环境管理_水资源开发利用与环境地质概述

第10章水资源开发利用与环境地质 第10章水资源开发利用与环境地质 水 不久将成为一场深刻的社会危机 人类所看到的最后一滴水 将是人类自己的眼泪 在不到两百年的时间里 人类的淡水需求量增长了近60倍 3 4的水被用以灌溉农业 但却有一半被浪费 全世界每3个人中就有一个人因水污染而处于供水短缺的状况之中 到2025年全球人口将达到80亿 这将远远超过水资源的承受能力 环境资源问题将成为未来引发争端的因素 尤其是水资源 埃及的安全保障掌握在尼罗河上游的8个国家手中 目前世界上40 的人口生活在横跨两个国家以上的河海沿岸 国内的水事纠纷普遍存在 水太多 水太少 水太脏 水太浑水能载舟 亦能覆舟然而 水之所以能成为一场深刻的社会危机 远不只是存在着供需矛盾 在水资源开发利用过程中 还常常出现区域性水资源枯竭 海水入侵 地面变形 水质恶化等环境地质问题 人类构筑水坝 建筑异地调水工程也将引起上下游或周围水陆生态环境的改变 1水资源概念水是人类生存和人类文明的命脉 但是人们并没有较早地认识到水是一种资源 随着社会的发展 人类社会对水的需求量越来越大 人们开始感到可用水资源的匮乏 在长期的社会实践中逐渐认识到地球上水所特有的循环再生 运动变化规律 并认识到水是有限的 随后 人们才逐渐把水资源 水环境保护 生态平衡等问题同人类的生息与发展联系在一起加以考察研究 并开始将水当作资源看待 什么是水资源 其提法大致有这样三种 1 广义的提法 包括地球上的一切水体及水的其它存在形式 如海洋 河川 地下水 土壤水 冰川 大气水等 2 狭义的提法 指陆地上可以逐年得到恢复 更新的淡水 3 工程上的提法 指上述可以恢复 更新的淡水中 在一定的技术经济条件下可以为人们利用的那一部分水 地球的表面积约5 1 108km2 被水覆盖的面积约占地球表面积的71 地球上的水以多种形式存在 有海洋水 地下水 湖泊水 河水 沼泽水 大气水 冰川 永久雪盖 土壤水等 在地球这个大水缸里可以供人类利用的水只有一汤匙 2全球水资源状况 我国水资源总量 河川年径流量 为2 7 2 8 1012m3 处于世界第六位 但人均占有水量仅2292m3 a 仅列世界第110位 为世界人均占有水量的四分之一 由于我国可利用水资源量占天然水资源量的比重小 水污染普遍较严重 水的浪费现象也十分严重 导致了我国可利用水资源日益短缺 已被联合国列为13个水资源贫乏的国家之一 3我国水资源分布与开发利用 3 1水资源分布 国际上认为水资源紧张限度为 人均年水资源量低于1000m3 目前我国辽宁 山西 江苏 河南 山东 河北 北京 上海 宁夏 天津等省市都已达到了此限值 水资源短缺却成为这些地区可持续发展的制约因素 南方水资源量占全国的81 人口占全国的54 7 耕地只占全国的35 9 而北方水资源量只占全国的14 4 耕地却占全国的58 3 人口占全国的43 2 如果以单位水量相比 南方的人均水量为北方的4 4倍 南方的亩均水量为北方9 1倍 从用水结构来说 发展中国家落后的灌溉技术是造成农业耗水量极高且浪费惊人的根本原因 我国农业用水约占总用水量的85 90 左右 而工业用水仅占8 10 生活用水则占2 以下 一些发达国家工业用水所占比重相当地高 达40 60 农业占用水资源量的比重则相对较低 3 2水资源开发利用 我国对水资源的利用尚处于较低的水平 1985年我国国内生产总值仅为美国的1 14 为日本的1 5 6 但是取用水量却超过了美国 为日本的5 6倍 单位国民生产总值的取水量分别为美国和日本的15倍和31倍 居世界首位 我国城市已开始存在水资源供不应求的矛盾美国 日本 荷兰 法国等取水量大致都在 零增长 点徘徊 我国至1988年的近40年内 全国总用水量增加约4倍 其中工业用水增加约14倍 城市 县镇生活用水量增加约16倍 农业用水量增加约3 5倍 取水量的年增长率却仍高达20 我国水资源可持续利用是二十一世纪的重大问题 例如 桂林市水资源开发利用 桂林市区自来水厂取水能力与实际取水量 1 从流域用水组成看 生活用水占11 0 农林渔业用水占73 4 工业用水占15 6 农业用水是主要的用水大户 2 从用水指标看 流域人均年用水量为845m3 万元GDP用水量为761m3 其中 桂林市区人均用水量为436m3 万元GDP用水236m3 而四县人均用水量为1114m3 万元GDP用水量为2087m3 可见四县存在明显的水浪费与产业结构不合理情况 4 1水资源枯竭过量引用地表水导致河湖干涸开发和利用水资源方面有了巨大的进展 有力推动了工农业生产的发展 但在这方面也存在着一些严重的问题 最主要是对水资源管理不善 严重浪费 如我国华北 西北等半干旱与干旱地区 过量引用地表水已导致河 湖干枯 另一方面很多地区的节水意识又极其淡薄 在枯水年农业仍大引大灌 浪费严重 4水资源开发利用的环境问题 过量汲取地下水引起区域性水位下降在任何地区 地下水在未经大量开发之前 其收支基本上处于天然的动态平衡状态 但在开采之后 地下水的动态平衡又要受人为的开采状态所支配 如果开采地下水总量不大于开采区补给总量 天然补给量及开采补充量 它的动水位只是在某个深度之内变动 这是属于均衡开采的地下水位下降 相反 由于过量开采 即总开采量大于总补给量 在加上开采的持久性 势必会造成疏干开采的区域性水位下降 过量抽水 形成了更低的降落漏斗 导致了河流干涸 取水花费更大 掉泵 其他环境地质问题 辽宁省最为突出 沈阳目前每天约超采20 28万m3 已形成面积约300km2 深25 37m的多中心降落漏斗 一方面 开发利用水资源的强度在不断增大 而另一方面 用水过程中进入水循环的污染物类型 数量也在不断增多 如生活污水 生产废水等 如果在未经处理或处理不合格时排放会引起地表水体或地下水污染 而由于环境地质条件的改变引起水文地球化学条件的改变 进一步导致水体污染的情况也是很普遍的 4 2水质恶化 2007年1月1日实施 地表水水质恶化点源污染 不连续且范围狭窄工业或城镇污水 废水入河排污口 城市地区的暴雨径流 非点源污染 是散布 间歇性的 影响因素有土地利用 气候 水文 地形 植被和地质等 很难加以控制 居民洗车的清洁剂和油渍留在车道表面 暴雨来时冲入河流 流过工厂和仓库的雨水和径流 也是非点源污染 乡村的非点源污染通常和农业 林业与开矿有关 我国建设部1997年对全国668个城市的工业废水与生活污水统计 总排污量为416亿m3 a 合计化学耗氧量COD1757万m3 a 而乐观地估计 这些废水的处理率仅为23 6 目前 我国80 的地表水域遭受到区域性的污染 九五 期间 淮河 海河 辽河以及太湖 巢湖 滇池 三河三湖 被列为重点治理对象 90 以上的城市水体遭受污染 从全国范围来看 水体主要污染指标是氨氮 高锰酸盐指数和挥发酚 石油类等 地下水水质恶化在天然条件下 地下水各项动态包括水位 水量 水质及水温处于天然的动平衡状态 其中包括水分与盐分的动平衡 在人为因素的支配下 水盐平衡也会打破 表现为水质的变化 区域性地下水位下降不仅能够引起水量平衡的破坏 也是水盐破坏的主要因素 地球化学环境的改变引起水质恶化地下水位大幅度降低 包气带厚度加大 还原缺氧环境被趋向于氧化环境 一些金属不溶物被氧化成游离的金属离子 淋渗到开采层中 pH值降低 沿海地区海水入侵引起水质恶化在近海地区取水 由于大量开采地下水 常常会带来海水入侵 使开采的地下水水质恶化 截止90年代最新的统计资料 莱州湾海水入侵面积已达到800多km2 每年减产粮食2 3亿kg 每年工业损失2 3亿元 累计工农业损失计50亿元之多 防止海水入侵已成为我国沿海城市和农业发达地区地下水开发的最重要研究课题 含水层串层导致水质恶化内陆地区开采深部地下水时 由于区域性水位降低 上部高矿化度水通过弱透水层越流及隔水层尖灭处的绕流补给 使开采层地下水水质恶化 目前城市开采井一般都是深层开采井 一旦污染了深层水源 其治理 修复是非常困难的 地表化学物质侵入导致地下水污染由于地表污水排放 固体废弃物淋滤 农田过量施肥 地下储藏灌泄漏导致地下水遭受无机 有机化学物质的污染问题已越来越突出 1 地面沉降地面沉降又称为地面下沉或地陷 它是在人类工程经济活动影响下 由于地下松散地层固结压缩 导致地壳表面标高降低的一种下降运动 除了抽汲地下水能够引起地面沉降外 采掘固体矿产 开采石油与天然气等人类工程经济活动也是导致地面沉降的主要原因 4 3过量开采地下水引起地面变形 我国典型地面沉降地区分布于各大城市 主要是由于超量集中开采地下水 造成地下水水位的大幅度下降 含水介质压密所至 目前我国已有几十座城市受到地面沉降的威胁 比较严重的城市北方有天津 沧州 西安 太原 南方有上海 阜阳市以及苏锡常地区 其中上海和天津的沉降超过2m 太原和西安也超过1m 地面沉降的危害1 地面标高降低 导致海水上岸 防潮堤必须相应加高 滨海还原潜水位抬高 加重土壤的次生盐渍化 沼泽化 2 泄洪能力降低 如遇较大洪水 市区有淹没之险 市区雨后积水点增多 3 河道纵坡降变形 沉降不均 航运受阻 码头运输产生困难 4 改变了排水管道的原始状态 影响排水 部分地段水管破损 污水溢出 造成地下水水质污染 5 井管普遍相对上升 输水管受影响 6 地面裂缝两侧不均匀下沉 破坏建筑物及道路工程 地面沉降的防治过量地抽汲地下水是导致地面沉降的主要原因 因此 减轻地面沉降灾害的措施中最主要的是人为控制地下水的开采量 减少地下水开采量调整开采层次人工回灌地下含水层利用地下水的采 灌数学模型 合理地开发利用地下水 2 地面塌陷岩溶地面塌陷是指岩溶发育地区 上覆土层或隐伏岩层顶板在人为活动或天然因素作用下特别是水动力条件改变引起的环境效应作用下失去平衡发生的下沉或突然坍塌的现象 地面塌陷问题在我国分布较广 据不完全统计 我国岩溶地面塌陷灾害较为严重的城市有 辽宁的大连 河北的秦皇岛 唐山 山东的济南 泰安 淄博 枣庄 湖北的武汉 黄石 咸宁 湖南的怀化 娄底 黔城 湘潭 郴州 江苏的南京 浙江的杭州 江西的九江 宜春 上高 云南的昆明 贵州的贵阳 水城 安顺 遵义 六盘水 清镇 广西的桂林 柳州 玉林 广东的广州 肇庆等数十个城市 其中破坏强烈 影响较大的有 大连 秦皇岛 泰安 武汉 桂林 水城 昆明等 并以贵州水城的地面塌陷最为典型和强烈 我国已有许多城市发生了岩溶地面塌陷灾害 塌陷使大量的建筑物变形 倒塌 道路坍陷 田地毁坏 水井干枯或报废 风景点破坏等 给城市的生产建设和人民生活造成了很大损失 地面塌陷的监测应包括对地面 建筑物 水点 井孔 泉点 矿井突水点 水库渗漏点等 地下洞穴分布及其发展状况和岩 土体特征的长期观测及对塌陷前兆现象的监测 3 地面裂缝过量开采地下水则能够诱发和加剧地面裂缝 西安是我国地裂缝灾害最典型 最严重的城市 目前已出现11条地裂缝 西安地裂缝是一种独特的城市地质灾害 自50年代后期发现 1976年唐山大地震以后活动明显加强 特别是进入80年代以来 由于过量抽汲承压水导致的地裂缝两侧不均匀地面沉降进一步加剧了地裂缝的活动 西安市1990年8月起引入黑河水作为城市供水水源后 部分地段承压水开采量减少 该地段内地裂缝活动有所减弱 为减轻灾害损失 西安市采取了许多行之有效的措施 1 加强了地裂区的工程地质勘察工作 一些城市还制定了相应的条例 法规 2 采取各种行政 管理手段限制地下水的过量开采 3 对已有裂缝进行回填 夯实等 并改善地裂区土体的性质 4 改进地裂区建筑物的基础形式 提高建筑物的抗裂性能 5 对地裂区已有建筑物进行加固处理 6 设置各种监测点 密切注视地裂缝的发展动向 据河北省水利部门介绍 目前这个省整体性水环境存在河湖干涸 水质污染 地下水超采和水土流失严重 个问题 整体性水环境恶化已成河北省头等环境问题 河北省所处海河流域 是我国七大江河中水资源最为紧缺的地区 生态环境极其脆弱 对水资源的需求已大大超过了资源与环境的承载能力 按照国际惯例 人均水资源量少于 立方米的地区为极度缺水区 而河北省人均水资源量仅有 多立方米 目前河北省内主要河流几乎常年无水 有些洼淀已干涸多年 甚至辟为农田 地表水和地下水受到不同程度的污染 中南部地区已到了 有河皆干 有水皆污 的境地 河北省全年用水量为 亿立方米 而全省全年极限供水能力仅为 亿立方米 不足部分大部分依靠开采地下水维持 由于地下水超采 致使全省形成了近 万平方公里全国最大的地下水超采漏斗群 有些地方产生了含水层疏干 海水入侵 土壤沙化 机井报废 咸水界面下移等一系列难以逆转的严重后果 4 4水利工程的影响到20世纪 建坝的数量 类型和规模开始激增 1950年世界上高15m以上的大坝仅5000处 而2002年已达49700处 85 的大型坝最近35年间兴建的 建造有多种用途 包括供水 水利发电 控制洪水和疗养娱乐场所 2002年底 全世界已经修建了49700多座大坝 高于15m或库容大于100万m3 水库大坝坝址是水利水电工程的枢纽 大坝建成后水库蓄水 坝址的地质环境将发生明显的变化 主要表现在以下几方面 1 水库及上游淤积由于修建水库蓄水必然使泥沙在水库中淤积 引起水库及其周围环境改变以及水库使用寿命缩短 我国黄河三门峡水库集水面积688421km2 设计库容96 4亿m3 水库建成运用后 虽然给黄河下游防洪安澜和灌溉 发电等方面带来了巨大效益 但在建造的当时由于没有考虑排沙 泥沙淤积问题日益突显 在1960 1978年内 水库总淤积量37 6亿m3 占总库容的39 黄河回水大有逼近西安之势 1953年根治黄河列入苏联援助的156个工程项目1954年国家计委正式成立黄河规划委员会1954年中苏专家查勘黄河现场1955年讨论三门峡水电工程计划1958年三门峡工程开始黄河截流1960年三门峡大坝建成 洪水淹没了102万亩农田和55个村庄 致使渭南东部250平方公里的大地沦为一片汪洋 56万人受灾 在灾情最重的三门峡库区的华县和华阴市 有13万人无家可归 直接经济损失超过20亿元 这是渭河流域50多年来最为严重的洪水灾害 1954年8月 渭河发生了特大洪灾 当时渭河华县段的流量为每秒7760立方米 水位为338米 而2003年的洪水灾害 流量最大时不过每秒3750立方米 水位却达到342 76米 2003年9月21日 渭河河水再次倒灌华县淹没区 渭河一场洪灾 使建成40多年的三门峡水利枢纽工程再次成为争论的焦点 不同的是 当年力排众议 反对上马的 只有不知 天高地厚 的黄万里教授 清华 和一个名叫温善章的小技术员 如今 异议 却此起彼伏 其中 有三个人的声音尤为瞩目 一是国家水利部副部长索丽生不久前在三门峡库区考察后公开承认 渭河变成悬河 主要责任在于三门峡水库 二是曾出任三门峡工程技术负责人 现已92岁高龄的中国科学院和中国工程院双院士张光斗先生 他直言不讳建三门峡水库是个 错误 应该尽快放弃发电 停止蓄水 三是退休的水利部长钱正英 也呼吁三门峡水库放弃发电 停止蓄水 参见11月4日 北京日报 三门峡水库降低水位和汛期敞泄运行试验的3年中 河南 山西部分地区经济深受影响 仅三门峡市的地方财政收入就损失6亿多元 6万亩灌溉农田遭受旱灾 63万农村人口和30万市区人口饮水困难 如果水库继续降低水位和汛期敞泄 不仅会严重制约河南 山西两省部分地区经济发展 而且大批库区移民返迁难以避免 将产生新的矛盾 湿地修复与会仙湿地 1 引言 过去几十年内 人们对自然生态系统的关注逐渐增多 在生境保护成为环境健康关键问题的同时 对正在退化或已毁坏的生态系统开展修复的意识也越来越增强 湿地修复是许多修复努力的集中点之一 因为在过去的200多年中 湿地的面积与健康状况呈明显下降 许多湿地被改造来发展农业用地 城镇用地 或围堤蓄水 抵挡洪水 比如 过去200年中美国有近50 的湿地消失或被毁坏 目前遗留的许多湿地也正在退化之中 湿地的重要功能在于 鱼类资源的健康 提供良好的动植物生境 高效的生物生产力 生物多样性保护 控制侵蚀 保护水质 削减洪水损失 美观与娱乐 教育价值 因此 湿地对于地球生态系统与人类社会具有极其重要的价值 湿地的定义美国陆军工程兵军团 UniteStatesArmyCorpsofEngineers 和EPA EnvironmentalProtectionAgency 联合定义 湿地是指那些频繁或持续被地表水或地下水淹没或饱和的地区 尤其适合并足以维持饱和土壤条件下植被的生长 Thoseareasthatareinundatedorsaturatedbysurfaceorgroundwateratafrequencyanddurationsufficienttosupport andthatundernormalcircumstancesdosupport aprevalenceofvegetationtypicallyadaptedforlifeinsaturatedsoilconditions 湿地的特征尽管湿地具有多种类型 但它们在生态上都具有不同于山地与水 河流 生态系统的特征 尤其体现在独特的水文 土壤和生物条件方面 水文 决定于场地某断面的流量 某个特殊流量的持续时间 频率和出现时间 是控制系统中其它生态元素的主要因子 土壤 湿地土壤常年或频繁地处于浸泡状态 由于微生物的生长 土壤缺氧 并导致结构与化学性质的改变 这些特征导致陆地植物的生长压