水资源开发利用的环境地质效应
在水资源的开发利用中，地下水因其良好的水质和相对稳定的动态，被许多国家视为开发利用的主要对象。美国约50%的畜牧业和灌溉用水，40%的公共供水依赖地下水。然而，地中海岛国马耳他和位于西亚干旱高原的沙特阿拉伯，65，438+000%依赖地下水(表3.4)。
表3.4典型国家地下水在供水中的比例
地下水的大规模开发利用必然导致环境水文地质问题。环境水文地质学是指在人为和自然因素的影响下，地下水在水化学、水动力学、水文物理和生物性质等方面发生变化而引起的对人类生产和生活环境的制约。按照作用机理，环境水文地质学主要包括环境水文地球化学、环境流体动力学、环境水文物理学和环境水文地质生态学。各功能的控制指标及其环境影响结果见表3.5。
表3.5环境水文地质类型及结果
3.2.1.1环境水文地球化学
环境水文地球化学是指在人工干预下，在一定的渗流和水文地球化学条件下物质迁移转化的作用，是决定污染物迁移转化规律的主要作用。主要有酸碱作用、氧化还原作用、吸附解吸作用、络合螯合作用、稀释浓缩作用、生物净化浓缩作用、放射性衰变和细菌繁殖衰退作用、污染物在水中的扩散作用。通过这些作用，水污染物质在环境系统中迁移、富集、转化、分散、净化和改变其毒性，从而造成水质恶化、公害等不良环境影响，或净化水体。
3.2.1.2环境水动力作用
环境水动力作用是指地下水动力要素变化引起的地质环境中的相互能量交换。通过荷载效应、应力腐蚀效应、孔隙水压力效应、潜在腐蚀吸收效应的作用，破坏地质环境中不同单元之间的力学平衡，引发地面沉降、岩溶塌陷等地质灾害。地下水位下降会引起水动力场各要素的变化，如水力梯度、渗流速度、水压等。
3.2.1.3环境水物理函数
环境水的物理功能是指地下水对热能的扩散和转化而引起的建筑地基失稳和地下水水质恶化的环境功能。由于人工热流出物的影响，水温的变化会造成水体热污染，影响水质和水生生态平衡。
3.2.1.4环境水文地质和生态功能
水质、水量、水温的变化都会造成生态平衡的破坏。大量开采地下水造成的区域性水位下降，降低了包气带土壤水分，破坏了土壤结构，导致土壤沙化和草地退化。不当引水灌溉导致地下水位上升，导致土壤盐碱化，从而破坏农业生态平衡；水污染物中过量的氮、磷等营养物质会导致湖泊、海湾等水体中藻类的灾难性生长，降低水体质量，危及水生态系统。
3.2.2水资源开发利用的积极环境地质效应
水资源的开发利用对社会经济发展起到了不可估量的作用。如果在科学评价和合理开发的基础上加以利用，就会促进环境变化向有利于人类生存的方向发展，这就是所谓的积极环境效应。
3.2.2.1地表水利用过程中环境地质的积极作用
通过筑坝形成水库，提高水位，调节径流，改善水质，实现灌溉、发电、供水、防洪、航运的综合效益。由此带来的积极环境效应如下。
3.2.2.1.1增加蒸发量，有利于防洪。
由于水库增加了自由水面面积和蒸发损失，美国大平原南部一些水库在少雨年份最大蒸发损失达到42%。对于专门为防洪而建的小型水库，失水使洪水量迅速减少，可以增加水库的防洪能力。因为美国大平原南部的年蒸发量远大于年径流量，所以水库的防洪效益比美国其他地区好。俄克拉荷马州Physique河上的25个水库的临时蓄洪使受淹平原的面积减少了23%。
3.2.2.1.2调节径流
水库对径流的影响主要表现在对流量的调节上，及时对流量进行再分配，减小下游河道流量的长短期变化范围，有利于水生生物的生活。
3.2.2.1.3增加地下水的补给量。
水库建成后，库区附近地表水下渗补给时间和面积往往增加，促进地下水位上升，有利于减缓或防止地面沉降等地质灾害。
当然，修建水库造成的蒸发量增加，从水资源的角度来说是一种损失，灌溉、发电、航运的效益也降低了。
环境地质在3.2.2.2地下水资源开发利用中的积极作用。
合理开发利用地下水可以给当地带来以下积极的环境效应。
土壤盐渍化的控制
土壤盐分的变化与潜水动力学密切相关。地下水位越浅，潜水蒸发量越大，向表层土壤输送的盐分越多，越容易造成土壤盐渍化。相反，如果将地下水位控制在一定深度，可以抑制土壤返盐，改良盐碱地。如河北平原金诗灌区实行井灌与渠灌相结合，地下水位埋深控制在2.5 ~ 3m，使整个灌区盐碱地面积从1972年的4.21×108m2减少到240×106 m2；80年代。在山东禹城实验区，引黄灌溉改为井灌，并增加了明沟排水，大大减少了盐碱地。整个黄淮海平原，从50年代末大规模开采浅层地下水到80年代中期，盐碱地已经减少了一半。
地下存储容量的存储
在地下水位较浅的地区，合理降低水位可以大大降低库容，有利于降水入渗和补给。1975 ~ 1988，河北平原京津以南地区，浅层水位平均下降5.9m，地下库容放空2.9×1010m3，增加了地下库容。在黄河平原上，自1966以来，地下水的开采量一直在增加。此外，河道的深挖降低了地下水的排泄基准面，促进了地下水的水平排泄，使该地区地下水多年埋深2 ~ 3m，增强了降水的入渗能力，减少了地表径流。
改善水质
沿河开采地下水，刺激河流回灌，既稳定供水，又利用岩层的自然过滤净化作用，将难以利用的浑浊河水转化为水质良好的地下水，为沿河城镇和工业集中供水提供水源。在北京、Xi、兰州、西宁、太原、哈尔滨等大城市，大型供水水源都是河边取水口。
减缓土地荒漠化。
深层地下水灌溉可以增加土壤含水量，促进植被生长，减少土地沙化面积。
3.2.3水资源开发利用的负面环境地质效应
随着社会经济的快速发展，人类对水资源的开发利用日益增加，往往会改变水资源的自然循环过程、方式和强度，从而给当地环境带来一系列不利影响。这种现象被称为环境负效应。
3.2.3.1区域地下水位下降，局部浅层水资源枯竭。
地下水的动态变化实质上是其补给和排泄的宏观综合表现。比如在含水层中，如果补给量大于排放量，就会引起水量增加，水位上升；反之，水量减少，水位下降。对于一个地区来说，地下水在大量开采之前基本处于动态平衡状态，地下水位保持相对稳定。但是，随着人类生产活动的加剧，地下水多年平均开采量超过多年平均补给量，就会破坏这种动态平衡状态，消耗含水层的“储存量”，结果，地下水位会直观地逐年下降。
地下水超采的直接后果是区域水位不断下降，地下水降落漏斗不断扩大。日本东京、美国加州中央谷、墨西哥城等地大规模开发地下水，导致区域地下水位下降，部分地区浅层含水层地下水枯竭，出水量减少，水位下降幅度加大，出现停泵甚至弃井现象。
在我国，华北平原水位总体呈下降趋势，深层水位以每年3 ~ 5m的速度下降。天津、沧州、衡水、德州的下降漏斗已连成一片，面积为3.18×104km2。其中沧州漏斗面积9830km2，漏斗中心水位埋深78m。北京、京广铁路沿线的保定、石家庄、邢台、邯郸、安阳分布有浅层水位降落漏斗，面积为1.89×104km2。在我国苏锡常地区，近年来随着乡镇企业的发展，地下水的利用量逐年增加。由于开采地点、时间和开采水平的集中(更多开采第二承压水)，自80年代中期以来，地下水位以平均0.5 ~ 1.5m/a的速度下降，区域地下水降落漏斗超过5000个。
区域地下水位下降不仅直接导致取水工程的下降或报废，还诱发泉水断流、地面沉降、岩溶塌陷、地下水水质恶化等生态环境问题。
3.2.3.2的泉水流量减弱或断流。
北方旅游城市的一些著名岩溶泉，由于泉区地下水开采布局不合理，在泉周围或上游挖井开采同一含水层的地下水，导致泉流量下降，枯水期甚至干涸。比如喀斯特泉群(趵突泉等。)在山东济南，旱季已经断流。山西太原晋祠泉流量从50年代的1.98m3/s逐渐下降，90年代初断流。在西北干旱内陆地区，由于黄土地带大量开采地下水，在山坳出口过度修建地表水库，在戈壁地带修建高防渗渠道，改变了河水补给地下水的自然条件，河水渗漏补给地下水的量大大减少，导致山前排洪扇的泉水溢流流量明显下降。如甘肃河西走廊石羊河流域，70年代的泉流量比60年代减少了五分之三，原来的绿洲泉灌区逐渐变成井灌区。同样，新疆吐鲁番盆地坎儿井水量也有所下降，给农业生产和人民生活带来不利影响。
3.2.3.3的地面沉降
地面沉降是指地面高程的降低，也称地面沉降或地面塌陷，是指地壳表面在一定局部范围内的整体下移。地面沉降以缓慢而不易察觉的向下垂直运动为主，水平位移很少或没有，可能影响数千平方公里。在某些情况下，地面沉降是一种自然动力地质现象，而大部分是由人类活动引起的，往往表现为地壳表层一定深度内岩土体的压实、固结或沉降。
19年底以来，随着世界范围内人类工程活动强度和规模的不断加大，许多地区出现了地面沉降。在很多情况下，人类抽取地下液体的工程活动引起的地面沉降是最常见的。意大利威尼斯是第一个发现抽取地下水导致地面沉降的城市。之后，日本、美国、墨西哥、中国、欧洲和东南亚一些国家的许多位于沿海地区或低平原的城市或地区，相继出现了因抽取地下液体而导致的严重地面沉降问题(表3.6)。
表3.6全球地面沉降概况
自20世纪60年代以来，上海、北京、天津、Xi等城市出现了地面沉降。地处渭河二级阶地的Xi市城区，地面沉降已发展到极其严重的程度，随之而来的地裂缝也严重影响了城市的发展。多处建筑受损，多处道路、燃气、自来水管道误断，部分古建筑明显受灾；1971 ~ 1988期间，钟楼累计沉降279.4mm，大雁塔向西倾斜886mm，向北倾斜170mm。由于地裂缝和不均匀沉降，程楠城墙西段坍塌。1976之前，Xi安地面沉降极为缓慢，年均沉降速率为5.3毫米，后来随着地下承压水开采量的增加，承压水位下降，地面沉降与承压水位漏斗重合，形成复合沉降区。到1988，沉降面积达到160km2，市区年平均沉降速率为34.6mm，有7个沉降中心。其中，胡家庙沉降中心累计沉降量已达65438±0 . 230mm，侯村-观音庙沉降中心累计沉降量已达65438±0 . 330mm。城区地裂缝日趋活跃，总长76.68km，垂直位移速率5 ~ 30 mm/a，水平位移3 ~ 4mm/a。Xi市地裂缝的形成虽然与关中盆地新构造隐伏断裂活动有关，但也存在一定的规律性因此，地裂缝的分布范围与地面沉降范围相吻合，地裂缝多沿每个沉降中心的一侧延伸。
图3.3天津地区1965至1988平均地面沉降速率图。
根据王若柏的研究(1994)，20世纪上半叶，水准观测表明，天津地区新构造沉降速率为4 ~ 6mm/a，位于渤海湾平原。承压水开采始于1923，天津市区于1959发现地面沉降现象。20世纪60年代后期，工农业生产大规模开采地下水，地下水年平均开采量为0.89× 1971，地面沉降速率为40mm/a；1972 ~ 1985年平均地下水开采量为(1.0 ~ 1.2)×108 m3/a，地面沉降量为75 ~ 120mm/a；1986关井减产。1988年产量下降到0.67×108m3，地面沉降减缓到24 mm/a..这表明地面沉降速率与地下水开采量之间存在正相关关系。在整个天津地区，1975的地面沉降范围只有600km2，有两个沉降中心:市区和宁河(汉沽)。1979年，结算范围猛增至4 000km2，天津、宁河、武清结算中心扩大并连成大型复合结算中心。1983年沉降范围增加到6 000km2，各沉降中心沉降速率极高，如天津113.3mm/a，汉沽118.0mm/a，塘沽107mm/a，任丘40 mm/a。1988期间，全区沉降面积达7 000km2，多个中等城市出现沉降，形成大规模多中心复合沉降区(图3.3)。天津市区工程学院水准点1996为3.39m，而1988只有1.64m，反映22年累计地面沉降1.75m。城市沉降中心最大累计沉降量已达2.62m，塘沽、汉沽部分地区地面为负标高或等于海平面。由于地面沉降，城区污水外溢，海河沉积大量泥沙，汛期排洪不畅，河道两岸出现沼泽，海水倒灌，水质恶化，风暴潮灾害损失剧增。这一系列环境问题严重影响了当地经济和社会的可持续发展。
上海位于长江三角洲前缘，松散沉积物厚达300米。1921 ~ 1965市区平均地面沉降1.76m，最大沉降2.63m..自1966采取治理措施后，地面沉降得到缓解(刘铁柱，1994)。大港油田位于渤海湾，地面海拔1 ~ 3m。自1965投产以来，油田注水和生活用水抽取了大量第四系淡水，使部分地区地下水位由0m下降到-80m(北大港)，全区地面沉降0.808m，沉降中心达到1.70m m，使油田管理系统变形甚至断裂，风暴潮和洪水危及油井、港口和各类建筑物(李德生等，6544
自20世纪六七十年代以来，苏州、无锡和常州都发现了地面沉降。到1994，三市沉降中心累计沉降分别为1 407mm、1 1 040mm和1 050mm，三市地面沉降造成的直接经济损失已达65438。
地面沉降危害极大，必须认真预防。具体措施如下:
(1)减少地下水开采量，严禁超采。这是防止地面沉降的根本措施。通过“开源节流”的方式减少地下水的开采，实行分质供水，利用好地下水，工业用水尽量使用地表水，推广循环用水技术。
(2)调整开采水平，尽量开发深层地下水。苏昌地区地面沉降主要是由采矿的“三集中”引起的，应进行科学规划，调整开采水平。比如，水质相对较差的第一承压水应尽可能用于工业用水，水质较好的第二承压水中的地下水只作为饮用水补给加以保护，改变第一承压水为饮用水开发，第二承压水用于工业的不合理现象。
(3)通过人工回灌等措施增加地下水回灌量。为使地下水上升，控制地面沉降，自1966以来，以冬灌夏用为主，“夏灌冬用”为辅的地下水区域人工回灌措施，使地下水大量人工回灌，城市地面随着区域水位的急剧上升，由常年沉降变为“冬涨夏沉”，地面沉降基本得到控制。
(4)加强城市雨水利用。借鉴德国先进经验，应用生态补偿原理，通过屋顶集水、人行道防渗材料等技术，增加城市地下水的补给，减少城市无效径流，提高雨水利用率。
3.2.3.4岩溶地面塌陷
岩溶地面塌陷是指在外部动力因素作用下，岩溶洞穴中发育的覆盖有可溶岩层的松散土石的地面变形破坏。其表现形式主要是塌陷，多为锥形塌陷坑。自然条件下的岩溶塌陷一般规模较小，发展缓慢，不会对人类生活造成很大影响。然而，人类工程生活中的岩溶塌陷规模大、突发性强，且多发生在人口密集区，对地面建筑物和人身安全构成严重威胁，并引发区域性环境地质灾害。
由于岩溶洞穴或溶裂缝的存在，上覆土层的不稳定性以及地下水对土层的潜在侵蚀和搬运，开采和排放岩溶地下水常造成地面塌陷。前者是崩溃的物质基础，后者是崩溃的动力条件。在自然条件下，地下水对岩溶充填物和上覆土层的潜在侵蚀也是存在的，但这种影响很缓慢，所以塌陷较少，规模也不大。地下水的人为开采和排泄极大地加强了岩溶充填物和上覆土层的侵蚀和搬运，促进了地面塌陷的发生和发展。这种崩塌的形成过程大致可分为以下四个阶段:
(1)抽排水过程中，地下水位下降，水对上覆土层的浮力减小，水力梯度增大，水流速度加快，水蚀作用加强。溶洞内的填充物在地下水的侵蚀和搬运作用下被带走，松散层底部的土体脱落流失，造成拱塌，形成隐藏的土洞。
(2)在地下水持续动水压力和上覆土体自重的作用下，埋藏土洞塌陷迁移，洞体继续向上扩大，引起地面沉降。
(3)地下水继续侵蚀搬运崩落体，隐蔽土洞继续向上扩大。当上覆土体自重压力逐渐接近隧道的极限抗压强度和抗剪强度时，地面沉降加剧，地面在拉压力作用下开裂。
(4)当上覆土的自重压力超过隧道的极限抗压强度和抗剪强度时，地面塌陷。同时，它的周围也有裂缝。此时，由于土体在坍塌过程中不仅在垂直方向产生剪应力，还在水平方向产生拉力。
图3.4徐州市塌陷区土洞发育示意图。
桂林、徐州、常州等许多城市都发生过岩溶地面塌陷。徐州市主要开发利用岩溶地下水。第四系松散层厚度5 ~ 30m，日供水量40×104m3，大大超过其补偿量[20 ~ 25×104 m3/日]，导致岩溶地下水位连年下降，漏斗中心水位埋深90m以上，在上覆土层形成许多土洞。4月1992、12 ~ 13日，云龙区李新生岩溶地面塌陷，形成9个溶洞，最大溶洞长25m，宽19m，冲毁房屋224间，直接经济损失4000万元。
3.2.3.5的海水入侵
沿海城市和地区过度开采沿海含水层中的地下水，造成了咸淡水界面的变化，海水侵入含水层，地下水质量恶化，盐度和氯离子浓度增加。
海水入侵是沿海地区水资源开发带来的特殊环境问题，在国外广泛存在。美国长岛、墨西哥赫尔墨斯城、日本、以色列、荷兰、澳大利亚等国沿海都存在这个问题。
我国海岸线长达1.8×104km，沿海地区是我国经济发展的重点区域，海水入侵会带来严重的经济损失。如大连、锦西、秦皇岛、青岛、厦门等地，由于海水倒灌，水质恶化，大量水井报废，粮食减产，果园被毁，严重阻碍了工农业生产和旅游业的发展。
莱州市，莱州湾沿岸，0989年1976 ~ 14a范围内，地下水可开采量为16.2×108m3，实际开采量为24.58×108m3，总超采量为8.38× 65448。旅大地区锦州湾沿岸大魏家水源地自1969建成投产以来，实际开采量(6.2×104m3/d)是允许开采量(3.1×104m3/d)的两倍，漏斗中心水位已降至最大值65434。
3.2.3.6水质恶化
由于地下水的大规模开发，区域水位下降，包气带厚度增加，促进了环境水文地球化学，影响了地下水质量。这种现象在很多地区都有发生，尤其是徐州市。由于大规模超采，该区地下水位以2米/年的速度下降，降落漏斗以每年8平方公里的速度扩大，从而引起水动力场和水文地球化学环境的一系列变化。明显的变化是地下水系统中氧化还原环境的变化，使原来的区域变成包气带，并使一些矿物质和化学成分氧化成更易溶解的盐类。例如，残留在土壤中的物质在包气带条件下会被硝化，形成易于迁移的和，其反应方程式为:
环境地质与工程
同时也促使包气带中不溶性硫化物变成可溶性硫酸盐，加剧了水体的污染。硝化作用导致水和离子增加，pH值降低，大大促进了CaCO3的溶解。同时，当pH值接近6时，可以防止CaCO3的沉淀反应。因此，地下水中Ca2+和Mg2+离子的含量总体呈上升趋势。此外，由于水位落差大，地下水流速增大，水循环交替加速，强化了氧化作用，增加了淋溶途径，强化了淋溶效果，导致灌溉污水、地表固体废物和粪便废物及淋溶水入渗过程中，包气带中大量可溶性钙镁氯化物和硫酸盐不断溶解，增加了地下水中Ca2+、Mg2+和离子的浓度；同时，污染成分分解形成的CO2不断溶解在水中，降低了pH值，溶解了更多的碳酸盐矿物，造成大面积的硬度污染。
这种地下水水质恶化现象在我国北方许多大中城市尤为明显，如北京、石家庄、Xi、呼和浩特、新乡、开封、兰州等。以石家庄为例，该市是全国为数不多的以地下水为唯一供水水源的大城市，在60年代中期大规模开采地下水的初期，矿化度一般只有0.3 ~ 0.4g/L，总硬度一般为13 ~ 15德度(在扇形地带，由于径流条件较差，矿化度和硬度较高)。到80年代中期，大部分地区盐度上升到0.5 ~ 0.8g/L，硬度上升到17 ~ 25度。地下水开采强度最大区域的地下水降落漏斗中段，矿化度已达0.85 ~ 1.0g/L，部分点位高于1.5g/L，硬度达30 ~ 33德度，部分点位已达64.6德度。根据河南省第一水文地质大队的监测资料，新乡市区孔隙潜水在1984 ~ 1989的5年内，随着开采量的增加和区域地下水位降落漏斗的加深，矿化度和总硬度迅速增加。盐度每年上升速率为0.028 ~ 0.10g/L，硬度上升速率为0.5 ~ 5度。特别是地下水硬度急剧增加，成为北方城市地下水开采过程中水质恶化的一大问题。如北京第七水源厂，17 ~ 18德国度投产时，1978年增加到33.1德国度，年均增长率为0.9。Xi安地下水硬度年递增量为1.03 ~ 3.82。兰州市年增长率为1.75，其中马滩水源地供水井最高硬度已达123.5德度。据有关部门初步估算，我国北方城市每年需要上亿元来软化地下水水质。