环境效应

第五章水资源开发中的环境效应为了解决水资源在时间、空间、数量、质量等方面与用水需求不相适应的问题，人们采取各种工程措施如修建水库，开挖引水渠道，构筑提水工程，截流工程，凿井等，用这些人工源汇调整地表水和地下水的时空分布，从而达到开发利用的目的。但是也应看到，任何事物都有正、反两个方面。第五章水资源开发中的环境效应水资源的开发利用会改变地表水、地下水的天然状态和周转节律，使水成为诸环境要素中变化最快的因子。水的数量、质量及能量（这里主要指水头）的快速变化，一旦超过环境某一方面的阈值（或抗干扰能力）时，环境就会发生变化，伴随而来的是一系列环境问题。为了保证水资源的合理开发、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环境的保护，对可能出现的问题即环境负效应予以高度重视。第一节水资源开发的环境负效应•水资源开发利用不恰当可能引起的环境问题大体有三类：①地质环境问题；②水环境问题；③生态环境问题。从水、岩（土）、生（物）相互作用的角度出发，又可归纳为:水盐失调、岩土体变形失稳、生态退化等三种环境负效应。第一节水资源开发的环境负效应一、水盐失调水、盐失调主要指水的量与质发生快速、明显的变化，水量、盐分含量的增多或减少。在自然条件下，水分和盐分在空间和时间上分布是不均匀的，它们以系统的方式存在，具有季节、年份或多年的动态变化，其变动的幅度和周期在宏观上是稳定的。然而，在人为活动频繁，水、盐的变化常常具有快速、明显的特点。另外，水资源的开发还有可能改变区域水量和盐量的总平衡。例如河北平原在60—70年代海河水系的入海水量约20亿m3/a，这些水可将上游区和平原区的盐分带入大海，以保持平原区土壤的盐分总平衡。第一节水资源开发的环境负效应一、水盐失调如今，由于大量拦蓄地表水、过量开采地下水，入海水量已减少到一亿m3/a左右，地表水的排盐功能急剧下降，来自西部太行山区和当地各种生产活动产生的盐分绝大部分因无去路，最终只能积淀在平原区。“南水北调”工程年调水300亿m3/a（黄河以北150—200亿m3/a），相当于年输入盐分600万吨（其中黄河以北300—400万吨），若不充分考虑排盐措施，该项工程的实施无疑会进一步加剧河北平原的盐分聚积，给子孙后代留下隐患。二、岩土体变形失稳在天然条件下，由于外力侵蚀和重力作用，岩土体的变形、失稳会不断发生，而水资源的开发则会诱发岩土体变形、失稳或增大其发生频率。这是因为地表水的拦蓄工程，可改变周边地段岩土体的含水量和当地的地下水渗流场，使岩土体及其结构面的力学强度降低、动水压力增强，甚至会使某些土的物理结构发生改变（如膨胀土）。因此，在水库修建后常发生边岸滑坡、崩塌等问题。对于某些高坝水库则会因过高的静水荷载引起地震。二、岩土体变形失稳•在许多新生代沉积盆地，强烈抽取地下水，使水、土之间固有的压力平衡状态遭到破坏，特别是孔隙水压力的减小，土体有效应力增大，导致明显的地面下沉，开裂。在岩溶发育区，快速大降深的抽水活动，则会因真空吸蚀、潜蚀、气爆等作用，使第四系覆盖层垮落，造成地面塌陷、开裂等现象。地表水的拦蓄工程，可改变周边地段岩土体的含水量和当地的地下水渗流场，使岩土体及其结构面的力学强度降低、动水压力增强，甚至会使某些土的物理结构发生改变（如膨胀土）。因此，在水库修建后常发生边岸滑坡、崩塌等问题。对于某些高坝水库则会因过高的静水荷载引起地震。三、生态退化•生态退化实际上是指一个系统在超载干扰下逆向演替的生态过程。•按照著名生态学家E.P奥得姆的观点，生态系统是由生物（植物、动物）和物理环境构成的有机整体。生态系统是建立在水和植物这一最根本的关系之上的。三、生态退化•自然条件下，水、盐、土壤种类的分布具有区域相对稳定的特点，其时空结构是在长期的自然演化过程中形成的，与此对应的是植物种群、群落也具有鲜明的分带性和稳定性。可以这样说，植物对生境的选择在相当大的程度上是对土壤水分、盐分的选择。不同的土壤和水盐条件就会生长不同的植物。三、生态退化•水资源大规模开发与利用，可加快植物的演替速度，改变演替方向。拦蓄地表水、大强度抽取地下水、过量灌溉均有可能在较短时间内改变水分的天然分布，进而影响土壤层的水盐运动过程，导致水土背景值变化。水资源开发利用得当，土壤水盐条件会得到改善，有利于植物的生长，促进野生植物的正向演替。反之，土壤水盐条件会恶化，植物朝着逆向演替，即植物退化的方向发展。第二节水资源开发引起的典型地质环境问题水资源开发可能引起的地质环境问题有多种，包括地面沉降、地面塌陷、诱发地震、库岸浸没与沼泽化等。一、地面沉降（一）地面沉降事例地面沉降是目前世界上许多取用地下水的平原井灌区共同面临的严重问题。因开采地下水，美国的长滩市地面下降9.5米,东京4.6米,大阪2.88米,墨西哥城为6米；美国加利福尼亚州、泰国曼谷、日本东京、意大利威尼斯、英国伦敦都是世界上地面沉降强烈地区，部分沿海滨城市甚至面临着市区被海水淹没的危险。（二）地面沉降机理分析•地下水位大幅度下降，促使上部易压缩粘性土层中的孔隙水排出、进而引起土层的固结压缩，这是地面沉降最常见的原因。•孔隙水压力可理解为水对上覆地层的浮托力。由于这种浮托力的存在，使实际作用于砂层骨架上的应力减少。实际作用于砂层骨架上的应力，称作有效应力Pz。天然平衡条件下，总垂直应力等于孔隙水压力与有效应力之和，即：•P=u+Pz•Pz＝P－u（6.3）•有效应力等于垂直总应力减去孔隙水压力，这就是著名的泰沙基（Terzaghi）有效应力原理。二、岩溶地面塌陷•碳酸盐岩分布区地下发育有大量洞穴和管道等岩溶形态。在洞穴和管道埋藏浅，其开口直接被厚度较小的第四纪松散堆积物覆盖的地段，强烈抽取岩溶水极易发生覆盖层陷落、开裂、下沉，形成各种规模和形态的地表坑、槽，这种现象称为岩溶地面塌陷。•地面塌陷的机理目前主要有以下几种解释：①潜蚀论：此观点认为，抽水加大了井孔附近岩溶水的水力梯度，在动水压力作用下，溶洞充填物和洞顶处的松散土层不断冲蚀，掏空，导致洞顶失稳；②真空吸蚀论：溶洞顶部被粘土覆盖或充填的承压水分布区，抽水引起水位大幅度下降，使洞顶空腔呈低气压（真空）状态，对盖层产生吸力，使其向下冒落；二、岩溶地面塌陷•③气爆论：在水位升降幅度较大的地下暗河中，雨季暴涨的岩溶水水头上升到密闭顶部的洞穴，洞中气体被压缩，形成高压条件，若顶部盖层强度不足，则产生爆裂而塌陷；④液化论：主要是指在突然震动和水头突变的动水作用下，盖层中触变性的松散物质发生液化，快速向深部洞穴、裂隙流失，从而形成塌陷。•在岩溶地区，水资源的开发利用如水库蓄水、放水，抽取地下水都有可能引发岩溶地面塌陷。南方的水资源开发或矿坑排水引起地面塌陷，其比例可占各类岩溶地面塌陷总数的60—80％三、水库诱发地震及边岸再造•水资源开发工程的兴建，往往会在大范围内改变原有地质环境的平衡，引起一系列新的灾害地质作用的发展，造成严重的环境问题。•一般来说，地质环境主要是由岩土体、地应力条件和水所构成，在自然条件下，它们之间有着密切的依存、制约关系。水资源的开发、水库的修建，首先会引起地表水和地下水及其动力作用的重大变化，主要表现为：•①地表水位的大幅度提高和水域的明显扩大，使作用于库底的水荷载显著增大；三、水库诱发地震及边岸再造•②库内水力坡度和流速的显著降低,使原有的河流侵蚀作用为库底淤积和库岸的浪蚀作用所代替。•③大坝上下游巨大水头差的形成，使库内、外地表水和地下水的水力梯度和流速急剧增大，从而将在坝下游产生强烈的冲刷作用；•④水库蓄水会使库区及其附近地区的地下水位大幅度抬升，而水库的调节运行又会使地下水位产生显著的动态变化。•水资源开发对岩土相对稳定性影响概括有以下几方面：诱发地震、库岸失稳、大坝溃决及库底淤积。（一）水库储水造成的诱发地震•1．诱发地震事例•水库诱发地震，是挡截地表水成库后水岩作用导致的一种最主要的地质灾害。截至目前，中国境内已发生过诱发地震的水库共有20例。•2．诱发地震类型根据统计资料，水库诱发地震主要有两大基本类型•⑴构造型诱发地震•这是水库诱发地震的主要类型，通常发生在有较高应力积累的库区附近，主要是水库蓄水使某些断裂结构面产生走滑型错动而发震的。其中，走滑型地震通常是由空隙水压力变化诱发的，（一）水库储水造成的诱发地震•⑵岩溶塌陷型诱发地震此类水库地震，通常发生在岩溶发育的碳酸盐岩分布的库区附近。主要是水库蓄水引起地下水动态及动力条件发生较大变化，导致可溶性地层内岩溶洞穴失稳塌陷而造成。•3．水库诱发地震的成因机制（1）库区分布在局部构造应力集中的活动断裂的特定部位。（2）具有有利于库水向地下深处渗流和传导水压的水文地质条件。•在具备以上条件下，当库区储水、静水压强增大、地下水孔隙水压增高时，空隙水压效应、水库荷载效应、或水库荷载与空隙水压联合效应将触发水库地震（二）水库储水引起的边岸再造•1．边岸再造问题事例•库岸崩塌和滑坡是水库储水后，经常发生的现象。例如意大利瓦依昂水库滑坡就是一个最典型的实例。在已建成大量各类水库中，库岸崩滑事件屡见不鲜，•2．库岸再造成因机制分析•库岸再造主要归因于边岸岩土体的软化、泥化、潜蚀、空隙水压力变化或悬浮减重，以及动水压力作用。（二）水库储水引起的边岸再造在库水位上升和消落的往复变动中，水浸泡产生的软化、泥化始终起着降低库岸稳定性的重要作用，而水位消落、特别是快速消落时产生坍塌。但值得注意的是：软化、泥化效应具有一定的可逆性，即其降低岩土强度的效应会随其含水情况的变化增大或减小；而潜蚀则是一种累进性发展的作用，其每一次效应并不一定很显著，但多次重复发生，可使效应累进性增大，直到灾变发生。（三）坝基水压增大造成的大坝溃决•建坝屯水，是水资源开发常用手段，但由于地质环境变化与坝体本身的问题可引起相应环境问题，如坝基破坏、大坝溃决。典型实例是法国的马尔帕塞坝（图6.5）。该坝是一个60m高的薄拱坝，底宽6.26m，顶宽1.5m，修建在片麻岩上。1959年12月2日当库水接近满库时，该坝突然溃决破坏。据查，在此之前该坝的坝基岩体曾经历了一个较长的变形破裂发展及稳定性逐渐降低的过程。坝体溃决引起坝体下游地质与生态环境的大规模破坏，一时难以恢复。（四）水库底部淤积•建坝屯水的另一个问题是由于库岸水土流失造成的库区迅速淤积。这方面的典型实例是黄河的三门峡水库。黄河是一条多泥沙河流，三门峡水库原设计中由于未解决好泄流排沙问题，致使大坝建成后，水库迅速淤积，其速率高达10×108t/a。这不仅严重影响了水库的使用寿命，而且由于淤积迅速向上游发展，使汇入水库的渭河河口因形成拦储而不断淤高，过水断面随之减小，从而造成渭河河水渲泄不畅，水位随之上升。（四）水库底部淤积•结果使关中平原地下水位普遍抬高，引起平原大面积土壤沼泽化、盐渍化，同时导致沿岸黄土湿陷、民井破坏，严重影响取水灌溉，造成大面积的环境恶化。最后，不得不对三门峡工程进行改建，先后两次增设了两个排沙洞和八个河床底孔用以泄水冲沙，才基本解决了泄洪排沙第三节水资源开发利用引起的典型水环境问题•一、水资源减少•水资源不合理开发造成的水资源短缺主有三种情况：①地表水、地下水补给资源的减少；②过量开发造成局域缺水；③水质污染使可用淡水减少。•（一）补给资源量减少•除全球气候变化等自然因素的影响外，大规模开发利用水资源可改变局域水文循环的状况，•（二）过量开发造成的局域缺水•（三）水质污染使可用水量减少第三节水资源开发利用引起的典型水环境问题•二、水质恶化•拦蓄地表水和强烈抽取地下水会改变天然水的水动力条件，形成新的水文地球化学环境，若水中某些化学、微生物组分含量不断增多，就会产生水质恶化现象。三、海水入侵•滨海地区人为采水，降低陆地地下水位，引起海水（咸水）沿含水层向陆地方向潜移的现象称海水入侵。•海水入侵可导致陆地淡水含水层咸化、机井报废、土壤盐碱化等。按理说，海水入侵也是水质恶化的一种现象，因为这种现象发生在沿海地区，且规模较大，所以，在此单独作为一个问题讨论。三、海水入侵•我国渤海