环境地质学

    环境、人口及能源已并列成为当代世界*突出和亟待解决的三大难题。人类
的生存环境究其本质是地质环境，它包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈四个相
互联系和制约的统一整体，离开了地质环境就无法完整地研究人类赖以生存的周
围环境。由于全球人口激增和人类经济活动日趋频繁，人类与地质环境间的矛盾
日益突出。为了减轻自然灾害给人类带来的灾难，减轻人类自身经济技术活动给
人类生存环境带来的破坏，一门研究人类与地质环境相互作用、相互影响的新学
科——环境地质学(Environmental Geology)便应运而生。它是一门新兴的应
用地质学学科，也是环境科学的重要组成部分。可以预言，环境地质学在21世
纪会得到迅速发展和广泛应用，在社会主义现代化建设和国民经济建设中将发挥
重大作用。为了满足教学之需，我们编写了这本《环境地质学》教材。本书可作
为高职高专及“3+2”高职水文地质工程地质专业、地下水科学与工程专业、水
文与水资源工程专业、岩土工程专业、地质工程专业、环境工程专业、地质专
业、地理专业等专业的教材，也可作为成人教育相关专业的教材，还可供相关工
程技术人员参考或作为自学用书。
    环境地质学是一门综合性较强、涉及面很广、应用性很大、具有广阔发展前
景的新兴专业学科，为此，编写本书时，力争做到理论联系实际，加强基础，突
出重点，深入浅出，简明易懂，便于学习，便于应用。在内容安排上，尽量做到
科学性、先进性、实用性相结合，突出职教特色，教材内容具有“宽(知识面
宽，技术含量大)，浅(内容深入浅出，浅显易懂)，新(教材内容充分反映新理
论、新技术、新方法)，活(内容鲜活，可读性好)，用(实用)”的鲜明特色。
另外，在编写有关内容时，还引用了国家有关技术标准和现行规范，以便于实际
应用。根据学科现状和发展趋势，本教材主要包括环境地质学基本知识、环境水
文地质、环境工程地质、灾害地质等方面的内容。全书共分八章，主要内容为：
环境地质基础知识(环境与环境问题、生态学基础、地质作用与第四纪地质、地
质灾害概述等)，地质环境与地方病，地下水污染，地下水开发引起的环境地质
负效应与废物土地处置，土地退化环境地质(土地沙化、水土流失、土壤盐碱
化)，地震与火山，斜坡地质灾害(崩塌、滑坡、泥石流)，地面变形地质灾害
(地面沉降、地面塌陷、地裂缝)等。由于“特殊土地质灾害”、“矿山与地下工
程地质灾害”等内容在工程地质学等相关课程中已经介绍，考虑到与相关学科的
衔接与联系，本书不再讲述。本书编排体系新颖，图文并茂，每一章都是一个独
立的模块，以便于不同专业、不同层次、不同类别、不同课时的教学需求，每章
后均附有复习思考题和习题，以利于学生学习。
    由于环境地质学涉及内容较多，发展迅速，编写本书时参考吸收了大量的国
 内外有关此领域的资料和成果，尤其是参阅了大专院校的有关教材和讲义(详见
书末参考文献)，在此谨向有关作者深表谢意。本书初稿曾作为讲义使用。根据
使用情况、师生反映和学科的发展，本次正式出版前，编者对初稿进行了进一步
的修改和补充，使本书内容更加丰富、实用，特色更加鲜明。
    本书由蒋辉编写。刘超臣、苏养平教授审阅了全书，提出了许多宝贵的修改
意见，河南省地勘局第二水文地质工程地质队总工程师、教授级高级工程师王现
国博士也提出了许多宝贵的修改意见，本书部分插图由河南省地质测绘院吴燕合
等人绘制，在此一并表示衷心感谢。
    由于环境地质学内容广泛，发展迅速，某些内容还未定型，加之作者水平所
限，时间仓促，书中不妥之处在所难免，敬请读者批评指正，以便进一步修改，
使其日臻完善。
    编  者
    2008年1月

第四章 
地下水开发引起的环境地质负
  效应与废物土地处置
  **节  地-F水开发引起的环境地质负效应

    随着社会经济的迅速发展，人类对水资源开发利用量不断增加，常
常改变了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
系列不利的影响，这种现象称为环境负效应。
  一些地区在开发利用地下水的过程中，由于不合理开采，导致了水
位大幅度下降和水质恶化及其环境地质问题，必须认识到其危害性，必
须加强地下水资源的保护和有关问题的防治，切实防止地下水开发利用
中的环境地质负效应，保持地下水均衡开采利用，使地下水长期处于*
佳的良好状态，为人类造福。
    一、区域地下水fi持续-F降
    (一)区域地下水位持续下降的原因
    地下水动态变化是其补给量与排泄量之间平衡关系的综合表现。如果
地下水补给量大于排泄量，含水层中地下水储存量增加，水位上升；反之，
则储存量减少，水位下降。对一个地区而言，地下水未经大量开采之前，
基本上处于一种动态均衡状态，地下水位保持相对稳定。随着人口增加和
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(即过
量开采)，其天然动态均衡遭到破坏，结果导致地下水位逐年下降。世界上
许多开采地下水的地区，均出现了地下水位大面积、大幅度持续下降的现
象。从地下水均衡分析，其主要原因是：在整个含水层或含水层的某些地
段上，由于地下水的开采量长期地超过了补给量(即过量开采)，出现负均
衡，进而逐渐消耗了储存量，并在一定周期内得不到恢复的结果。也即过
量开采，造成疏干性地下水位持续下降。图4—1是某地长期过量开采地下
水引起区域地下水位持续下降的实例图。在实际工作中，应注意水位持续
下降与降水周期性补给造成水位周期性波动变化的区别。
    地下水超量开采的直接后果是地下水降落漏斗范围不断扩大，区域
地下水位持续下降。据国土资源部全国地下水资源评价结果(2002年)，
我国地下淡水天然资源量多年平均为8837×10。m。／a，地下淡水可采资源
量为3527×108m3。／a。近20年来，全国用水量急剧增长，地下水开采量
平均以每年25亿立方米的速度增长，全国有400多个城市开采利用地下
 水，年超采44亿多立方米。目前，全国已形成大型地下水位降落漏斗区100多个，总面积
达15万平方公里，大多数漏斗水位埋深大于50m。因严重超采地下水，中国的华北平原已
出现世界上面积*大的地下水下降漏斗，总面积在7×104km2以上，已基本连成一片，平
均水位低于海平面。漏斗中心水位逐年下降，个别地区的抽水井深度达几百米。
    在华北，北京、天津等27座以地下水为主要供水源的城市，地下水的开采已严重过量。
目前。整个华北平原水资源的开发利用已高达83．5％，而河北平原的巨大漏斗已经与北京、
天津的降落漏斗连为一体，成为一个2．3万平方公里的超大地下水降落漏斗，地下水位年均
下降达1～3m。
    由于地表水严重污染，江南地区不得不开采地下水，仅在苏锡常地区就有开采地下水的
深井2800余眼，从苏锡常到上海、嘉兴，形成了8000kmz的地下水漏斗，地下水位年下降
1～3m，部分地区大于3m，由此引发的地下水水质恶化正在威胁江南未来的水源地。
    根据调查分析，引起区域地下水位持续下降的具体原因，可归结为以下四个方面。
    ①对区域水文地质条件，特别是对地下资源的形成条件认识不全面，所计算的允许开
采量偏大，因而导致开采量长期大于补给量，引起区域地下水位持续下降。这种水位持续下
降的现象，一般以区域水位下降漏斗中心处的历年*枯水位的变化反映得*明显。
    ②不合理开采所造成的地下水位持续和大幅度下降。所谓不合理开采，主要指开采地
段、开采层次和开采时间上的“三集中”开采，以及开采中的无序状态。有时虽整个含水层
的补给量与开采量是基本平衡的，但由于某些局部地段或某个含水层位(或在某个深度上)
开采井过于集中，开采强度过大，也将造成局部地段或某个含水层的水位持续大幅度下降。
例如，上海市区共有5个含水层，地下水储存量相当丰富，但是87％的开采量集中于Ⅱ、
Ⅲ两个含水层，其中，又有84％的水井和80％～90％的开采量，集中在这两个含水层的沪
东杨树浦、虹口和沪西普陀、长宁、静安几个工业区，且水井大部分是供夏季(5～9月)
冷却和降温用的。因此，在这两个含水层的上述地段，井间干扰加剧，出水量减少，区域地
下水位大幅度下降，形成了区域地下水位下降漏斗中心，它们也是产生地面沉降*严重的地
段，而在集中开采区外围或Ⅳ、V含水层中，地下水位下降并不显著。
    此外，有些地区或水源地，因开采时间过分集中所造成的地下水位在某一时期内的大幅
度下降，虽然不一定是持续性的，但是它也会影响抽水设备的正常运转，并带来其他危害。
如农灌井，如果其密度较大，并在干旱年份的旱季集中开采，则可引起水位相互干扰，并大
幅度下降，使出水量减少，甚至出现“吊泵”或机井报废现象。
    ③由于人为或自然因素变化导致地下水补给量减少，引起区域地下水位下降。
    a．由于人为或天然原因，使地下水主要补给来源的地表水流量减少、断流，或使河床
淤积，导致地表水对地下水的补给量减少。例如，西北河西走廊武威山前平原地区，十多年
来，由于上游山区兴建水利工程，使河水对冲积扇地下水的补给量大大减少，导致冲洪积扇
前缘地区地下水位下降了3～lorn，使溢出带泉水流量减少了30％～90％。
    一些傍河水源地，由于河流流量减少或断流天数增加，或因河床淤塞、渗透性变差等，
导致地下水补给量减少，由此引起的地下水位下降更为明显。西安市的丰河水源地，1974～
1976年，由于河水断流天数比过去增加，致使水源地地下水位在此期间下降了6．8m。
    b．由于森林被破坏及垦荒过度等原因，导致区域气候变化，降水量减少，地面入渗条
件变差，使补给量小于开采量，引起区域地下水位下降。
    c．在水源地的同一水文地质单元内，由于矿床或其他地下工程深部疏干，或由于水源
地上游新建井群的截流，或外围地区水井增加开采深度等人为原因，也可引起某些水源地地
下水位大幅度下降。
    此外，由于开采地下水使区域地下水埋深增加，包气带厚度加大，使大气降水渗入补给
量减少，也会促使区域地下水位持续下降，某些以降水入渗补给的水源地，当开采的水位降
深较大时(10m以上)，这种影响特别显著。
    ④由于经济建设的发展，人口的增长及生活水平的提高，对水的需求量明显增大。一
些地区已超过地下水允许开采量和已形成区域地下水位下降，但还要扩大开采量，这样，就
更加促进了地下水位下降的速度，导致一系列环境地质问题的发生。显然，这是不合理的，
但这种情况却很普遍，应引起高度重视，并采取防治措施，不能造成恶性循环。
    (二)区域地下水位持续下降的危害
    地下水持续下降是地下水过量开采的标志，它不仅导致地下水枯竭、井孔出水量减少、
井孔干枯报废，给水源地带来巨大的经济损失，也会产生种种环境地质问题。其主要危害
如下。
    ①地下水资源枯竭地下水资源是绝大多数城市主要的供水水源。由于城市人口激增、
工业企业密集，地下水开采量远远超出补给量，水资源日趋减少乃至枯竭的趋势愈加明显。
中国北方的北京、沈阳、石家庄、济南等大城市的地下水开采模数均已超过100×104m。／
(km2‘a)，由于过量开采，结果造成补给量与排泄量的平衡关系失调，地下水位持续下降，
部分地区出现含水层被疏干的严重现象。
    ②由于区域地下水位下降，使取水工程的出水量不断减少，有时必须更换抽水设备才
能取水，使抽水成本不断增加，严重时，甚至使水井报废。许多大型水源地和井灌区，都存
在此问题。例如，山东淄河的冲洪积扇区，因大量取水，15年内全区地下水位普遍下降了
lOm，*大者达30m以上，使原有2000余眼浅机井及附近泉水全部枯竭。机井报废、打深
机井及更换水泵的经济损失达5000多亿元。此外，耗电量的增加，使浇地成本由原来的每
亩0．4～o．5元增加到1．2元以上，使全灌区每年多耗电费140多万元。北京市，上海市，
德州市，阜阳市，苏、锡、常地区，地下水降落漏斗面积超过了1000km2。全国有100多个
城市和一些井灌区地下水位持续下降，主要分布在北方缺水地区和东南沿海地区，有些地区
漏斗中心水位降深数十米到百余米，有的地方地下水已濒l临枯竭。因水位大幅度下降，我国
年报废水井达上万眼。
    ③由于区域地下水位下降，可引起地面沉降、地裂缝及地面塌陷等严重环境地质问题。
地面沉降是目前世界上许多抽取地下水的平原区，特别是滨海城市所共同面临的严重问题。
一些地区的*大地面沉降值如下：美国的长滩市，9．5m；东京，4．6m；大阪，2．88m；墨
西哥城，8m；上海市，2．6m(1921～2007年)。国内至少还有天津、西安、太原、苏州及