地下水資源開發(fā)地下水資源保護地下水資源管理

2023/1/222:11§1地下水資源的開發(fā)供水水文地質勘察的任務，除查明水源地地下水的形成，進行水質與水量評價外，還應研究合理地開發(fā)和保護地下水資源，以及加強科學管理工作，以利于長期正常地開采利用地下水資源。地下水的水量和水質，都有各自的形成規(guī)律。在天然條件下，絕大多數(shù)地區(qū)地下水的水量與水質均處于相對平衡狀態(tài)之中。有時，它們也可能隨著某種自然因素的變化而變化，但其變化過程一般是非常緩慢的。因此，只要能正確地認識它們的形成規(guī)律，就基本上可以做到在不破壞原有均衡關系的條件下，充分利用地下水資源為人類造福。但是，如果違背這些規(guī)律，盲目、恣意地開采地下水資源，就會破壞其均衡關系，給人類的生活、生產(chǎn)、環(huán)境及自然界的生態(tài)平衡帶來種種嚴重后果。2023/1/222:11隨著社會的發(fā)展，生產(chǎn)、生活水平的提高，人們對水的需求量愈來愈大，開發(fā)利用的地下水資源量也在日益增加。隨著開采規(guī)模的不斷擴大，出現(xiàn)了地下水位區(qū)域性持續(xù)下降、水質不斷惡化及其他種種環(huán)境地質問題。這主要是由于人們在開發(fā)利用地下水中缺乏統(tǒng)籌兼顧、合理使用和珍惜水資源等觀念所造成的。本章將簡要介紹地下水資源合理開發(fā)利用、保護和管理問題。§1地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11對于大、中型集中供水水源地，就是選擇取水地段的具體位置；對小型分散供水的水源地，則是選定水井布置的具體位置。水源地（水井）位置選擇得正確與否，不僅關系到水源地建設的投資，而且關系到是否能保證水源地長期經(jīng)濟、安全地運轉和避免產(chǎn)生各種不良的環(huán)境地質作用。在選擇集中式水源地的位置時，一般應考慮以下技術和經(jīng)濟條件（透水性、水量、水質、環(huán)境地質問題、節(jié)省投資等）。為滿足需水量和節(jié)省建井費用，水源地應盡可能選在含水層透水性好、厚度大、層數(shù)多、分布較廣的地段上，如沖洪積扇的中、上部砂礫石帶和軸部，沖積平原的古河床，厚度較大、裂隙或巖溶發(fā)育的層狀或似層狀裂隙或巖溶含水層，延續(xù)深遠的斷裂及其它脈狀基巖含水帶。一、水源地的選擇§1地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11為增加開采補給量，保證水源地的長期均衡開采，水源地應盡可能選擇在能最大限度攔截區(qū)域地下徑流的地段或接近補給水源、能充分奪取各種補給量的地段。例如，在基巖區(qū)，水源地常選在集水條件最好的區(qū)域性阻水界面的上游一側；在松散地層分布區(qū)，水原地應盡量靠近補給地下水的河流岸邊；在巖溶區(qū)，最好選擇在區(qū)域地下徑流的排泄區(qū)附近。為保證水源地投產(chǎn)后正常運轉和避免開采后產(chǎn)生種種不良后果，在選擇水源地時，應盡量遠離原有的取水或排水點，減少互相干擾，避免新舊水源之間、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水之間、供水和礦山排水之間產(chǎn)生矛盾。為保證水源地出水的質量，應將其選擇在不易引起水質污染或惡化的地段上，如遠離城市或工礦排污區(qū)的上游?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11為了減少因開采地下水后引起的不良環(huán)境地質問題，水源地應選在不易引起地面沉降、塌陷、地裂、滑坡等有害地質作用的地段上。在選擇水源地時，還應從經(jīng)濟、安全和擴建前景方面加以考慮。在滿足水量、水質要求的前題下，為節(jié)省建設投資，水源地應盡可能靠近供水區(qū)；為降低取水成本，應選擇在地下水位淺埋或自流的地段；對河谷水源地，要考慮水井可能被淹沒的問題；用人工開挖的大口徑取水工程，則要考慮井壁的穩(wěn)固性。當有幾個水源地方案可供比較選擇時，還應考慮未來擴大開采的前景條件?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11在實際工作中，應按以上原則全面分析考慮。若具體條件不能完全滿足時，則應分出主次，盡量滿足主要條件。上述原則對于山區(qū)基巖裂隙水小型水源地的選擇（或單個取水井的定位），也基本上是適合的。但是，由于基巖地區(qū)地下水分布極不均勻，水井的布置主要決定于強含水裂隙帶及強巖溶發(fā)育帶的分布位置。此外，布井地段上游有無較大補給面積、地下匯水條件及奪取開采補給量的條件，也是確定基巖區(qū)水井位置時必須考慮的因素?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11正確地選擇取水建筑物的類型（井型），不僅關系到能否以最少投資取得最大出水量；同時，也關系到水源地建成后能否長期運轉和取水成本低的問題。正確地選擇井型，常常是能否成井的關鍵。取水建筑物類型的選擇，主要決定于含水層（帶）的空間分布特點及含水層（帶）的埋藏深度、厚度和富水性能；同時，也與設計需水量大小、預計的施工方法及選用的抽水設備類型等因素有關。現(xiàn)將目前我國常用的取水建筑物類型及適用條件列于表11一1中。除表11—1中所列各種常見的單一取水建筑物外，還有一些適用于某種特定水文地質條件的聯(lián)合取水工程，如開采深埋巖溶含水層的豎井、鉆孔聯(lián)合工程；開采復雜脈狀含水層（帶）的豎井一水平或傾斜鉆孔聯(lián)合工程和豎井一水平坑道聯(lián)合工程；開采巖溶暗河水的攔地下河堵壩引水工程等。二、取水建筑物的類型和運用條件§1地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11水源地的范圍和取水建筑物的類型確定之后，怎樣合理地布置取水建筑物，才能最有效地開采地下水并防止有害后果的產(chǎn)生，就成為最重要的工作。合理布局主要指取水井平面和剖面上的布置（排列）形式及井間距離與井數(shù)等的確定。1．水井的平面布局水井的平面布局主要決定于地下水可開采量的組成性質及其運動形式?！?地下水資源的開發(fā)三、取水建筑物的合理布局2023/1/222:11在地下徑流條件良好的地區(qū)，為充分攔截地下徑流，水井應布置成垂直地下水流向的并排形式，視地下徑流量的大小，可布置一個或幾個井排。例如，我國許多山前沖洪積扇中、上部的水源地，主要是靠上游地下徑流補給的河谷水源地，以及由一些巨大的阻水界面所形成的裂隙一巖溶水源地，多采用上述水井布置形式。如水源地的主要補給水源可能是地表水體時，則開采井排應平行于地表水體的延伸方向布置。當含水層四周被透水邊界包圍時，開采井也可以布置成環(huán)形、三角形、矩形等集中孔組形式?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11在地下徑流滯緩的平原區(qū)，當開采量以含水層的儲存量或垂向入滲補給量為主時，則開采井群一般布置成網(wǎng)格狀、梅花形或圓形的形式。在以大氣降水或河流季節(jié)補給為主、縱向坡度很緩的河谷潛水區(qū)，其開采井則應沿著河谷方向布置，視河谷寬度布置一到數(shù)個井排。在巖層導、儲水性能分布很不均勻的基巖裂隙水分布區(qū)，水井的平面布局主要受富水帶分布位置的控制，應把水井布置在補給條件最好的強含水裂隙帶上，而不必拘束于布井規(guī)則要求的布置形式。農(nóng)田灌溉水井的布局，則均勻分布在整個灌區(qū)?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:112．水井的垂向布局對于厚度大（大于30m）的含水層或含水組，是采用完整井開采，還是用非完整井分段分層多井開采，尚需研究和試驗。而對于厚度不大（小于30m）的松散含水層和大多數(shù)基巖含水層，一般采用完整井開采最合理，因此不存在垂向布局問題?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11西安某水源地為大厚度沖、湖積含水層，通過分段抽水試驗得到過濾器長度（L）與水井出水量（Q）的關系曲線（圖11—l）。由圖可見，出水量隨著濾水管長度的增大而急劇加大，但其增長強度（ΔQ／ΔL）愈來愈?。ㄒ妶D11—2）。當濾水管增加到一定長度后，出水量已基本不再增加了。進行供水管井設計時，一般取ΔQ／ΔL＝0.5的濾水管長度（La）作為分段取水設計的依據(jù)，將這個La稱“過濾器的合理長度”，它約占整個井出水量的90％一95％。§1地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11過濾器的合理長度還與水位降深、含水層厚度、滲透性、過濾器直徑等因素有關，可根據(jù)抽水試驗或用經(jīng)驗公式計算確定，一般為20—30m之間。為了充分汲取大厚度含水層整個厚度上的水資源，可以在含水層不同深度上采取分段（或分層）取水的方式。一般采用井組形式取水，多由2—3口水井組成，可布置成三角形或直線形。井間距一般為3一5m即可。當含水層顆粒較細或水井封填質量不好時，為防止深、淺水井間水流串通，可把孔距增大到6一l0m。相鄰取水段之間的垂向間距（圖11—3中的a段）的確定原則是：既要減少垂向上的干擾強度，又能充分汲取整個含水層厚度上的地下水資源。表11—2列出了在不同含水層厚度條件下分段取水的垂向間距（a）等的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。實踐經(jīng)驗表明，濾水管垂向間距在5—10m時，其垂向水量干擾系數(shù)一般都小于25％，完全可以滿足設計的要求?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11表11－1常用的地下水取水建筑物及適用條件2023/1/222:112023/1/222:11實踐證明，在進水性較好（中砂以上）的大厚度含水層中分段（層）取水，既可有效地開發(fā)地下水資源，提高單位面積產(chǎn)水量，又可節(jié)省建井投資（不用擴建或新建水源地），并能減輕淺部含水層的開采強度。據(jù)北京、西安、蘭州等市20多個水源地統(tǒng)計，由于采用了井組分段取水方法，水源地的產(chǎn)水量都獲得了成倍增加。當然，井組分段（層）取水也是有一定條件的。如果采用分段取水，又不相應地加大井組之間的距離，將會大大增加單位面積上的取水強度，從而加大含水層的水位降深或加劇區(qū)域地下水位的下降速度?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:113．井數(shù)和井間距離的確定兩者的確定原則是：在滿足設計需水量的前提下，本著技術上合理，且經(jīng)濟、安全的原則確定水井（井組）的數(shù)量與井間距離。取水地段范圍確定之后，井數(shù)主要決定于該地段的允許開采量或設計總需水量和井間距離，以及單井出水量的大小。集中式供水水井的數(shù)量與井間距，一般是用解析法井流公式計算確定的。即首先根據(jù)水源地的水文地質條件、井群的平面布局形式、需水量的大小及設計允許水位降深等已給定的條件，擬定出幾個不同井數(shù)和井間距的開采方案，然后選用適合的公式計算每一布井方案的水井總出水量和指定點或指定時刻的水位降深，最后優(yōu)選出水量和指定點水位降深均滿足設計要求、井數(shù)最少、井間干擾強度不超過要求（一般要求水量減少系數(shù)小于20％一25%）、建設投資和開采成本最低的布井方案，即技術、經(jīng)濟最合理的井數(shù)與井距方案?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11農(nóng)田灌溉供水井的布局，主要是確定合理的井間距離?？紤]的主要原則是：單位面積上的灌水量必須與該范圍內地下水的可采量相平衡。力求將開采地下水時的井間干擾減到最小，以節(jié)省設備和動力，降低開采成本，充分發(fā)揮單井效益。如果井距太小，井數(shù)增多，井間干擾增大，單井出水量就會減小。這不僅會增加投資和消耗動力，甚至能引起區(qū)域地下水位持續(xù)下降．使開采條件惡化。井距太大，雖然井間干擾減少，單井出水量較大，但其需要控制的灌水面積增大，單井出水量難以滿足灌水定額要求。因此，需要兼顧上述的兩個方面確定合理的井距。其方法有以下幾種?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11（1）單井灌溉面積法：當?shù)叵滤Y源較豐富，能滿足灌溉需水量要求，單井出水量又較大時，則可簡單地根據(jù)需水量來確定井數(shù)與井距。首先，根據(jù)單井出水量計算單井灌溉面積F（畝）：式中：Q––––單井出水量（m3／h）；T––––一次灌溉所需的天數(shù)（d）；t––––每天抽水時間（h）；W––––灌水定額（m3／畝）；η––––渠系水的有效利用系數(shù)?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11如果水井按正方網(wǎng)狀布置，則水井間距離D（m）應為：如果水井按等邊三角形排列，則井間距為：整個灌區(qū)內應布置的水井數(shù)（n）為：式中：A––––灌區(qū)的總面積（畝）；β––––土地利用率（%）；F––––單井控制的灌溉面積（畝）667F§1地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11從以上公式可見，用這種方法計算的井數(shù)和井距，主要決定于單井所控制的面積。在單井水量一定的條件下，單井控制面積大小決定于灌水定額。因此，應從平整土地、減少渠道滲漏、改進灌溉技術等方面來降低灌水定額?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11（2）開采模數(shù)法：在地下水資源不太豐富的地區(qū)，為了保護地下水資源不至枯竭，須保持灌區(qū)內地下水量的收支平衡。因此，只能根據(jù)允許開采量來計算井數(shù)和井距，但不一定能保證滿足全部土地灌溉所需的水量，不足部分，可用地表水或其他方法解決。如果已知該區(qū)含水層的允許開采模數(shù)Mb（m3／（km2·h）)時，則每平方公里面積上的平均井數(shù)（N）為：式中：T1為每年采水天數(shù)（d）；t為每天采水時數(shù)（h）；Q為單井出水量（m3／h）。其合理井間距D為（按正方形）：ND2=100021000m2D§1地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11（3）根據(jù)抽水（或開采）試驗確定井距：以上兩種計算方法是用于地下水資源量已查明的情況下。實際上，一個地區(qū)在開采地下水的初期階段，水資源狀況往往尚未完全查明。在這種情況下，可進行抽水試驗或開采試驗，根據(jù)互相干擾影響的程度確定合理的井距，至少應將井距限制在多孔干擾抽水的出水量減少值不超過單井出水量的20％一25％，據(jù)此得出最小井距，指導地區(qū)打井。河北衡水地區(qū)確定的允許最小井距列入表11一3中。如果按允許的最小井距布井后，開采水量若大于允許開采量，則須人工補給地下水或地表水與地下水綜合利用，或限量開采，以避免因消耗永久儲存量引起地下水位持續(xù)下降，導致開采條件惡化和水資源枯竭等環(huán)境地質問題的發(fā)生?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11一個已選定的地下水源地，能否實現(xiàn)預期的產(chǎn)水量，除了與水井的合理布局有關外，還與水井的結構密切相關。因此，水文地質人員應具有管井結構設計的基本知識。生產(chǎn)用管井的結構與勘探階段抽水試驗鉆孔結構相似，但也有一些不同之處。兩者相似之處是，井身的基本結構和各部分的功用相同，即都是由井壁管、濾水管（過濾器）和沉淀管三部分構成。其主要的差別是，抽水試驗孔主要是為了滿足取得含水層的某些水文地質計算參數(shù)或取得水位降深與鉆孔出水量關系的資料，故其井徑無須太大，且試驗結束后需起拔井管；而供水管井則主要是為了取得足夠的水量，故一般口徑較大，同時要求能長期安全運轉。這些特點就是供水管井設計時必須考慮的因素。§1地下水資源的開發(fā)四、管井的結構設計2023/1/222:111．井身的結構當供水管井的深度不大時，為了使整個井身保持較大的直徑，以增加進水量、便于下入水泵和為了節(jié)省管材，以及施工方便，設計時應盡量簡化井身結構。對孔深小于100m的淺供水井，一般采用同徑到底的井身結構；對于100m以上較深的水井，為了在維修時易于起拔井管，或受鑿井設備能力的限制和為了節(jié)省管材，可考慮采用變徑的井身結構?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:112．井徑（鉆孔直徑）井徑的大小主要決定于管井的設計取水量，鑿井設備的能力，所用井管、濾水管的口徑和人工填礫的厚度。據(jù)供水管井設計規(guī)范的要求，井徑應比所選用的過濾器外徑大50mm（填礫較厚時，應大150—200mm）。如為基巖井，則要求井徑比抽水設備標定的井管內徑大50mm。此外，在確定松散含水層中的管井井徑時，還須用允許入井滲透流速（V允）復核。這是為了減少水流經(jīng)過過濾器的摩阻損失，為此必須降低水流進井的速度。如果該速度過大，不僅會大大增加水頭損失（因水頭損失與流速的平方成正比），而且將帶動井外的細砂等逐漸聚集、堵塞在過濾器外表。隨著井的開采，堵塞將逐漸嚴重，使井的出水量顯著減少；嚴重時可使井出水量減少到20％以下。因此，水井的直徑應滿足下式要求：式中：D––––設計的管井井徑（m）；Q––––設計的取水量（m3/s）；L––––過濾器工作部分長度（m）；V允––––允許入井滲透流速，可查規(guī)范中的經(jīng)驗數(shù)值（m／s）。§1地下水資源的開發(fā)2023/1/222:113．井管的種類和規(guī)格井管包括井壁管、過濾管和沉淀管。對于臨時性的抽水試驗井來說，由于在下入和起拔井管時需要承受較大的壓力和拉力，故要求井管材料應有較大的強度，一般多用無縫鋼管。而對于供水井的井管材料強度，不必有太高的要求。但由于井管長期埋置地下。故要求有較強的抗腐蝕性能，一般可采用造價較便宜的鑄鐵管、水泥管、塑料管及陶瓷管等。當水井深度較大時，則應采用抗壓、抗拉強度較大的鋼管或玻璃鋼管。如果僅僅從井徑與水井出水量的關系來看，根據(jù)北京水文地質隊的試驗，井管（指過濾管）的口徑大于203.2mm就不會過多地影響管井的出水量。因此，在設計中主要是根據(jù)所選用的抽水設備類型和規(guī)格確定井管的口徑?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11設計時，要求井管的內徑應比抽水設備要求的井管公稱內徑大50mm。同時，亦應根據(jù)設計的取水量，用允許入管水流速度進行復核，即過濾管的外徑應滿足于下式要求：式中：D––––過濾管外徑（纏絲過濾管，應算至纏絲外表）（m）；Q––––設計取水量（m3／s）；L––––過濾管的工作部分長度（m）；n––––過濾管表層進水面的有效孔隙率（％）；v允′––––允許入管水流速度，其值可按表11—4確定（m／s）?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11常用井管類型、口徑，鉆孔直徑、深度的配合關系，如表11—5所示?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:114．過濾器類型的選擇正確選擇過濾器類型，是保證供水并取得最大出水量、消除涌砂、延長水井使用年限的關鍵。在實際工作中，往往因過濾器類型（或材料）選擇不當，造成水井大量涌砂，或因地下水的化學、微生物腐蝕結垢作用造成水井淤塞或濾水孔（網(wǎng)）被堵，使水井出水量減少，甚至完全失去出水能力。有時，大量涌砂，會導致地面產(chǎn)生塌陷。為了增大鉆孔的出水量，必須設法使地下水流向鉆孔的各種阻力減少到最低限度。在各種阻力中，以紊流摩阻和地下水流經(jīng)濾水斷面時的摩阻損失最大。為了減少這些摩阻損失，就必須用人工方法加大井管外圍的滲透性能。目前，最有效的辦法就是采用填礫過濾器，并盡可能增大填礫層的厚度，并選用與含水層性質相適應的填礫規(guī)格?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11選擇過濾器類型時，對于松散孔隙含水層，主要考慮的是含水層的顆粒大小及分選程度；對基巖含水層（帶），則既要考慮巖石的穩(wěn)固程度，又要考慮孔洞、裂隙中疏松充填物質的粒度和分選程度。適于不同含水層的過濾器種類及規(guī)格及井的出水量列于表11—6中。過濾器的材料，主要是根據(jù)地下水有無侵蝕性來選擇。因此，要求在鉆進和抽水試驗過程中，及時采取土樣、水樣，進行顆粒的篩分和水質侵蝕指標的分析，以便正確設計過濾器?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:112023/1/222:11管井的成井工藝，包括從鉆進開始直至下管、回填、洗井等多道工序。其中的任何一道工序處理不當或完成質量不高，都會影響水井的成井質量。輕則影響水井的出水量，減少水井使用年限；嚴重時，可使水井報廢。故水文地質人員必須對成井工藝有所了解，并予以重視，與鉆探人員配合，共同保證成井質量。由于有關成井工藝的詳細要求，在各種鉆井技術規(guī)程或手冊中均有論述，本教材對成井工藝的一般流程和要求，僅列表說明（見表11—7）。這里著重介紹對成井質量影響較大的洗井方法?！?地下水資源的開發(fā)五、管井的成井工藝2023/1/222:11§1地下水資源的開發(fā)2023/1/222:112023/1/222:112023/1/222:11洗井工作是管井成井工藝中最后和最重要的一道工序。洗井的好壞對管井出水量有很大的影響。洗井的目的、任務及技術要求已列于表11—7中。洗井的方法基本上可分為機械洗井和化學洗井兩大類。前者目前普遍使用，而后者最有發(fā)展前途。1．機械洗井法目前使用最廣泛的是活塞洗井法和空壓機洗井法；其次是水泵抽壓洗井法、沖孔器洗井法和各種聯(lián)合洗井法?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11機械洗井法的共同原理是：通過洗井設備在井中產(chǎn)生的強大抽、壓作用和沖擊振蕩作用，加大井內外的水壓力差和加快地下水流速，從而破除井壁泥皮、帶出阻塞于含水層空隙與過濾器中的細粒物質，以達到疏通含水層、增加水井出水量的目的?；钊淳ㄋ柙O備少，方法簡單，洗井成本較低，洗井效率亦高。但當井管強度不高時，易被活塞拉壞；在細粒含水層中洗井時，可能引起大量進砂。空壓機洗井具有工作安全、洗井干凈等優(yōu)點，但洗井成本較高，且受地下水位深度限制。因此，動水位過深或井深較淺的水井，皆不適于空壓機洗井。當條件適合時，用空壓機與活塞聯(lián)合洗井，可以取得很好的洗井效果?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:112．化學洗井法它是近代國內、外正在發(fā)展的一種新式洗井方法。這種方法操作簡便，成本低廉，對于因化學或生物化學結垢作用而堵塞的水井，化學洗井效果遠比機械洗井為佳；而在某些碳酸鹽巖含水層中，化學洗井還可起到擴大含水層裂隙、溶隙通道的作用。我國目前已推廣的化學洗井技術有：（1）多磷酸鈉鹽洗井法：目前在洗井中使用的多磷酸鈉鹽有：六偏磷酸鈉〔（NaPO3）6〕、三聚磷酸鈉（Na5P3O10）、焦磷酸鈉（Na4P2O7）和磷酸三鈉（Na3PO4）等?，F(xiàn)以洗井中經(jīng)常使用的工業(yè)用焦磷酸鈉（即無水焦磷酸鹽）為例，說明其原理及使用方法?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11無水焦磷酸鈉為白色粉末狀，易溶于水，呈堿性（pH＝9.2），無毒，對鋼材腐蝕性較弱。由于其價格比較便宜，故宜于野外批量使用。焦磷酸鈉洗井的作用機理是：由于焦磷酸鈉與泥漿中的粘土粒子發(fā)生絡合作用，可形成水溶性的絡合離子，其反應式如下：上述反映形成的絡合離子CaNa4（P2O7）2一是一些惰性離子。這些離子既不發(fā)生化學的逆反應，也不會自身聚結沉淀，更不與其它離子化合沉淀，故易于在洗井、抽水時隨水排出。同時，這種帶負電荷的絡合離子，還可以吸附在粘土粒子上，使粘土粒子表面的負電性加強，從而加大了粘土粒子之間的斥力、降低了泥漿的粘度與剪切力。這是焦磷酸鈉能夠分解、破壞井壁泥皮和含水層泥漿沉淀的主要原因。§1地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11焦磷酸鈉洗井的大致步驟如下：首先下置井管，待礫料填至設計高度后，即用泥漿泵將濃度為0.6％一0.8％的焦磷酸鈉溶液注入井管內、外（先管外、后管內），然后繼續(xù)完成管外的止水回填工作。待靜置5一6h，焦磷酸鈉與粘土粒子充分結合后，即可用其它方法進行洗井。焦磷酸鈉鹽溶液的注入量，應與含水層井筒的體積大致等同（扣除井管與礫料骨架所占體積）。由于不同的多磷酸鹽，在不同化學性質的水溶液中具有不同的化學活性，因此須根據(jù)當?shù)氐叵滤幕瘜W性質和土壤的含鹽成分確定所選用的多磷酸鹽種類。§1地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11（2）液態(tài)二氧化碳洗井法：根據(jù)實驗知，二氧化碳氣體在壓力為5.099×105Pa、溫度為零下37℃的條件下即可液化；也能在壓力為71.44×105Pa、溫度為31.19℃的條件下液化。液態(tài)二氧化碳在瓶內的壓力，隨著溫度變化而劇烈變化。當溫度由－25℃上升至0℃、45℃時，其壓力則相應由16.2×105Pa上升到30.4×105Pa、109.43×105Pa。液態(tài)二氧化碳洗井的基本原理是：通過高壓管送入井下的液態(tài)二氧化碳，經(jīng)過吸熱和降壓后氣化，并在井內產(chǎn)生強大的高壓水氣流，從而破壞井壁泥漿皮，疏通含水層的孔隙、裂隙通道，并使井內巖屑、泥漿等充填物伴隨高壓水流噴出地表，達到洗井和增加水井出水量目的?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11在碳酸鹽巖和石膏等可溶巖地層中洗井時，可先向井中注入一定量的鹽酸，靜止1.5一2h后，再灌入液態(tài)二氧化碳。這時，液態(tài)二氧化碳由于吸熱膨脹而產(chǎn)生氣體，將先把鹽酸壓入巖層裂隙深處，起到加速溶解可溶巖石和擴大裂隙的作用，而后所溶解的物質又隨著井噴被帶出井口。有時，在揭露碳酸鹽巖的水井中，即便只注入鹽酸，也可因化學反應生成大量CO2氣體而產(chǎn)生井噴?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11為了防止金屬管材在洗井過程中被酸腐蝕，必須在酸液中加入一定比例的甲醛、丁炔二醇〔C4H4（OH）2〕和碘化鈉〔NaI〕、碘化鉀〔KI〕等防腐蝕劑。此外，當孔內（特別是施工期較長的深孔）泥漿皮較厚實時，亦可加入能夠減緩泥皮凝固、硬化的多磷酸鈉鹽，以加強洗井效果。洗井設備的安裝可參看圖11—4?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11液態(tài)二氧化碳洗井法，是目前諸種洗井方法中比較先進的方法。方法簡單，節(jié)省時間，成本低廉，對于松散孔隙含水層或基巖裂隙含水層，以及不同深度、不同材質、不同結構的新、老管井均有較好的洗井效果。根據(jù)中國農(nóng)業(yè)工程研究設計院農(nóng)業(yè)工程管理處對50余眼試驗機井統(tǒng)計，使用液態(tài)二氧化碳洗井比用一般常規(guī)洗井法可提高水井出水量0.3倍至數(shù)倍（最大達27倍），節(jié)省洗井時間60％～80％，節(jié)省材料（特別是油料）費用50％以上。因此，它是一種值得大力推廣的洗井方法。但應注意安全工作?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11管井在使用一段時期后，常出現(xiàn)水量逐漸減少的現(xiàn)象，甚至有的完全報費。這是由于管井被腐蝕、結垢、堵塞等病害造成的。了解它們的原因和形成過程，不僅是修復“病井”工作的需要，對于改進成井工藝也極為重要?！?地下水資源的開發(fā)六、管井的腐蝕、結垢、堵塞及其防治2023/1/222:11（一）管井被腐蝕的原因管井被腐蝕的原因很多。其中，以溶解氧、電化學和細菌三者的腐蝕最重要，且以電化學腐蝕最普遍、最強烈。如果電化學腐蝕作用與氧的腐蝕作用相結合，則其危害性更大。它能與水中處于離子或膠體狀態(tài)的鐵形成氫氧化鐵，沉淀在濾網(wǎng)與過濾器骨架之間，使管井逐漸被堵塞。腐蝕作用可在非飽和條件下繼續(xù)進行。鈣和鎂離子也有同樣的危害作用。關于溶解氧和電化學作用對金屬的腐蝕原理，已在本書水質評價中講述，本節(jié)只介紹金屬管材的細菌腐蝕機理?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11細菌腐蝕又稱為微生物腐蝕，主要是指鐵細菌和硫酸鹽還原細菌等微生物對井管的腐蝕及其結垢作用。鐵細菌一般生活在pH＝6.5—7.5的介質中。當pH值大于8時，基本不存在鐵細菌。多數(shù)井管的電化學腐蝕作用，都會使地下水中鐵離子的濃度增加，從而給鐵細菌生存繁殖創(chuàng)造了條件。由于鐵細菌需大量吸收鐵離子而生存，又進一步加劇了電化學腐蝕作用的進行。此外，鐵細菌還會使低價鐵轉化為高價鐵，從而使腐蝕產(chǎn)物附著在管壁或濾網(wǎng)上，形成一層鐵細菌硬殼?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11硫酸鹽還原菌屬于嫌氧細菌，一般生活在pH＝5.96—8.35的介質中。這種細菌具有利用氫將地下水中所含硫酸鹽還原成硫化氫的能力，而硫化氫的離解又增加了水中的氫離子濃度，從而又加速了對金屬井管的腐蝕。除以上三種主要的腐蝕作用外，各種酸性水（pH＜6）、高氟水、軟水（＜8德國度）、含有機酸及鐵鹽的水，對井管都有腐蝕作用。如果是混凝土井管，還要防止水對混凝土的侵蝕性?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11（二）過濾器堵塞和結垢的原因過濾器被堵塞和結垢的原因，首先是由于某些腐蝕產(chǎn)物（包括膠結物、沉淀氧化物）附著在濾水管孔眼或包網(wǎng)網(wǎng)眼中，并逐漸結垢，以至將其完全堵塞；其次是因長期抽水改變了天然水的化學平衡條件，使水中的某些化學成分，如鈣、鎂、鋁、硫及鐵的化合物在過濾器及其外圍含水層中沉淀或形成膠結物，堵塞過濾器。如開采地下水時，水中的重碳酸鈣將會因井內及過濾器附近的壓力減小形成碳酸鈣沉淀。還應指出，由于成井時洗井不徹底，殘留的泥漿也可使填礫膠結或形成次生井壁殼而堵塞過濾器?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11（三）管井腐蝕和堵塞的防治根據(jù)管井被腐蝕和堵塞的原因，可采取以下防治方法。（1）當過濾器因化學作用堵塞時，一般可采用酸化處理。例如，當過濾器被碳酸鹽類沉淀或膠結物堵塞時，一般可用鹽酸作為酸化處理液（同時為減少對管井中金屬材料的腐蝕，可加入適當?shù)姆栏瘎?。如堵塞物是硅酸鹽類（粘土）時，則需用鹽酸與氫氟酸混合液處理。（2）當過濾器因細菌作用而堵塞時，一般可采用往孔內輸送氯氣滅菌的方法，或者采用輸送氯氣與酸化處理相結合的方法加以處理?！?地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11（3）在地下水礦化度較高、對金屬管材有強腐蝕性的地區(qū)（如沿海的咸水區(qū)，氯離子含量在300—1000mg／L區(qū)），成井時最好選用玻璃管或塑料管作井管，采用鋼絲、不銹鋼絲或玻璃纖維、增強聚乙烯作濾水管纏絲，采用尼龍網(wǎng)做包網(wǎng)。當采用金屬井管材料時，可在管內、外加涂料做防腐處理。（4）在粉細砂層或中砂層中取水時，應盡量加大濾水管的孔隙率和纏絲間隙。對于這類細粒含水層，以及在地下水腐蝕強烈的地區(qū)，最好不用包網(wǎng)（因最易腐蝕、堵塞），而用加厚的填礫過濾器。§1地下水資源的開發(fā)2023/1/222:11§2地下水資源的保護地下水資源的保護，就是保護地下水量不致很快被消耗，以致枯竭；保護地下水質不被污染和惡化；保證開采地下水后不致產(chǎn)生不良的環(huán)境地質問題。其目的是為了保證長期、安全地開發(fā)利用地下水資源。各國在采、排地下水的早期，多注重取得最大的供水與排水量，因而許多地方很快就導致了水位過大降低和水質惡化以及其他環(huán)境地質問題。進入70年代，國內進一步認識到不合理開發(fā)地下水資源的危害，從管理地下水資源和保護地質環(huán)境的角度出發(fā)，保護地下水資源。2023/1/222:11（一）區(qū)域地下水位持續(xù)下降的實質和原因世界許多開采地下水的地區(qū)，均出現(xiàn)了地下水位大面積、大幅度持續(xù)下降。究其實質，就是在整個含水層或含水層的某些地段上，由于地下水的開采量長期地超過了補給量，逐漸消耗了永久儲存量，并在一定補給周期內得不到恢復的結果。在判斷某一地區(qū)是否會出現(xiàn)區(qū)域性地下水位持續(xù)下降的問題時，要特別注意它與降水補給周期性變化所引起的水位下降現(xiàn)象相區(qū)別。圖11—5所示，是石家莊地區(qū)由于地下水開采量超過其補給量，所引起的區(qū)域地下水位持續(xù)下降的過程。邢臺百泉地區(qū)，雖因降水周期性變化引起地下水位多年下降，但從更長的時間來看，水位可以得到恢復（圖11—6），故不屬于區(qū)域地下水位持續(xù)下降問題?！?地下水資源的保護一、區(qū)域地下水位持續(xù)下降的原因、危害及防治措施2023/1/222:11§2地下水資源的保護2023/1/222:11引起區(qū)域地下水位持續(xù)下降的原因，可歸結為四個方面：（1）對區(qū)域水文地質條件，特別是對地下水資源的形成條件認識不全面，所計算的允許開采量偏大，因而導致開采量長期大于補給量，引起區(qū)域地下水位持續(xù)下降。這種水位持續(xù)下降現(xiàn)象，一般以區(qū)域水位下降漏斗中心處的歷年最枯水位的變化反應得最明顯。§2地下水資源的保護2023/1/222:11（2）不合理開采所造成的地下水位持續(xù)和大幅度下降。所謂不合理開采，主要是由開采地段、開采層次和時間上的“三集中”，以及開采管理上的無政府狀態(tài)所造成的。因此，有時雖整個含水層的補給量與開采量基本是平衡的，但由于某些局部地段或某個含水層位（或在某個深度上）開采井過于集中，開采強度過大，也將造成局部地段或某個含水層的水位持續(xù)大幅度下降。例如，上海市區(qū)共有五個含水層，地下水儲存量相當豐富。但是，有87％的開采量集中于Ⅱ、Ⅲ兩個含水層；其中，又有84％的水井和80％一90％的開采量，又集中在該兩個含水層的滬東楊樹浦、虹口和滬西的普陀、長寧、靜安幾個工業(yè)區(qū)。因此，在這兩個含水層的上述地段形成了強烈的區(qū)域地下水位下降，形成了區(qū)域地下水位下降漏斗中心。它們也是產(chǎn)生地面沉降最嚴重的地段。而在集中開采區(qū)外圍或Ⅳ、V含水層中，地下水位下降并不顯著?！?地下水資源的保護2023/1/222:11此外，有些水源地，因開采時間過份集中所造成的地下水位在某期間的大幅度下降，雖然不一定是持續(xù)性的，但是它也會影響抽水設備的正常運轉，并帶來其它危害。如農(nóng)灌井，如果其密度較大，并在干旱年份的旱季集中開采，則可引起水位相互干擾，并大幅度下降，使出水量減少，甚至出現(xiàn)“吊泵”現(xiàn)象。上海市區(qū)的一些供夏季（5—9月）冷卻和降溫用的水井，因開采量特別大，結果導致該時期地下水位大幅度下降，井間干擾加劇，出水量減少；同時，也使地面沉降速率增加?！?地下水資源的保護2023/1/222:11（3）由于人為或自然因素變化導致地下水補給量減少，引起區(qū)域地下水位下降。①由于人為或天然原因，使地下水主要補給來源的地表水流量減少、斷流，或使河床淤積，導致地表水對地下水的補給量減少。例如，武威山前平原地區(qū)，十多年來（根據(jù)1980年資料），由于上游山區(qū)興建水利工程，使河水對沖洪積扇地下水的補給量大大減少，導致沖洪積扇前緣地區(qū)地下水位下降了3—10m，使溢出帶泉水流量減少了30％一70％?！?地下水資源的保護2023/1/222:11一些傍河水源地，由于河流流量減少或斷流天數(shù)增加，或因河床淤塞、滲透性變差等，導致地下水補給量減少，由此引起的地下水位下降更為明顯。西安市的洋河水源地，1974一1976年，由于河水斷流天數(shù)比過去增加，致使水源地地下水位在此期間下降了6.8m。②由于森林被破壞及墾荒過渡等原因，導致區(qū)域氣候變化，降水量減少，地面入滲條件變差，使補給量小于開采量，引起區(qū)域地下水位下降?！?地下水資源的保護2023/1/222:11③在水源地的同一水文地質單元內，由于礦床或其他地下工程的深部疏干，或由于水源地上游新建井群的截流，或外圍地區(qū)水井增加開采深度等人為原因，也可引起某些水源地地下水位大幅度下降。此外，由于開采地下水使區(qū)域地下水埋深增加，包氣帶厚度加大，使大氣降水滲入補給量減少，也會促使區(qū)域地下水位持續(xù)下降。某些以降水入滲補給的水源地，當開采的水位降深較大（10m以上）時，這種影響特別顯著。最后，隨著人類改造地面形態(tài)性質的加劇，如城市建筑物和阻水路面覆蓋面積的不斷增加，原流水溝道或集水洼地的平整，區(qū)域排澇渠系的完善等，都會影響降水對地下水的入滲補給。§2地下水資源的保護2023/1/222:11（4）由于經(jīng)濟建設的發(fā)展，人口的增長及生活水平的提高，對水的需求量明顯增大。人們明明知道已超過地下水允許開采量和已形成了區(qū)域地下水位持續(xù)下降，還要擴大開采量，這就更加促進了區(qū)域地下水位下降的速度，導致一系列環(huán)境地質問題的發(fā)生。顯然，這是不合理的。但這種情況卻很普遍，應引起高度重視，并采取防治措施?！?地下水資源的保護2023/1/222:11（二）區(qū)域地下水位持續(xù)下降的危害區(qū)域地下水位的大幅度持續(xù)下降，不僅給水源地帶來巨大的經(jīng)濟損失，也會產(chǎn)生種種環(huán)境地質問題。其主要危害有：§2地下水資源的保護2023/1/222:11（1）由于區(qū)域地下水位下降，使取水工程的出水量不斷減少，有時必須更換抽水設備才能取水，使抽水成本不斷增加；嚴重時，甚至使水井報廢。許多大型水源地和井灌區(qū)，都存在此問題。山東淄河的沖洪積扇區(qū)，因大量取水，15年內全區(qū)地下水位普遍下降了10m，最大者達30m以上，使原有2000余眼淺機井及附近泉水全部枯竭。報廢機井、打深機井及更換水泵的經(jīng)濟損失達5000多萬元。此外，耗電量的增加，使?jié)驳爻杀居稍瓉淼拿慨€0.4—0.5元增加到1.2元以上，使全灌區(qū)每年多耗電費140多萬元。該區(qū)內大武水源地的地下水位下降更大，僅1989年較1988年就下降了21.75m，降到一10m以下，最大埋深已達131.71m?！?地下水資源的保護2023/1/222:11（2）由于區(qū)域地下水位下降，可引起地面下沉、地裂及地面塌陷等嚴重環(huán)境地質問題。地面下沉是目前世界上許多抽取地下水的平原區(qū)，特別是濱海城市所共同面臨的嚴重問題。一些地區(qū)的最大地面沉降值如下：美國的長灘市，9.5m；東京，4.6m；大阪，2.88m；墨西哥城，6m；上海市，2.37m（1921—1965年）。國內至少有天津、西安、太原、蘇州及臺北等36座大、中城市，都相繼出現(xiàn)了地面下沉或開裂和塌陷等問題。東京、曼谷、倫敦、威尼斯等城市，因地面下沉都面臨著部分市區(qū)被海水淹沒的危險；曼谷、上海等城市，由于地面下沉，使城市污水和雨水經(jīng)常積存于市區(qū)，不能及時排出。位于美國亞利桑那州皮納耳和麥里科帕城之間的井灌區(qū)，于1948一1967年間，地下水水位降低了70—100m，地面沉降量達l.2m（最大達2.5m）。地面的不均勻沉降和伴生的地裂，使該地區(qū)的整個灌溉系統(tǒng)、公路、鐵路、輸水管道等都遭到破壞。最近，有一些生態(tài)和工程學家認為，過量開采地下水是造成某些地區(qū)大地震（如1985年9月19日的墨西哥城）的原因之一。§2地下水資源的保護2023/1/222:11造成地面沉降的原因很多。目前國際上公認的是，由于大量抽取地下水，地下水位大幅度下降，促使上部易壓縮粘性土層中的孔隙水排出，引起土層的固結壓縮，導致地面下沉。從上海市的地面沉降量與地下水水位和開采量的歷年觀測資料，可以看出地面沉降量與地下水開采量和水位降深變化的一致性（圖11一7）。§2地下水資源的保護2023/1/222:11（3）在沿海地區(qū)，由于區(qū)域地下水位的大幅度下降，破壞了咸、淡水的天然平衡條件，引起海水入侵，使開采含水層水質惡化。如美國加利福尼亞州的濱海地區(qū)，1944年地下水位尚在海平面以上7.23m，由于過量取用地下水，到了1954年，地下水位下降到海平面以下5.2m，引起海水嚴重倒灌，侵入沿海的13個含水層，使灌溉水質惡化，54×104畝良田變?yōu)辂}堿地。大連市郊，在1964年以前，地下水開采量不大，基本上不存在海水入侵問題。此后，由于大量超采地下水，到70年代末期，地下水位比1964年下降了10—40m，導致海水嚴重入侵，某些水源地的氯離子含量已高達1300mg/L。§2地下水資源的保護2023/1/222:11（4）由于區(qū)域地下水位下降，使一些著名的巖溶大泉干枯，破壞了以泉源景觀為特色的旅游資源。著名的濟南趵突泉等四大名泉、河南輝縣百泉及太原晉祠泉等，自70年代以來，由于區(qū)域地下水位大幅度下降，致使泉流量和涌勢大減，甚至出現(xiàn)長時間的干枯斷流，使泉源旅游觀賞價值大減，并使泉口引水工程廢棄。（5）地下水位下降，還可造成地下空氣缺氧的災害。在某些城市，由于強烈取水，使地下水位迅速降低。被疏干的含水層（段），通過水井或地下工程等通道貫入空氣。當被疏干的含水層空間為強烈的還原環(huán)境時，貫入空氣與巖層孔隙壁物質及殘存水作用，使低價鐵變成高價鐵，從而消耗掉空氣中的大量氧氣。1960一1971年間，在日本東京的建筑施工中，曾多次發(fā)生由此引起的傷亡事故?！?地下水資源的保護2023/1/222:11（三）防治區(qū)域地下水位持續(xù)大幅度下降的措施最好的措施是防，把問題解決在出現(xiàn)之前，以免造成嚴重后果。在水源地的開發(fā)設計中，應根據(jù)地下水允許開采量及水資源的形成、分布特點，在開采量和開采井的布局上作出合理的安排，以避免開采后出現(xiàn)水位持續(xù)大幅度下降等環(huán)境地質問題。（1）關閉某些水源地或減少開采井數(shù)，把開采量壓縮到水源地地下水補給量所允許的范圍內。這是一種在沒有條件進行地下水人工補給的地區(qū)采取的消極辦法?！?地下水資源的保護2023/1/222:11（2）調整開采布局。這是用于改進因不合理開采引起某些含水層水位大幅度下降時所采取的辦法。如可采取減小水井密度、擴大開采區(qū)或開采層位的辦法；對厚大含水層或多層含水層，可實施分段或分層取水方案等。上海市為減少第Ⅱ、Ⅲ承壓含水層的開采強度，規(guī)定把新建機井主要打在第IV、V兩個含水層中。（3）加強地下水管理，建立合理的開采制度。例如，為了防止過量開采和集中開采，可作出某些限制水井水位降深、開采量、開采時間及井間距離等的規(guī)定。（4）對含水層進行地下水的人工補給，增加地下水總的可開采量。這是目前世界各國防止區(qū)域地下水位大幅度下降，擴大地下水資源的最積極措施。這方面內容將在后面進行介紹。（5）建立和健全地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，加強水情監(jiān)測和預報，盡可能早地發(fā)現(xiàn)問題，及時采取防患補救措施?！?地下水資源的保護2023/1/222:11（一）地下水水質惡化的主要特征及危害地下水的水質惡化，是世界上許多國家所共同面臨的又一個嚴重問題，也是全球性環(huán)境污染的重要組成部分。本節(jié)所述地下水水質惡化，主要是指地下水在開發(fā)過程中，因環(huán)境污染和水動力、水化學形成條件的改變，以及不良的勘探所造成的水中的某些化學、微生物成分含量不斷增加，以致超出規(guī)定使用標準的水質惡化現(xiàn)象。其主要特征有：（1）許多天然地下水中不存在的有機化合物（如各種合成染料、去污劑、洗滌劑、溶劑、油類及有機農(nóng)藥等）出現(xiàn)在地下水中；§2地下水資源的保護二、地下水水質惡化的特征、危害、原因及防治措施2023/1/222:11（2）天然地下水中含量極微的毒性金屬元素（汞、鉻、銅、砷、鉛及某些放射性元素）大量進入地下水中；（3）各種細菌、病毒在地下水體中大量繁殖，遠遠超出飲用水水質標準；（4）地下水的硬度、礦化度、酸度和某些單項的常規(guī)離子含量不斷上升，以至超過規(guī)定使用標準?！?地下水資源的保護2023/1/222:11地下水水質環(huán)境的惡化，嚴重損害了地下水資源的使用價值，給人類社會帶來了種種不良后果，有損于人體健康，以至造成殘疾和死亡；損害了工業(yè)產(chǎn)品的質量；使農(nóng)作物減產(chǎn)和土地鹽化；減少了地下水可采資源的數(shù)量，以至使整個水源地廢棄；為處理水質，增加了水的單位成本。我國地下水水質的污染問題，已不容忽視。我國主要城市，有一半是以地下水作為供水水源，全國有三分之一的人口飲用地下水。據(jù)全國50個城市的調查，地下水受到不同程度污染的有45個。其中，污染較嚴重的有北京、沈陽、太原、西安、包頭、南昌等城市。沈陽市有78％井水的某些指標不符合飲用水標準；南昌市地下水的重度污染和嚴重污染面積約占市區(qū)面積的35％。此外，我國北方許多城市的地下水硬度逐年增高，某些沿海城市的海水入侵問題也相當嚴重?！?地下水資源的保護2023/1/222:11（二）地下水水質惡化的原因引起地下水源地水質惡化的原因很多，可歸納為以下三個方面。（1）存在引起地下水水質惡化的污染物質來源。這些污染物，既可存在于地下，也可以存在于地上。從污染物質的成因類型來看，可分為兩大類。第一類為天然污染源，即自然界本來就存在著的各種劣質水體，如海水、地下高礦化水或其它劣質水體。此外，含水層或包氣帶中的某些含水介質含有某些礦物（特別是各種易溶鹽類），也可成為地下水的污染源。第二類為人為污染源，是指因人類活動所形成的污染源，如各種廢水、污水、各種垃圾及化肥、農(nóng)藥等?！?地下水資源的保護2023/1/222:111985年，全國污水排放量達342億t。其中，工業(yè)廢水占75％，生活污水占25％。有80％以上的污水直接排入水域，造成水體污染。人為污染源又可分為直接和間接源兩類。各種污水廢水、化肥農(nóng)藥，其污染物質直接通過包氣帶進入含水層中，為直接污染源。污染物首先進入大氣或地表水體，而后進入含水層中的稱間接污染源，如在工業(yè)城市附近形成的含硫酸和硝酸的“酸雨”即是。重慶和貴陽兩市雨水的月平均酸度幾乎在5以下。酸雨的入滲，一方面直接使地下水酸化；另一方面，酸化的水又可增強溶解能力，使地下水中的金屬元素含量大大增加，污染地下水。而且酸雨的污染是大面積的，往往比局部點狀污染源造成的危害更大?！?地下水資源的保護2023/1/222:11（2）存在污染物質進入的途徑（通道）。水源地地下水水質發(fā)生惡化，除了必須具備有污染源外，還必須具有污染物進入含水層取水地段的通道。污染物通常以三種方式進入含水層。第一種方式，是在含水層的開采降落漏斗范圍內，污染物通過含水層上部的透水巖層直接滲入含水層，由于進入途徑很短，故常常使地下水迅速而重度污染。在相同污染源的情況下，地下水體遭受污染的程度，主要決定于地表到含水層之間巖層的滲透性能、巖土顆粒對污染物的吸附和凈化能力及含水層的埋藏深度。因此，一般承壓水較潛水有較好的防污染條件。潛水含水層的包氣帶內如有粘性土層存在，也會有較好的防護能力?！?地下水資源的保護2023/1/222:11第二種方式，是污染物從含水層的其它地段進入開采地段。例如，各種天然劣質水體（如海水、大陸高礦化水）、已污染的地表水體或污水體，通過與含水層的直接接觸帶（特別是補給區(qū)）滲（流）入含水層，然后再運移到開采地段。當污染源位于水源地上游時，對水源地水質污染的威脅更大。第三種方式，是污染物借助天然或人為的某些集中通道進入含水層。天然集中通道，主要是指與污染源相溝通的各種導水斷層通道、裂隙通道和巖溶通道（包括“天窗”）。這種通道一般多呈點狀或線狀分布，但是它可使埋深很大的承壓水體遭到污染。§2地下水資源的保護2023/1/222:11人為集中通道，主要是指在各種地下工程、水井施工時，因破壞了含水層隔水頂板（或底板）的防污作用，使工程本身構成了劣質水進入含水層的直接通道。常可見到因水井設計、施工上的缺陷（未止水或止水不合要求），造成上部污水沿井管與孔壁間隙流入開采含水層；有時則因廢井未加處理或回填不實，成為地表污水的入侵通道§2地下水資源的保護2023/1/222:11（3）有引起地下水水質惡化的水動力和水化學起因。如果說，污染源和污染通道的存在是地下水水質可能惡化的必備條件，那么，在開采條件下所出現(xiàn)的水動力、水化學作用，則是導致地下水水質惡化的直接起因。凡污水入侵開采含水層，均要求有一定的水動力條件。其一，開采含水層（或地段）與污水體之間必須存在某種直接或間接的水力聯(lián)系；其二，由于開采抽水，在開采含水層（或地段）中形成相對于污染水體的負壓區(qū)，從而促使污水直接或間接（通過弱透水層）地流入并污染了開采含水層（或地段）。§2地下水資源的保護2023/1/222:11近海水源地，因水動力條件改變而引起的海水向大陸含水層入侵，便是這方面的典型例子。在天然條件下，大陸含水層中的淡水是排入海洋的，咸、淡水體之間的平衡界面是依靠含水層中淡水的水頭壓力高于海面來維持的。在開采條件下，如果水源地的開采量超過補給量，則必然引起含水層中淡水體水位持續(xù)下降。當水位降落漏斗擴展到海岸線時，就會導致海水入侵，使地下水咸化。在某些情況下，雖開采量未超過淡水的補給量，但當?shù)w的水頭壓力已減少到難以維持咸、淡水體之間的原來平衡條件時，咸、淡水界面也會向大陸推移。如果該界面推進到抽水井的降落漏斗范圍內，同樣也會導致咸水入侵開采地段，使水質惡化?！?地下水資源的保護2023/1/222:11大量開采地下水，也會使含水層的水文地球化學條件發(fā)生變化。某些新的水文地球化學作用的出現(xiàn)，也是引起某些地區(qū)地下水水質惡化的重要原因之一。我國許多地下水源地在開采過程中所出現(xiàn)的礦化度、硬度及鐵、錳離子含量增高和pH值降低的現(xiàn)象，都主要是因含水層疏干及氧化作用加強所造成的。因為在開采地下水過程中，隨著地下水面的下降，氧氣隨空氣進入被疏干的地帶，促使巖層中硫、鐵、錳及氨化合物的氧化作用加強，特別是硫氧化細菌的作用，更加劇了金屬硫化物的氧化過程?！?地下水資源的保護2023/1/222:11如分布較廣的黃鐵礦（FeS2），在還原環(huán)境下很穩(wěn)定，幾乎不溶于水。但在氧化環(huán)境下，則易于溶解，形成酸性水。土層中經(jīng)常存在的鈣、鎂、鐵和錳的化合物，也易于溶解，使地下水中的鐵、錳、鈣、鎂及硫酸根離子含量大大增加，地下水的礦化度和硬度也隨之升高。圖11—8是波蘭西部某地井場（含水層為冰水谷地中的砂礫石層）在開采過程中發(fā)生的水質變化過程。T．Blazyk和J．Gorsk認為，圖11—8所示的水質變化過程說明，當上述化學反應進行到一定時期之后，最終將達到一個新的平衡。在新的平衡條件下，決定水質的主要因素將是進入水中的CO2和腐植酸的含量（它們決定著水的pH值），但這個反應過程可能會延續(xù)數(shù)十年。§2地下水資源的保護2023/1/222:11地下水的硬度（或某些水源地的礦化度）在開采過程中不斷增高的現(xiàn)象，是我國許多地下水源地，特別是北方地區(qū)的地下水源地普遍存在的問題。例如北京水源七廠，1964年建立時，地下水硬度為17—18度（德國度），1978年則升高到33.l度，平均每年以0.9度的幅度遞增。西安市的地下水硬度，以每年1.03—3.82度的幅度上升。蘭州市的地下水硬度，每年增高1.75度，其中馬灘水源地供水井中的最高硬度值已達123.5度，礦化度最高達2.02g／L。據(jù)有關部門初步估計，我國北方城市，為軟化地下水質，每年需要耗費上億元。根據(jù)北京市環(huán)保所、武漢地質學院及北京市勘察處的研究，地下水硬度在開采過程中升高的原因，除T．Blazyk所提出的水化學機理外，還與城市附近的污灌水質和我國北方表層土壤及其下層沉積物中富含鈣、鎂等易溶鹽有關?！?地下水資源的保護2023/1/222:11§2地下水資源的保護2023/1/222:11此外，近些年來，我國北方半干旱地區(qū)水庫（或渠道）浸沒區(qū)所出現(xiàn)的潛水氟離子含量增高的現(xiàn)象，也是由于水文地球化學環(huán)境改變造成的。因庫（渠）建立后，浸沒區(qū)潛水水位抬高，地下水蒸發(fā)濃縮作用加劇，使在半干旱堿性條件下潛水中本底值較高的氟離子含量進一步加大；由于建庫，周圍環(huán)境變得相對濕潤，促使植被進一步發(fā)育，植物根部分泌出的CO2將加速土層中碳酸鹽的分解和地下水中重碳酸鹽的積聚，從而使環(huán)境堿化。而這種弱堿化的水文地球化學條件，又進一步為氟離子的富集創(chuàng)造了條件?！?地下水資源的保護2023/1/222:11由于開采地下水使水文地球化學環(huán)境改變而引起地下水水質惡化的環(huán)境水文地質問題可能還有許多，有待今后進一步去研究。還應看到，這種改變并非全都是不利的。在一定條件下，由于強烈抽水促使地下水交替循環(huán)作用加劇，溶濾作用加強，從而加速了含水層中可溶鹽的溶解和排除過程。又如，由于含水層中水位下降，使地下水由原來的封閉還原環(huán)境變?yōu)殚_放的氧化環(huán)境，導致水中某些化合物沉淀，從而也可降低水中某些有害離子含量，或使水質淡化。因此，在進行供水水文地質勘察時，應當根據(jù)當?shù)氐牡貙訋r性結構條件、包氣帶和含水層中可溶鹽的類型和含量、補給水源的類型和化學性質、水源地預計開采強度和降深等條件，進行深入、綜合的分析，這樣才能對開采后地下水水質可能出現(xiàn)的變化，作出正確的預測?！?地下水資源的保護2023/1/222:11（三）防治地下水水質惡化的措施地下水是水圈，乃至整個地球環(huán)境不可分割的重要組成部分。因此，防治地下水水質惡化的措施，必須與防治環(huán)境惡化相結合，進行綜合治理，既要有技術措施，又要有管理措施。地下水水質惡化，常具有緩慢、隱蔽、不易及時察覺，一旦惡化又難以治理復原的特點。因此，治理水質惡化，須采取防、治結合，以防為主的方針，確保供水的質量?！?地下水資源的保護2023/1/222:111．預防性的技術措施最重要的是，要對城市的發(fā)展與水源地的建設作出全面、合理的規(guī)劃和布局。在制定城市發(fā)展規(guī)劃，特別是制定工業(yè)布局時，必須考慮盡量減少城市環(huán)境污染和地下水水質不受污染。那些容易造成地下水水質污染的工廠，應布置在水源地下游較遠的地方，或者采用管道排污。同樣，新建水源地時，也必須考慮地下水污染的環(huán)境條件，而把水源地選擇在城市上游或地下水的補給區(qū)，或在地層巖性結構方面防止污染條件較好的地方?？傊?，為保護地下水資源，在城市建設的總體規(guī)劃中必須考慮環(huán)境保護的要求；必須有防治污染、維持生態(tài)的觀點；要把環(huán)保工作與經(jīng)濟發(fā)展同步規(guī)劃、同步實施，做到經(jīng)濟、社會和環(huán)境的協(xié)調發(fā)展?！?地下水資源的保護2023/1/222:11此外，當取水層位上、下或附近有劣質水層或水體分布時（特別是濱海水源地），應嚴格地控制水源地的開采量和開采降深，以防止劣質水入侵含水層。在水井設計中，最好采用分層取水。當深部有咸水時，應控制井深，使井底與淡、咸水界面保持一定距離。要保證水井施工中的止水、回填質量。對年久失修的水井，要及時更換井管；對報廢水井，要回填封死?！?地下水資源的保護2023/1/222:11設立水源地的衛(wèi)生防護帶，雖不可能完全杜絕污染，但是它可在一定時間、一定水文地質條件下控制污染。對于埋藏較淺的潛水及地表覆蓋層較薄的水源地，建衛(wèi)生防護帶有明顯的效果。因此，我國環(huán)保局、衛(wèi)生部、建設部、水利部及地礦部五個單位于1989年聯(lián)合頒發(fā)了《飲用水水源保護區(qū)污染防治管理規(guī)定》〔（89）環(huán)管字第201號〕。其中，規(guī)定對地下水水源地須設置一級保護區(qū)、二級保護區(qū)；必要時，外圍還應設置準保護區(qū)（相當于衛(wèi)生防護帶的Ⅰ帶、Ⅱ帶、Ⅲ帶），對各區(qū)規(guī)定了相應的保護措施。各區(qū)范圍的大小，應視具體水文地質條件及開采強度而定?！?地下水資源的保護2023/1/222:11衛(wèi)生防護Ⅰ帶為嚴禁活動帶，其范圍不能太大，據(jù)原蘇聯(lián)國家文件規(guī)定，對承壓水水源地，I帶半徑不應小于30m，潛水不小于50m。荷蘭學者V·韋根尼提出了計算防護帶半徑（r）的經(jīng)驗公式：式中：r––––防護帶半徑（rn）；Q––––井抽水量（m3／a）；B––––含水層厚度（m）；t––––滯后時間（污染物從某點遷移到抽水點所需要的時間）（a）；i––––垂直入滲補給量（m／a）；ne––––含水層有效孔隙度。該公式適用于側向徑流較弱的松散含水層?！?地下水資源的保護2023/1/222:11原蘇聯(lián)學者Φ·M·鮑契維爾介紹了考慮巖石吸附作用時計算防護帶半徑的經(jīng)驗公式：式中：Rp––––防護帶半徑（m）；Q––––井的開采量（m3／a）；Tp––––污染物遷移到抽水井的時間（a），或降解時間（生物污染取60d，化學污染物取10a或25a），也稱水源地保證期限；m––––含水層厚度（m）；n––––含水層有效孔隙度；A––––反映巖石吸附性能的指標，無固次，β為分配系數(shù)；C0、N0分別為均衡吸附時的溶液中濃度和吸附量，吸附性愈強，A愈大，無吸附時，A＝1。該公式適用于無潛流無限邊界條件潛水含水層的計算?！?地下水資源的保護2023/1/222:11河北保定市一畝綠水源地，運用V·韋根尼公式計算了衛(wèi)生防護帶的范圍。其中有：嚴禁活動帶：以滯后時間為60d計算，最小半徑R?。?2m，最大半徑R大＝202m，面積為10km2。限制活動帶Ⅰ：以滯后時間為10a計，R小＝311m，R大＝1496m，本帶寬269—1294m，面積為20km2。限制活動帶Ⅱ：以滯后時間為25a計，R?。?55m，R大＝2198m，本帶寬144—702m，面積為18km2?！?地下水資源的保護2023/1/222:11據(jù)1987年資料，對世界上15個國家集水建筑物保護帶的統(tǒng)計，其中：保護帶I：邊界多數(shù)在井周圍10—100m范圍之內，最小者5m；保護帶Ⅱ：有10個國家把邊界確定在地下水50—60d運移的距離處。個別國家為10d或100一400d的距離處，或＞100—300m處；保護帶ⅢA：只有7個國家提出了具體要求，邊界要求在距集水建筑物200m、800m或2000m處；或邊界在地下水運移10一25a的距離處；保護帶ⅢB：：大多數(shù)國家無具體的距離規(guī)定，個別的提出邊界在地下水運移25a的距離處或到盆地的邊遠地帶。§2地下水資源的保護2023/1/222:11對于不得不排放的廢水（包括工業(yè)和生活污水），必須防止它們在排放的路途中和在污水處置場地內向含水層滲漏。為了減少滲漏，最好將它們排放在有穩(wěn)定隔水地層分布的地方，或者采取防滲襯砌措施，并且盡可能地將污水處置場布置在距水源地下游較遠的地方。在點狀污染源的治理中，對于城市垃圾，特別是某些工業(yè)廢渣對地下水可能產(chǎn)生的污染作用同樣不可忽視。例如，蘭州市的垃圾填土，曾導致黃河水和地下水受到污染。為使地下水免遭垃圾和工業(yè)廢渣淋濾液的污染，對垃圾和廢渣應采取廢物回收利用、焚燒、發(fā)電、生化處理及堆肥等綜合治理措施。水文地質人員的責任就是要為城市垃圾和工業(yè)廢渣選擇合適的堆放場地，進行無害化衛(wèi)生填埋。一般來說，垃圾或廢渣的堆放場或填埋場，最好選在地表弱透水土層分布廣、厚度較大，且地形低洼封閉性好、包氣帶較厚的地方；同時，要求它們遠離水源地或開采含水層的補給區(qū)?！?地下水資源的保護2023/1/222:11面源（面污染源），主要指農(nóng)業(yè)污灌、施肥、農(nóng)藥、酸雨，以及城市暴雨徑流等所產(chǎn)生的污染。據(jù)美國統(tǒng)計，非點源對環(huán)境造成的污染負荷占總污染負荷的50％以上，是對地下水污染不容忽視的因素。對面狀污染源的治理，可采取以下措施。①慎重地開展污灌。其中，最重要的是嚴格掌握污灌的水質標準、控制灌水定額及根據(jù)環(huán)境水文地質條件合理規(guī)劃污灌區(qū)的位置。如在表土層薄或滲透性大的潛水地段、地下水的補給區(qū)和水源地附近，就不適宜進行污灌。②使用易被植物吸收或被土壤分解的化肥和對人體毒性小的農(nóng)藥，并嚴格掌握化肥與農(nóng)藥的使用量，盡可能減小它們在土壤層中的殘余濃度和流入含水層的數(shù)量。③對灌溉用污水進行預處理?！?地下水資源的保護2023/1/222:11（2）興建配套的環(huán)境工程，大力開展污水的處理和利用，是治理地下水水質惡化的治本措施。大量污水未經(jīng)處理便排放，是造成當前環(huán)境，特別是水源污染的主要污染源。處理后的污水，可據(jù)其質量用于不同目的的供水，以提高廢水的重復利用率，增加水資源的總量。（3）采取防止劣質水（或污水）入侵開采含水層的水力措施。當海水或其它劣質水從側向侵入開采含水層時，可采用所謂“水力”措施來阻止劣質水體的入侵?，F(xiàn)以國外防止海水入侵為例，來介紹以下水力措施?！?地下水資源的保護2023/1/222:11①“補給水丘”或“淡水屏障”法。即在海岸與內陸開采地段之間布置淡水注水井，通過注水，使之形成高于天然地下水位的“補給水丘”（如圖11一9），以控制咸水面向內陸移動。據(jù)報道，美國加利福尼亞州的某沿海地帶及以色列沿海，都采用了這種方法，成功地阻止了海水入侵?！?地下水資源的保護2023/1/222:11②“抽水槽”法。在海岸和內陸開采地段之間布置一條抽水線，通過抽水使之形成阻止咸水向內陸運移的“抽水槽谷”。抽出的咸、淡混合水，如不能使用，則排入海中。這種方法較之前一種方法的優(yōu)越之處，是不需補給水源。這種防止海水入侵的方法，在荷蘭沿海的淡水砂丘帶得到了廣泛的使用（圖11一10）?！?地下水資源的保護2023/1/222:11③“注水和抽水相結合”的方法。一般是將抽水槽布置在靠近海岸的地方，將注水井布置在靠近開采水源地的一側。④修建“地下?lián)跛畨Α?。這種方法主要用于咸水沿著狹窄透水通道入侵的地段。例如日本長崎縣西北杵（chu）郡的樺島，曾在溝道的入?？诟浇惩恋纳暗[石層中建造了阻止海水入侵的灌漿帷幕。在其上游側形成了人工地下水庫，使地下淡水的開采量由原來不到200t／d，增加到288t／d以上?！?地下水資源的保護2023/1/222:11除以上措施外，在某些情況下，削減水源地的開采量、減小開采水位降深及防止水位降落漏斗擴展至外圍劣質水體等，也會對防止劣質水體入侵有一定作用。但是，這種措施的效果是有限的。例如海岸地帶的水源地，即使將動水位保持在海平面之上，也很難防止深層咸水形成的“上升錐”向水井移動。除上述情況外，另一種情況就是因不合理灌溉，使大面積土地發(fā)生次生鹽漬化惡化了生態(tài)環(huán)境。如喀什地區(qū)，土地鹽漬化面積竟達到耕地面積的64.7％，十分驚人。主要的防治措施，應是合理地進行灌溉?！?地下水資源的保護2023/1/222:11§3地下水資源的管理由前述可知，由于人類對地下水資源大規(guī)模地開發(fā)利用，目前世界上許多地區(qū)地下水的開采量都超過了當?shù)氐目晒┧浚霈F(xiàn)了各種環(huán)境惡化現(xiàn)象。其原因，前面已作了介紹。解決這些問題的根本途徑，就是要加強對地下水資源，乃至整個水資源進行科學管理，做到合理開發(fā)利用地下水資源和防止產(chǎn)生一切不良后果。一、地下水資源管理的目的和任務2023/1/222:11地下水資源管理，就是人們按照生活、生產(chǎn)和水循環(huán)本身的客觀規(guī)律，研究如何合理地規(guī)劃、勘查、開發(fā)、利用、調控及保護地下水資源和防治地質環(huán)境惡化，使它們處于對人類社會生活與生產(chǎn)最有利的狀態(tài)。地下水資源管理的基本目的，就是采取科學的措施，保證在地下水資源開發(fā)中做到最優(yōu)規(guī)劃、最優(yōu)評價、最優(yōu)設計和最優(yōu)開采運行，把開采或排泄地下水可能或已經(jīng)造成的危害降低到最小，使用水者在經(jīng)濟、技術、社會和環(huán)境上獲得最大的效益。因此，地下水資源管理的任務，就是采取有效地組織措施，通過水文地質人員，管理、開發(fā)和用水者共同努力，用現(xiàn)