盆-山地下水系統(tǒng)演化及其水資源-環(huán)境效應(yīng)

前言

太原盆地位處半干旱地區(qū)，是我國北方重要的農(nóng)業(yè)、工業(yè)和能源基地。近年來，以太原市為中心的區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使得水資源供需矛盾日漸突出。為滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及居民生活改善的用水需求，盆地內(nèi)地表水及地下水的利用率不斷提高。據(jù)統(tǒng)計，至2003年，盆地周圍河流及汾河干、支流上已建立大、中、小型水庫數(shù)十座，總庫容達(dá)8.69億m3，完善、改建大、中型灌區(qū)十余處，渠道引水量占河道總水量的70％左右。而在地下水利用方面，盆地孔隙水開采總量為65030.8萬m3／a，超采量已達(dá)7300萬m3／a左右，重點(diǎn)超采區(qū)位于太原市小店以北，交城縣、文水縣、汾陽縣的邊山一帶，平遙縣及介休市宋沽附近；盆地邊山的巖溶水超采情況則更為驚人，上世紀(jì)80年代末至90年代中期，太原市附近的兩個巖溶大泉——蘭村泉與晉祠泉已相繼因巖溶水開采而斷流，盆地東南側(cè)的另一個巖溶大泉——洪山泉，如今也面臨類似厄運(yùn)。在水資源量的供需矛盾不斷擴(kuò)大的同時，太原盆地各類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生的廢物嚴(yán)重污染了地表水及地下水水質(zhì)，使水資源短缺情況雪上加霜。以工業(yè)集中、污染物類型多樣、污染情況嚴(yán)重的太原市為例，市內(nèi)地下水中的酚、氰、砷、鉛、鋅、銅、鉻、SO4、NO3、總硬度等水質(zhì)指標(biāo)均有不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象。太原盆地及其邊山地區(qū)的地下水開發(fā)利用引發(fā)的水資源一環(huán)境問題在我國北方地區(qū)具有典型代表性。盆地內(nèi)孔隙水超采區(qū)的地下水位大面積、大幅度持續(xù)下降，降落漏斗范圍逐年擴(kuò)大，造成大批淺井報廢，深井產(chǎn)水量減少；同時，地下水位持續(xù)下降使城市地區(qū)產(chǎn)生地面沉降，如太原市地面沉降已經(jīng)成為嚴(yán)重困擾當(dāng)?shù)鼐用袢粘Ｉ畹牡刭|(zhì)環(huán)境問題；不斷加劇的其他人類活動，如采礦、土地利用、水利工程的興建、城市化進(jìn)程等，改變了地下水的天然賦存環(huán)境和區(qū)域水循環(huán)條件，使區(qū)內(nèi)地下水環(huán)境演化路徑發(fā)生深刻變化。近年來，太原市區(qū)的地?zé)峥碧饺〉昧酥匾黄?，在隱伏巖溶區(qū)發(fā)現(xiàn)了中低溫?zé)醿?，使得這一缺水地區(qū)的清潔能源開發(fā)利用一度升溫。但是，隨著我們對巖溶熱水的形成與分布規(guī)律的認(rèn)識不斷深入，無序開發(fā)地?zé)豳Y源可能帶來的熱水資源枯竭、地面沉降和水污染等問題令人擔(dān)憂。要解決上述現(xiàn)實(shí)或潛在的地下水環(huán)境問題，科學(xué)地認(rèn)識研究區(qū)地下水的流動、賦存及地下水系統(tǒng)演化規(guī)律是關(guān)鍵和基礎(chǔ)所在。地下水系統(tǒng)理論將應(yīng)力場、滲流場、化學(xué)場與溫度場統(tǒng)一于有序的時空結(jié)構(gòu)之中，引導(dǎo)研究者從整體上把握地下水系統(tǒng)，并關(guān)注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、演化和相互作用過程與控制因素。由于地下水流動系統(tǒng)有級次的空間分布特征，地下水在流動過程中，與其介質(zhì)發(fā)生物理的（孔隙水壓力和有效應(yīng)力改變，水分、鹽分與熱量的輸送等）、化學(xué)的（溶解-沉淀，氧化-還原，吸附-解吸附等）和生物的（有機(jī)質(zhì)生物降解，微生物參與下的重金屬溶解-沉淀作用等）相互作用，導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境中有規(guī)律地出現(xiàn)一系列與地下水有關(guān)的過程和現(xiàn)象（泉的出露、濕地的發(fā)育、水土流失、滑坡和地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生等）。

內(nèi)容概要

　　本書論述了山西太原盆地及其邊山地區(qū)范圍內(nèi)地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)特征和演化規(guī)律，重點(diǎn)開展了盆地中深層孔隙水的地球化學(xué)演化模擬，探索了邊山巖溶大泉的流量變化規(guī)律及其驅(qū)動機(jī)制，并從盆-山地下水系統(tǒng)水循環(huán)特征分析入手，著重從巖溶熱水形成與資源評價、邊山地區(qū)采煤排水與盆地地下水位下降關(guān)系兩個方面探討了盆-山地下水系統(tǒng)水循環(huán)的資源-環(huán)境效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，對研究區(qū)內(nèi)各類地下水環(huán)境問題，如區(qū)域地下水位下降、巖溶泉流量衰減、地面沉降、地下水污染等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并指出了這些環(huán)境問題的成因?！　”緯晒┧牡刭|(zhì)學(xué)、水資源學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的相關(guān)科研人員、管理人員及高校師生參考。

書籍目錄

前言 第一篇 盆地孔隙水系統(tǒng) 　第一章 自然地理及地質(zhì)概況 　　§1.1 自然地理概況 　　§1.2 地質(zhì)及水文地質(zhì)概況 　　　1.2.1 地層 　　　1.2.2 構(gòu)造 　　　1.2.3 水文地質(zhì)條件 　第二章 地質(zhì)演化過程 　　§2.1 基本構(gòu)造格局的形成 　　§2.2 晚新生代沉積過程 　　§2.3 晚新生代古水文演化過程 　第三章 孔隙介質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維可視化模型 　　§3.1 三維可視化技術(shù)在地學(xué)中的應(yīng)用 　　§3.2 構(gòu)建孔隙介質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化模型的方法 　　§3.3 研究區(qū)孔隙介質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化模型的建立 　　§3.4 研究區(qū)孔隙介質(zhì)可視化模型的水文地質(zhì)意義 　第四章 孔隙水地球化學(xué)演化 　　§4.1 地下水地球化學(xué)演化研究進(jìn)展 　　§4.2 孔隙水水化學(xué)特征 　　　4.2.1 水樣采集與分析 　　　4.2.2 淺層孔隙水水化學(xué)特征 　　　4.2.3 中深層孔隙水水化學(xué)特征 　　§4.3 中深層孔隙水水化學(xué)分帶及其指示意義 　　§4.4 中深層孔隙水地球化學(xué)過程 　　§4.5 中深層孔隙水地球化學(xué)演化模擬 　　　4.5.1 利用PHREEQC進(jìn)行反向地球化學(xué)模擬的基本過程 　　　4.5.2 地下水流路徑的選取 　　　4.5.3 路徑1的水文地球化學(xué)模擬 　　　4.5.4 路徑2的水文地球化學(xué)模擬 第二篇 邊山巖溶水系統(tǒng) 　第五章 晉桐泉巖溶水系統(tǒng) 　　§5.1 巖溶水系統(tǒng)概況 　　§5.2 泉流量動態(tài)特征 　　　5.2.1 概述 　　　5.2.2年際變化特征 　　　5.2.3 年內(nèi)變化特征 　　§5.3 巖溶水系統(tǒng)分析 　　　5.3.1 大氣降水輸入的滯后效應(yīng)與延遲效應(yīng) 　　　5.3.2 巖溶水系統(tǒng)輸入-輸出數(shù)學(xué)模型的建立 　　§5.4 泉流量變化的驅(qū)動機(jī)制分析 　　　5.4.1 大氣降水對泉流量的影響 　　　5.4.2 汾河滲漏對泉流量的影響 　　　5.4.3 巖溶水開采(含采煤排水)對泉流量的影響 　　　5.4.4 巖溶水潛排對泉流量的影響 　　§5.5 巖溶水資源評價 　　　5.5.1 天然資源量計算 　　　5.5.2 開采資源量計算 　第六章 蘭村泉巖溶水系統(tǒng) 　　§6.1 巖溶水系統(tǒng)概況 　　§6.2 泉流量動態(tài)特征 　　　6.2.1 泉流量變化特征 　　　6.2.2 巖溶地下水位變化特征 　　§6.3 巖溶水系統(tǒng)分析 　　§6.4 泉流量變化的驅(qū)動機(jī)制分析 　　　6.4.1 大氣降水對泉流量的影響 　　　6.4.2 巖溶水開采對泉流量的影響 　　§6.5 巖溶水資源評價 　　　6.5.1 天然資源量計算 　　　6.5.2 開采資源量計算 　第七章 洪山泉巖溶水系統(tǒng) 　　§7.1 巖溶水系統(tǒng)概況 　　§7.2 泉流量動態(tài)特征 　　　7.2.1 年際變化特征 　　　7.2.2 年內(nèi)變化特征 　　§7.3 巖溶水系統(tǒng)分析 　　　7.3.1 大氣降水輸入的滯后效應(yīng)與延遲效應(yīng) 　　　7.3.2 巖溶水系統(tǒng)輸入-輸出數(shù)學(xué)模型的建立 　　§7.4 泉流量變化的驅(qū)動機(jī)制分析 　　　7.4.1 大氣降水對泉流量變化的影響 　　　7.4.2 巖溶水開采對泉流量變化的影響 　　§7.5 巖溶水資源評價 　　　7.5.1 天然資源量計算 　　　7.5.2 開采資源量計算 第三篇 盆-山地下水循環(huán)及其水資源-環(huán)境效 　第八章 盆-山地下水系統(tǒng)水循環(huán)特征 　　§8.1 巖溶地下水系統(tǒng)循環(huán)特征 　　　8.1.1 西山巖溶水系統(tǒng)水動力特征 　　　8.1.2 北山巖溶水系統(tǒng)水動力特征 　　　8.1.3 東山巖溶水系統(tǒng)水動力特征 　　§8.2 各地下水系統(tǒng)的邊界條件及其相互之間的關(guān)系， 　　　8.2.1 太原西山巖溶水系統(tǒng)與盆地孑L隙水系統(tǒng)之間的關(guān)系 　　　8.2.2 太原東山巖溶水系統(tǒng)與盆地孔隙水系統(tǒng)之間的關(guān)系 　　　8.2.3 東、西山巖溶地下水系統(tǒng)之間的關(guān)系 　　§8.3 邊山地區(qū)采煤排水與盆地地下水位下降 　　　8.3.1 邊山地區(qū)采煤排水現(xiàn)狀 　　　8.3.2 采煤排水對盆地地下水位的影響 　第九章 巖溶熱水形成與資源評價 　　§9.1 巖溶熱水溫度分布及地?zé)崽飫澐?　　　9.1.1 巖溶水系統(tǒng)水溫分布特征 　　　9.1.2 太原地?zé)崽飫澐?　　§9.2 巖溶熱水水化學(xué)特征 　　　9.2.1 水巖作用程度及熱儲溫度 　　　9.2.2熱水循環(huán)深度 　　　9.2.3 地下水各組分含量分布特征 　　§9.3 巖溶熱水來源及流動特征的同位素證據(jù) 　　　9.3.1 巖溶地下水的補(bǔ)給來源 　　　9.3.2 不同巖溶系統(tǒng)地下水間與其他類型地下水的水力聯(lián)系 　　　9.3.3 不同巖溶系統(tǒng)地下水流動途徑及水巖作用時間 　　§9.4 巖溶熱水形成的概念模型 　　　9.4.1 地?zé)嵝纬蓷l件 　　　9.4.2 熱水流動模式 　　　9.4.3 巖溶水系統(tǒng)之間及巖溶水與裂隙水間的聯(lián)系 　　　9.4.4 概念模型 　　§9.5 巖溶熱水資源量評價 　　　9.5.1 計算原則 　　　9.5.2 計算方法及參數(shù)的選取 　　　9.5.3 計算結(jié)果 第四篇 地下水環(huán)境問題 　第十章 區(qū)域地下水位下降與泉流量衰減 　　§10.1 盆地地下水位下降及地面沉降 　　　10.1.1 地下水位下降 　　　10.1.2 太原市地面沉降 　　§10.2 巖溶泉流量衰減及其對全球氣候變化的指示意義 　　　10.2.1 泉流量基本特征 　　　10.2.2 泉流量數(shù)據(jù)序列的處理 　　　10.2.3 氣候因素對泉流量變化的影響 　　　10.2.4 人類活動因素對泉流量變化的影響 　　　10.2.5 泉流量衰減模式分類 　　　10.2.6 泉流量變化過程對全球變化的指示意義 　第十一章 地下水污染與脆弱性評價 　　§11.1 太原市地下水污染 　　　11.1.1 地下水水質(zhì)演化趨勢及水污染現(xiàn)狀 　　　11.1.2 地下水污染成因分析 　　§11.2 地下水脆弱性的研究歷史、現(xiàn)狀和常見評價方法 　　　11.2.1 研究歷史與現(xiàn)狀 　　　11.2.2 評價方法 　　§11.3 淺層孔隙水系統(tǒng)的內(nèi)在脆弱性評價 　　　11.3.1 評價模型——DRASTIC模型 　　　11.3.2 DRASTIC模型的評分過程 　　　11.3.3 脆弱性評價結(jié)果 　　§11.4 淺層孔隙水系統(tǒng)對砷污染的特殊脆弱性評價 　　　11.4.1 脆弱性評價模型的指標(biāo)體系 　　　11.4.2 脆弱性評價模型的指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn) 　　　11.4.3 脆弱性評價模型的指標(biāo)權(quán)重 　　　11.4.4 脆弱性評價結(jié)果 　　　結(jié)論 參考文獻(xiàn) 附表1-7 英文摘要 　　　　　　　　　

章節(jié)摘錄

插圖：中更新世初期地殼上升，盆地開始形成邊山洪積物與汾河階的沖積物，主要由砂礫石層組成。在中更新世晚期，在盆地邊界斷層活動的影響下，盆地與周邊地區(qū)的高差有所增加，在盆地外圍開始沉積風(fēng)成的黃土（王乃棵等，1996）。由盆地中更新統(tǒng)厚度分區(qū)圖（圖2.2b）可見，中更新世時盆地的沉積物厚度大體上在50～100m，其中盆地西側(cè)的沉積物厚度大于盆地中央與東側(cè)；盆地北部與東部的局部地區(qū)缺失中更新統(tǒng)沉積。在晚更新世，盆地中央沉積物以砂與淤泥為主，問夾黏土沉積，在盆地邊緣則沉積了厚度較大的黃土夾砂礫層（王乃棵等，1996）。由盆地上更新統(tǒng)厚度分區(qū)圖（圖2.2c）可見，盆地在此期間所沉積的松散地層的厚度在幾十米左右，沉積物厚度在區(qū)域上表現(xiàn)為西部大于東部的特征；在盆地的北部、東部、西南部的局部地區(qū)，缺失上更新統(tǒng)沉積。到全新世，盆地中廣泛沉積砂礫質(zhì)與淤泥質(zhì)沉積物，并形成了太原盆地如今的地貌形態(tài)。由盆地全新統(tǒng)厚度分區(qū)圖（圖2.2d）可見，盆地全新統(tǒng)沉積物的厚度基本在50m之內(nèi)，而且，在區(qū)內(nèi)北部、東部、西南部的大面積地區(qū)，均缺失全新統(tǒng)沉積。應(yīng)該說，上新世以來的新構(gòu)造運(yùn)動（主要表現(xiàn)為盆地邊緣的斷裂活動）顯著地改變了盆地準(zhǔn)平原面的原始形態(tài)，是控制盆地內(nèi)松散地層沉積過程的主導(dǎo)因素。為研究新構(gòu)造運(yùn)動對盆地形成過程的影響，我們依靠地形資料、物探資料，輔以適當(dāng)?shù)你@孔資料，編制了盆地現(xiàn)代地貌面及第三系、第四系底板的形態(tài)特征圖（圖2.3、圖2.4、圖2.5）?，F(xiàn)代地貌面的形態(tài)特征圖可利用盆地內(nèi)的地表高程點(diǎn)插值生成；第三系、第四系底板形態(tài)特征圖的成圖過程為：①以位于清徐、榆次一帶的田莊斷裂為界，將盆地分為南、北兩個部分；②在盆地北部，松散沉積物厚度不大，因而可以利用鉆孔資料計算出各孔位的第三系及第四系的厚度；③在盆地南部，根據(jù)大量物探資料繪制了第三系與第四系底板埋深等值線圖（注：此圖由山西省地質(zhì)勘查局物化院邢集善教授級高級工程師于2003年編制）；④將以上兩步所獲得的結(jié)果相結(jié)合，生成整個盆地的第三系與第四系埋深等值線圖，再利用盆地內(nèi)的1000多個地形點(diǎn)與上述生成的圖件相疊加，計算出各點(diǎn)位的第三系與第四系底板高程；⑤根據(jù)各點(diǎn)位的第三系與第四系底板高程生成盆地內(nèi)的第三系與第四系底板形態(tài)立體示意圖。太原盆地的現(xiàn)代地貌面是研究區(qū)內(nèi)外營力長期以來相互作用達(dá)到平衡狀態(tài)或趨向平衡狀態(tài)時某一階段的產(chǎn)物。如圖2.3所示，盆地現(xiàn)代地貌面的基本特征為北高南低，整體來看，全區(qū)內(nèi)現(xiàn)代地貌面的高程相差不大。而盆地第三系與第四系底板的形態(tài)（圖2.4、圖2.5）則總體上表現(xiàn)出西深東淺的特征，在區(qū)內(nèi)東西兩側(cè)高程相差極大。具體而言，以田莊斷裂為界，在盆地北部，第三系與第四系底板相對平緩；在盆地南部，底板則明顯向西傾斜。這說明在晚新生代以來，盆地西側(cè)屬于快速斷陷區(qū)，沉降幅度大，沉積物厚度大；而盆地東側(cè)的斷裂活動相對較弱，沉降幅度較小，沉積物厚度也遠(yuǎn)小于西部。這種巨大差異使得斷陷盆地的基底發(fā)生掀斜，新生界沉積物厚度自西北側(cè)向東南側(cè)減小，在剖面上則呈現(xiàn)為楔形。此外，在田莊斷裂以南，盆地在不同時期的傾斜方向略有不同，具體為：現(xiàn)代地貌面自東北向西南略有傾斜，第四系底板大致為由東向西傾斜，而第三系底板則由東南向西北傾斜。以上事實(shí)意味著不同時期內(nèi)盆地西側(cè)的斷裂活動的中心有所偏移，在上新世，斷裂活動幅度最大的區(qū)域位于盆地西側(cè)的北段，在第四紀(jì)早期，斷裂活動幅度最大的區(qū)域位于盆地西側(cè)的中段，到第四紀(jì)中晚期，幅度最大的區(qū)域則轉(zhuǎn)移到盆地西側(cè)的南段。

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《盆-山地下水系統(tǒng)演化及其水資源-環(huán)境效應(yīng):以太原盆地為例》是由科學(xué)出版社出版的。

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