地质灾害与环境保护
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
1999年 第10卷 第1期 VOL.10 No.1 1999



徐州市的环境地质问题及机理研究
张志忠　于礼山
　　摘　要　岩溶地下水是徐州市城市供水的主要水源，多年来，由于对岩溶水的大量不合量开采，导致一系列环境地质问题。概述徐州市水文地质条件和岩溶水的开采状况，系统地分析徐州市的环境地质问题及其产生的原因和机理，并提出防治对策。
　　关键词　岩溶水　环境地质问题　机理　防治对策　徐州市
　　中图号　X21
A STUDY ON ENVIRONMENTAL GEOLOGICAL PROBLEMS ANDmECHANISM IN XUZHOU CITY
Zhang Zhizhong　Yu Lishan
(College of Resource and Environment Science,China University ofmining & Technology,Xuzhou　221008)
　　Abstract　Karst groundwater is the major water resource in Xuzhou city.A number of environmental geological problems are caused by excessive and unrational exploitation of Karst groundwater.This paper intrduces hydrogeological condition and the cases of exploitation and utilization of Karst groundwater,and analyses systematically the environmental geological problems、cause and mechanism.Then the author proposes the way for prevention and control of environmental geological problems.
　　Key Words　Karst groundwater　Environmental geological problems 　Mechanism 　Preventive countmeasure 　Xuzhou city
　　徐州市位于江苏省西北部，苏、鲁、豫、皖接壤地区，是我国重要的交通枢纽和以煤炭、电力、建材为主的重要工业城市，碳酸盐岩岩溶地下水是城市供水的主要水源。自70年代以来，由于长期大量不合理地开采岩溶地下水，导致了一系列环境地质问题。对这些问题的深入研究，可为徐州市地下水资源的可持续开发利用和经济建设的顺利发展奠定良好基础。
1　自然地理、地质概况和岩溶水的赋存
　　研究区位于鲁南山区边缘，地形由一系列北东走向的链状山丘和其间的冲洪积盆地组成，丘陵约占全区面积的20%左右。在丘陵区基岩裸露，山体低矮，高程一般50～240m，平原区地面高程一般在31～36m，自北西向南东微倾。地貌形态除丘陵和平原外，在低山丘陵周围还分布有坡洪积裙，高程40～70m；区内的河流主要有市北郊的京杭大运河与贯穿市区的季节性河流――废黄河，此外，区内还存在人工湖――云龙湖。
　　研究区属暖温带半湿润季风气候，多年平均气温14℃，多年平均降水量833.1mm。
　　区内出露的地层有：上元古界青白口系、震旦系、古生界寒武系、奥陶系中下部、石炭系、二叠系、新生界第四系等。第四系松散沉积物主要为冲洪积的亚粘土、亚砂土、粉砂，在区内的厚度一般为0～30m，西部柳新、夹河一带较厚，约60m，东南部盘塘一带约40m左右；基岩以寒武系、奥陶系碳酸盐岩为主；本区内构造发育，主要断层有废黄河断裂带，由四条大致平行的断层组成，长约28km，宽约800～1000m，此断裂为张性―张扭性断裂，断裂带内岩石破碎，裂隙、岩溶发育，为本区的强裂隙岩溶发育带；本区的褶皱主要有徐州复背斜，其轴向由北向南从50～60°，渐转为
20°，向北西突出呈弧形，核部由青白口系土门组地层组成，两翼由奥陶系、寒武系地层组成；整个研究区岩溶水系统，由于受徐州复背斜核部阻水构造的阻隔，被分成东西两个子系统，两个子系统通过废黄河断裂带相连。
　　区内的碳酸盐岩出露区，依据碳酸盐岩地层的埋藏条件和含水层结构的不同，可分为低山丘岭岩溶区和平原隐伏岩溶区。低山丘岭岩溶区，碳酸盐岩直接出露地表或第四系厚度较薄，第四系孔隙水与岩溶地下水有直接的水力联系，岩溶地下水可直接接受大气降水的入渗补给，属岩溶裸露型或岩溶连通型，岩溶水为潜水；平原隐伏岩溶区，上覆有厚30～80m的松散层，且在第四系底部(中更新世)为呈密实、硬塑状态的隔水粘土，碳酸盐岩地层分布零星，含水结构复杂，岩溶地下水不能直接得到降水入渗补给，属越流、径流型，岩溶水为承压水(图1)。


　　　图1　徐州市地形地质简图
Fig.1　Schematicmap of topography and geology of Xuzhou city
1. 地形等高线；2. 水厂水源井；3. 钻孔；4. 逆断层；5.正断层；6. 地层界线；
7. 村庄；8. 铁路；9. 人工河岸或堤坎；10. 废黄河及桥梁
2　岩溶水的开采状况
　　徐州市自1941年起就有专门开采岩溶水的水井，当时只有水井3眼，开采量仅7×104m3/a。1948年徐州解放后，经济建设得到迅速发展，用水量也迅速增长，1952年徐州市成立了自来水公司，并积极开发利用岩溶水，施工的岩溶水井数量和岩溶水开采量均逐年增加；同时，部分工厂、部队等也都自己打井开采岩溶水；尤其是1976年以后，国家的经济建设走上正轨，对水的需求量也愈来愈大，岩溶水井的数量和岩溶水的开采量迅速增加，1976～1980年5年间，市区新建水井235眼，开采量超过3000×104m3/a。随后，为对地下水(特别是岩溶水)的开发实行统一管理，遏制地下水开采的无政府状态，1980年徐州市成立了节约用水办公室，使地下水的开采得到一定的控制；至1990年，徐州市(包括市区和郊区)岩溶水的实际开采井数达640眼，开采总量达18290×104m3/a，形成七里沟、丁楼、茅村等三个岩溶水供水水源地；自1991年起，徐州市自来水公司开始引微山湖水做为城市部分供水水源，使岩溶水的开采量增幅得到了控制，1996年岩溶水的开采量为16 589×104m3/a。在徐州市市区范围内，开采岩溶水的水井非常密集，且多分布在七里沟、丁楼水源地的富水地段，1990年岩溶水的开采井426眼，开采量达10522×104m3/a，1996年岩溶水的开采量为10043×104m3/a。市区岩溶水开采量详见表1。
　　　　表1　徐州市区1981～1996年岩溶水开采量
Table 1　Statistics of Karst groundwater exploitation amount of the urban district of Xuzhou city between 1981 and 1996

年份自来水公司自备水井开采总量
19814 3763 0257 401
19824 8053 8068 611
19835 0974 4739 570
19844 9694 4929 461
19854 9924 6929 584
19865 1384 89310 031
19875 1125 38810 500
19885 0545 38610 440
19895 0395 34010 379
19905 2315 29110 522
19915 3245 41610 740
19925 1065 47210 578
19934 8045 32410 128
19944 6865 36110 047
19954 4205 2439 663
19964 5176 52610 043

　　　　　　　　　　　　　水量单位：×104m3/a。
3　环境地质问题
3.1　岩溶水水位持续下降
　　自70年代后期以来，徐州市岩溶水水位呈持续下降趋势，并形成降落漏斗，且降落漏斗范围迅速扩展，在七里沟和丁楼两个水源地表现尤为明显(表2)。据1980年以来的岩溶水水位监测资料统计，1980～1996年间，丁楼水源地小山子―九里山集中开采地段，地下水平均每年下降1.09m,九里山前的岩溶水水位已低于碳酸盐岩含水层顶板；丁楼水源地的降落漏斗面积1980年仅为3.5km2，1989年扩大到74.3km2，1996年达到86.0km2。
　　　　表2　徐州市岩溶水水位降落漏斗的变化
Table 2　Statistics of variation of drawdown cone of Karstic water level of Xuzhou city

水源地年份开采量
(×104m3/a)漏斗中心水位
标高 (m)降落漏斗
面积(km2)
丁

楼1980
1985
1989
19961 770
3 633
4 961
4 83317.62
7.37
0.68
-4.203.5
27.1
74.3
86.0
七
里
沟1980
1985
1989
19965 550
6 333
6 873
8 00917.54
10.25
4.85
-1.0152.9
18.8
72.6
90.0


　　地下水位的持续下降及降落漏斗的形成，是由于补给和排泄的不平衡，地下水的年排泄量大于补给量，地下水过量开采，消耗了含水层的“储存量”所致；地下水位的持续下降，致使部分取水工程出水量减少，部分水井出现吊泵，个别水井干涸，使抽水设备报废。
3.2　岩溶水污染
　　据资料统计，在市北郊的朱庄乡、下淀乡，岩溶水中的重金属、亚硝酸盐等严重超标；在孟家沟化工区，岩溶水水质超标的项目有：总硬度、酚、硝酸盐、矿化度、大肠杆菌，个别水井还受到汞的污染；在七里沟、丁楼两水源地，岩溶水的总硬度，Cl-，SO2-4逐年增加，其中，以市中心区及九里山山前地带，总硬度增加幅度较大，已经超标，最大总硬度分别为592.56mg/l和640.8mg/l。
　　徐州市岩溶水的污染源，主要有生活污水、工业废水、生活垃圾、建筑垃圾、工业生产固体废弃物、市郊农业生产中施用的化肥和农药等。当农灌污水和被污染的水由河流渗漏进入到松散土层中时，在表土层中会产生过滤、截流、降解、吸附、络合、沉淀及植物根系吸收等一系列物理化学及生物反应，但仍会有一部分污染物(特别是当污水水质超过土壤的环境容量时)进入到浅部含水层中，在松散较薄的区域被污染的浅层水会直接进入到碳酸盐岩地层中，使岩溶水遭到污染；而在松散层较厚的区域，经过越流也会使岩溶水受到一定程度的污染；此外，堆放固体废弃物和垃圾，经大气降水的淋滤，也会渗入到含水层中使岩溶水遭到污染；岩溶水水位的持续下降，水力坡度的增大，给污染物的渗漏与迁移提供了便利条件，增加了岩溶水被污染的可能。
3.3　地表岩溶塌陷
　　自1983年以来，徐州市相继出现多次岩溶塌陷现象，给徐州市的经济建设和人民生命财产造成极大危害。徐州市地表岩溶塌陷情况见表3。
　　　　　　　表3　徐州市岩溶塌陷情况及危害表
　　　　　　Table 3　Statistics of Karst collapse of Xuzhou city

塌陷时间　塌陷地点塌　陷　情　况　及　危　害
1985.5.27东陇海铁路线
DK221+050处塌坑长14m,宽13m，深9m，路基下沉75mm，停运24h
1986.6.6徐州电业局宿舍楼西端下沉20cm，地面裂缝长30 cm，宽3～5cm，楼体中部开裂
1987.4南郊侯山窝共有两个塌坑，直径约1m，可见深度1m
1992.4.12
～13云龙区新生街塌陷区南北长190m，东西宽110m，塌坑7个，最大一个长25m，宽19m，
破坏民房224间，环形裂缝发育
1992.5.5天桥东南粮店塌坑南北长5.5m，宽1.7m，可见深度2m，损坏楼梯及房屋一间
1992.9.1烟厂西北地藏里塌陷坑呈北东向带状展布，长约200m，塌陷坑13个，直径多小于2m，
最大4.5m，部分房屋开裂
1992.10.10五交化大楼北门塌坑直径5m左右
1994.5.10开明市场门口塌陷坑直径3m，可见深度2～3m
1994.8.27朝阳村塌陷坑东西宽4m，南北长5m，可见深度1m


　　通过对徐州市岩溶塌陷情况的分析可以看出，地面岩溶塌陷有一定的时空规律：(1)岩溶塌陷产生的时间与地下水的大量开采时间相对应，塌陷时塌陷地带附近的地下水开采都较强烈，且地下水位的升降幅度较大；(2)塌陷都发生在岩溶强烈发育地段，即本区的废黄河断裂带及其附近；(3)塌陷大都发生在松散层较薄的地带，且松散层呈多层结构，本区塌陷处松散层厚度均小于30m；(4)在降雨期和地表受到强烈震动时，易发生岩溶塌陷。
　　本区地表岩溶塌陷的形成，主要的动力来源是地下水位的剧烈变化。地下水位的变化，必然对其周围的介质产生各种物理地质作用，如潜蚀作用、真空吸蚀作用、失托加荷作用等。每一种作用，都会使上覆土体中原有的力学平衡被破坏：地下水位降低，水力坡度的加大，水流速度的加快，水的侵蚀作用也会随之加强；溶洞中的原有充填物在地下水的侵蚀、搬运作用下被带走，松散层底部的土体就会下落、流失而形成隐伏土洞，隐伏土洞在地下水的持续压力及上覆土体的自重压力作用下，土体崩落，洞体不断向上扩展引起地面沉降；当上覆土体自重压力逐渐超过洞体的极限抗压、抗剪强度时，地面就会产生开裂直至塌陷。在雨季，一方面大量抽水使地下水位迅速下降，另一方面因接受大量降水及越流补给又使地下水位迅速抬升，水位如此来回波动，潜蚀作用非常强烈，加之上覆土体底部土粒间的连结力降低和上覆土体自重压力的加大，促使地表岩溶塌陷的形成；同理，地表的震动(如建筑施工、火车震动等)，使上覆动荷载增加，原有的平衡被打破，也会促使产生岩溶塌陷。
4　防治对策
　　徐州市的城市供水，以岩溶地下水为主。徐州市的环境地质问题，主要是由不合理的过量开采地下水，使地下水位急剧下降所引起；但就徐州市的水文地质条件和供水情况来看，过多地削减岩溶水的开采量，采用其他供水水源的可能性不大。针对这种情况，笔者提出以下几点防治对策建议：
　　(1) 加强地下水资源的管理，科学地规划地下水开采井的布局，限制地下水开采量的区域分布，以控制降落漏斗的发展和岩溶水位的下降幅度。
　　(2) 合理地进行工业布局，根据区域环境条件(特别是含水层结构和防污性能)来选择厂址。
　　(3) 对废水、废渣要进行必要的处理，尽可能地减少污染源，要注意选择适宜的地点作为废水、废渣的填埋存储场所，对供水水源地应建立严格的防护带。
　　(4) 开展详细的地质调查(或工程地质勘察)和资料整理工作，查明岩溶裂隙发育规律及新生界松散层厚度的变化规律，划分出易塌陷区的范围；兴修工程建筑物时，应尽可能地远离易塌陷区，或对易塌陷区内的建筑物地基进行特殊处理。
第一作者简介：张志忠，男，34岁。工程师。中国矿业大学，资源与环境科学学院，环境系，硕士研究生。水文地质工程地质专业。
作者单位：中国矿业大学资源与环境科学学院，徐州，221008
参考文献
　[1] 沈继方等.地下水与环境.北京：中国地质大学出版社.1995.10
　[2] 韩宝平等.徐州市岩溶塌陷规律研究.南宁：广西师范大学出版社.1996.6
　[3] 吴春寅等.山东省枣庄市十里泉、丁王庄一带地面塌陷的成因及防治对策.水文地质工程地质.1998，(5)
(收稿日期：1998－12－15)
