环境地质学分论-水资源开发与环境地质

水资源开发与环境地质环境地质学分论

——若干地质环境问题的论述本章讲授内容概述水资源开发引起的典型地质环境问题水资源开发利用引起的典型水环境问题水资源开发利用引起的典型生态环境问题水资源开发的环境影响评价为解决水资源在时间、空间、数量等方面的问题，人们采取各种工程措施如修建水库等，达到开发利用的目的。水资源的开发利用会改变地表水、地下水的天然状态和周转节律，使水成为诸环境要素中变化最快的因子。水资源开发利用不当，超过环境某一方面的阈值，环境就会发生变化，带来一系列环境问题。为了保证水资源的合理开发、永续利用造福于人类，又能防止或尽可能减缓环境变化带来的危害，水资源的开发利用必须兼顾环境的保护，对可能出现的问题即环境负效应予以高度重视。第一节概述水资源开发利用不当可能引起的环境问题大体有三类：地质环境问题水环境问题生态环境问题从水、岩（土）、生（物）相互作用的角度出发，又可归纳为水盐失调、岩土体变形失稳、生态退化等三种环境负效应。1.水盐失调水、盐失调主要指水的量与质发生快速、明显的变化，水量、盐分含量的增多或减少。在自然条件下，水分和盐分在空间和时间上分布是不均匀的，它们以系统的方式存在，具有季节、年份或多年的动态变化，其变动的幅度和周期在宏观上是稳定的。人类对水资源的不当开发，水、盐的变化具有快速、明显的特点。要考虑的工程问题抽取地下水，导致地下水盐的迁移途径变化，土壤沙化。拦蓄径流，入海水量减少，陆地盐分积累，海水入侵。水库周边地下水升，地表积盐。南水北调，调来水的同时，也带来了盐分。2.岩土体变形失稳在天然条件下，由于外力侵蚀和重力作用，岩土体的变形、失稳会不断发生，而水资源的开发则会诱发岩土体变形、失稳或增大其发生频率。要考虑的工程问题抽取地下水（孔隙水），地下水下降、土体有效应力增加，地面下沉、地面裂缝。抽取地下水（岩溶水），地面塌陷、开裂。水库蓄水，边岸滑坡、崩塌，诱发地震。3.生态退化生态退化实际上是指一个系统在超载干扰下逆向演替的生态过程。自然状况下，生态环境相对稳定，天然深化进程盐分缓慢，生态处于正向进化的演化过程。水资源不当开发，在较短时间内改变水分、盐分的天然分布，加快生态演替进程，甚至生态朝着逆向演替，即植物退化的方向发展。考虑的工程问题水质变化，引起物种减少。水质变化，引起物种消失，如沙化。第二节水资源开发引起的典型地质环境问题水资源开发引起的地质环境问题主要有：地面沉降地面塌陷、裂缝诱发地震库岸浸没与沼泽化等一、地面沉降1.地面沉降事例地面沉降是目前世界上许多取用地下水的平原井灌区共同面临的严重问题。美国的长滩市地面下降9.5m，东京4.6m，大阪2.88m，墨西哥城为6m。全国有50多个主要城市出现了地面沉降，沉降区面积达9.4万平方千米。地面沉降区主要分布在长江三角洲地区、华北平原和汾渭盆地等地。华北平原最大沉降量已经超过3.1米，沿海一带已出现负标高地区20平方千米。（2）粘性土介质粘性土层不象砂性土层那样的瞬时释水，其释水过程，更缓慢更复杂。因而其地面沉降属塑性变形，不可消除。三点结论：含水层抽水时，相邻粘性土层的释水压密在空间上是减幅的，即压密是由抽水层近侧向远侧变小；含水层抽水时，相邻粘性土层的释水压密在时间上是滞后的，即由近抽水层一侧向远侧滞后发生；含水层抽水时，粘性土释水压密，水位恢复后，土层不回弹，所引起的地面沉降往往是永久性的，大部分不可消除。二、岩溶地面塌陷1.岩溶地面塌陷现状全国23个省（自治区、直辖市）发生岩溶塌陷1400多例，塌坑总数超过40000个。发生地面塌陷的省份主要有辽宁、河北、山西、山东、湖南、湖北、贵州、广西、广东、江苏、浙江、安徽、江西、福建、云南等省（区、市）。尤以广西岩溶区地面塌陷最为突出。2.岩溶地面塌陷的机理1）潜蚀论：此观点认为，抽水加大了井空附近岩溶水的水力梯度，在动水压力作用下，溶洞充填物和洞顶处的松散土层不断冲蚀，掏空，导致洞顶失稳；2）真空吸蚀论：溶洞顶部被粘土覆盖或充填的承压水分布区，抽水引起水位大幅度下降，使洞顶空腔呈低气压（真空）状态，对盖层产生吸力，使其向下冒落；3）气爆论：在水位升降幅度较大的地下暗河中，雨季暴涨的岩溶水水头上升到密闭顶部的洞穴，洞中气体被压缩，形成高压条件，若顶部盖层强度不足，则产生爆裂而塌陷；4）液化论：此提法与潜蚀论有相似之处，主要是指在突然震动和水头突变的动水作用下，盖层中触变性的松散物质发生液化，快速向深部洞穴、裂隙流失，从而形成塌陷。三、水库诱发地震及边岸再造1.地质环境问题地质环境主要是由岩土体、地应力条件和水所构成。自然条件下，处于不断变化的动态平衡中。水资源开发不当，会引起地表水和地下水及其动力作用系统的重大变化。主要表现：地表水位的大幅度提高和水域的明显扩大，使作用于库底的水荷载显著增大。库内水力坡度和流速的显著降低，使原有的河流侵蚀作用为库底淤积和库岸的流蚀作用所代替。大坝上下游巨大的水头差，使库内、外地表水和地下水的水力梯度和流速急剧增大，从而在坝下游产生强烈的冲刷作用。水库蓄水使库区及附近地区的地下水位大幅度抬升，而水库的调节运行使地下水位产生显著的动态变化，从而加剧库岸地带地下水的活动。上述变化，会导致岩土体不能继续保持与周围环境的原有平衡，发生突跃式的变化。主要表现为：诱发地震、库岸失稳、大坝溃决、库底淤积等。1.水库储水造成的诱发地震（1）诱发地震事例世界上已有一些国家的水库蓄水后发生地震，1967年12月11日，印度戈伊纳水库发生地震。这次地震是迄今已知的水库地震中最大的一次，震级为6.5级。它发生于比较稳定的德干高原地区内。主震的震中位置在大坝南3km。戈伊纳水库坝高103m，1962年开始蓄水，以后发生了约450次地震。

我国已建成9万余座水库，其中已发现10米个水库蓄水后发生地震，即广东新丰江、湖北丹江口和前进、湖南南冲和黄石、浙江新安江和湖南镇、安微的佛子岭、江西的柘林、辽宁的参窝水库等。其中1962年3月19日，广东新丰江水库发生的一次6.4级地震，是迄今记录的最大的水库地震。全世界已建水库约有11000多座。但已诱发水库地震的仅91座，其中诱发破坏性水库地震的更少，共18座。其中高坝水库中诱发了水库地震的约占25%。特别是近几年蓄水的高坝大库，4座中已有两座发生水库地霍，比例数达50%，而一般中小型水库诱发地震的为数极少。水库诱发地震是指因水库蓄水而诱使坝区、水库库盆或近岸范围内发生的地震。水库地震大都发生在地质构造相对活动区，且均与断陷盆地及近期活动断层有关。水库蓄水是引起岩体中应力集中和能量释放而产生地震的直接原因。资料证明，水库诱发地震震中位置均分布在坝区、水库库盆及近岸地段范围内，距库边线一般不超过3～5千米，最远10千米。

（2）诱发地震类型1）构造型诱发地震。水库诱发地震的主要类型，通常发生在有较高应力积累的库区附近，主要是水库蓄水使某此断裂结构面产生起滑错动而发震。2）岩溶塌陷型诱发地震。通常发生在岩溶发育的碳酸盐岩分布的库区附近。水库蓄水引起地下水动态及动力条件发生较大变化，导致可溶性地区内岩溶洞穴失稳塌陷而造成。（3）水库诱发地震的成因机制1）库区分布在局部构造应力集中的活动断裂的特定部位。第一种地震类型。2）具有有利于库水向地下深处渗流和传导水压的水文地质条件。第二种地震类型。表A.1

水库诱发地震库段划分的依据表C.1

水库诱发地震因素状态2.水库储水引起的边岸再造（1）边岸再造问题事例水库边岸在库水水位升降及风浪冲蚀作用下，发生坍塌破坏，堆积新滩，形成新的稳定岸坡的过程，又称水库塌岸。严重的水库塌岸，不仅蚕食水库周边地带的大片农田，威胁工业及民用建筑物的安全，导致交通设施的破坏，形成水库淤积，而且可能诱发大规模的崩塌，堵塞水库航道。特别是近坝库岸的塌岸会形成涌浪，直接危及大坝和附属建筑物的安全。（2）库岸再造成因机制分析库岸再造主要归因于边岸岩土体的软化、泥化、潜蚀、空隙水压力变化或悬浮减重，以及动水压力作用。下图表示了库岸再造过程。3.坝基水压增大造成的大坝溃决建坝屯水，是水资源开发常用手段，但由于地质环境变化与坝体本身的问题可引起相应环境问题，如坝基破坏、大坝溃决。1975年8月8日，河南省驻马店地区大型水库板桥水库垮坝，骨牌效应下，造成下游十余座水库同时崩溃。与此同时，另一座大型水库石漫滩水库，竹沟、田岗两座中型水库，58座小型水库在短短数小时内相继垮坝溃决。滔天洪水淹没了有30个县市、1780万亩农田被淹，1015万人受灾，六百八十万间房屋倒塌，一百公里的京广铁路被毀，铁轨变成麻花狀，其威力绝不下于南亚大海啸。4.水库底部淤积建坝屯水的另一个问题是由于库岸水土流失造成的库区迅速淤积。第三节水资源开发利用引起的典型水环境问题水资源开发不当，无计划、随意性、过量取用水，可能导致水资源短缺、水质变异等各种水环境问题，如：水资源减少水质恶化海水入侵一、水资源减少水资源不合理开发造成的水资源短缺主要三种情况：地表水、地下水补给资源的减少过量开发造成局域缺水水质污染使可用淡水减少1.补给资源量减少除全球气候变化等自然因素影响外，大规模开发利用水资源可改变局域水文循环的状况，在某些地区衍生水循环的形成，会使补给资源量减少。人类活动，加剧水资源循环水平径流减少，如筑坝、拦蓄等。垂向蒸发量增加，筑坝水面扩大、农业用水增加蒸发。入渗地下水减少，如硬地面扩张。2.过量开发造成的局域缺水过量截流河道水，导致下游水量锐减，甚至断流。过量抽取地下水导致井孔出水量减少，是造成某些地区水资源紧缺的重要原因之一。3.水质污染使可用水量减少废污水随意排放，污水灌溉都会引起地表水体和地下水的污染，使原本可供利用的水资源急剧减少。二、水质恶化拦蓄地表水和强烈抽取地下水会改变天然水的水动力条件，形成新的水文地球化学环境，若水中某些化学、微生物组分含量不断增多，就会产生水质恶化现象。地表水：筑坝蓄水，水流减缓，甚至静止，有利水中微生物繁殖生长；水位升高，土壤进入水体的矿物质增加，易富营养化现象。水面扩大，蒸发增加，水中盐分浓度增高。地下水：地表水质变化引起地下水质变化。地表水蓄，增加蒸发，矿化度升高，渗入地下，地下水矿化度增加。地下水抽取，氧气进入地下含水层，氧化作用增强，一些不溶解于水的物质氧化（硫、铁、锰、氮等），溶于水，矿化度升高。三、海水入侵滨海地区人为采水，降低陆地地下水位，引起海水（咸水）沿含水层向陆地方向潜移的现象称海水入侵。海水入侵是指海水通过透水层渗入水位较低的陆地淡含水层的现象。一般情况下，陆地淡含水层的水位比海水水位高，但经过长期大量抽取陆地淡含水层，会使地下水位低于海水水位，导致海水通过透水层渗入陆地淡含水层中，从而破坏地下水资源，造成当地的水资源压力。如果滨海地区开采地下水或因各种原因使地下水的补给量减少，引起海岸带地下水位下降，海水就会入侵，入侵的范围和纵深长度随地下水位下降的情况而定。发生海水入侵的地区从北向南有：辽宁、河北、山东、广西、海南等地区。其中，环渤海地区海水入侵发展迅速，2003年海水入侵面积达2457km2，比20世纪80年代末增加了937km2，平均每年增加62km2。2006年

海水入侵主要发生在山东和河北两省。山东省的东营、潍坊、青岛、威海、日照等地区海水入侵累计面积为3076.4km2。河北省的秦皇岛等地区海水入侵累计面积为340.0km2。第四节水资源开发利用引起的典型生态环境问题一、植被退化因水资源开发利用不合理造成的植被退化现象十分普遍，尤其是在干旱、半干旱地区较为突出，如我国西北的内陆盆地。干旱地区，水资源往往短缺，人们在山区修建水库，则下游水量锐减，下游人们就打井抽地下水，导致河道干涸，地下水下降。此时，水库与灌溉区由于蒸发量增加，地表积盐，易产生次生盐碱化，破坏植被生长条件，而下游地下水位下降，植被根系吸不到水，植被灭绝。问题产生的原因主要是水资源开发利用缺乏合理规划、统一管理。二、土地沙漠化、盐渍化1.土地沙漠化土地沙漠化是指在强烈的风力侵蚀、搬运作用下，疏松沙质的绿色土地朝着以风沙活动、沙丘起伏为主要标志的沙漠景观发展的趋势。干旱地区，人类活动，需要粮食，就扩大种植面积，农业需要灌溉，就拦蓄地表水，开采地下水。结果是灌溉区蒸发量巨增，地表积盐，造成盐碱化，而下游缺水区地表水无径流，地下水位下降，造成沙漠化。2.土地盐渍化（soilsalinization）土壤盐渍化：土壤底层或地下水的盐分随毛管水上升到地表，水分蒸发后，使盐分积累在表层土壤中的过程。是指易溶性盐分在土壤表层积累的现象或过程，也称盐碱化。一般将土壤层0.2m厚度内可溶盐含量大于0.1%的土壤称为盐渍土。盐渍土可以在天然条件下形成，也可以在人为活动影响下产生，后者也称次生盐渍化。土地盐渍化的原因雨中盐分造成的土壤积盐。雨水含盐量高，降落地表，长年累月，地表积盐。潜水蒸发造成的土壤积盐。潜水蒸发，将土壤深层盐分带至地表，而积盐。第五节水资源开发的环境影响评价环境影响评价：EnvironmentalImpactAssessment环境影响评价与环境质量评价是性质不同的两项工作。无论是工作的目的、任务、内容和方法都有所不同，而不仅仅是过去、现在、未来这种时间概念的区别，现状是研究未来的基础，所以这两项工作又是紧密的联系。环境影响评价依据《中华人民共和国环境影响评价法》2002年10月《规划环境影响评价条例》2009年8月《环境影响评价技术导则：水利水电工程》HJ/T-2003《水利水电工程环境影响评价规范》SDJ302-88一、环境容量1.环境容量概念：EnvironmentCapacity环境容量概念最早由日本学者西村肇、中田喜三郎和矢野雄幸于1968年提出的，其初衷是为了建立污染物浓度与环境自净能力之间的平衡关系，以实现对污染物的总量控制。所给出的表达式为：

式中：Q—污染物控制总量；C—环境中污染物的浓度；K—环境容量。在人类生存和自然生态不致受害的前题下，某一环境所能容纳的污染物的最大负荷量。也可理解为：某一环境区域内对人类活动造成影响的最大容纳量。环境容量是在环境管理中实行污染物浓度控制时提出的要领环境容量包括：绝对容量和年容量两个方面。前者是指某一环境所能容纳某种污染物的最大负荷量。后者是指某一环境在污染物的积累浓度不超过环境标准规定的最大容许值的情况下，每年所能容纳的某污染物的最大负荷量。

2.环境容量计算环境容量主要用于水体和土壤污染负荷容许程序的定量研究。对于一个水体而言，单一污染组合的环境容量：

式中：Wi—该水体对第i种污染组分的容量；Δ—水体的总体积；Si—第i种污染组分的最大允许浓度；Bi—水体第i种污染组分的环境本底值；Ci—水体对第i种污染组分的自净能力。若水体的污染组分较复杂，则有：实际上，水体中各污染组分之间会发生作用，形成新的污染物或或沉淀，因此水体环境容量总值不应是各种组分的简单叠加。在地表水（河、湖）环境容量研究中，为了简便起见，有时不考虑环境的自净过程，把环境容量划分成为以下几种类型：理想水环境容量（绝对水环境容量）：即以水域的原始本底值或以清洁本底值与环境标准对照，用以反映未受有类活动影响的自然纳污能力。现状水环境容量：根据水域的水质现状，估算它在达到环境标准时，所能容纳的污染物数量。可优化利用的水环境容量：通过水质规划、优化决策，对整个水域的污染源进行合理安排，所能利用的水环境容量。二、环境影响评价指标体系1.建立评价指标体系的目的水资源开发的环境影响评价，目的在于正确评估各种水资源开发方案的可行性以及开发后对周边环境的近期与远期的环境影响、可能产生的危害、危害的发展趋势与影响的范围及影响的程度等。任何环境影响评价首先都得建立环境评价的指标体系，在该评价指标体系下应该着重考虑主要的环境因素，以及环境状态，即环境的正常、异常与紧急状态，以及环境的三个时态即环境的过去、现在与未来。2.评价原则科学、客观、公正原则早期介入原则整体性原则公众参与原则一致性原则可操作性原则3.规划环境影响评价的基本内容1.规划分析，包括分析拟议的规划目标、指标、规划方案与相关的其他发展规划、环境保护规划的关系。2.环境现状与分析，包括调查、分析环境现状和历史演变，识别敏感的环境问题以及制约拟议规划的主要因素。3.环境影响识别与确定环境目标和评价指标，包括识别规划目标、指标、方案（包括替代方案）的主要环境问题和环境影响，按照有关的环境保护政策、法规和标准拟定或确认环境目标，选择量化和非量化的评价指标。3.规划环境影响评价的基本内容4.环境影响分析与评价，包括预测和评价不同规划方案（包括替代方案）对环境保护目标、环境质量和可持续性的影响。5.针对各规划方案（包括替代方案），拟定环境保护对策和措施，确定环境可行的推荐规划方案。6.开展公众参与。7.拟定监测、跟踪评价计划。8.编写规划环境影响评价文件（报告书、篇章或说明）其中，环境目标和评价指标的确定和评价是规划环境影响评价的重要内容。主题环境目标评价指标水环境l

控制区域水环境污染，维持和改善地表水和地下水水质及水生环境，引导有效利用水资源，确保可获得充足的符合环境标准的水资源l

人均生活污水排放量（升/人.日）l

万元GDP工业废水排放量（m3/万元）l

主要水环境污染物年排放量（CODCr，BOD5，石油类，NH3-N，挥发酚）（吨/年）l

城市水功能区水质达标率（%）l

集中式饮用水源地水质达标率（%）l

主要废水排放口与生态敏感区的临近度，与水源地的临近度l

区域水环境主要污染物及溶解氧的平均浓度（mg/L）l

城市污水纳管率（%）l

城市生活污水处理率（%）l

工业废水处理率及达标排放率（%）大气环境l

控制空气污染，限制可能导致全球气候变化的温室气体排放l

万元工业净产值工业废气年排放量（Nm3/万元）l

人均SO2、NO2

、CO2及臭氧层损耗物质等年排放量（kg/人）l

城市空气质量指数（API）l

城市烟尘控制区覆盖率（%）l

路检汽车尾气达标率（%）l

区域主要空气污染物（SO2，PM10，NO2，O3）年日均或小时平均浓度（mg/Nm3）l

暴露于超标环境中的人口数（人）及占总人口的比例（%）l

规划工业园区与居民区的临近度噪声l

控制区域环境噪声水平和城市交通干线附近的噪声水平，保障居民住宅等噪声敏感点的声环境达标l

区域环境噪声平均值（dB(A)）（昼/夜）l

城市交通干线两侧噪声平均值（dB(A)）（昼/夜）l

城市化地区噪声达标区覆盖率（%）l

规划中的居民区环境噪声预测值（db(A)）（昼/夜）l

主要交通线路（道路交通干线，轨道交通线）与噪声敏感区交界面的长度（km）l

暴露于超标声环境中的人口数及占总人口的比例(%)图表

1城市建设规划的环境目标与评价指标表述示范主题环境目标评价指标固体废物l

使固体废物的生成量达到最小化或减量化及资源化，l

人均生活垃圾年产生量（千克/人.年）l

万元GDP工业固废产生量（吨/万元）l

危险固废的年产生量（吨/年）及无害化处理与处置率（%）l

工业固废的综合利用率（%）l

生活垃圾分类收集与资源化利用率（%）l

城市固废填埋场、垃圾焚烧厂等与居民区，生态敏感区的临近度自然资源与生态保护l

保护区域自然资源与生态系统，健全城乡生态系统的结构，优化城市生态系统的功能l

森林面积（km2）及占区域总面积的比例（%）l

城市化地区绿化覆盖率（%）l

人均绿地及人均公共绿地面积（m2/人）l

规划中城市发展占用的土地面积（km2）及占区域总面积的比例（%）l

自然保护区及其他具有特殊价值的受保护区面积（km2）及占区域总面积的比例（%）l

规划交通主干线与主要住宅区、生态敏感区交界面的长度（km）l

规划主要工业园区与主要住宅区、生态敏感区的临近度l

年水资源供需平衡比l

水域面积占区域总面积的比例（%）l

工业用水循环利用率（%）l

生物多样性指数l

酸雨平均pH值及发生频率（酸雨次数占总降雨次数的比例）（%）l

湿地系统滨岸带范围（指面积，km2）及保护情况图表

1城市建设规划的环境目标与评价指标表述示范主题环境目标评价指标近海环境l

控制人为向海洋倾倒各种污染物，保护近海海域的环境l

排入近海海域的废水量（万吨/年）l

排入近海海域的主要污染物质的量（油类物质、N、P等）（吨/年）l

近海海域主要污染物及溶解氧的平均浓度（CODCr，BOD5，非离子氨，石油类，挥发酚）（mg/l）l

海藻指数生态环境保护与可持续发展能力建设l

强化生态环境管理，加强城市生态环境保护与建设。l

环境保护投资占GDP的比例（%）l

公众对城市环境的满意率（%）（抽样人口不少于万分之一）l

城市环境综合整治定量考核成绩l

卫生城市与国家环保模范城个数及所占比例（%）l

通过ISO14001认证的企业占全部工业企业的百分比（%）l

建设项目环境影响评价实施率（%）其他

图表

1城市建设规划的环境目标与评价指标表述示范主题环境目标评价指标土地资源的规划与管理l确保对土地资源的有效规划与管理，l平衡对有限可利用土地的竞争性需求，l

维护重要的城镇中心l

社会经济发展占用的土地面积占区域总面积的比例（%）l

生态建设用地占区域总面积的比例（%）l

人均生态建设用地面积（m2/人）l

土地利用结构（%）

土地覆盖和景观

l

保护具有环境价值的自然景观及动植物栖息地，

l

自然保护区及其他具有特殊科学与环境价值的受保护区面积占区域面积的比例（%）l

特色风景线长度(km)l

水