3.2.1 環境水文地質作用
在水資源的開發利用中，地下水因其水質好，動態相對穩定故被許多國家作為主要的開發利用對象。美國大約50%的畜牧業和灌溉用水，40%的公***供水依靠地下水。而地中海島國馬爾他和位於西亞幹燥高原的沙特阿拉伯，則100%的依靠地下水（表3.4）。
表3.4 典型國家地下水在供水中所占的比重
大規模地開發利用地下水，必然引起環境水文地質作用。環境水文地質作用是指地下水在人為和自然因素影響下，由水化學、水動力學、水物理學和生物學性質變化引起的對人類生產和生活環境的制約作用。按作用的機制，環境水文地質作用主要有環境水文地球化學作用、環境水動力學作用、環境水物理學作用、環境水文地質生態作用。各種作用的控制指標及其環境影響結果等列於表3.5。
表3.5 環境水文地質作用的類型及作用結果
3.2.1.1 環境水文地球化學作用
環境水文地球化學作用是指在人工幹預下，在壹定滲流和水文地球化學條件下，物質遷移、轉化的作用，是決定汙染物質遷移轉化規律的主要作用。主要有酸堿作用、氧化-還原作用、吸附-解吸作用、絡合與螯合作用、稀釋和濃縮作用、生物凈化與濃集作用、放射性衰變和細菌繁殖與衰亡作用，以及汙染質在水中的彌散作用。通過這些作用，水汙染物質在環境系統中發生遷移、富集、轉化、分散、凈化、毒性改變，從而造成水質惡化、公害病等不良環境影響，或使水體發生凈化作用。
3.2.1.2 環境水動力作用
環境水動力作用是指由地下水動力要素變化而引起的地質環境中相互間的能量交換作用。通過荷載效應、應力腐蝕效應、孔隙水壓力效應、潛蝕吸蝕效應等作用，破壞地質環境中不同單元間的力學平衡，引發地面沈降、巖溶塌陷等地質災害。地下水位的下降，會造成水動力場各要素如水力坡度、滲透速度、水壓力的變化。
3.2.1.3 環境水物理學作用
環境水物理學作用是指地下水對熱能的傳播和轉化而引起的建築物地基失穩和地下水水質變壞的環境作用。由於人工熱流出物的影響，水溫度發生變化可引起水體熱汙染，影響水質和水生生態平衡。
3.2.1.4 環境水文地質生態作用
水質、水量和水溫等變化都可引起生態平衡的破壞。大量開采地下水造成的區域性水位下降，使包氣帶土壤水分減少，土壤結構破壞，出現土壤沙化和草原退化；不恰當的引水灌溉造成的地下水水位上升引發土壤鹽漬化，從而破壞農業生態平衡；水汙染物中氮、磷等營養物過多，可造成湖泊、海灣等水體中藻類災害性的生長，使水體質量下降，危害水生生態系統。
3.2.2 水資源開發利用的環境地質正效應
水資源的開發利用對社會、經濟發展起到了不可估量的作用，如果在科學評價，合理開發基礎上利用，則會促使環境變化向有利於人類生存的方向發展，這種作用叫做正的環境效應。
3.2.2.1 地表水利用過程中的環境地質正效應
通過築壩形成水庫，以提高水位，調節徑流，改善水質，實現灌溉、發電、供水、防洪、航運等綜合效益所帶來的環境正效應如下。
3.2.2.1.1 增加蒸發，利於防洪
由於水庫增大了自由水面的面積，增加了蒸發損失，美國的大平原南部壹些水庫在降雨較少的年份，最大蒸發損耗達42%，這對於專為用於防洪而營建的小水庫來說，水量損耗可以增加水庫的防洪能力，因為它使洪水量迅速減小。美國大平原南部由於年蒸發量遠大於年徑流量，水庫的防洪效益比美國其他地區都好，俄克拉何馬州體格河上的25座水庫的臨時蓄洪作用使特大洪水淹沒和洪泛平原的面積減少了23%。
3.2.2.1.2 調節徑流
水庫對徑流的影響主要表現在對流量的調節作用上，使流量在時間上重新分配，使下遊河道水流的長期和短期的變化幅度減小，有利於水生物的生活。
3.2.2.1.3 增加地下水的入滲補給量
水庫修建後，往往在庫區附近地區增大了地表水入滲補給時間和面積，促使地下水位回升，有利於減緩或防止地面沈降等地質災害的發生。
當然水庫的修建引起蒸發量的增大，從水資源角度來說是壹種損失，也使用於灌溉、發電、航運等興利方面的效益減小。
3.2.2.2 地下水資源開發利用中的環境地質正效應
合理開發利用地下水可以為當地帶來下列環境正效應。
3.2.2.2.1 控制土壤返鹽
土壤鹽分變化與潛水動態密切相關。地下水位埋深越淺，潛水蒸發量越大，向表土輸送的鹽分就越多，也就越容易造成土壤鹽漬化。反之，如果將地下水位控制在壹定的深度，就能抑制土壤返鹽，並使鹽堿地得到改良。如河北平原石津灌區實行井灌與渠灌相結合，控制地下水位埋深在2.5～3m，使全灌區鹽堿地面積由1972年的4.21×108m2減少到20世紀80年代的240×106m2；山東禹城試驗區改引黃灌溉，為井灌，加上明溝排水，使鹽堿地大幅度下降。整個黃淮海平原，自20世紀50年代後期大規模開采淺層地下水到80年代中期，鹽堿地已減少了壹半。
3.2.2.2.2 調蓄地下庫容
在地下水位埋深較淺地區，合理降低水位可增大地下調蓄庫容，有利於降水滲入補給。從1975～1988年，河北平原京津以南地區，淺層水水位平均下降了5.9m，騰空了地下庫容2.9×1010m3，增大了地下調蓄能力。在黃河平原上，從1966年以後，地下水的開采不斷增大，加上深挖河道降低地下水的排泄基準面，促進了地下水的水平排泄，使該區地下水位埋深長年處於2～3m的狀態，增強了降水入滲能力，也減少了地表徑流。
3.2.2.2.3 改善水質
傍河開采地下水，激發河流補給，不僅供水穩定，而且利用巖層的天然過濾和凈化作用，使難於利用的多泥沙河水，轉化為水質良好的地下水，為沿河城鎮和工業集中供水提供水源。北京、西安、蘭州、西寧、太原、哈爾濱等大城市，大型供水水源地都是傍河取水型的。
3.2.2.2.4 減緩土地沙漠化
利用深層地下水灌溉，可以增加土壤水含量，促進植被生長，減少土地沙漠化面積。
3.2.3 水資源開發利用的環境地質負效應
隨著社會經濟的迅速發展，人類對水資源開發利用量不斷增加，常常改變了水資源的自然循環過程、方式和強度，從而給當地環境帶來壹系列不利的影響，這種現象稱為環境負效應。
3.2.3.1 區域地下水位下降，局部淺層水資源枯竭
地下水的動態變化，實質上是其補給與排泄兩個環節宏觀上的綜合表現。例如在含水層中，補給水量大於排泄水量，便引起水量增加，水位上升；反之，則水量減少，水位下降。從壹個地區來說，地下水未經大量開采之前，基本上處於壹種動態均衡狀態，地下水位大致保持相對穩定。但是，隨著人類生產活動加劇，地下水多年平均開采量超過多年平均補給量，就會破壞這種動態均衡狀態，消耗含水層的“儲存量”，其結果就出現了直觀上的地下水位逐年下降。
地下水超量開采的直接後果是區域水位持續性下降，地下水降落漏鬥範圍不斷擴大。日本東京地區、美國加利福尼亞中央谷地、墨西哥城等處均因大規模開發地下水而造成區域地下水位下降，局部地段淺層含水層中的地下水已趨枯竭，出現出水量減小，水位降深加大，吊泵甚至井孔報廢現象。
我國的華北平原水位下降較普遍，深層水水位每年以3～5m的速率下降，天津、滄州、衡水、德州壹帶降落漏鬥已連成壹片，面積達3.18×104km2。其中滄州漏鬥面積達9830km2，漏鬥中心水位埋深達78m。淺層水水位降落漏鬥分布於北京市及京廣鐵路沿線的保定、石家莊、邢臺、邯鄲到安陽壹帶，面積達1.89×104km2。我國蘇-錫-常地區，隨著近些年鄉鎮企業的發展，地下水利用量逐年增加，由於開采地點集中，時間集中和開采層次集中（多開采第Ⅱ承壓水），致使自80年代中期以來，地下水位以平均0.5～1.5m/a的速度下降，區域地下水降落漏鬥1996年就超過了5000km2，吳縣、錫山和武進3市漏鬥中心水位埋深已分別達65m、75m和80m。
區域地下水位下降，不僅直接造成取水工程效益下降或報廢，還會誘發泉水斷流，地面沈降、巖溶塌陷、地下水質惡化等生態環境問題。
3.2.3.2 泉水流量衰減或斷流
北方旅遊城市的部分著名巖溶泉水，因泉域內地下水開采布局不合理，在泉水周圍或上遊鑿井開采同壹含水層的地下水，導致泉水流量衰減，枯季斷流，甚至幹涸。如山東濟南巖溶泉群（趵突泉等）枯季出現斷流。山西太原晉祠泉流量已由20世紀50年代的1.98m3/s，逐漸衰減，至90年代初已斷流。西北內陸幹旱區，由於在黃土帶大量開采地下水以及在出山口過多興建地表水庫及在戈壁帶修建高防滲渠道，改變了河水對地下水補給的天然條件，河水滲漏補給量大量減少，造成山前沖洪扇泉水溢出流量大幅度下降。如甘肅河西走廊石羊河流域，20世紀70年代的泉水流量比60年代減少五分之三，原有綠洲的泉灌區逐漸變為井灌區。同樣，新疆吐魯番盆地的坎兒井的水量亦出現了衰減，給農業生產和人民生活帶來不利的影響。
3.2.3.3 地面沈降
地面沈降是指地面高程的降低，又稱地面下沈或地沈，均指地殼表面某壹局部範圍內的總體下降運動。地面沈降以緩慢的、難以察覺的向下垂直運動為主，只有少量的或基本沒有水平方向的位移，可能影響的平面範圍可達幾千平方公裏。在某些實例中地面沈降是壹種自然動力地質現象，而多數是由人類活動所引起的，常以地殼表層壹定深度內巖土體的壓密固結或下沈為主要形式。
自19世紀末以來，隨著世界範圍內人類工程活動強度和規模的不斷增大，許多地區陸續出現了地面下沈現象。在諸多實例中，由於人類抽取地下液體的工程活動而引起的地面沈降最為普遍。意大利的威尼斯城是最早被發現因抽取地下水而產生地面沈降的城市。之後，日本、美國、墨西哥、中國、歐洲和東南亞壹些國家中的許多位於沿海或低平原上的城市或地區，由於抽取地下液體而先後出現了較嚴重的地面沈降問題（表3.6）。
表3.6 世界各地地面沈降概況壹覽表
我國從20世紀60年代起，在上海、北京、天津、西安等城市先後出現了地面沈降現象。處於渭河第二級階地的西安市城區，地面沈降已經發展到了極其嚴重的地步，與之伴生的地裂縫等嚴重影響了城市的發展。許多樓房建築物遭到破壞，多處道路、煤氣和輸水管道被錯斷，某些古建築受到明顯影響；鐘樓在1971～1988年間累計沈降279.4mm，大雁塔向西傾斜886mm，向北傾斜170mm，南城墻西段曾因為地裂縫和沈降不均勻發生坍塌。1976年之前，西安地面沈降極緩，年平均沈降速率5.3mm，其後隨著地下承壓水開采量加大，承壓水位下降，地面沈降與承壓水位漏鬥吻合，形成復合型沈降區。到1988年時，沈降地域面積達160km2，市區年平均沈降速率34.6mm，有7個沈降中心。其中胡家廟沈降中心累計沈降已達1 230mm，後村—觀音廟沈降中心累計沈降量達1 330mm。市區地裂縫活動程度日趨劇烈，總長度達76.68km，垂直位移速率5～30mm/a，水平位移3～4mm/a。雖然西安市區地裂縫的產生與關中盆地的新構造隱伏斷裂活動有壹定的聯系，但是地面的不均衡沈降也是其直接的誘因。所以地裂縫分布範圍與地面沈降範圍重合，地裂縫多沿著各個沈陷中心的壹側伸展。
圖3.3 天津地區1965～1988年地面沈平均速率圖
據王若柏（1994）研究，位於渤海灣平原的天津地區，在大量開采地下水之前的20世紀前半葉，水準觀測表明，其新構造沈降速率為4～6mm/a。1923年開始開采承壓水，1959年在天津市區發現地面沈降的現象。20世紀60年代後期工農業生產大規模開采地下水，其中1970～1971年平均開采地下水0.89×108m3，地面沈降速率為40mm/a；1972～1985年平均開采地下水（1.0～1.2）×108m3/a，地面沈降量為75～120mm/a；1986年關井減采，1988年開采量下降為0.67×108m3，地面沈降減緩為24mm/a。這顯示地面沈降速率與地下水開采量成正相關關系。在整個天津地區，1975年地面沈降範圍還只有600km2，有市區和寧河（漢沽）兩個沈降中心；1979年時沈降範圍猛增到4 000km2，天津、寧河和武清沈降中心擴大而聯結為大型復合沈降中心；1983年時沈降範圍增至6 000km2，各沈降中心沈降速率極高，如天津市區113.3mm/a、漢沽118.0mm/a、塘沽107mm/a、任丘40mm/a；1988年整個地區沈降面積達7 000km2，許多中等城市都發生沈降，形成壹個規模巨大的多中心復合型沈降區（圖3.3）。天津市區的工學院水準點，1996年埋設標高為3.39m，到1988年時僅有1.64m，反映出22a裏地面累計沈降1.75m。市區沈降中心最大累積沈降量已達 2.62m之多。塘沽和漢沽的某些區域，地面出現負標高或者與海平面持平。由於地面沈降，市區出現汙水外溢，海河河道泥沙大量淤積，汛期排洪不暢，沿河兩岸出現沼澤化，海水倒灌，水質惡化，風暴潮災害損失劇增。這壹系列的環境問題，嚴重影響著當地經濟、社會的持續發展。
上海市位於長江三角洲前沿，松散沈積物厚達300m。1921～1965年市區地面平均下沈1.76m，最大沈降量 2.63m。1966年采取控制措施以來，地面沈降得到緩解（劉鐵鑄，1994）。位於渤海灣的大港油田，地面標高1～3m。自從1965年投產以來，油田註水和生活用水大量抽取第四系淡水，使某些區域地下水位由0m下降到-80m（北大港），全區地面沈降0.808m，沈降中心下沈達1.70m。這使得油田管理系統變形甚至斷裂，風暴潮和洪水危害油井、港口和各種建築物（李德生等，1994）。
蘇州、無錫、常州三市自20世紀60～70年代發現地面沈降現象，至1994年，三市沈降中心累計沈降量分別為1 407mm，1 140mm和1 050mm，三市因地面沈降造成的直接經濟損失已達12億元，間接損失無法估量。
地面沈降造成的危害極大，必須認真防治。具體措施如下：
（1）壓縮地下水開采量，嚴禁超采。這是防止地面沈降的根本措施。應通過“開源節流”的方式，減少地下水的開采量，實行分質供水，優質優用，地下水僅作為飲用，工業用水盡量多利用地表水，推廣循環用水技術。
（2）調整開采層次，盡量開發深層地下水。蘇-錫-常地區的地面沈降主要是於開采“三集中”所造成，應實行科學規劃，調整開采層次，如工業用水應盡可能利用水質相對差壹點的第Ⅰ承壓水，保護水質好的第Ⅱ承壓含水層的地下水，只作為飲用水供水，改變目前飲水開發第Ⅰ承壓層水，工業用第Ⅱ承壓層水的現象，即人吃壞水，工業用好水的不合理現象。
（3）通過人工回灌等措施增加地下水補給量。上海市為了使地下水回升和達到控制地面沈降的目的，自1966年開始，以“冬灌夏用”為主，“夏灌冬用”為輔的區域性地下水人工回灌措施，使地下水獲得了大量人工補給，市區地面隨著區域水位的大幅度回升，由過去常年沈降轉為“冬升夏沈”狀態，並使地面沈降得到了基本控制。
（4）加強城市雨水利用工作。學習德國先進經驗，運用生態學補償原理，通過屋面集水，人行道使用滲水材料等技術，增加城市地下水補給量，減少城市無效徑流，提高雨水利用率。
3.2.3.4 巖溶地面塌陷
巖溶地面塌陷指覆蓋在溶蝕洞穴發育的可溶性巖層之上的松散土石體，在外動力因素作用下，發生的地面變形破壞。其表現形式以塌陷為主，並多呈圓錐形塌陷坑。自然條件下產生的巖溶塌陷壹般規模小，發展速度慢，不會給人類生活帶來較大的影響。但在人類工程生活中產生的巖溶塌陷規模較大，突發性強，且常出現於人口聚集地區，給地面建築物和人身安全帶來嚴重威脅，造成地區性的環境地質災害。
由於巖溶洞穴或溶蝕裂隙的存在、上覆土層的不穩定性和地下水對土層的潛蝕搬運作用，采排巖溶地下水常引起地面塌陷。前者是塌陷產生的物質基礎，後者是引起塌陷的動力條件。自然條件下，地下水對巖溶充填物質和上覆土層的潛蝕作用也是存在的，不過這種作用很慢，故塌陷較少，而且規模不大。人為采排地下水，對巖溶充填物和上覆土層的侵蝕搬運作用大大加強，促進了地面塌陷的發生和發展。此類塌陷的形成過程大體可分如下四個階段：
（1）在抽水、排水過程中，地下水位降低，水對上覆土層的浮托力減小，水力坡度增大，水流速度加快，水的侵蝕作用加強。溶洞充填物在地下水的侵蝕、搬運作用下被帶走，松散層底部土體下落、流失而出現拱形崩落，形成隱伏土洞。
（2）隱伏土洞在地下水持續的動水壓力及上覆土體的自重作用下，土體崩落、遷移，洞體不斷向上擴展，引起地面沈降。
（3）地下水不斷侵蝕、搬運崩落體，隱伏土洞繼續向上擴展。當上覆土體的自重壓力逐漸趨於洞體的極限抗壓、抗剪強度時，地面沈降加劇，在張性壓力作用下，地面產生開裂。
（4）當上覆土體自重壓力超過了洞體的極限抗壓、抗剪強度時，地面產生塌陷。同時，在其周圍伴生有開裂現象。這時因為土體在下塌過程中，不但在垂直方向產生剪切應力，還在水平方向產生張力所致。
圖3.4 徐州市塌陷區土洞發育示意圖
巖溶地面塌陷在我國許多城市均有發生，如桂林、徐州、常州等市。徐州市主要開發利用巖溶地下水，第四系松散層厚度5～30m，每天供水量40×104m3，大大超過其補償量[每天（20～25）×104m3]，導致巖溶地下水位連年下降，漏鬥中心水位埋深已大於90m，在上覆土層中形成了許多土洞。1992年4月12～13日，雲龍區新生裏2×104m3範圍內發生巖溶地面塌陷，形成塌坑9個，最大壹個長25m，寬19m，***破壞民房224間，直接經濟損失4000萬元，其土洞發育機制如圖3.4所示。
3.2.3.5 海水入侵
沿海城市和地區在濱海含水層中超量開采地下水，造成鹹淡水界面變化，海水侵入含水層，地下水水質惡化，礦化度及氯離子濃度增高。
海水入侵是沿海地區水資源開發帶來的特殊環境問題，在國外廣泛存在。美國的長島、墨西哥的赫莫斯城，以及日本、以色列、荷蘭、澳大利亞等國家的濱海地區都存在這壹問題。
我國海岸線長達1.8×104km，沿海地區是我國經濟發展的重點地區，海水入侵會帶來嚴重的經濟損失。如大連、錦西、秦皇島、青島、廈門等地，由於海水入侵，水質惡化、大量水井報廢、糧食絕產、果園被毀、嚴重地妨礙了工農業生產和旅遊業的發展。
萊州灣沿岸的萊州市，1976～1989年14a內，地下水可開采量為16.2×108m3，實際開采量達24.58×108m3，***超采8.38×108m3，形成了地下水降落漏鬥，中心水位最低標高為-16.74m，引起了海水大面積入侵。旅大地區金州灣沿岸的大魏家水源地，從1969年建成投產以來，由於實際開采量（6.2×104m3/d），為允許開采量（3.1×104m3/d）的2倍，漏鬥中心水位降深最大達13.58m，水位標高最低為-9.86m，引起海水入侵，水中Cl-含量普遍上升。
3.2.3.6 水質惡化
由於大規模開發地下水，導致區域水位下降，包氣帶厚度增加，促使環境水文地球化學作用增強，從而影響地下水的水質，這種現象在許多地區都發生過，徐州市尤為明顯。由於大規模的超采，使該區地下水位以2m/a的速度下降，降落漏鬥以每年8km2的速率擴展，因此引起了水動力場及水文地球化學環境的壹系列變化。其變化較為明顯的是地下水系統中氧化還原環境的改變，使原來地段變成了包氣帶，造成某些礦物及化學成分的氧化變成較易溶解的鹽類。例如，殘存於土壤裏的在包氣帶條件下會被硝化而形成易遷移的和，其反應方程式為：
環境地質與工程
同時也促使包氣帶中難溶的硫化物變為易溶解的硫酸鹽，加重了和的汙染。由於硝化作用導致水中和離子增多以及pH降低，大大促進了CaCO3的溶解；同時當pH接近6時，又能阻止CaCO3的沈澱反應。因此，地下水中Ca2+、Mg2+離子含量總體上呈上升趨勢；此外，由於水位的大幅度下降地下水流速增大，水循環交替加快，加強了氧化作用，增大了淋濾的路徑，加強了淋濾作用，造成在灌溉汙水及地表固體廢物和糞便垃圾和淋濾水下滲過程中使包氣帶中大量易溶的鈣、鎂的氯化物和硫酸鹽不斷溶解，增加了地下水中Ca2+、Mg2+、離子濃度；同時由汙染組分分解形成的CO2不斷溶於水，使pH降低，使更多的碳酸鹽礦物溶解，造成了大面積的硬度汙染。
這類地下水水質惡化現象，在我國北方大量開采地下水的許多大中城市，如北京、石家莊、西安、呼和浩特、新鄉、開封、蘭州等表現得特別明顯。例如，在我國為數不多的幾個以地下水作為惟壹供水源的大城市之壹的石家莊市，市區大部分範圍內的孔隙潛水，在60年代中期大量開采地下水的初期，礦化度壹般僅為0.3～0.4g/L，總硬度壹般為13～15德國度（扇間地帶，因徑流條件較差，其礦化度和硬度較高）；而到80年代中期，大多數地區的礦化度已上升到0.5～0.8g/L，硬度上升到17～25德國度。在地下水開采強度最大的區域地下水降落漏鬥中心地段，礦化度達到了0.85～1.0g/L，個別點上已大於 1.5g/L，硬度達到30～33德國度，個別點上達到64.6德國度。另據河南省第壹水文地質大隊監測資料，新鄉市區的孔隙潛水在1984～1989年的5a內，礦化度和總硬度均隨著開采量的增加和區域地下水位降落漏鬥的加深而迅速上升。每年，礦化度的上升速率為0.028～0.10g/L，硬度上升速率為0.5～5德國度。應特別指出的是，地下水硬度的大幅度升高，目前已成為北方城市地下水開采過程中水質惡化的壹個主要問題。例如，北京市水源七廠，1964年投產時地下水的硬度為17～18德國度，1978年則升高到33.1德國度，平均每年以0.9°的速率遞增。西安市地下水硬度的年增幅為1.03°～3.82°。蘭州市年增幅為1.75°，其中，馬灘水源地帶供水井中的最高硬度值已達123.5德國度。據有關部門初步估計，我國北方城市，為軟化地下水水質，每年需要上億元費用。