地下水开采对环境的影响

1第五章

地下水开采对环境的影响§1

地下水利用与环境

§2

地下水不合理开采引起的环境问题

§3

合理利用地下水2/44§1地下水利用与环境地下水是埋藏在地面以下的岩石和土壤孔隙中的重力水。常见的井水、泉水都是地下水。第五章地下水开采对环境的影响3/44§1地下水利用与环境常见的井水、泉水都是地下水，在岩溶发育地区，地下水还可以形成地下河。第五章地下水开采对环境的影响4/441.1地下水是重要的水资源地下水与地表水一样是人类社会得以生存和发展必不可少的水资源。从供水的角度，地下水可以长期不间断地供应一定数量的水，以满足人类的需求。

例如

美国英国我国§1地下水利用与环境

47％的饮用水依靠地下水提供

30％的饮用水来自地下水第五章地下水开采对环境的影响生活：33.7％的大中城市主要以地下水作为供水水源，全国有1/3的人口饮用地下水灌溉：北方纯井灌区占灌溉总面积约20％，海河流域在水资源开采总量中一般都是地下水

5/44§1地下水利用与环境1.2地下水资源与环境密切相关地下水本身就是环境的一个重要组成部分地下水资源的形成与环境条件有着密切的联系

地下水资源的形成不仅与地质环境所提供的储存条件有关，而且与地表水体、大气降水的入渗补给的自然地理环境有关。因此，地表径流状况、大气降水量及其入渗条件的任何改变都将直接影响地下水资源的形成（包括数量和质量）第五章地下水开采对环境的影响6/44§1地下水利用与环境1.2地下水资源与环境密切相关同时，地下水资源本身状态的改变又反过来对环境产生重大的影响。

例如：大量开采地下水会导致地下水位大幅下降，极大的改变天然的径流状态，相邻含水层之间的水力联系性质发生改变第五章地下水开采对环境的影响7/44§1地下水利用与环境1.2地下水资源与环境密切相关此外,地下资源的开采，还会改变其上部：土壤的水盐均衡(表土盐量下行）土壤生态系统平衡（河流流量减少,泉群消失,湖泊干涸,土壤破坏）地面植被状态土层应力状态正是由于地下水对人类的重要性，和它与环境的复杂联系，在开发地下水资源的时候，必须充分考虑地下水与环境之间的相互制约关系，以达到兴利除弊、获得最佳的经济、社会和环境效益

第五章地下水开采对环境的影响

第一节结束8/44§2地下水不合理开采引起的环境问题2.1由地下水水量均衡被破坏而引起的区域地下水位持续下降及其严重后果2.2由地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化2.3由含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生第五章地下水开采对环境的影响9/44统计资料：根据水利部门和地矿部门分散的统计，1977年北方17省（区）地下水开采量为481亿m3,1993年增加至641

亿m3，1996年北方各省地下水开采量增至852亿m3，北方平原区2005年比上年同期地下水蓄变量减少74亿m3因过量超采地下水，使华北地区地下水位大幅下降，仅河北境内就出现了20多个漏斗区，与北京、天津连成一片，影响面积达5万平方公里左右，已经成为世界上最大的"地下水漏斗"

2.1由地下水水量均衡被破坏而引起区域地下水位持续下降及其严重后果

区域地下水位持续下降，水资源枯竭原因：超采，补给不足，消耗储量——持续下降，资源枯竭第五章地下水开采对环境的影响§2地下水不合理开采引起的环境问题10/442.1由于地下水水量均衡被破坏而引起的区域地下水位持续下降及其严重后果

区域地下水位持续下降，水资源枯竭北方各省平原区单位面积地下水蓄变量排序图

第五章地下水开采对环境的影响§2地下水不合理开采引起的环境问题11/442.1由于地下水水量均衡被破坏而引起的区域地下水位持续下降及其严重后果

区域地下水位持续下降，水资源枯竭举例：河北省(石家庄漏斗，衡、沧漏斗)山西太原市(大面积漏斗)山东沿海地区(莱州湾漏斗)江西南昌湖北孝感市

海南省地下水资源是有限的，合理开采，即采补量相当，才可保证持续不断的取出一定的水量，使地下水位在平均水平上下波动。相反，若长期无限制超采，补不足，耗储存，——导致地下水位持续下降而无法回升。第五章地下水开采对环境的影响§2地下水不合理开采引起的环境问题13/44石津灌区

邢台

衡水

石家庄地下水埋深由八十年代的12～16m，下降到目前的23～26m，局部地区甚至可达30m以上。观测资料表明：1990年到1995年，该区地下水位以0.76～1.19m每年的速度降低，并呈加速下降的趋势实例-石家庄附近地下水漏斗14/442.1由于地下水水量均衡被破坏而引起的区域地下水持续下降及其严重后果

生态环境的破坏1、水位下降—水循环改变—河流流量减少其一，表层非饱和层加厚，降雨入渗补给土壤水增加，地表径流、地表水源减少。其二，水位下降袭夺天然条件下河流的水量，将对河流的航运旅游和下游用水户产生不利影响（右图）举例英格兰(东南部多数河流流量已无法保证通航、养殖和下游用水)北京市(西郊的长河成为季节河，永定河、莲花河已干涸)§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响15/442.1由于地下水水量均衡被破坏而引起的区域地下水持续下降及其严重后果

生态环境的破坏2、水位下降—泉群消失和湖泊沼泽干涸天然泉水实际上是地下水的出口，泉水流出在低洼地带，形成湖泊。由于地下水位大幅下降，打破了各类水资源的天然依存关系，便出现了泉水消失、湖泊干涸的严重后果。举例北京市(玉泉山、海淀、万泉庄、圆明园、北海、中南海等地曾泉流广布)泉城济南(74年起趵突泉断流，89年72泉全干。后经保泉措施才复活)太原市晋祠泉群(2个泉已于72年干枯。)§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响16/442.1由于地下水水量均衡被破坏而引起的区域地下水持续下降及其严重后果

生态环境的破坏3、水位下降—生态系统恶化—土壤资源破坏水是生命之源，水土同时又是植物及其它生物的生存依托。干旱地区，降雨稀少，土壤水分主要依靠地下水向上补给，地下水位的下降直接造成土壤水分的减少，地表植被枯亡、草丛衰退，进而土地沙化，土壤资源破坏。举例北京市石羊河流域吐鲁番地区§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响18/442.1由于地下水水量均衡被破坏而引起的区域地下水持续下降及其严重后果

生态环境的破坏4、水位下降—影响局部气候区域地下水位的下降，土壤湿度降低，地表水体萎缩，地区呈现干旱化的趋势。据天津统计资料，近40年来，本区降水量持续减少，空气湿度呈现持续下降的特点，气温在波动中缓慢上升

§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响19/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化地下水水质恶化指地下水在开采过程中，因水动力、水化学条件的改变，而使地下水中的某些化学、微生物成分含量不断增加，以致超出灌溉使用标准的水质变坏过程。

地下水水质恶化是全球性日趋严重的环境污染问题的组成部分。2006年调查显示，全国2/3的城市地下水水质已经下降，1/2城市市区的地下水严重污染，数以千计的供水井报废；我国地下水污染特点已现出由点向面演化、由东部向西部扩展、由城市向农村蔓延、由局部向区域扩散的趋势；污染物组分由无机向有机发展，危害程度日趋严重；地下水污染面积不断扩大，污染程度不断加重

水质恶化的主要原因

——地下水动力条件和化学条件的变化§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响20/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化

水动力条件改变导致水质恶化1处于多孔介质中不同点的流体之间具有能量差，在能量梯度的驱使下，流体由高(能量)向低(能量)运动，这种能量差就是流体运动的水动力条件地下水含水层被污水体入侵的条件：二者之间存在某种直接或间接的水力联系在地下水开采过程中，形成了污水体向含水层运动的水动力条件水动力污染常见的两种形式：海水入侵傍河取水§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响21/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化

水动力条件改变导致水质恶化海水入侵——滨海含水层在海岸线处与海水接触，当抽水量超过补给量时，淡水水位下降，海水进入含水层，并逐步向内陆推进，直至达到新的平衡。§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响滨海含水层的咸淡水界面

天然条件下，地下水位高于海平面，水力梯度朝向海洋，淡水向海洋排泄，咸淡水之间保持一平衡的界面；见图22/44几种典型的咸淡水界面示意图§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响23/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化

水动力条件改变导致水质恶化海水入侵—静止条件下咸淡水界面关系1天然条件下，对静止的海水，淡水区可认为按静水压强分布(图)，或用动力平衡代替静力平衡，但须设淡水区水流是稳定水平运动。在海平面以下、深度为hs的咸淡水界面上，有平衡关系：shs=f(hs+hf)

即hs=[f/(s-

f)]hf

=[1/(1.025-1)]hf

=40hf

——Ghyben-Herzberg关系式hs

=40hf

=1这说明，在离海岸任何距离处，稳定咸淡水界面在海平面以下的深度为海平面以上淡水深度的40倍

§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响SaltwaterFreshwater24/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化

水动力条件改变导致水质恶化海水入侵——静止条件下咸淡水界面关系1开采条件下，当开采量大于天然补给量，地下水位降低，破坏原稳定界面，界面向陆地推移——海水入侵含水层

根据关系hs

=40hf

，有：若沿海潜水含水层水位普遍下降1m，则咸淡水界面将相应上升40m§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响25/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化

水动力条件改变导致水质恶化海水入侵举例美国加利福尼亚州的滨海地区，1944年地下水尚处于海平面以上7.23m，由于过量开采，使水位降至海平面以下5.2m，引起严重的海水倒灌，咸水入侵沿海的13个含水层，使灌溉水质严重恶化，54万亩良田变为盐碱地。辽东半岛的大连市，69年海水入侵面积4.2km2,86年200km2；胶东半岛的莱州湾地区,95年底海水入侵面积达到970km2，其入侵速度由每年数十米发展到每年的数百米，造成区域环境的破坏和生态系统的失衡

§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响26/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化

水动力条件改变导致水质恶化海水入侵控制措施减少地下水开采，控制含水层水位下降，确保开采量小于含水层的补给量已入侵的地区，采用人工回灌，增大地下水补给量；利用水利工程拦蓄降雨和地表径流；平行海岸线设一排回灌井，形成一条测压水位高于海平面的压力脊，保持淡水向海洋排泄，阻止海水入侵；或平行海岸线设置抽水排井，形成一条水位低槽，类似排水沟，防止海水入侵。

§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响27/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化

水动力条件改变导致水质恶化傍河取水水质恶化1开采河岸附近潜水含水层中的水，改变了河流与潜水的补排关系，袭夺了河流流量；若地表河流遭污染，必然侧渗污染含水层，导致地下水质恶化。开采量增大，河流污染加重，地下水质恶化更趋严重。§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响污染的河水污染的地下水28/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化

水动力条件改变导致水质恶化傍河取水水质恶化1若潜水含水层的水位低于河流水位，河流必侧渗补给地下水，河水水质恶化必导致地下水的水质恶化。随着我国河流污染加剧，傍河取水的水质恶化也不断加剧。在我国，以沈阳市浑河沿岸的诸水源地，鞍山太子河岸边的首山河源地，兰州和西安的大型傍河水源地的水质恶化问题最为严重。措施——净化河水§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响29/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化

水动力条件改变导致水质恶化1水动力污染常见的两种形式：海水入侵傍河取水

水化学条件改变导致水质恶化§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响30/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化

水化学条件改变导致水质恶化指地下水在开采过程中，出现矿化度、硬度及铁镁离子含量增高及PH值降低等水质恶化现象产生原因：含水层疏干——大气进入——变成强氧化环境——增强含水层中硫、铁、锰以及氮的化合物的氧化作用——促进环境的酸化，使原来在还原条件下几乎不溶于水的化合物（如土中常存在的钙、镁、铁、锰化合物）变得较易溶解——地下水中钙、镁、铁、锰离子含量增加，矿化度、硬度随之提高。硬度的提高已成为北方地下水水质恶化的一个主要问题。§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响31/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化

水化学条件改变导致水质恶化水化学条件改变的积极作用如：在地下水流缓慢而使天然水质不良的地区，强烈抽取地下水，可促进地下水交替循环的改善，淋溶作用加强，从而降低地下水中超标的溶质浓度。吉林省中东部的含高铁孔隙潜水和西部的高氟潜水，多年用抽水强度较大的水井供水，水中的含铁和含氟量都明显低于使用年限短开采强度小的井水

§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响32/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化水井工程结构或施工质量问题引起地下水水质恶化

因水井结构不合理,施工质量低劣,或井管损坏而使相邻劣质含水层中的水体或地表劣质水体沿井管、井壁间隙或井管破损处进入开采层，导致开采层水质恶化例子吉林省西部松辽平原的乾安、长岭等高氟潜水分布区，60年代，国家拨出“防氟改水”专款用于打深井（深层承压水）解决饮用水源问题。但许多深井在成井时，对上部高氟水含水层未能进行有效隔离，或干脆没有隔离，这样，上、下含水层连通，致使承压水的含氟量上升，水质遭破坏。一些工矿企业的地表污染水体沿井管和井壁间隙下渗污染地下水的事件也时有发生§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响33/442.3由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生起因：地下水是维持土体平衡的一个重要因素。大量开采地下水，水体从含水层孔隙中排出而使地下水压力降低，改变了土体原来的应力状态和平衡条件，致使土体结构和稳定性遭到破坏，产生各种环境地质灾害

由于这种原因引起的地质灾害主要有：地面沉降岩溶地面塌陷地裂缝§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响34/442.3由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生

地面沉降原因：土壤饱和时，骨架支承力＋水压力=上覆荷载压力即（常数）过量开采承压水，水压减小，骨架承受压力增大，致使骨架压密，破坏原有水力平衡，产生地面沉降粘性土，水压力减小使土层原有结构被破坏，并重新组合排列。这种粘土层的释水压密是不可逆变形，它是产生地面沉降的最主要原因。

§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响σ35/442.3由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生

地面沉降沉降量计算：§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响认为水和岩层符合弹性变形规律，由虎克定律，可得到水和岩石的压缩系数：水的压缩系数：岩石的压缩系数：据压力水头和压力之间的关系：P=

H

（为水的容重），经整理后，得到地面沉降量M的计算公式：M

＝H

(e-

Mnw)H——水头变化量；e

——弹性释水系数；M——含水层厚度；n——孔隙度。36/442.3由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生

地面沉降沉降量计算：§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响对于粘性土层，s=0.02~0.05cm2/kg，而w一般为0.00005cm2/kg，即s>>n

w

，此时沉降量M的可近似认为仅由岩石的压缩而导致，计算可简化为

M

=HMs砂层的s一般为10-5~10-4cm2/kg，必须按下式计算沉降量M：

M

＝H

(e-

Mnw)

试验表明，粘性土的沉降量远大于砂土

37/442.3由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生

地面沉降实例：上海市:§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响历年地下水位、地下水开采量与地面沉降的关系时间日平均开采量×104t地下水位m年均地面沉降量mm解放前4.5-5.0>-1024194921.4-1035195837-34105196513-19.8722.1由于采取封井限采，有所减缓，07年沉降量6.8mm。38/442.3由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生

地面沉降实例：华北地区：天津市70年代中期地面沉降范围达7000余平方公里，80年代初市区累计最大沉降量2000余毫米；华北平原区的地面沉降中心仍在不断发展。§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响华北地区地面沉降监测网点39/442.3由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生

地面沉降实例：西安市区：1983年统计，沉降面积达220平方公里，1984年最大累计沉降量达942毫米，最大沉降速率123毫米/年。台北市：40年代，大部分地下水自流；61年已发现地面沉降，至84年累计沉降量1900毫米，不少地区超过2米，沉降范围235平方公里。长江三角洲地区：上海市累计地面总沉降量达2700毫米；苏州、无锡、常州地区最大累计沉降量800－1050毫米；宁波、杭州、嘉兴、湛江等市也有不同程度的沉降。§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响40/442.3由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生

地面沉降危害性：一些城市面临被海淹没的危险东京、曼谷、伦敦、威尼斯等加重城市防洪排涝防潮负担曼谷、上海、天津等城市，地面沉降，城市防洪系统降低，使积水难排，洪、潮灾害加重。如天津，地面沉降使海河两岸防洪堤下降1-2m，加上河道淤积，使海河泄洪能力下降2/3，77年7月，市区暴雨积水损失2亿元。造成建筑物破坏由于地面的不均匀沉降，城市建筑、公路铁路、桥梁输水管道、灌溉系统等遭到破坏，对人民生命、财产安全、工农业生产造成巨大损失。§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响41/442.3由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生

地面沉降控制措施：限制地下水的开采量地表水人工回灌，补给地下水资源调整地下水的开采层次

§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响42/442.3由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生

岩溶地面塌陷概念：地面塌陷是指地表覆盖物出现下沉、开裂以至突然向下陷落，形成各种坑、槽的地质现象，它是在覆盖型岩溶地区大量开采地下水引起的一种严重的环境地质灾害。原因：当在覆盖型岩溶地区开采地下水或矿坑排水时，由于洞穴充填物和水体被带出，地下水流对盖层的溶蚀和冲刷作用加剧，使溶岩中空洞扩大，覆盖土层的结构及其稳定性遭到破坏，从而导致地面塌陷。§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响43/442.3由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生

岩溶地面塌陷特点：突然性，难预防，损失大举例：贵州水城盆地工业水源地,开发前为水田,环境良好；68年开发不久产生塌陷,到79年，井周出现塌坑731处，见图塌陷区抽水井§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响44/442.3由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生

岩溶地面塌陷§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响45/442.3由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生

岩溶地面塌陷§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响江西上饶广西贺州惊现20多个天坑福建龙岩市46/452.3由于含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生地裂缝“地裂缝”地面裂缝的简称。是地表岩层、土体在自然因素(地壳活动、水的作用等)或人为因素(抽水、灌溉、开挖等)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宏观地表破坏现象。（地震裂缝）

§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响

第二节结束47/45§3合理利用地下水地下水是一种重要的资源，合理利用可以造福人类，而不合理的利用则会给人类和环境带来灾难除了利用地下水进行供水以外，适时适地合理利用地下水还有以下用途（以农业为例）：降低地下水位，防止土壤返盐腾空库容用于除涝防渍充分利用降雨资源，增加入渗水量，减轻防洪压力促进土壤脱盐和地下水淡化

第五章地下水开采对环境的影响

第五章结束48/45要求理解海水入侵和地面沉降的原因和机理，掌握相应的计算方法（自己推导以增强理解）。第五章地下水开采对环境的影响

第五章结束49/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响

承压含水层抽水的升锥界面海水入侵——升锥界面实际开采条件下，由于抽水作用使原天然界面向抽水井底部方向升高，该现象称为界面升锥，所形成的向抽水井底部锥形凸起的界面称为升锥界面。当抽水流量较小，升锥界面未达到抽水井，可形成新的平衡。此时，抽出的水仍为淡水。天然状况抽水后

水动力条件改变导致水质恶化50/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响海水入侵——升锥界面当过滤器靠近顶板时，承压含水层抽水时的升锥界面如图c图e表示潜水含水层中抽水形成的降落漏斗和升锥界面情况。

水动力条件改变导致水质恶化剖面图51/442.2由于地下水水质均衡被破坏导致水质状况日趋恶化§2地下水不合理开采引起的环境问题第五章地下水开采对环境的影响海水入侵——升锥界面对于静止海水，抽水量大小不同，形成不同的稳定界面，图f；当抽水量不断增大，超过临界流量时，界面和咸水会到达抽水井。升锥界面的确切形状和临界抽水量受多种因素影响（地下水补给量，K,界面以上淡水流速，井深，井距海岸距离，含水层厚度等）。

水动力条件改变导致水质