人类活动引起的环境水文地质问题

地下水的不合理开采会导致土地的次生盐碱化。比如渤海湾沿岸很多地区，过度抽取地下水造成海水入侵，造成沿海土地次生盐渍化；在甘肃省石羊河下游的民勤盆地，由于抽取深层高矿化度地下水灌溉土地，导致大面积耕地盐碱化。

不合理开采地下水造成的生态环境恶化的另一个后果是土地荒漠化。我国沙漠面积较大(其中沙漠和沙化土地面积约153.3×104 km2)，过度开垦、毁林和超采地下水导致荒漠化加剧。以甘肃河西走廊石羊河流域为例，自20世纪60年代末以来，由于武威盆地大量使用上游河水，石羊河进入民勤盆地的水量大大减少，由于数千口灌溉井超采地下水，流域地下水位普遍下降3 ~ 7米， 导致沙枣、梭梭、白刺等依赖地下水生存的防风固沙植被持续衰退，草类退化。 在7.24×104 hm2的林地中，植物生长衰退，土地已沙化67.7%，其中死亡0.87×104 hm2。同时，绿洲中植被的减少也造成了沙丘的活化。腾格里沙漠正以每年6 ~ 8 m的速度侵蚀着绿洲，给数百个村庄7.6万多人的饮水和农业生产造成了极大困难。二、环境地质灾害

(一)地面沉降和塌陷

地下水是维持土体应力平衡和稳定性的重要因素。大量抽取地下水降低了含水层的水头压力，改变了土壤结构，必然会破坏土壤原有的应力平衡和稳定性，从而导致地面沉降、地裂缝、地面塌陷等环境灾害。

上海、天津、宁波等沿海城市发生地面沉降后，北京、苏州、无锡、常州、太原、xi、开封等一些远离沿海的内陆城市和河北平原的一些灌区都不同程度地发生了地面沉降。上海和天津的最大沉降量分别达到了2.37m(1921 ~ 1965)和2.70 m(1988，苏河源等。)分别。由于地面沉降，城市污水和雨水经常在市区堆积，不能及时排出，洪水和潮汐灾害越来越严重，一些地面建筑。天津地面沉降已普遍造成海河两岸防洪堤下沉1 ~ 2m，受淤积河道变浅影响，海河下泄能力由1.200 m3/s降至400 m3/s。由于不均匀沉降，许多河流闸门也受到损坏，加剧了城市地区的洪水灾害。目前，天津市区和塘沽、汉沽、大港等沿海地区的地面海拔只有不到2米。如果继续沉降，将受到海水泛滥的严重威胁。

地面塌陷是覆盖型岩溶地区开采地下水时最严重的环境地质灾害。这是因为在该地区开采(或排放)地下水时，由于溶洞充填物和水体的排放以及松散覆盖层潜在侵蚀的加剧，覆盖层的稳定性被破坏，地面塌陷。据不完全统计，全国因开采地下水造成的地面塌陷超过800处。由于岩溶地区的地面塌陷灾害往往是突发性的，比地面塌陷灾害更难预防，也更严重。例如，上世纪80年代初，山东省泰安市的地面沉降曾严重威胁到津沪铁路的行车安全，以至于不得不投入大量资金进行整治。秦皇岛市柳江流域水源地开采能力为5万m3/d，水源地投产半年后，水源地周边相继出现地面沉降、地面开裂和286个地面塌陷坑，总面积为28.32×104 m2，共损毁106个村的1 700间房屋。地面沉降已成为岩溶覆盖区地下水开发利用最重要的环境制约因素。

(2)海水入侵

在自然状态下，沿海地区含水层中的淡水和海水保持一定的平衡。然而，由于淡水的大规模开采，这种平衡被破坏了，海水侵入了淡水含水层，恶化了淡水的质量。

早在1889年，荷兰人E.W.Ghyben和德国人B .赫尔茨贝格就分别独立提出了相同的计算公式，即吉本-赫尔茨贝格公式，用以确定海水入侵时咸淡水突变界面的位置。在自然条件下，大陆含水层中的淡水排入大海，咸淡水之间的平衡条件使含水层中的淡水保持高于海平面的水头压力。咸淡水界面的具体位置是由含水层排入海洋的淡水决定的。一般淡水流量越大，界面越靠近海岸线。

吉本-赫尔茨贝格公式是基于盐与淡水不相溶的突变界面，但实际上，盐与淡水的界面并不是突变界面，而是一个变化的过渡带。只有当过渡带的厚度相对于含水层的厚度可以忽略不计时，才可以认为是突变界面。近年来，许多学者采用更先进的溶质运移模型来研究滨海地下水的海水入侵。含水层海水入侵的控制方法有:限制地下淡水的开采、人工回灌注水埂、抽水箱法和隔水墙措施。

(C)其他负面环境影响

地下水的不合理开采不仅会造成上述明显的环境灾害，还会诱发一些人们不易察觉的重要水环境负面效应。例如，由于过量开采地下水，区域地下水位急剧下降，使天津沿海地区地表水体覆盖率从20世纪50年代的27.8%下降到80年代的7.7%。在整个地区土地荒漠化和盐碱地扩张的同时，近40年的降水量也在波动中不断减少，空气湿度不断降低，气温也在波动中缓慢上升。如该地区70年代平均气温每5年上升0.5℃，80年代平均气温每5年上升0.2 ~ 0.3℃。此外，我国西北干旱地区的许多内陆湖泊，如青海湖、博斯腾湖等，都被周边的大量河流和地下水开采引用，使得湖泊水位逐年下降，湖泊面积逐年萎缩。中国北方岩溶泉由于过量抽取泉域地下水而面临流量衰减和断流的威胁。比如中国著名泉城济南，由于过度开采岩溶水，从1974开始出现不规则断流。到1989，雨量比较少的时候，全市著名的72泉全部干涸，根本停不下来。

(4)管理和预防措施

地下水开采引起的一系列正负环境地质效应以及由此诱发的环境、生态和社会经济变化的原因十分复杂。但在大多数情况下，可以归结为地下水采补平衡的破坏和地下水位的升降。因此，从技术管理的角度来看，进行合理的水资源调蓄，优化控制地下水位，显然是地下水管理最基本的内容。

此外，根据各地区的具体情况，进行天然地下水回灌的保护和人工地下水回灌的利用；随时间和空间变化的抽水地点优化和抽水量设计；保护地下水水质，改善废水，地表水和地下水(包括进口水和资源水)联合协调开发利用。

当然，完善的地下水管理还必须有健全的管理机构和合理的法律保障。只有这样，用水者才能从环境、经济和技术上获得最大的收益，同时生态和环境地质的负面效应才能得到最大限度的控制和改善。

第三，水污染

随着社会经济的发展和人口的增长，废弃物的排放量也在增加。废气、废水和固体废物的排放严重污染了空气、地表水和地下水资源，使人类生存和发展不可或缺的宝贵水资源无法利用。

(1)污染的来源和途径

土壤和地下水中的污染源非常广泛，主要包括工业废水、生活污水、城市固体废物、采矿和矿渣、农业灌溉用化肥和农药以及劣质水体。其中，各种工业废水、生活污水和城市固体废物的污染问题最为严重。污染物可以是无机物也可以是有机物。特别是合成有机物的污染难以降解，给污染治理带来很大困难。

进入地下水的污染物通常需要通过包气带。污染的具体原因和途径如下:

(1)地表污染水的渗透。各种未经处理的废水排放后，会污染地表水(河流、湖泊)。这些被污染的地表水会渗入地下，进入含水层，从而造成地下水污染。目前，世界各地都有大量的工业和生活废水排入河流，这是造成地表水和地下水污染的主要原因。

(2)污水系统泄漏。城市或工厂污水排放管网或储存设施经常因事故或损坏而跑、冒、滴、漏，造成包气带和地下水污染。

(3)工业和生活固体废物填埋。由于选址不合理或填埋过程中防护设施和方法不当，固体废物填埋场的废气和渗滤液会对空气、土壤和地下水造成严重污染。

(4)各种石油和石化产品的泄漏。石油、石化产品及其废弃物多为非水性液体(NAPL)污染物，如城市加油站储油罐、石化产品储存场所、管网等的泄漏。

(5)农业灌溉造成的地下水污染。不合理的污水灌溉、化肥和农药的不当使用会导致大规模的非点源污染。

(6)天然劣性水体的污染。过量开采地下水导致地下或地表劣质水体侵入目标含水层，使地下水水质恶化。在沿海地区，过量开采地下水会导致海水入侵。

(7)大气污染物通过降水渗入地下，造成土壤和地下水的污染，如酸雨等有害元素。

(2)地下环境中污染物的迁移和模拟

在地下水污染过程中，污染物往往通过包气带进入地下水含水层。实际上，污染物对地下水的污染主要可以分为两个过程:一个是污染物在包气带中垂直迁移的过程；另一个是污染物进入含水层后的横向迁移过程。

污染物在含水层中的运动受多种因素控制，如地下水的对流和弥散以及污染物与含水层介质之间的各种物理、化学和生化相互作用(表9-1)。在不同的环境下(地质条件、水文地质条件等。对于不同的污染物，它们在含水层中迁移的控制因素可能不同。表9-1中所列的函数对于一个给定的污染物传输问题可能不会同时存在，但其中的一个或几个可能起主要的控制作用。一般来说，地下水的对流是普遍存在的，对污染物的迁移有重要影响(赵永胜等，1994)。

目前，根据含水层介质中地下水污染物的特征，污染物分为保守污染物和非保守污染物两种。前者在含水层中迁移时，主要作用是对流和弥散。然而，当非保守污染物在含水层中迁移时，它们会与岩石介质发生各种复杂的物理、化学和生物化学相互作用。它在含水层中的迁移非常复杂，受多种因素的影响。

(3)地下水溶质运移的MOC模型

污染物在含水层中运移的模拟模型发展很快。从一维、二维到三维流动模型，模拟条件越来越复杂，从均质各向同性到非均质各向异性，从守恒溶质到非守恒溶质。求解溶质运移模型的方法很多，包括解析法、半解析法和数值法。由于数值方法具有很强的实际应用功能，能够解决复杂条件下的溶质运移问题，目前得到了广泛的应用。

溶质运移模拟的数值方法包括:有限差分法、有限元法和边界元法，每种方法都有各自的优点。虽然国内外已经建立了污染物运移模拟的三维流动模型，但由于地层参数获取困难和数据要求，在实际应用中受到限制。目前，二维水流模型仍被广泛应用。本书主要介绍了国际上最流行的溶质运移模型之一:MOC模型。

MOC模型(特征线法)由L.F.Konikow和J.D.Bredehoft建立，经过多次改进，现已成为美国地质调查局(USGS)常用的专业模型软件，实用功能较强(赵永生，1992)。

模型要求地下水运动符合达西定律；含水层的孔隙度和渗透系数不随时间变化；地下水的速度场不受流体密度、粘度和温度的控制。水位和浓度的垂直变化可以忽略。根据Pinder和Bredehoft (1968)的工作，非均质各向异性含水层中水运动的二维流动数学方程可以写成:

表9-1控制地下水中污染物迁移的功能

现代水文地质学

式中:tij——水动力传导系数，(L2/t)；

h——地下水位，(l)；

s——储水系数；

t-时间，(t)；

W=w(x，y，t)源项和汇项，(l/t)；

XJ Xi坐标，(左)。

包括对流、扩散和化学作用的溶质运移方程具有以下形式:

现代水文地质学

其中CR是化学作用项，可以是:

现代水文地质学

式中:αijmn——含水层的弥散度；

Vm，VN-分别为m和n方向的速度分量；

| v |-速度模式；

C——模拟污染物浓度；

N——有效孔隙度；

c '-污染物的模拟源-汇浓度；

w-源和汇单位面积的通量；

Vi——渗流速度；

ρb——中等密度；

——固体介质吸附污染物的浓度；

rk——污染物增减率；

λ ——放射性核素的半衰期。

通过联合求解方程(9-1)和方程(9-2)，可以得到污染物迁移的结果。

(4)地下水污染的控制和修复

地下水污染具有复杂性、隐蔽性和难以恢复的特点。土壤或地下水一旦被污染，恢复和净化的过程较长，其处理技术难度大，处理费用昂贵(Paul E.Flathman等，1994)。因此，防治土壤和地下水污染十分重要。

1.污染控制的行政手段

运用行政和法律手段管理和控制地下水污染非常重要。其主要内容是:

(1)建立、完善并严格执行水资源保护和水污染防治的法律法规；

(2)根据环境负荷对工矿企业污水排放实行“总量控制”、“浓度控制”和“负荷控制”。同时，鼓励企业改进生产工艺，提高用水效率，循环用水，减少废水排放，实行“三废”资源化、无害化；

(3)建立和完善统一的水资源管理和水质监测机构，并赋予其法定权力；

(4)合理的工业布局和区域性、地方性的地下水水质保护。

2.污染源控制

控制和治理污染源是防治地下水污染的关键。在实际工作中，至少在目前的技术水平和经济条件下，还不能完全、永久地消除地下水污染源。换句话说，人类在生产活动和生活过程中排放的废物(废水、固体废物、废气)是无法做到“零排放”的。但是，我们可以通过各种先进的技术手段和严格的管理措施来控制地下水污染的污染源，避免和减缓地下水污染。

3.地下水污染拦截吸附系统

地下水污染的拦截系统包括在地下水面以下挖掘的拦截槽，有时在槽中安装管道。地下截流系统的原理类似于无限长线性排列的抽水井的作用。该控制系统可用于收集受污染的渗滤液，也可用于减缓或消除受污染地下水的污染。

地下水污染吸附系统(SSS)是指能够增加含水层中多孔介质对污染物吸附能力的区域。这些区域可以将污染物的传输性能降低三个数量级，因此可以延缓污染物的传输，降低下游水体中污染物的最高浓度。减缓污染物的活动，可能会有足够的时间让微生物和非微生物降解发生。吸附系统中用于吸附的介质可以是天然物质(如粘土矿物)或人工材料。一般采用工程措施拦截被污染的地下水，使其流经由吸附介质铺成的狭窄通道(漏斗闸门法)。

4.其他地下水污染控制项目

在某些情况下，可以使用其他工程措施来控制地下水的污染，如地下板桩、灌浆和泥浆护壁。

板桩法是通过在地下打入板桩来控制地下水流，防止污染。板桩可以是钢板、木板或水泥板。通过地面重力的作用，板桩进入地下，连接起来形成一个薄薄的不透水层。

灌浆法是在压力下将液体、泥浆或乳胶注入地层。当注入流体时，它会流动并占据地层间隙，但随着时间的推移，注入的流体会凝固，从而降低原位层的渗透率，阻止水通过。用于灌浆的流体通常包括泥浆、水泥或化学液体。当两种或两种以上的化学液体在地下混合时，会发生反应形成凝胶并凝固。灌浆常用的材料组合有:水泥和水；水泥、石粉和水；水泥、粘土和水；水泥、粘土、沙子和水；沥青；粘土和水；化学品等。在水泥浆中加入不同的物质，可以改变水泥浆的一些特性，如加入氯化钙、氢氧化钠、硅酸钠，加快凝结时间；加入石膏可以延长凝结时间；添加膨润土粉可以增加泥浆的塑性，减少其收缩；加入粘土和石粉可以降低成本，但降低其强度。常见的注浆方法有两种:一种是分段注浆，即钻进到一定深度后，停止钻进进行注浆，注浆后清洗钻孔，然后继续钻进，再重新注浆、清孔、钻孔，以此类推，直至注浆达到预定的地层深度；另一种方法是先钻至预定深度，然后选择灌浆层位自下而上进行灌浆。灌浆保护系统设施应首先考虑浆液的成分。用什么泥浆取决于地层岩性、污染性质、污染时间和施工时间。灌浆法在建筑业已有100多年的历史，如增加地基承载力或浇筑堤坝以防止地下水渗漏。然而，这种方法应用于控制地下水污染是近几年的事情。这种方法只适用于具有一定孔隙大小的地层，高地下水位和流速不利于这种方法的应用。

泥浆护壁可用于防止地下水污染或控制受污染地下水的移动。该方法包括在某一区域周围挖一条沟，然后用防水材料将其填满。防护墙可以设置在废物场地的上游，防止地下水的流入，也可以设置在整个场地的周围，防止被污染的地下水向外流出。

5.地下水污染的修复与控制

污染地下水的修复与治理是水文地质学的一个新的研究领域，也是目前国际专家学者研究的热点和前沿。回收和处理技术包括空气吹脱、污染土壤气体提取、碳吸附、化学氧化、萃取处理、微生物处理等。

受污染含水层的恢复和处理是一个非常复杂和缓慢的过程，需要大量的人力、物力和财力。目前，虽然对地下水污染修复和治理的研究越来越重视，但由于上述问题的复杂性，修复和治理的效果有限。例如，美国和一些欧洲国家投入大量资金对受污染的地下水进行修复和治理，但未能达到预期效果。因此，污染地下水的恢复与治理无论在理论上还是在方法和技术上都期待着未来的发展和突破。事实上，解决地下水污染问题的最好方法是预防，因为一旦含水层受到污染，就很难恢复和控制。