地下水污染与治理

地下水污染与治理课程主要内容第一篇污染水文地质学基础1、基本概念2、污染物在地下水的运移3、污染物水文地球化学过程第二篇地下水污染评价方法、模拟1、地下水污染评价方法2、环境风险评价3、模拟基本概念及原理第三篇地下水污染治理1、地下水脆弱性评价与地下水保护2、污染物自然衰减作用3、地下水污染修复技术第一章基本概念•地下水的形成土壤结构与渗透性土是具有连续孔隙的介质。水就会在水位差的作用下，从水位较高的一侧透过土的孔隙流向水位较低的一侧。地下水分类1、地下水的定义：埋藏在地表以下空隙(孔隙、裂隙、溶隙)中的水称之为地下水。空隙描述——孔隙度、裂隙度、溶隙度。2、含水层和隔水层的概念：能够储存并给出一定量水的岩层称为含水层不具透水和给水能力的岩层称为隔水层，两者界限并不绝对。没有绝对不透水的岩层。地下水的形成和运动岩石中水的存在形式根据水在空隙中的物理状态，水与岩石颗粒的相互作用等特征，一般将水在空隙中存在的形式分为五种。即：结合水：依靠静电引力和表面力在岩石表明形成薄膜，不能自由运动，与岩石性质有关，颗粒越细，表面越大，结合水越多。重力水：当薄膜厚度增加，表面力减弱，重力大于表面力，形成重力水，可自由运动，是我们关注的重点。毛细水：地下水面以上岩石孔隙中由于毛细作用，形成一定高度毛细水带。固态水：土壤冰冻层内的水。。气态水：地下水面以上岩石孔隙中的水蒸气地下水的形成条件(1)岩层要具有能容纳重力水的空隙(2)具有储存和聚集地下水的地质条件岩层下有隔水层，使水不能向下漏失；水平方向有隔水层阻挡，以免水全部流空。只有这样才能使运动在岩层空隙中的地下水长期储存下来，并充满岩层空隙而形成含水层。(3)具有充足的补给来源地下水分类按埋藏条件可以分为潜水、承压水、上层滞水承压水隔水层潜水毛细水土壤水地面饱水带包气带不透水层不透水层上层滞水深大断裂山体海水承压水承压水承压水潜水含水层：能够透过并给出相当数坛水的岩层；隔水层：是指不具透水和给水能力的岩层两者的区分不是绝对的。形成含水层的条件：地下水的分类特点按埋藏条件定义按含水层空隙性质孔隙水裂隙水岩溶水上层滞水包气带中局部不透水层之上具有自由表面的重力水季节性存在具有自由表面的重力水出露地表的局部裂隙岩层中季节性存在的重力水裸露盐溶化地层中季节性存在的重力水潜水饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水上部无连续完整隔水层存在的各种松散岩层中的水基岩上部裂隙中的水裸露盐溶化岩层中的水承压水充满与上下两个隔水层之间的含水层中的重力水松散岩层组成的向斜、单斜和山前平原自流斜地中的地下水构造盆地和向斜、单斜岩层中的裂隙承压水，向斜、单斜岩溶岩层中的承压水•上层滞水：因完全靠大气降水或地有水体直接渗入补给，水量受季节控制特别显著，通常在较厚的砂层或沙砾层中夹杂有粘土或粉质粘土透镜体时容易形成上层滞水，此外，在黄土层中夹有钙质板层时也容易形成。•潜水特点：直接受大气降水补给，一般可获得较大的流量但受季节影响较大，而且分布区与补给区是一致的；容易受到污染。水质、水温受季节影响比较大。•承压水；承压水的主要特点是承压，可形成自流井。承压水由于有稳定的隔水顶板和底板，因而与外界的联系较差，与地表的直接联系大部分被隔绝，所以它的埋藏区与补给区不一致。承压含水层的埋藏深度一般都比潜水大，在水位、水量、水温、水质等方面受水文气象因素和人为因素，以及季节变化的影响较小，如南京地区在地下10米以下地层中年温度变化范围已经小于0.1℃。因此富水性好的承压含水层是理想的供水水源。虽然承压含水层的埋藏深度较大，但其稳定水位都常常接近或高于地表，这就为开采利用创造了有利条件。各种地下水的特点地下水的循环由自然界的水循环可知，地下水运动既是自然界水的大循环的一个重要的有机组成部分，同时又独立地参与自身的补给、径流、排泄的小循环。我们将地下水这种补给、径流、排泄无限往复进行，称为地下水的循环。这几个过程是紧密联系在一起的，是形成地下水运动的一个完整、不可分割的过程。地下水的补给来源：大气降水；地表水；人工补给，除此之外，在一些高温干旱沙漠地区，大气凝结水也为主要补给来源。地下水的排泄途径：泉；河流；蒸发；人工排泄。地下水的径流：地下水在地下迁移运动的过程称为地下水的径流地下水的循环的特点地下水径流的特点主要有：流速缓慢，通常将其成为渗流多以层流状态为主，只有在一些大的裂隙和溶隙及人工开采构筑物流量集中的地方会出现紊流状态。非稳定、缓变流运动地下水径流的规律通常用：达西线性渗透定律：V=KJ；Q=KJA；适用：雷诺数1-10或非线性渗透定律：紊流：哲才公式：V=KJ1/2层流-紊流：斯姆莱公式：V=KJ1/m•一、地下水的物理性质：包括温度、颜色、嗅味、口味、导电性和放射性等。•二、地下水的化学成分1.地下水的主要化学成分2.地下水按化学成分分类类型非常冷水极冷水冷水温水热水极热水沸腾水温度＜00-44-2020-3737-4242-100＞100地下水的物理性质和化学成分地下水按化学成分分类•地下水的矿化度：水中所含各种离子、分子及化合物的含量•地下水的pH值：水的酸碱程度•水的硬度：水的硬度取决于水中Ca2+、Mg2+的含量天然水的化学成分•目前各种水体里已发现80多种元素。天然水中各种物质按性质通常分为三大类：悬浮物质＞100nm的物质颗粒;胶体物质粒径为100-1nm的多分子聚合体;溶解物质粒径小于1nm的物质。•K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-为天然水中的八大离子。还有Fe、Mn、Cu、F、Ni、P、I等重金属、稀有金属、卤素和放射性元素等微量元素；水中溶解的气体有O2、CO2、N2，特殊条件下也有H2S、CH4等。总之，无论哪种天然水，八种主要离子的含量都占溶解质总量的95-99％以上。天然水中各种元素的离子、分子与化合物的总量称为矿化度。各种溶解质在天然水中的累积和转化，是天然水的矿化过程。天然水的矿化过程溶滤作用：土壤和岩石中某些成分进入水中的过程。吸附性阳离子交替作用：天然水中离子从溶液中在转移到胶体上是吸附过程。H+＞Fe3+＞Al3+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH4+＞Na+＞Li+氧化作用：围岩的矿物氧化和使水中有机物氧化。2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO412FeSO4+3O2+6H2O=4Fe2(SO4)3+2Fe2O3·3H2O游离的硫酸进而侵入围岩中的CaCO3。CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2↑+2H2O还原作用：天然水若与含有机物的围岩（油泥、石油等）接触，或受到过量的有机物污染，碳氢化合物可以使水中的硫酸盐还原。CH4+CaSO4=CaS+CO2↑+2H2OCaS+CO2+H2O=CaCO3↓+H2S蒸发浓缩作用：在干旱地区，内陆湖和地下水正在经历盐化作用。蒸发浓缩沉积顺序是Al、Fe、Mn的氢氧化物，Ca、Mg的碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐，Na的硫酸盐，Na、K的氯化物，Ca、Mg的氯化物，最后为硝酸盐。混合作用：雨水渗入补给地下水，地下水补给河水，河水注入湖泊或大海，河口段的潮水上溯，滨海含水层的海水入侵等，都是天然水的混合。天然水的矿化过程天然水化学分类表（2）地下水化学分类地下水化学分类方法很多，现介绍C.A.舒卡列夫的分类方法，见表1-10。这个分类法既考虑了各主要离子成分的摩尔百分数，又考虑了水的矿化度。地下水的化学特征•地下水化学组成类型之多，地区性差异之大，是其它天然水不可比的。关于地下水化学成分的起源和形成过程，至今仍有许多长期争论的问题没有解决。地下水化学基本特点如下：（1）地下水充填于岩石、土壤空隙中，与岩石、土壤广泛接触渗流速度很小，循环交替缓慢，而且地下水贮存于岩石圈上部相当大的深度（10公里），构成了地下水圈。（2）矿化度变化范围大，从淡水直到盐水。在淡水中阴离子以HCO3¯为主，阳离子以Ca2+为主。随着矿化度的增加，阴离子按HCO3-→SO42-→Cl¯次序递增；阳离子中Na+的含量增多，逐渐代替Ca2+成为主要成分，而且Mg2+的含量稍有增加。地下水的化学特征（3）地下水的化学成分的时间变化极为缓慢，常需以地质年代衡量。地下水的化学特征•（4）地下水与大气接触有很大的局限性，仅限于距地表最近的含水层，此层可溶入氧气成为地下水氧化作用带。然而地下水中CO2的含量比较多，因为生物的呼吸、有机质的分解，使土壤空气中CO2的含量可达1－7％。如果地下水交替缓慢，则氧很快耗尽，成为还原环境。围岩中若含有机质，则地下水便富集H2S、CH4等气体。地下水的化学特征地下水污染•概念–凡是在人类活动的影响下，地下水水质变化朝着水质恶化方向发展的现象•辨析–产生地下水污染的原因是人类活动，尽管天然地质过程亦可导致地下水水质恶化，但它是人类所不可防止的、必然的，我们称其为“地质成因异常”–地下水污染的结果或标志是水质不断恶化方向发展，不是只有超过水质标准才算污染，有达到或超过水质标准趋势的情况亦算污染–如此定义，为了强调水质恶化过程，便于防治举例1：岩溶含水层监测井铁矿水质标准Fet2、地下水污染源•概念–引起地下水污染的各种物质的来源，如各种组分、热、沙尘等•分类–按物质的形成原因（表1-1）•自然污染源，如海水等•人为污染源，如工农业活动导致的废水、废渣、农药等2、地下水污染源•分类–按时间动态连续性污染源间断性污染源瞬时性污染源•分类–按行业或部门活动工业污染源农业污染源生活污染源区域性水体污染源•分类–按空间分布特征点状污染源带状污染源面状污染源用于评价和预测污染物的运移用于评价地下水污染的范围，便于采取相应的保护措施便于掌握地下水的污染特征（一）工业污染源•包括–工业三废：废水、废渣、废气来源于动力工业、冶金工业、化学工业、石油工业、印染制革工业、机械加工制造业等–储存装置和输运管道的渗漏化学物品、石油、污水储存罐等–工业物的事故性泄漏偶然性的工业事故工业废水•例1–据1994年的资料，海河流域乡镇企业排放的废水量达14.4亿吨。其中，保定市每日排放的废污水就达26万吨（全年达9500万吨）–海河流域的地下水资源量共272亿立方米，而现已有172亿立方米受到污染•例2–1994年淮河支流颍河水系内工矿企业每天排放废水129.2万吨，城镇生活污水排放量达45.5万吨，二者合计175万吨，几乎完全不经处理便直接排放–污染物的排放量：化学需氧量18.8万吨，悬浮物12.2万吨，重金属18.5吨，挥发酚92.4吨，氰化物9.8吨，砷4.8吨–污水除了使颍河污染外，郑州、平顶山、许昌、漯河和阜阳等市的市区及河道两岸的地下水遭受了挥发酚、汞、氰化物、砷、六价铬和重金属污染工业废水工业废渣•资料–全世界每年排出的尾矿砂及废石在100亿吨以上–我国现有8000多个国营矿山和11万多个集体矿山，堆存的尾矿达40亿吨以上，且以每年数亿吨的速度增长–分布在全国15个省、30多个地县境内的铀矿山目前采掘的废石总量达2.8亿吨，而分布在全国8个省、13个地县境内的铀水冶厂多年累计排出的尾砂量达3亿吨工业废气1、太原2、米兰(意大利)3、北京4、乌鲁木齐5、墨西哥市（墨西哥）6、兰州7、重庆8、济南9、石家庄10、德黑兰（伊朗）全球322个大气污染严重城市前十名(1998年)工业废气例：酸雨项目二氧化硫排放量（万吨）年度20002001200220032004年度增减率(%)合计1995.11947.81926.62158.72254.94.5工业1612.51566.61562.01791.41891.45.6生活382.6381.2364.6367.3363.5-1.0SO2排放量环境容量2004年单位：万吨/年2500200015001000500我国SO2排放量远超过环境容量SO2环境容量与2004年实际排放量比较2254.91200储存装置和输运管道的渗漏•实例1–山西某农药厂管道的渗漏，使大量的三氯乙