开采地下水产生的地质环境效应及变化趋势
开采地下水在河北平原产生了一系列环境效应，主要有地面塌陷、地面沉降和海水入侵等。本次研究中，根据在人类活动作用下，在不同的自然技术地质体系中表现的不同环境效应，提出地质灾害环境效应敏感区概念。在不同的地质灾害环境效应敏感区，由于开采地下水，会产生不同的地质灾害。人类大规模地下水开采在河北平原的各环境地质效应敏感区引起的环境效应有以下几个方面。
一、地面塌陷
（一）分布
地面塌陷按形成条件可分为岩溶地面塌陷、矿区地面塌陷和第四系地面塌陷3种类型，以岩溶地面塌陷造成的危害最大。河北平原岩溶地面塌陷危害主要出现在隐伏岩溶地下水及上覆第四系孔隙水强烈开采的唐山市、秦皇岛市柳江盆地水源地、邯郸市、邢台西部岩溶区。唐山市岩溶塌陷达110处以上，其中因疏干矿床水和开采地下水引起的约28处。20世纪80年代以来，由于岩溶水及上覆第四系孔隙水大量开采，岩溶塌陷进一步发展，影响范围达20km2。秦皇岛市柳江盆地1983～1985年水源地勘察时出现9 处岩溶塌陷，1988年水源地投产后又出现286处岩溶塌陷坑及2条地裂缝，造成6个村庄两所中学房屋破坏，直接经济损失150万元（姚玉致，1994）。依据目前河北平原岩溶地面塌陷发生的情况可以得出：河北平原上分布的浅埋覆盖型岩溶发育带是岩溶地面塌陷环境地质效应敏感区，即岩溶地面塌陷的多发地带。
（二）影响因素分析
开采地下水、疏干矿床水以及地震作用均可诱发岩溶塌陷，初步统计，唐山市因地震导致的岩溶塌陷达80处以上，由开采地下水引起的约5 处（段永候等，1993）。由此我们可以认为：岩溶地面塌陷主要由地质构造、地震等自然因素所决定，而人类开采地下水只是诱发因素之一，且影响作用相对较小。但是，由于开采地下水引起岩溶地面塌陷往往发生在一些重要的地区，如水源地和城区，会产生较大的危害，因此，在地下水开采过程中，仍应加强对地面塌陷的监控工作。
二、地面沉降
（一）分布及成因分析
20世纪70年代以来，在河北平原地下水严重超采区，尤其是中东部平原至滨海平原深层水漏斗区，出现区域性大面积地面沉降，沉降速度及规模不断增大。累计沉降量超过100mm的区域面积达3.6万km2，占平原区面积的50%左右。沉降量大于600mm的区域面积0.5万km2，占8%，主要分布于沧州-冀枣衡地下水复合漏斗区。沉降速度日趋加快，如沧州市1970年出现9mm沉降，到1970～1986年，平均沉降速率为45.9mm/a，1986～1990年为96.8mm/a。衡水市1970～1988年沉降速率平均16mm/a，1988～1990年加快至25.5mm/a。
我国的东部地区，因第四系松散沉积物厚度大，浅层以淤泥质软土为主，因而属于地面沉降环境地质效应敏感区。地层岩性、结构特征是产生地面沉降的内在因素。而深层承压水在近20余年的大规模开采中，水位大幅度下降构成了地面沉降极为充分的外部条件。
（二）影响因素及趋势分析
河北平原地面沉降是区域构造下沉、第四纪地质条件和地震活动等自然因素与地下水过量开采和石油天然气开发等人类活动因素综合作用的结果。各作用在不同地区及不同时间段是不相同的，例如在超采地下水引起的地面沉降过程中的地面隆起（表16-6和图16-1）就表明：在开采地下水诱发的沉陷区，在某一特定时段内，仍表现为自然因素影响为主。
1968～1972年随着邯郸市地下水水位下降漏斗的形成，地沉速度增大，范围扩展，一般地区沉速8～31.5mm/a，超过了沉降背景值。漏斗外围地面沉降速率4.25mm/a，显然受地下水水位下降控制。1972～1976年，邯郸市区地面加弹11～21mm（图16-1），可能与唐山地震有关，1976～1986年，随地下水位下降速率增大，地面沉降速率也显著增加（图16-2），漏斗区沉降速度10.8～36.6mm/a，沉降范围与漏斗区形状十分相似，均呈南北向椭圆形分布。
图16-1 邯郸市地面沉降剖面图
图16-2 邯郸市—棉地面沉降与地下水水位关系曲线
沧州市的地面沉降1970年开始发现，而地下水开采从1965年开始，以后开采量逐年增加，所以地面沉降与地下水开采不是同步发生，在开始阶段（60年代）是滞后的，到了70年代则沉降量与开采量近似成正比关系，随着开采量的增加地面不断沉降。而80年代后尽管开采量大体固定，漏斗中心水位下降幅度变小，且有回升现象，但地面仍在持续下降（表16-6）。
表16-6 地面形变资料
（据任荣，1991）
综上所述，对于河北平原地面沉降问题，从地面沉降观测至目前的状况，总的来看，可以认为人类活动因素，特别是超采地下水，在地面沉降的影响因素中是占主导地位的。但是，应当注意：①在某一时段自然因素的主控性；②地面沉降相对于地下水水位下降的滞后性。也就是说，即使地下水水位不再下降，地面沉降仍将持续一段时间，而时间的长短主要由岩性和岩层厚度等内在因素控制。
三、海水入侵
（一）分布及成因
海水入侵一般是指过量开采地下水使地下水位低于海平面，造成海水沿含水层补给地下水，引起水质咸化的现象。河北省海水入侵主要地段在抚宁县枣园地带、秦皇岛西部、赤土山-小薄荷寨-滨海林场三角地带，入侵面积约50km2，入侵速率16～22m/a（姚玉致，1994）。枣园水源地在20世纪60年代海水入侵范围很小，仅限于距海岸线两侧，当时抽水量为125万m3/a。60年代以后开采量逐年增加，到 1989年开采量已达897万m3/a，1991年开采量达到1724.8万m3/a，使地下水位大幅度下降，形成以枣园为中心的水位下降漏斗。大量抽水改变了地下水天然流场，致使水源地南部的海水从三面沿含水层和河道向水源地大量补给，导致水源地水质逐渐恶化。
1991年7月引青济秦工程通水后，枣园水源地，供水开采量开始减少，但海水入侵面积和Cl-含量仍与 1986年相差不大，1992年 3月取样分析结果 Cl-含量 200～1255mg/L，入侵面积只有 17.5km2。在耀华玻璃厂一带截止到 1991年入侵面积为2.7km2。以上这两地区的海水入侵随着地下水位的升降而变化，海水入侵范围与地下水降落漏斗范围有关。据此可认为海水与地下淡水在交界地带维持着动态平衡，地下水量多时向海一侧移动，地下水量减少，交界向陆移动。在自然状态下，存在一个移动范围，而人类开采地下水可以打破这个动态平衡。在赤土山与海滨林场南的赤土河一带存在着一个4.63km2的海水入侵区，这里是地下水非开采区。距海边约2.5km的19号观测孔1990年TDS为10～16g/L；Cl-含量为4007.8mg/L，而距海边约0.5km的55 号观测孔，TDS为5.1g/L，Cl-含量为2136.4mg/L，这与浅部海水入侵相反，经物探电法测深，认为属深部海水入侵，海水沿构造破碎带入侵，其平衡面只受潮汐和降雨制约。
（二）影响因素及趋势分析
根据以上海水入侵发生的情况，其原因可以概括为：①近海地区与海水连通的松散含水层和构造破碎带构成海水入侵内陆地下水的通道；②超采地下水：地下水降落漏斗扩展到海岸或倒灌河沟边时，会引起海水倒灌；③水利工程：由于水利工程减少了入海河水量和泥沙量，涨潮时，海水可以沿河道上溯，同时水利工程引起了河水对河口地区地下水补给量的减少；④温室效应：海平面上升和地下水补给量减少是引起海水入侵的外部环境。海水入侵同样发生在海水入侵环境效应敏感区且受其自然条件所控制。在汤河、洋河及戴河下游冲洪积扇，由于地下隔水层多呈条带状分布，没有形成一个完整的隔水层，使得地下水地表水与海水之间存在着明显的水力联系。这种水文地质条件使它成为海水入侵环境效应敏感区。秦皇岛的枣园地下水开采是当地海水入侵的主要诱发因素，目前，入侵规模主要与地下水开采强度有关。在赤土山一带，则主要是自然条件导致，受潮汐、温室效应等自然因素的影响。
虽然超采地下水是引起海水入侵的主要原因，但其发生和发展过程中存在着许多非确定因素，这里把它视为一个灰色系统，用灰色系统理论方法对秦皇岛海水入侵体的规模发展趋势进行了预测。预测结果（表16-7）表明：如果引青济秦工程正常供水，秦皇岛地区的海水入侵在目前的开采强度下，入侵面积会逐年减少。
表16-7 海水入侵规模
在河北平原的其他地区，如沧州等地，目前无海水入侵，主要是咸水入侵淡水层，但不能排除在人类活动影响下的量变达到质变，特别是一定程度的量变会在地震等自然灾害的影响下变成海水入侵环境效应敏感区，因此，仍应控制地下水开采，加强监控工作，以免受海水入侵危害。
四、小结
由于前人已针对上述地质灾害在河北平原做了大量的工作，书中简要引述了前人研究成果，提出了人类活动影响下的地质灾害环境效应敏感区概念。大规模开采地下水在河北平原的不同地区产生了不同类型的灾害，这说明对于同一种人类活动在不同环境效应敏感区会有不同的表现，也同时说明了自然地质、地理条件是河北平原地质灾害的主控因素，而人类活动只是诱发因素。在一定时间段内（从地质灾害的观测之日至今），人类活动是重要影响因素，但不能排除在更小尺度的时间段内，在某些地区的自然因素仍会表现为主要影响因素，如开采地下水引起的地面沉降中的地面隆起现象。因此，要从不同时段、不同地区的角度来分析具体的环境效应。
讨论：①地面沉降、地面塌陷和海水入侵是人类开采地下水所造成的直接灾害，虽然前人已做了大量工作，但因危害尚存，所以还应该做进一步的工作以减少损失；②开采地下水所造成的地下水降落漏斗以及引起的地面塌陷和地面沉降引起了陆面水循环系统的改变，这个问题是应当被关心的一个课题。