性、利用不当的危害性1 1、储量的有限性、储量的有限性 地球上水的总量很大，据地球上水的总量很大，据估计约有估计约有13.613.610108 8kmkm3 3。 全球陆地可更新的淡水资源量大约

4、为全球陆地可更新的淡水资源量大约为42.75106km3。其中易于开采、可供人类使。其中易于开采、可供人类使用的淡水资源量约（用的淡水资源量约（12.514.5）106km3，不足全球淡水的不足全球淡水的1%，即约占全球水储量的，即约占全球水储量的0.007%，这就是湖泊、江河、水库以及埋深，这就是湖泊、江河、水库以及埋深较浅易于开采的地下水。较浅易于开采的地下水。 2 2、补给的循环性、补给的循环性 3 3、时空分布的不均匀性、时空分布的不均匀性 水的分布决定于气候条件，其中以降水最为水的分布决定于气候条件，其中以降水最为重要。降水受综合性气候带的控制，各地降水量重要。降水受综合性气候带的控

5、制，各地降水量的多少差别甚大。因此，受降水所决定的水资源的多少差别甚大。因此，受降水所决定的水资源在地域上分布很不均匀。在地域上分布很不均匀。 4 4、用途的不可替代性、用途的不可替代性 5 5、利用不当的危害性、利用不当的危害性 三、水环境问题三、水环境问题 （一）淡水资源短缺（一）淡水资源短缺 （二）水体污染（二）水体污染 （三）河川流量减少（三）河川流量减少 （四）地下水枯竭（四）地下水枯竭 第二节第二节 水体污染水体污染 一、水体污染的基本概念一、水体污染的基本概念 当进入水体的污染物质超过了水体的环境容量或当进入水体的污染物质超过了水体的环境容量或水体的自净能力，使水质变坏，从而破坏

6、了水体水体的自净能力，使水质变坏，从而破坏了水体的原有价值和作用的现象，称为水体污染。的原有价值和作用的现象，称为水体污染。 水体污染的原因有两类：一是自然的，二是人为水体污染的原因有两类：一是自然的，二是人为的。特殊的地质条件使某种化学元素大量富集、的。特殊的地质条件使某种化学元素大量富集、天然植物在腐烂时产生某些有害物质、雨水降到天然植物在腐烂时产生某些有害物质、雨水降到地面后挟带各种物质流入水体等造成的水体污染，地面后挟带各种物质流入水体等造成的水体污染，都属于自然污染。人为原因造成的水体污染是指都属于自然污染。人为原因造成的水体污染是指人类生活和生产活动中产生的废物对水的污染。人类生活

7、和生产活动中产生的废物对水的污染。人们通常所说的水体污染，是指后者而言。人们通常所说的水体污染，是指后者而言。 二、水体污染的判别指标二、水体污染的判别指标 水质是指水和其中所含的杂质共同表现出来的水质是指水和其中所含的杂质共同表现出来的综合特性。水质指标则表示出水中杂质的种类和综合特性。水质指标则表示出水中杂质的种类和数量，是判断水质和水体污染的具体衡量标准。数量，是判断水质和水体污染的具体衡量标准。 为了反映水体被污染的程度，就要用污水的水质为了反映水体被污染的程度，就要用污水的水质指标来表示。主要的污水水质指标有下列几项：指标来表示。主要的污水水质指标有下列几项： 1 1pHpH值值 2

8、 2悬浮物悬浮物 3 3有机物浓度有机物浓度 4 4细菌污染细菌污染 5 5有毒物质有毒物质生物化学需氧量（生物化学需氧量（BODBOD）化学需氧量化学需氧量（COD COD ）总有机碳：用总有机碳：用TOCTOC（Total Total Organic CarbonOrganic Carbon）和总需氧量）和总需氧量TOD TOD （1 1）生物化学需氧量：用）生物化学需氧量：用BODBOD（Biochemical Biochemical Oxygen DemandOxygen Demand）表示，简称生化需氧量。它是指）表示，简称生化需氧量。它是指水中有机污染物经微生物分解所需的氧量（单位

9、水中有机污染物经微生物分解所需的氧量（单位体积污水所消耗的氧量，体积污水所消耗的氧量，mg/Lmg/L）。）。 目前国内外普遍采用在目前国内外普遍采用在2020下，下，5 5昼夜的生化昼夜的生化耗氧量作为指标，以氧的每升毫克数来表示，称耗氧量作为指标，以氧的每升毫克数来表示，称5 5日生化需氧量（日生化需氧量（BOD5BOD5）。生化需氧量指标越高，）。生化需氧量指标越高，说明水被有机物污染程度越深。说明水被有机物污染程度越深。 （2 2）化学需氧量：用）化学需氧量：用CODCOD（Chemical Oxygen Chemical Oxygen DemandDemand）表示，指用化学氧化剂氧

10、化水中有机污染）表示，指用化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需的氧量。物时所需的氧量。CODCOD越高，表明有机质越多。目越高，表明有机质越多。目前常用的氧化剂主要是重铬酸钾或高锰酸钾。以高前常用的氧化剂主要是重铬酸钾或高锰酸钾。以高锰酸钾作氧化剂时，测得的值也称耗氧量。但它不锰酸钾作氧化剂时，测得的值也称耗氧量。但它不能如实反映被微生物分解氧化有机物时所需氧的量，能如实反映被微生物分解氧化有机物时所需氧的量，不能代替生化需氧量，且测得的结果比生化需氧量不能代替生化需氧量，且测得的结果比生化需氧量偏高。偏高。 （3 3）总有机碳：用）总有机碳：用TOCTOC（Total Organic Carb

11、onTotal Organic Carbon）和总需氧）和总需氧量量TODTOD（Total Oxygen DemandTotal Oxygen Demand）表示。）表示。TOCTOC是近年来发展的用是近年来发展的用以间接表示水中有机物质含量的一种综合性指标。它的测定以间接表示水中有机物质含量的一种综合性指标。它的测定需要专门的仪器，称为总有机碳测定仪。需要专门的仪器，称为总有机碳测定仪。TOCTOC几乎可以反映水几乎可以反映水中有机物质的总量，但个别耐久的碳化合物不易被燃烧氧化，中有机物质的总量，但个别耐久的碳化合物不易被燃烧氧化，故所测出的故所测出的TOCTOC值常低于理论值，其含量以值

12、常低于理论值，其含量以mg/Lmg/L计。计。TODTOD是指是指水中的还原性物质，主要是有机物质在燃烧中变成稳定的氧水中的还原性物质，主要是有机物质在燃烧中变成稳定的氧化物时所需要的氧量，以化物时所需要的氧量，以mg/Lmg/L计。它的测定亦需在专门的总计。它的测定亦需在专门的总需氧量测定仪中进行。需氧量测定仪中进行。TODTOD能反映几乎全部有机物质经燃烧后能反映几乎全部有机物质经燃烧后变成氧化物时所需的氧量。它比变成氧化物时所需的氧量。它比BODBOD、CODCOD更接近于理论的需更接近于理论的需氧量。氧量。 三、水体的主要污染物及其来源三、水体的主要污染物及其来源 （一）水体主要污染物

13、（一）水体主要污染物 1 1需氧污染物需氧污染物 2 2植物营养物植物营养物 3 3重金属重金属 4 4有毒化合物有毒化合物 5 5酸、碱与无机盐类酸、碱与无机盐类 6 6漂浮物漂浮物 7 7放射性物质放射性物质 8 8病原微生物和致癌物病原微生物和致癌物 9 9工业废热水工业废热水 （二）水体污染源及其污染特征（二）水体污染源及其污染特征 1 1工业污染源的特征工业污染源的特征 2 2城市生活污染源的特征城市生活污染源的特征 3 3农业污染源的污染特征农业污染源的污染特征 4 4自然污染源的特征自然污染源的特征 四、水体污染的危害四、水体污染的危害 （一）危害人体健康（一）危害人体健康 （二

14、）影响工农业生产（二）影响工农业生产 （三）对水生生物的影响（三）对水生生物的影响 五、水体污染防治对策五、水体污染防治对策 1 1、改进生产工艺技术，减少、改进生产工艺技术，减少“三废三废”排放量排放量 2 2、调整产业结构，合理安排工业布局、调整产业结构，合理安排工业布局 3 3、重视区域水污染综合防治，加强水资源管理、重视区域水污染综合防治，加强水资源管理 第三节第三节 水资源开发对地质环境的影响水资源开发对地质环境的影响 一、环境水文地质作用一、环境水文地质作用 环境水文地质作用是指地下水在人为和自然因素影环境水文地质作用是指地下水在人为和自然因素影响下，由水化学、水动力学、水物理学和

15、生物学性响下，由水化学、水动力学、水物理学和生物学性质变化引起的对人类生产和生活环境的制约作用。质变化引起的对人类生产和生活环境的制约作用。按作用的机制，环境水文地质作用主要有环境水文按作用的机制，环境水文地质作用主要有环境水文地球化学作用、环境水动力学作用、环境水物理学地球化学作用、环境水动力学作用、环境水物理学作用、环境水文地质生态作用。各种作用的控制指作用、环境水文地质生态作用。各种作用的控制指标及其环境影响结果等列于表标及其环境影响结果等列于表3-33-3。 二、水资源开发的负环境效应二、水资源开发的负环境效应 （一）区域地下水位下降（一）区域地下水位下降 （二）地面沉降（二）地面沉降

16、 （三）海水入侵（三）海水入侵 （一）区域地下水位下降（一）区域地下水位下降 1 1区域水位下降的原因区域水位下降的原因 地下水的动态变化，实质上是其补给与排泄两地下水的动态变化，实质上是其补给与排泄两个环节宏观上的综合表现。个环节宏观上的综合表现。 随着人类生产活动加剧，地下水多年平均开采随着人类生产活动加剧，地下水多年平均开采量超过多年平均补给量，就会破坏这种动态均衡状量超过多年平均补给量，就会破坏这种动态均衡状态，消耗含水层的态，消耗含水层的“储存量储存量”，其结果就出现了直，其结果就出现了直观上的地下水位逐年下降。观上的地下水位逐年下降。 地下水超量开采的直接后果是地下水降落漏斗地下水

17、超量开采的直接后果是地下水降落漏斗范围不断扩大，区域地下水水位持续下降。范围不断扩大，区域地下水水位持续下降。 2 2区域水位下降的危害区域水位下降的危害 （1 1）城市地下水资源枯竭）城市地下水资源枯竭 （2 2）泉水流量减少）泉水流量减少 （3 3）生态系统改变）生态系统改变 （4 4）地面沉降和岩溶地面塌陷灾害加剧）地面沉降和岩溶地面塌陷灾害加剧 3 3防止区域性地下水位下降的措施防止区域性地下水位下降的措施 （1 1）保证开采均衡条件下的）保证开采均衡条件下的“合理降深合理降深”。把设。把设计开采量作为一个具有权威性的指标。计开采量作为一个具有权威性的指标。 （2 2）保持地下水埋藏条

18、件与水压状态分布的正常）保持地下水埋藏条件与水压状态分布的正常状况。状况。 （3 3）开采地下水过程中，实行节制性有计划开采。）开采地下水过程中，实行节制性有计划开采。 （4 4）保证不减少补给因素。）保证不减少补给因素。 （5 5）实行人工回灌，开辟地下水的补给源。）实行人工回灌，开辟地下水的补给源。 （二）（二）地面沉降地面沉降 地面沉降地面沉降是指某一区域内由于开采地下水或其他地下是指某一区域内由于开采地下水或其他地下流体导致的地壳浅部松散沉积物压实或压密引起的地流体导致的地壳浅部松散沉积物压实或压密引起的地面标高下降的现象，又称地面下沉或地陷。面标高下降的现象，又称地面下沉或地陷。 1

19、 1、地面沉降的特征、地面沉降的特征 地面沉降的特点是波及范围大，下沉速率缓慢，地面沉降的特点是波及范围大，下沉速率缓慢，往往不易察觉，但它对于建筑物、城市建设和农往往不易察觉，但它对于建筑物、城市建设和农田水利危害极大。田水利危害极大。 2 2、地面沉降的分布规律、地面沉降的分布规律 目前，中国已有上海、天津、江苏、浙江、陕西目前，中国已有上海、天津、江苏、浙江、陕西等等1616个省（区、市）共个省（区、市）共4646个城市（地段）、县城个城市（地段）、县城出现了地面沉降问题，总沉降面积达出现了地面沉降问题，总沉降面积达48.748.7万平方万平方公里。公里。 大型河流三角洲及沿海平原区大型

20、河流三角洲及沿海平原区 小型河流三角洲区小型河流三角洲区 山前冲洪积扇及倾斜平原区山前冲洪积扇及倾斜平原区 山间盆地和河流谷地区山间盆地和河流谷地区 3 3、地面沉降的危害地面沉降的危害 地面标高损失，继而造成雨季地表积水，防泄洪能地面标高损失，继而造成雨季地表积水，防泄洪能力下降力下降； 沿海城市低地面积扩大、海堤高度下降而引起海水沿海城市低地面积扩大、海堤高度下降而引起海水倒灌；倒灌； 海港建筑物破坏，装卸能力降低；海港建筑物破坏，装卸能力降低； 地面运输线和地下管线扭曲断裂地面运输线和地下管线扭曲断裂； 城市建筑物基础下沉脱空开裂城市建筑物基础下沉脱空开裂； 桥梁净空减小，影响通航桥梁净

21、空减小，影响通航，深井井管上升，井台破坏，城市深井井管上升，井台破坏，城市供水及排水系统失效供水及排水系统失效； 农村低洼地区洪涝积水，使农作物减产等农村低洼地区洪涝积水，使农作物减产等。 4 4、地面沉降的成因地面沉降的成因 新构造运动说新构造运动说 地层收缩说和自然压缩说地层收缩说和自然压缩说 地面动静荷载说地面动静荷载说 区域性海平面上升说等区域性海平面上升说等 地面沉降是地面沉降是由于过量开采地下水、石油和天然气、由于过量开采地下水、石油和天然气、卤水以及高大建筑物的超量荷载等引起的卤水以及高大建筑物的超量荷载等引起的。 大量的研究证明，大量的研究证明，过量开采地下水是地面沉降的外过量

22、开采地下水是地面沉降的外部原因，中等、高压缩性粘土层和承压含水层的存部原因，中等、高压缩性粘土层和承压含水层的存在则是地面沉降的内因在则是地面沉降的内因。 地面沉降中心与地下水开采漏斗中心区呈明显一地面沉降中心与地下水开采漏斗中心区呈明显一致性。致性。 地面沉降区与地下水集中开采区域大体相吻合。地面沉降区与地下水集中开采区域大体相吻合。 地面沉降量等值线展布方向与地下水开采漏斗等地面沉降量等值线展布方向与地下水开采漏斗等值线展布方向基本一致，地面沉降的速率与地下液值线展布方向基本一致，地面沉降的速率与地下液体的开采量和开采速率有良好的对应关系。体的开采量和开采速率有良好的对应关系。 地面沉降量

23、及各单层的压密量与承压水位的变化地面沉降量及各单层的压密量与承压水位的变化密切相关。密切相关。 许多地区已经通过人工回灌或限制地下水的开采许多地区已经通过人工回灌或限制地下水的开采来恢复和抬高地下水位的办法，控制了地面沉降的来恢复和抬高地下水位的办法，控制了地面沉降的发展，有些地区还使地面有所回升。这就更进一步发展，有些地区还使地面有所回升。这就更进一步证实了地面沉降与开采地下液体引起水位或被压下证实了地面沉降与开采地下液体引起水位或被压下降之间的成因联系。降之间的成因联系。 5 5、地面沉降的地面沉降的形成形成机制机制 在孔隙水承压含水层中，抽取地下水所引起的承压在孔隙水承压含水层中，抽取地

24、下水所引起的承压水位的降低，必然要使含水层本身及其上、下相对水位的降低，必然要使含水层本身及其上、下相对隔水层中的孔隙水压力随之而减小。隔水层中的孔隙水压力随之而减小。 根据根据有效应力原理有效应力原理可知，土中由覆盖层荷载引起可知，土中由覆盖层荷载引起的总应力是由孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的总应力是由孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的。由水承担的部分称为的。由水承担的部分称为孔隙水压力（孔隙水压力（P Pw w）。）。它它不能引起土层的压密，故又称为不能引起土层的压密，故又称为中性压力中性压力；而由；而由土颗粒骨架承担的部分能够直接造成土层的压密，土颗粒骨架承担的部分能够直接造成土层的压密

25、，故称为故称为有效应力（有效应力（P Ps s）；）；二者之和等于二者之和等于总应力总应力。假定抽水过程中土层内部应力不变，假定抽水过程中土层内部应力不变，那么孔隙水那么孔隙水压力的减小必然导致土中有效应力等量增大压力的减小必然导致土中有效应力等量增大，结，结果就会引起孔隙体积减小，从而使土层压缩。果就会引起孔隙体积减小，从而使土层压缩。 相对而言，在较低应力下砂层的压缩性小且主要是相对而言，在较低应力下砂层的压缩性小且主要是弹性、可逆的，而粘土层的压缩性则大得多且主要弹性、可逆的，而粘土层的压缩性则大得多且主要是非弹性的永久变形。因此，是非弹性的永久变形。因此，在较低的有效应力增在较低的有效

26、应力增长条件下，粘性土层的压密在地面沉降中起主要作长条件下，粘性土层的压密在地面沉降中起主要作用，而在水位回升过程中，砂层的膨胀回弹到具有用，而在水位回升过程中，砂层的膨胀回弹到具有决定意义。决定意义。 6 6、地面沉降的形成条件地面沉降的形成条件 （1 1）一是地面沉降的地质条件，即具有较高压缩性）一是地面沉降的地质条件，即具有较高压缩性的厚层松散沉积物。的厚层松散沉积物。 （2 2）地面沉降的动力条件，如人类长期过量开采地）地面沉降的动力条件，如人类长期过量开采地下水和地下油气资源等。下水和地下油气资源等。 7 7、地面沉降的防治地面沉降的防治 建立健全地面沉降监测网络，加强地下水动态和地

27、建立健全地面沉降监测网络，加强地下水动态和地面沉降监测工作；面沉降监测工作； 开辟新的替代水源、推广节水技术；开辟新的替代水源、推广节水技术； 调整地下水开采布局、控制地下水开采量；调整地下水开采布局、控制地下水开采量； 对地下水开采层位进行人工回灌；对地下水开采层位进行人工回灌； 实行地下水开采总量控制、计划开采和目标管理。实行地下水开采总量控制、计划开采和目标管理。 查清地下地质构造、对高层建筑物的地基进行防沉查清地下地质构造、对高层建筑物的地基进行防沉降处理。降处理。 在已发生区域性地面沉降的地区，为了减轻海水倒在已发生区域性地面沉降的地区，为了减轻海水倒灌和洪涝等灾害损失，还应采取加高

28、加固防洪堤、灌和洪涝等灾害损失，还应采取加高加固防洪堤、防潮堤以及疏导河道，兴建排涝工程等措施。防潮堤以及疏导河道，兴建排涝工程等措施。 1 1、海水入侵的概念海水入侵的概念 海水入侵是由于滨海地区地下水动力条件发生改海水入侵是由于滨海地区地下水动力条件发生改变，引起海水或高矿化咸水向陆地淡水含水层运变，引起海水或高矿化咸水向陆地淡水含水层运移而发生水体侵入的过程和现象。又称盐水入侵、移而发生水体侵入的过程和现象。又称盐水入侵、海水内浸、咸水入侵等。海水内浸、咸水入侵等。 （三）海水入侵（三）海水入侵（a a）水力平衡条件下海水）水力平衡条件下海水与淡水的不相混溶界面；与淡水的不相混溶界面；（b