壹、土地的次生鹽堿化與沙漠化
不合理的開采地下水，可導致土地的次生鹽堿化。如渤海灣沿岸的許多地區，因過量抽取地下水而導致海水入侵，造成了沿岸土地的次生鹽堿化；甘肅石羊河下遊的民勤盆地，因抽取了深層高礦化地下水澆地，而使大片耕地鹽化。
不合理開采地下水造成生態環境惡化的另壹個後果是土地的沙漠化。中國的沙漠面積本來就不小（包括沙漠、沙漠化土地面積約153.3×104 km2），而過度的墾荒、毀林和過量開采地下水又導致沙漠化的加劇。以甘肅河西走廊的石羊河流域為例，自20世紀60年代後期開始，由於上遊河水被武威盆地大量取用，致使石羊河進入民勤盆地的水量大減，加之盆地內數千眼灌溉機井超量開采地下水，造成盆地內地下水水位普遍下降3～7 m，這使依靠地下水成活的沙棗、梭梭、白刺灌叢等防風固沙植被不斷衰亡，草叢退化。在7.24×104 hm2的林地中，植物生長衰敗，土地已經沙化的達67.7%，其中成片死亡的達0.87×104 hm2。同時綠洲內部由於植被衰退也引起了沙丘的活化，騰格裏沙漠正以每年6～8 m的速度侵蝕綠洲，給幾百個村莊的76 000余人飲水和農業生產造成極大的困難。二、環境地質災害
（壹）地面沈降與塌陷
地下水是維持土體應力平衡和穩定狀態的壹個重要因素，大量抽取地下水，降低了含水層的水頭壓力，改變了土體結構，必然破壞土體原有的應力平衡和穩定狀態，從而導致地面沈降、地裂縫、地面塌陷等環境災害的發生。
我國的地面沈降，繼上海、天津、寧波等濱海城市發生之後，在壹些遠離海岸的內陸城市，如北京、蘇州、無錫、常州、太原、西安、開封以及河北平原的某些灌區，均相繼出現不同程度的地面沈降。上海和天津的最大沈降量已分別達到2.37 m（1921～1965年間）和2.70 m（1988年，蘇河源等），由於地面沈降，使城市汙水和雨水經常積存市區而不能及時排出，洪水和海潮災害日益加重，壹些地面建築出現開裂和歪斜。天津市的地面沈降，已使海河幹流兩岸的防洪堤普遍下沈了1～2 m，加上河道淤積河身變淺的影響，海河的排泄能力已由原來的1 200 m3/s下降到400 m3/s；許多河閘也因不均勻沈降而損害，致使市區洪澇災害加重，目前天津市區以及塘沽、漢沽、大港等濱海地區的地面只高出海平面不足2 m，如果繼續沈降，將遭受海水淹沒的嚴重威脅。
地面塌陷是覆蓋型巖溶區開采地下水時最嚴重的環境地質災害。這是因為在這壹地區開采（或疏幹）地下水時，由於巖溶洞穴充填物和水體的排出以及松散蓋層中潛蝕作用的加劇，破壞了覆蓋層的穩定性而導致地面塌陷。據不完全統計，全國各地因開采地下水而引起的地面塌陷已多達800余處。由於巖溶區的地面塌陷災害常具突發性，因此它比地面沈降災害更難以預防，危害更為嚴重。如20世紀80年代初，山東省泰安市區的地面塌陷曾使津滬鐵路的行車安全受到嚴重威脅，以致不得不投入大量資金加以整治。秦皇島市柳江盆地水源地，開采量為50 000 m3/d，水源地投產半年後，在水源地四周24 km2範圍內相繼出現地面沈降、地面開裂和總面積達28.32×104 m2的286個地面塌陷坑，使16個村莊的1 700間房舍遭到破壞。地面塌陷已是開采利用覆蓋型巖溶區地下水最主要的環境制約因素。
（二）海水入侵
在天然狀態下，沿海地區含水層中的淡水和海水保持著某種平衡狀態。但是，由於淡水的大量開采破壞了這種平衡，使海水入侵到淡水含水層，使淡水水質惡化。
早在1889年荷蘭人吉本（E.W.Ghyben）和1901年德國人赫茲伯格（B.Herzberg）分別獨立提出了相同的確定海水入侵的鹹—淡水突變界面位置的計算公式，即吉本-赫茲伯格公式。在天然條件下，大陸含水層中的淡水是排入海洋的，鹹、淡水體之間的平衡條件使依靠含水層中淡水體保持了比海平面更高的水頭壓力來維持的，其鹹、淡水界面的具體位置，是由含水層排入海中的淡水流量來確定的，壹般淡水排泄量越大，界面距海岸線越近。
吉本-赫茲伯格公式是以鹹-淡水互不混溶的突變界面為基礎，但實際上，鹹-淡水界面並非壹個突變界面，而是壹個變化著的過渡帶。只有當過渡帶厚度相對於含水層厚度很小可以忽略時，才可視為突變界面。近年來許多學者利用更為先進的溶質運移模型來研究沿海地下水的海水入侵問題。含水層海水入侵的控制方法有：限制地下淡水的開采量、實施人工回灌的註水脊、抽水槽方法和隔水墻措施等。
（三）其他環境負效應
不合理的開發地下水除引起上述明顯的環境災害外，還誘發壹些不易被人們察覺而又十分重要的水環境負效應。例如：由於超量開采地下水，區域地下水位的大幅下降已使天津市沿海地區地表水體的覆蓋率由20世紀50年代的27.8%，減少到80年代的7.7%，在全區土地沙化和鹽堿地擴大的同時，近40年以來的降水量也在波動中持續地減少，空氣濕度在持續下降，氣溫在波動中緩慢上升。如該地區70年代每5年平均升溫0.5℃，80年代每5年平均升溫0.2～0.3℃。此外，我國西北幹旱地區的許多內陸湖泊，如青海湖、博斯騰湖等皆因四周河水及地下水被大量開發引用，而使湖水水位逐年下降，湖泊面積逐年縮小。我國北方地區的巖溶大泉，因泉域內的地下水被過量抽取而面臨流量衰減以致斷流的威脅，如我國著名的泉城——濟南市，由於過量開采巖溶水，致使聞名中外的趵突泉自1974年後開始出現不定期的斷流，到降雨量較小的1989年時，該市著名的72泉全部幹涸，使以湧泉為核心的風景點黯然失色，給當地旅遊業帶來了極大損失。
（四）管理與防治措施
因地下水開采所引起的壹系列正、負環境地質效應以及由其誘導而產生的環境、生態和社會經濟狀況變化的原因是十分復雜的。但多數情況下可歸結為地下水采補平衡狀態的破壞和地下水位升降的結果，因此，從技術管理上看，進行合理的水資源調蓄，優化控制地下水位顯然是進行地下水管理的最基本內容。
此外，還要針對各地區的具體情況，開展地下水天然補給的防護和人工補給的利用；抽水地點的優化和抽水量隨時空變化的設計；地下水水質保護、廢水的改良以及地表水與地下水（包括引進水和資源化水等其他水源）的聯合協調開發和利用等工作。
當然，完善的地下水管理，還必須要有健全的管理機構和合理的法律保證，只有這樣才能使用水者在從環境、經濟、技術上獲得最大效益的同時，又使生態、環境地質負效應得到最大限度的控制和改善。
三、水質汙染
隨著社會經濟的發展和人口的增長，廢物的排放量也在不斷地增加。廢氣、廢水和固體廢物的排放已經嚴重地汙染了空氣、地表水和地下水資源，使人類生存和發展中必不可少的寶貴水資源變得無法使用。
（壹）汙染來源與汙染途徑
土壤和地下水中的汙染來源十分廣泛，主要有工業廢水、生活汙水、城市固體廢物、采礦及礦渣、農業灌溉的化肥與農藥，以及劣質水體等。其中以各種工業廢水、生活汙水和城市固體廢物的汙染問題最為嚴重。汙染物質可以是無機物也可以是有機物。特別是人工合成有機物的汙染，由於很難降解，所以給汙染的治理帶來了很大的困難。
進入地下水中的汙染物質壹般需要通過包氣帶這個途徑。具體的汙染原因和途徑大致有以下幾個方面：
（1）地表汙染水體的滲入。未經處理的各種類型的廢水排放後，將造成地表水（河、湖）的汙染，這些已汙染了的地表水滲入地下，進入含水層，從而造成了地下水的汙染。目前世界各國工業、生活廢水大量排入河流，是造成地表水體和地下水汙染的主要原因。
（2）排汙系統的泄漏。城市或工廠汙水排放管網或儲存設施由於事故或破損，常常出現跑、冒、滴、漏現象，造成包氣帶和地下水的汙染。
（3）工業、生活固體廢物的填埋。由於不合理的選址，或填埋時防護設施、方法不當，固體廢物填埋場地中的廢氣、淋濾液會對空氣、土壤和地下水造成嚴重的汙染。
（4）各種石油、石油化工產品泄漏。石油、石油化工產品及其廢物多屬於非水相液體（NAPL）汙染物，如城市加油站儲油罐、石油化學產品儲存場地、管網的泄漏等等。
（5）農業灌溉對地下水的汙染。不合理的汙水灌溉、化肥和農藥的使用不當都會導致大面積的非點源（NPS）汙染。
（6）天然劣質水體的汙染。由於過量開采地下水而導致地下或地表劣質水體侵入目標含水層，使地下水水質惡化。在沿海地區，過量的地下水開采會導致海水入侵。
（7）大氣汙染物質通過降水滲入地下，造成土壤、地下水的汙染，如酸雨和其他有害元素的汙染等。
（二）汙染質在地下環境中的運移作用及模擬
在地下水汙染過程中，汙染質往往是通過包氣帶進入地下含水層的，實際上，汙染質汙染地下水主要可以分為兩個過程：壹是汙染物質在包氣帶中以垂向運移為主的過程；另壹個是汙染質進入含水層後以側向運移為主的過程。
汙染質在含水層中的運移受多種因素的控制，如地下水對流作用、彌散作用以及汙染質與含水層介質之間的各種物理、化學和生物化學作用（表9-1）。在不同的環境下（地質條件、水文地質條件等）以及對不同的汙染物質，其在含水層中運移的控制因素可以不同。表9-1中所列的各種作用，對給定汙染質運移問題並不壹定全部作用同時存在，可以是其中的某個或某幾個因素起主要控制作用。壹般來說，地下水的對流作用普遍存在，而且對汙染質的運移具有重要的影響（趙勇勝等，1994）。
目前，根據地下水汙染物質在含水層介質中作用的特性把汙染質分為兩大類型：保守型汙染質和非保守型汙染質。前者在含水層中運移時，主要作用為對流、彌散。而非保守型汙染質在含水層中運移時，要與巖石介質發生各種復雜的物理、化學和生物化學作用。其在含水層中的運移非常復雜，受多種因素的影響。
（三）地下水溶質運移的MOC模型
汙染質在含水層中運移的模擬模型發展很快，從壹維、二維直到三維流模型，模擬的條件也越來越復雜，從均質各向同性到非均質各向異性，從保守型溶質發展到非保守型溶質等。求解溶質運移模型的方法很多，有解析法、半解析法和數值法。目前以數值法的應用比較普遍，因為它的實際應用功能強，能解決復雜條件下的溶質運移問題。
溶質運移模擬的數值法包括：有限差分法、有限單元法和邊界單元法等，每種方法各有所長。雖然目前國內外已經建立了汙染質運移模擬的三維流模型，但由於地層參數獲取的困難以及數據要求等問題使之在實際應用中受到限制。目前普遍應用的仍是二維流模型。本書主要介紹目前國際上普遍使用、最為流行的溶質運移模型之壹：MOC模型。
MOC模型（Method of Characteristic）是由科尼科夫（L.F.Konikow）和布萊特霍夫（J.D.Bredehoft）建立的，後經數次改進，目前已成為美國地質調查局（USGS）普遍使用的專業模型軟件，具有很強的實用功能（趙勇勝，1992）。
模型要求地下水運動符合Darcy定律；含水層的孔隙度與滲透系數不隨時間而變化；地下水流速場不受流體的密度、黏度和溫度的控制；水位和濃度在垂向上的變化可忽略不計。根據平德（Pinder）和布萊特霍夫（Bredehoft，1968）的工作，在非均質各向異性含水層中水流運動的二維流數學方程可以寫成：
表9-1 控制地下水中汙染質運移的作用
現代水文地質學
式中：Tij——水動力傳導系數，（L2／T）；
h——地下水位，（L）；
S—儲水系數；
t——時間，（T）；
W=w（x，y，t）源匯項，（L／T）；
xi，xj——坐標，（L）。
包括對流、彌散和化學作用的溶質運移方程其形式如下：
現代水文地質學
其中CR是化學作用項，它可以是：
現代水文地質學
式中：αijmn——含水層的彌散度；
Vm，Vn——分別為m和n方向上的速度分量；
｜v｜——速度模；
C——模擬汙染質的濃度；
n——有效孔隙度；
C′——模擬汙染質的源匯濃度；
W——源匯單位面積上的通量；
Vi——滲流速度；
ρb——介質密度；
——固體介質吸附的汙染質濃度；
Rk——汙染質增加或減少速率；
λ——放射性核素的半衰期。
聯合求解方程（9-1）和（9-2）就可得到汙染質運移的結果。
（四）地下水汙染的控制和恢復治理
地下水的汙染具有復雜性、隱蔽性和難以恢復的特點，壹旦土壤或地下水遭受了汙染，那麽，恢復和凈化的過程是漫長的，而且其處理技術難度大，治理費用昂貴（Paul E.Flathman et al.，1994）。因此，預防和控制土壤、地下水的汙染是非常重要的。
1.汙染控制的行政手段
采用行政、法律手段對地下水的汙染進行管理和控制是非常重要的，其主要內容是：
（1）建立、健全並嚴格實施有關水資源保護和防止水資源汙染的法律和規定；
（2）按環境負荷對工礦企業的汙水排放實行“總量控制”、“濃度控制”以及“負荷控制”。同時，鼓勵企業改進生產工藝、提高用水效率、循環用水、減少廢水排放量，實行“三廢”資源化、無害化；
（3）建立和健全統壹的水資源管理和水質監測機構，並賦予它們法律上的權力；
（4）合理進行工業布局，實施地下水水質的區域和局部防護。
2.汙染源控制
控制和治理汙染來源是地下水汙染防治的關鍵。在實際工作中，地下水的汙染來源不可能全面、永久地消除，至少在目前的技術水平和經濟條件下無法達到。也就是說，人類在生產活動和生活過程中所排放的廢物（廢水、固體廢物和廢氣）不可能達到“零排放”。但是，我們可以通過各種先進的技術手段和嚴格的管理措施，對地下水水汙染的汙染源進行控制，以避免和減緩地下水的汙染。
3.地下水汙染的攔截吸附系統
地下水汙染的攔截系統包括在地下水面以下開挖的攔截槽，有時在槽內設置管道。地下攔截系統原理與無限長線性排列的抽水井功能相似。這壹控制系統可以用於汙染滲濾液匯集，也可以用於已汙染地下水的汙染減緩或消除。
地下水汙染的吸附系統（SSS）是指在含水層中能夠增加孔隙介質對汙染質吸附能力的地帶。這些地帶可以使汙染質的運移性能減少三個數量級，因此可以延緩汙染質的運移和降低下遊水中汙染質的最高濃度。減緩汙染質活動性能，有可能有充足的時間使微生物和非微生物降解發生。吸附系統中用來吸附的介質可以是天然物質（如粘土礦物等）也可以是人工材料。壹般采用工程措施攔截已經被汙染的地下水，使其流經壹個狹窄的鋪設有吸附介質的通道（funnel and gate方法）。
4.地下水汙染的其他控制工程
在某些情況下，還可以采用壹些其他的工程手段來控制地下水的汙染，如地下板樁、灌漿和泥漿防護墻等。
板樁方法就是采用向地下打板樁的方法來控制地下水流，以防止汙染的發生。板樁可以是鋼板、木材或水泥板。通過地面重力作用，使板樁進入地下並連接起來形成壹個較薄的防滲帶。
灌漿法就是把液體、泥漿或乳膠在壓力作用下註入地層。流體註入時會發生流動並占據地層空隙，但隨著時間的進行，註入的流體就會發生固化，從而導致原地層滲透能力的降低，起到阻止水流通過的作用。灌漿所用的流體壹般有泥漿、水泥或者化學液體。當兩種或多種化學液體在地下混合時，就會發生反應形成凝膠而固化。常用於灌漿的物質組合有：水泥和水；水泥、巖粉和水；水泥、粘土和水；水泥、粘土、砂和水；瀝青；粘土和水；化學物質等。在水泥漿液中添加不同的物質可以改變漿液的某種特性，如添加氯化鈣、氫氧化鈉、矽酸鈉可以加快凝固時間；添加石膏等可延長凝固時間；加入膨潤土粉則可以增加漿液的塑性，降低其收縮性；加入粘土、巖粉可以降低成本，但使其強度有所下降。最常見的灌漿方法有兩種：壹種是分段灌註方法，即鉆進到壹定深度然後停鉆進行灌註，灌註完畢後清理鉆孔再繼續鉆進，然後再灌註、清孔、鉆進，如此重復進行，直到灌漿達到預定地層深度為止；另壹種方法是先鉆進到預定深度，然後選擇灌漿層位分層從下往上進行灌註。灌漿防護系統設施首先要考慮的就是漿液的組成。而采用什麽樣的漿液取決於地層巖性、汙染性質、汙染時間以及施工建設時間等。灌漿方法用於建築工業已有壹百多年的歷史，如用來增加基礎承載力或灌註防止地下水滲漏壩等。但這壹方法用於地下水汙染的控制則是近年來的事。該方法只適用於具有壹定孔隙大小的地層，較高的地下水位和地下水流速都不利於這壹方法的應用。
泥漿防護墻可以用來防止地下水的汙染或用來控制已經汙染了的地下水的運動。該方法包括圍繞某壹地帶開挖溝槽，然後充填隔水物質。防護墻既可以設置在廢物場地的上遊以防止地下水的流入，也可以圍繞整個場地布置，以避免已汙染的地下水向外流動。
5.地下水汙染的恢復治理
已汙染了的地下水的恢復和治理是水文地質學壹個新的研究領域，也是目前國際上專家學者們研究的熱點和前沿。恢復治理技術有：氣提、汙染土壤氣體提取、碳吸附、化學氧化、抽取-處理、微生物處理等。
對於已經遭受汙染的含水層的恢復和治理是壹個非常復雜和緩慢的過程，需要投入大量的人力、物力和財力。目前，雖然對地下水汙染恢復治理的研究比較重視，但由於上述問題的復雜性，使恢復治理的效果有限。如美國和歐洲壹些國家在汙染地下水恢復治理上投資巨大，但未能取得預期的效果。所以，對已汙染的地下水的恢復治理無論在理論上還是在方法技術上都期待著未來的發展和突破。實際上解決地下水汙染問題的最佳方式是預防，因為壹旦含水層遭受了汙染，恢復和治理是非常困難的。