专门水文地质学(吉林大学)地下水水质恶化的调查与防治

吉林大学精品课>>专门水文地质学>>教材>>专门水文地质学 §13.5地下水水质恶化的调查与防治 一、地下水水质恶化的概念及产生原因 （一）地下水水质恶化的概念 水质恶化是指由于人类活动的影响而使水的感观性、物理化学性质、化学成分、生物组成以及底质状况等发生恶化的现象。可分为地表水水质恶化和地下水水质恶化。水质恶化使水的使用价值降低，给水生生物和用水者造成危害，并加剧水资源短缺的矛盾。随着人口的增长、社会经济的发展，水污染日益加重，成为当今最突出的环境问题之一。 地下水质恶化是因环境污染或大量开采等使地下水中某些物理性质和化学成分发生显著改变、水质下降的现象。这种恶化甚至导致水质超标或不能利用。地下水水质恶化问题主要是指地下水在开采过程中，因环境污染、水动力、水化学条件改变，而使水中的某些化学、微生物成分含量不断增加、以致超出规定使用的水质变化过程。地下水污染是指由于人为原因造成地下水中有害物质积累、水质恶化的现象。两者是有一定区别的。 地下水的水质恶化现象是世界上许多国家地下水开发利用中共同面临的一个严重问题，它是全球性日趋严重的环境污染问题的一个组成部分。 地下水水质恶化现象，主要表现为以下几个方面：许多地下水天然化学成分中不存在的有机化合物（如各种合成燃料、去污剂、洗涤剂、溶剂、油类以及有机农药等）出现在地下水中；在天然地下水中含量极微的毒性金属元素(如汞、铬、镉、砷、铅及其某些放射性元素等)大量的进入了地下水中；各种细菌、病毒在地下水体中大量繁殖，远远超过饮用水水质标准(生物污染标志是水中的氨、亚硝酸盐、硝酸盐、硫化氢、磷酸盐及生化需氧量和化学需氧量骤增)；地下水的硬度、矿化度、酸度和某些单项的常规离子含量不断上升，以致超过使用标淮。 地下水水质的恶化不仅破坏了地产水化学成分的天然平衡，而且严重破坏了地下水资源的使用价值，给人类社会带来了种种严重后果：损害人体健康，以致造成残疾和死亡；损害工业产品质量，使农作物减产和土地盐化；减少地下水可采资源的数量，以致使整个水源地废弃；为处理水质、增加了水资源开发的单位成本。 （二）地下水水质恶化的主要特征及危害 地下水的水质恶化，是世界上许多国家所共同面临的又一个严重问题，也是全球性环境污染的重要组成部分。所述地下水水质恶化，主要是指地下水在开发过程中，因环境污染和水动力、水化学形成条件的改变，以及不良的勘探所造成的水中的某些化学、微生物成分含量不断增加，以致超出规定使用标准的水质恶化现象。其主要特征有： (1)许多天然地下水中不存在的有机化合物(如各种合成染料、去污剂、洗涤剂、溶剂、油类及有机农药等)出现在地下水中； (2) 天然地下水中含量极微的毒性属元素(汞、铬、镉、砷、铅及某些放射性元素)大量进人地下水中； (3)各种细菌、病毒在地下水体中大量繁殖，远远超出饮用水水质标准； (4)地下水的硬度、矿化度、酸度和某些单项的常规离子含量不断上升，以至超过使用标准。 地下水水质环境的恶化，严重损害了地下水资源的使用价值，给人类社会带来了种种不良后果，有损于人体健康，以至造成残疾和死亡；损害了工业产品的质量；使农作物减产和土地盐化；减少了地下水可采资源的数量，以至使整个水源地废弃，为处理水质，增加了水的单位成本。 （三）地下水水质恶化的产生原因 水质恶化的原因也是由自然因素和人为因素共同作用的结果。自然条件可以导致水中的盐分及一些有害组分的含量不断增加，进而使水丧失可以被人类利用的功能。人类活动则会较强烈地使水体中的组分增多、含量增大，从而使水体丧失使用功能。 我国地下水环境污染严重。由于工业和生活污水排放量增加，以及受农业大量使用农药、化肥的影响，我国地下水污染问题日益突出。地下水污染严重地区主要分布在城镇周围、排污河道两侧、地表污染水体分布区及引污农灌区等。地下水环境污染呈现出由点向面、由城市向农村扩展的趋势。全国约有一半城市市区地下水污染比较严重，由污染造成的缺水城市和地区日益增多。 地下水水质恶化的原因有三个方面，即污染物的来源、污染物进入含水层的通道、水动力和水化学条件。 1. 引起地下水水质恶化的污染物来源 存在着引起地下水水质恶化的污染物质来源，从成因来看，可分为天然的和入为的两大类。天然污染源指自然界中天然存在的海水、地下高矿化水或其他劣质水体。此外含水层或包气带中所合的某些矿物(特别是各种易溶盐类)，也可构成地下水的污染源。人为污染源指因人类活动所形成的污染源。如工业废水、生活污水、工业或生活垃圾、农业化肥、农药等所形成的地下水污染源。人为污染源对地下水的污染过程有直接污染和间接污染两种情况。直接污染指工业废水、生活污水及土壤中的化肥、农药残液，直接通过包气带进入到含水层中，直接污染对地下水的危害最大。间接污染指污染物质首先进入大气或地表水体而后进入含水层中。如工业城市附近因含硫量较高煤炭的大量燃烧，而使大气中二氧化硫含量(或氮氧化物)骤增，雨滴吸收了这些气体便转化为硫酸和硝酸，形成“酸雨”。酸雨的入渗一方面直接使地下水酸化，另一方面酸化的水又可增强对岩石中金属或金属矿物的溶解能力，使地下水中的金属元素含量大大增加。工业废水和生活污水不经过处理而排入地表水体，造成地下水污染。特别是那些以河水入渗补给作为主要来源的榜河水源地、季节性河流的河谷、山前冲积扇和地下暗河水源地，因河水污染而导致地下水源污染的问题更为严重。 2. 污染物进入含水层的方式 存在着污染物质进入含水层的途径(或通道)，地下水水质恶化，除必须具备有污染源外，还必须具有污染物进入含水层的通道。污染物通常以三种方式进入含水层。一是在含水层开采的降落漏斗范围内，污染物通过含水层上部的透水岩层，直接渗入含水层。在这种方式下，由于污染物进入含水层的途径很短，故常常使地下水体迅速而重度的污染。在相同污染源的情况下，地下水体遭受污染的程度，主要决定于地表到含水层之间岩层的渗透特性、岩土颗粒对污染物的吸咐和净化能力，也决定于含水层的埋藏深度。因此，一般来说、承压水较之潜水有较好的防污染能力，潜水含水层的包气带内如有粘性土层分布也会起到一定的防污作用。根据试验和调查，土壤或粘土层对许多工业污染物(如酚、氰、六价格、铅、铬、砷等，都有较强的净化能力。但是包气带土壤层对污染物的吸附容量和过滤作用是有限的，不可把地下水的防污完全寄托在土壤层的天然净化上。二是污染物从含水层的其他地段进入开采地段。例如，各种天然的劣质水体(如海水、大陆高矿化水)已污染的地表水体或污水体通过它们与含水层的接触带(持别是补给区)，渗入含水层，然后再转移列开采地段。当其污染源位于水源地的上游时，对水源地的污染威胁最大，有时两者虽相距甚远，但地下水体也很难免被污染；当其污染源位于水源地下游时，一般只有当开采水位降落漏斗扩展到劣质水体时，水源地才会遭到污染。三是污染物借助天然或人为的某些集中通道进入含水层。天然造成的集中通道，主要是指与污染源相沟通的各种导水断层(包括地震或地面沉降产生的地裂缝)和喀斯特通道(包括石灰岩含水层及其部分隔水顶板缺失所形成的天窗)。在天然条件下，这些通道大多数是裂隙水或喀斯特水的排泄途径，但在开采条件下，当裂隙和石灰岩含水层水头压力低于外围污水体的水头压力时，则成为污染物进入含水层的通道。这种通道一般多呈点状或线状分布，但是它可使埋深很大的承压水体也遭受污染。 人为作用造成的集中污染通道包括以下几种情况：因开挖地下工程，破坏了含水层顶板岩层的防污作用，地下工程成为劣质水进入含水层的通道；因水井没计、施工上的缺陷(如施工止水不合要求)，造成上部污水体沿井管与孔壁间隙流入开采含水原；有时则是废井未加处理或回填不实，成为地表污水下渗通道；某些多年失修的水井，由于井管腐蚀损坏或地震使井管破裂，也可造成上部污水入侵开采含水层。此外，在某些情况下，井管或输水金属管道的腐蚀；混凝土水管的溶蚀，也可污染水质，此时管道本身即为污染源。 3. 地下水水质恶化的水动力和水化学条件 如果说污染源和污染通道的存在是地下水水质可能恶化的必备条件，那么在开采条件下所出现的水动力、水化学作用则常常导致地下水水质恶化的直接起因。 水动力作用：凡污水体入侵开采含水层，均要求有一定的水动力条件。其一是开采含水层和污水体之间必须存在某种直接或间接的水力联系；其二是在开采地下水时，形成了有利于污水体向开采层运移的水动力条件。所谓有利于污水体向开采层运动的水动力条件，一般是指由于抽水(或污水灌注)在开采含水层中形成相对于污水体的负压区，或者开采层中的水位降落漏斗直接扩展到了污水体，从而促使污水直接或间接地渗入，并污染开采含水层。 水化学作用：大量的开采地下水，不仅引起含水层水动力条件的变化、同时也会改变含水层的水文地球化学条件，出现某些新的水文地球化学作用，也是导致某些地区地下水水质恶化的重要原因。 二、水质恶化的调查 水质调查是水质评价、水资源保护的基础工作。调查内容包括污染源、地表水质量状况、地下水质量状况和污染事故等。调查程序：（1）收集已有的定位水质监测资料，确定重点调查地区，制定调查；（2）进行现场查勘，了解污染源的分布情况，估算废污水排放量和有机农药使用量，对污染严重的河段和水井进行取样；（3）将水质调查资料与定位监测资料相结合，对水体水质概况进行评价，提出控制污染的建议。 地下水水质恶化调查是为防治地下水水质恶化而进行的水文地质调查工作，主要有两方面内容，即预防地下水水质恶化和治理地下水水质恶化的水文地质工作。 防治地下水水质恶化的原则应以预防为主。因为地下水是埋藏在地下、流速慢、稀释自净能力比地表水差，一旦被污染，除隔断污染源使之不再发展外，若进行污染的消除治理，需要花费大量人力、物力、财力和时间，而且很难达到预期效果。因此必须加强预防性的措施和监测。调查目的是查明地下水的污染源、污染途径和影响污染的各种天然及人为因素，进行水源环境质量评价，进而提出预防、控制和消除污染约综合性措施。调查的内容应包括对区域历史情况的研究，地下水水质恶化现状的调查，以及未来趋势的分析。不仅要调查污染物、污染源，污染途径及含水层中污染物的分布、迁移规律，而且还应调查自然地理和水文地质环境。工作方法以搜集资料、社会调查及地面观测编录为主，利用已有的和新设的各种水点取样分析进行水化学调查，同时还应进行一些必要的勘探试验工作和水质监测工作。 调查工作开始以前首先应明确调查的目的任务，调查区的范围，工作期限，参加工作的人员，现有的仪器设备，要求提交的成果等。然后进行搜集资料、现场踏勘、拟定工作计划或编写设计书，经有关部门审查批准后方能开始工作。 地下水开发利用状况调查，应了解主要开采层的层次、开采量、开采强度、开采井的密度、深度、施工结构质量更替情况，开采过程中水质、水量、水位的变化。其中地下水污染源调查应查明地下水中的主要污染物及其分布特征；污染程度和污染范围，污染原因，污染类型；及其对环境和生态的影响，包括： （1）工业污染源调查。应查明工业污染源的位置。由废水、废气、废渣中排出的主要污染物及其浓度；年排放量；排放方式；排放途径和去向；处理及综合利用状况； （2）生活污染源调查。应了解生活污水和医疗卫生废水的排放量、排放方式、排放途径、去向与处理程度；生活垃圾、粪便的排放、储存、处理利用状况；露天厕所分布状况。 （3）农业污染源调查。应了解郊区化肥、农药和农家肥施用量及其历年的变化；较大的牲畜场分布、规模与发展状况；污灌区位置、范围、污灌量、灌溉方式、污水的主要成分和作物种类。 三、水质恶化的防治措施 地下水参与自然界的水文循环，与地表水、大气降水之间相互联系，相互转化，组成统一的整体。地下水隐伏埋藏于地下岩层中，具有相对独立的储存空间和渗流系统，它的形成、分布和运移主要受地质和水文地质条件控制。因此，地下水的开发利用必须遵循地下水资源本身所具有的客观规律，需要在查明含水层系统的地质结构、介质分布，地下水的补给、径流和排泄条件的基础上，科学合理地确定地下水的开采地段、开采层位、开采布局和开采量。 地下水具有分布广、储存量大、调蓄能力强、水质水量相对稳定、保证程度高，供水投资少、见效快的特点。从供水的角度看，地下水是缺水山区、水质型缺水地区、城镇地区饮用水的重要水源，更是荒漠地区生态用水最可依靠的就地水资源。充分发挥地下水的优势，把有限的地下水纳入合理开发、经济利用和科学管理的轨道，是今后的战略重点。 地下水资源减少及水质恶化的防治措施包括以下几个方面。 （1）采补平衡，持续利用：根据地下水补给和储存条件，按照采补平衡的原则，调整优化地下水开采布局和用水结构。超采区压缩开采量，有资源潜力的地区扩大开采量，基本做到采补平衡，实现地下水资源的可持续利用。 （2）浅层为主、深层适度，咸淡结合：我国大部分地区以开发浅层地下水为主。在深层地下水资源丰富、开发利用后又不产生较大环境地质问题的地区，可有计划地适度开发深层水资源。在地下咸水分布区，可应用抽咸补淡、淡咸混合等技术，合理利用咸水资源。 （3）合理调控，以丰补欠：充分利用含水层分布广、储存空间大、调控能力强的特点和优势，合理调控地下水位，增加地下储水空间，提高降水的有效入渗量，减少蒸发、蒸腾损失，有效利用土壤水。 （4）保护水质，优质优用：采取有效措施，保护地下水源，严格控制和预防地下水水质恶化。按照优先满足人民生活用水需求，兼顾工业、农业和生态环境用水的序次和原则，合理开发利用地下水。 （5）联合调蓄，统筹兼顾：坚持地表水、地下水，上、下游水资源统筹兼顾的原则。水资源调蓄要实行从以地表调蓄为主向地表、地下联合调蓄的战略转变，充分发挥地表水库和地下水库各自的优势，取长补短，优势互补，综合开发利用水资源。按照不同地区的水文地质条件，调整优化地下水开发布局和用水结构。 （6）综合规划，科学管理：根据地下水资源时空分布特点，结合国民经济区域发展布局和生态环境建设需要，综合规划地下水的开发利用与保护战略，建立科学的管理和技术保障体系。