地下水环境容量评价指标.pdf

第6 2 卷第1 期 2 010 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u 8 tM e t a l s V o L6 2 ，N o ．1 F e b r u a r y ．2010 地下水环境容量评价指标 刘广海1 ，邢立亭1 ”，刘元章2 ，赵桂兰1 1 ．济南大学资源与环境学院，济南2 5 0 0 0 2 ；2 ．中国矿业大学资源与安全工程学院，北京10 0 0 8 3 摘要分析地下水资源开发利用产生的环境问题，认为地下水环境容肇的评价指标可采用地下水水位、允许开采量、水质 组分或支撑社会- 经济．环境可持续发展的综合指标来等来表征。评价指标与水文地质条件和社会、经济、技术条件密切相关。 关键词环境工程；地下水环境容量；环境效应；评价指标 中图分类号X 5 2 3 ；X 8 2 4文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 1 0 1 0 9 0 4 地下水是水资源重要组成，其水质良好便于利 用，是理想的供水水源，但是地下水开采的同时，不 同程度的以环境损害为代价。讨论与地下水开发利 用相关的环境效应的基础上系统地提出地下水环境 容量指标并进行研究，从而为合理利用地下水资源， 保护环境提供理论依据。 1地下水开发利用产生的环境效应 地下水资源开发利用不当可能引起地质环境问 题和生态环境问题⋯，如地面沉降、地裂缝、岩溶塌 陷、沼泽化、地下水水质变异与恶化、漏斗扩展、海水 入侵、泉水景观消失、生态退化、土地沙漠化、水盐失 调与土地盐渍化等心一2 1 。为保证地下水资源的永 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保护环 境的原则，对可能出现的环境负效应予以高度重视。 2 地下水环境容量的涵义 国内外很多学者提出过许多水环境容量的定 义，大致可分为以下几类“o 1 水环境容量是 污染物容许排放总量与相应的环境标准浓度的比 值； 2 水环境容量是环境的自净同化能力； 3 水 环境容量是指不危害环境的最大允许纳污能力。虽 然上述水环境容量的定义表述不尽相同，但本质都 是一致的，都强调了一定水体和纳污能力””’。 收稿日期2 0 0 9 0 3 2 1 基金项目山东省自然科学基金资助项目 Z R 2 0 0 9 E M 0 1 0 ；济南市 科技发展计划项资助项目 T N K 0 8 0 6 作者简介i 刘广海 1 9 6 4 一 。男，河南兰考县人，副教授，主要从事 自然地理教学与研究方面的工作。 地下水与地表水不同，地下水赋存于岩土空隙 中，因此，地下水环境容量应综合考虑以下几点。 1 地下水环境是由含水系统和流动系统两大基本 要素构成。地下水资源开发利用可能引起的环境问 题不仅仅只与污染相关。 2 地下水环境与水文地 质条件密切相关，由于水文地质条件的复杂性，对于 不同的水环境问题，其评价方法和解决问题的手段 各不同。从某种意义上讲，对地下水环境容量而言， 研究其地质结构、状态的变化极限值或临界值，比研 究地下水污染的阈限值显得更为重要。 综上所述，地下水环境容量仅局限于地下水污 染负荷的定量研究是不全面的。把地下水环境容量 定义为在地下水系统演化过程中，没有诱发不可接 受的环境、经济及社会后果的一定目标约束下，在空 间和时间上地下水系统对外界影响产生响应的临界 值，如地下水系统可能承受的临界水位、允许开采 量、水温或可接纳污染物质的最大潜能。 由此可见，地下水环境容量是多个因子的函数， 包括湿地及泉水的消失、地面沉降、海咸水入侵、地 下水水质恶化、岩溶塌陷、地下水储存量的减少、地 表水流量的减少、技术一经济一社会指标等。‘地下水 环境容量指标取决于地下水系统本身所固有的客观 地质条件，又受到人类社会生产力及技术的发展水 平的影响。 3 地下水环境容量指标 综上所述，地下水环境容量指标可定义为与环 境状况密切联系的地下水和与地下水有关的各种临 界指标的总称。地下水环境容量可采用地下水位临 界埋度、临界水位、容许开采量、土壤含水量、土壤含 盐量、T D S 、C I 一、纳污能力及支撑社会- 经济一环境可 万方数据 1 1 0 有色金属第6 2 卷 持续发展的综合指标来表征。 3 ．1 安全开采量 3 ．1 ．1 采补平衡型。采补平衡型水源地允许开采 量是防止资源枯竭的阀值，其数量一般不宜超过地 下水系统或富水地段的补给量。如曹文山采用水力 削减法计算玉门镇供水水源地开采量为3 万m 3 ／d 时，水源地不会产生资源枯竭、地面沉陷和水质恶 化Ⅲo 。文宏展利用水均衡原则建立极限状态方程， 应用改进一次二阶矩法进行可靠度分析确定的地下 水允许开采量的保证率几乎达到1 0 0 ％，比传统方 法确定的更精确和符合实际情况引。 采补平衡型水源地即使地下水位呈现动态平衡 状态，也应考虑警戒水位下是否诱发环境地质问题。 如泰安隐伏灰岩区地下水动态与岩溶塌陷对比分析 表明，当水位处于岩溶介质顶板附近并急剧波动时 产生岩溶塌陷坑的数量增加，通过水位监测可对岩 溶塌陷做出预测⋯。 3 ．1 ．2 消耗型。开采深层地下水不可避免地要产 生地下水位持续下降、形成区域地下水降落漏斗、甚 至诱发地面沉降、地裂缝。如大同市自1 9 8 1 年以来 地下水开始超采，大同市地裂缝分布位置与地下水 降落漏斗关系、地裂缝与降落漏斗的相互位置以及 与时间有对应关系Ⅲ1 ，说明地下水超采是引发地裂 缝的主因。开采地下水引起各种环境损害时，不能 简单地根据补给资源确定允许开采量，必须在开采 地下水获得的利益与环境损害造成的损失之间进行 权衡，这种条件下允许开采量的确定是一个非常复 杂的问题。 3 ．2 地下水水质指标 3 ．2 ．I 水质恶化，T D S 升高。水中的无机盐浓度高 于植物根细胞液的浓度时，造成植物脱水萎蔫，潜水 T D S 对植物生长状态产生显著影响。植物对潜水矿 化度有最佳适应范围，如塔里木河干流区主要植物 生长良好的潜水矿化度一般不超过3 ～5 9 ／L ，大于 1 0 9 ／L 绝大多数枯萎死亡1 。 在水资源匮乏的北方平原区，开发浅层微咸 咸 水具有增加水资源和改善生态环境的双重效 益。如环渤海地区分布T D S 大于2 9 ／L 的微咸、半 咸水区约3 ．3 万k m 2 ，目前仅少量开采，开发潜力很 大”1 。另外，T D S 也是海 咸 水入侵常用指标，不 同的学者采用了不同的咸淡水分界值，但是大体范 围为l ～2 m g ／L J 。 3 ．2 ．2 海咸水入侵，c l 一含量升高。我国有着漫长 的海岸线，总长度约1 8 0 0 0 k m ，沿海地区分布着我国 经济发展的大批重要城市和经济开发区，成为全国 经济发展的龙头，海 咸 水入侵使当地的饮水条件 和工农业生产受到严重影响。如大连、秦皇岛、莱州 湾、胶东半岛等地，环渤海地区海 咸 水入侵面积 比2 0 世纪8 0 年代末增长3 8 ％H 。。迄今的研究中， 多数学者将c l 一浓度2 5 0 m g ／L 作为判断海水入侵最 直接、最敏感的单一指标。滨海地带地下水过量开 采是造成海水入侵的主要原因1 。 3 ．3 地下水水位指标 过量补充地下水和过量开采地下水引起地下水 升高和降低，引发一系列负环境效应。 3 ．3 ．1 地下水位埋深与土壤盐渍化。在干旱、半干 旱气候条件下，过量补充地下水引起土壤积盐，控制 适宜的水位埋深上界值是防止土壤盐渍化、生态退 化的重要指标。不同气候、不同季节防止土壤盐渍 化的水位埋深上界值各异。如松嫩平原，凡是潜水 埋深大于3 ．5 m 区，土壤不产生盐渍化，潜水埋深 2 ．3 3 ．5 m 区，土壤多呈轻度盐渍化，潜水埋深1 ．7 2 ．3 m 区，土壤多呈中度盐渍化，潜水埋深小于 1 ．7 区，土壤多呈重度盐渍化㈦1 。 西北内陆盆地最重要的生态环境指标是地下水 位，人工绿洲防止土壤盐渍化的地下水临界深度在 解冻期为2 ．0 2 ．5 m ，在春灌始为2 ．5 ～3 ．0 m [ g j 。 塔里木灌区地下水多为微咸水，适宜的灌区水盐调 控对策是控制土壤次生盐碱化的关键，研究表明地 下水埋深控制在1 ．6 2 ．1 m 内，不但可以减少排水 成本，而且也可使作物充分利用地下水，同时促进塔 里木河水质的改善“。 3 ．3 ．2 地下水位临界埋深与土地沙化和植被衰败。 土地沙漠化程度与地下水埋深密切相关，地下水位 临界埋深的下界值是不引起天然植被衰败和土地沙 化的重要指标，其值因植物种类不同、地理环境不同 等存在差异。对塔里木河下游地下水埋深与沙漠化 程度研究表明地下水位下降是引起塔里木河下游土 地沙漠化的众多因素中最直接的因素“。地下水 埋深1 ．5 ～3 m 对区域乔、灌、草自然植被生长有利。 地下水埋深在3 ～6 m ，胡杨和柽柳尚适宜生长，土地 沙漠化表现还不明显。地下水埋深下降到6 1 0 m ， 已不适合胡杨和柽柳等乔、灌木生长，小的沙丘不断 形成，土地沙漠化不断发展o | 。地下水位埋深下降 至8 ～1 3 m 以下，超过了胡杨林、红柳等乔灌木林和 其它荒漠植物赖以生存的最低水位线，土地沙漠化 强化，草本植物已基本灭绝⋯1 。 3 ．3 ．3 临界地下水位与地面沉降。在东北平原、华 万方数据 第1 期刘广海等地下水环境容量评价指标 北平原、长江三角洲、东南沿海平原、台湾西部平原 等沿海城市以及内地若干城市，不合理开发地下水 不一定是超采 是引发地面沉降的主要原因，确定 合适临界水位是控制地面沉降的关键。临界水位系 指不引起或不明显引起地面沉降的极限水位，地下 水开采引起水位下降超过这一极限值就要引起地面 沉降p 1 。如上海地区第四承压含水层的控沉临界 水位在一2 8 一一3 2 m ”1 ，河北沧州自2 0 世纪7 0 年 代开始大规模开采深层地下水，当深层地下水位降 至5 0 m 埋深时，地面沉降开始明显产生，降至或超 过7 0 m 埋深时则进入快速下降，德州、天津漏斗区 也具有该特点，确定华北平原深层地下水环境约束 条件的临界界限值为水位埋深5 0 m ，并将7 0 m 埋深 作为严格控制界限，以防止地面沉降的扩展和加 剧‘引。 3 ．3 ．4 地下水位与泉水断流。我国北方岩溶地下 水，多数是以泉域水资源系统为单元进行循环的，形 成了趵突泉、娘子关泉、辛安泉、神头泉、晋祠泉等著 名的景观资源，各岩溶水系统规模大、系统结构复 杂，流量大于1 ．O m 3 ／s 的岩溶大泉有6 0 多个，成为 当地工、农业生产及城市生活的蕈要供水水源。近 年来泉域内岩溶地下水位持续下降、泉流量衰减等 水环境问题日趋严重。 基于泉水景观的保护，在确定各区的开采降深 时，应确保水源地开采不影响泉水出流标高。如娘 子关泉群不低于3 7 9 m 这一高程嵋“，当晋祠泉岩溶 水位大于8 0 6 ．7 3 1m 泉口标高 时，晋祠三泉 善利 泉、渔沼泉、南老泉 全部出流旧“，当地下水位高于 2 7 ．5 m 时济南趵突泉等四大泉群全部出流一1 。因 此，在给定水位约束条件下，采用优化技术建立地下 水资源管理模型是含水层中获取最大水量的主要技 术支撑。 3 ．4 地下水温度指标 地热是“绿色”能源，地热能的开发利用具有广 阔的前景。但是，不合理开采引起了水温下降，水化 学组份、医疗效果降低等问题。如山西奇村地热田 从1 9 7 2 年水温6 2 ～6 3 。C ，2 0 0 2 年降为4 5 ℃口”。为 更好的指导地热资源利用与开发，应加强地热田水 位、水温监测资料积累，预警地热田温度和补给源的 变化。 3 ．5 排- 供- 生态环保三位一体优化结合 矿床开采诱发严重的矿山环境问题，华北型煤 矿区以多层含水层立体充水、水患严重为主要特征。 从可持续发展和大系统理论出发，将矿区的排水、供 水和生态环境保护作为一个整体进行系统研究，建 立矿井水资源合理开发利用的科学模式一排、供、生 态环保三位一体的优化结合，是解决三者之间矛盾 的关键Ⅲ1 。 排．供．生态环保三位一体化研究考虑了经济、 社会、生态环境、水力技术和安全生产等多方面可持 续性发展的约束要求，建立优化管理模型，将从经济 和水力两个方面对系统控制的可行性和可靠性作出 评价预测，对妥善解决整个华北型矿区水资源供求 关系失衡、挖掘新的供水资源潜力、保护十分脆弱的 生态环境，均具有十分重要的理论意义和实用价 值‘25 | 。 3 ．6 经济．技术- 生态约束 对于一个含水层系统，允许开采量等于多年平 均补给量扣除为满足各种经济的、技术的、生态的限 制条件所需保有的量，所以，允许开采量通常是指地 下水的可持续开发的量值心6 | 。钱小鄂采用经济一技 术一生态约束系数评价广西岩溶地下水资源允许开 采量为天然补给量的4 9 ．4 ％口“。 4 展望 目前，地下水环境容量研究很不成熟，随着水文 学研究内容、研究视野的扩展，地下水环境容量研究 在理论上将进一步完善，地下水环境容量评价指标 在实践应用中可有效指导水资源与环境调查、评价 预测和保护与治理等工作，具有重要的理论意义和 实用价值。 参考文献 [ 1 ] 郭令智，朱学愚．地下水资源开发的环境影响[ J ] ．江苏水利，1 9 9 8 ， 4 1 2 一1 3 ． [ 2 ] 张长春，邵景力，李慈君．地下水位生态环境效应及生态环境指标[ J ] ．水文地质工程地质，2 0 0 3 ，3 0 3 6 1 0 ． [ 3 ] 魏子新．上海市第四承压含水层应力一应变分析[ J ] ．水文地质工程地质，2 0 0 2 ，2 9 1 1 4 ． [ 4 ] 牛修俊．地层的固结特性与地面沉降l 临界水位控沉[ J ] ．中国地质灾害与防治学报，1 9 9 8 ，9 2 6 8 7 2 ． [ 5 ] 殷跃平，张作辰，张开军．我国地面沉降现状及防治对策研究[ J ] ．中国地质灾害与防治学报，2 0 0 5 ，1 6 2 6 9 [ 6 ] 成建梅，李国敏，陈崇希．滨海、海岛海水入侵数值模拟研究[ M ] ．武汉中国地质大学出版社，2 0 0 4 9 一1 3 ． 万方数据 1 1 2 有色金属第6 2 卷 [ 7 ] 邢立亭．济南泉域岩溶地下水开发布局研究[ J ] ．人民黄河，2 0 0 7 ，2 9 2 4 6 4 7 ． [ 8 ] 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o u r c ea n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，B e 咖n g10 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee n v i r o n m e n tp r o b l e m sg e n e r a t e db yg r o u n d w a t e rr e s o u r c ee x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o na r ea n a l y z e d ．I ti s c o n s i d e r e dt h a tt h ei n d e x e so ft h eg r o u n d w a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t yc a nb e u s e da s e v a l u a t i n gi n d i c a t o r s o f g r o u n d w a t e rl e v e l ，p e r m i s s i v em i n i n gy i e l d ，w a t e rq u a l i t yc o m p o n e n t so rt h ec o m p r e h e n s i v ei n d e x e sw h i c hs u s t a i n t os o c i a l e c o n o m i c e n v i r o n m e n ts u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ．T h ee v a l u a t i n g i n d i c a t o r sa r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h e h y d r o g e o l o g i cc o n d i t i o n sa n ds o c i a l ，e c o n o m i c ，t e c h n i q u ec o n d i t i o n s ． K e y w o r d s e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ；g r o u n d w a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t y ；e f f e c to fe n v i r o n m e n t ；e v a l u a t i o n j n d e x 万方数据