地下水質(zhì)與環(huán)境保護(hù)管理

1、第四章地下水質(zhì)與環(huán)境1 地下水水質(zhì) 2 溶質(zhì)運(yùn)移基本方程3 地下水污染4 地下水開采與地面沉降5 地下水開采與海水入侵6 地下水環(huán)境保護(hù)11 地下水水質(zhì) 1.1 地下水的化學(xué)成分 1.2 地下水的物理化學(xué)作用 1.3 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 1.1 地下水的化學(xué)成分（1） 地下水中的主要離子成分八大離子：Cl, SO4, HCO3 , CO32 , Na+ , Mg2+ , Ca2+ 和 K+ 占所有溶解鹽類的90以上 低礦化水：以HCO3 , 及Ca2+ 、 Mg2+ 為主；中礦化水：以SO4 及Na+ 、 Mg2+ 為主；高礦化水：以Cl、Na+ 為主 第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境1

2、地下水水質(zhì)3 1.1 地下水的化學(xué)成分（2）主要?dú)怏w成分： CO2、O2、N2、H2S 等1 CO2：來(lái)源復(fù)雜，可來(lái)源于大氣或土壤中生物化學(xué)作用產(chǎn)物O2和N2：來(lái)源于大氣；有溶解氧的環(huán)境為氧化環(huán)境；氧的含量隨深度減少硫化氫H2S ：是缺氧還原條件下有機(jī)物生物化學(xué)作用的產(chǎn)物；油田地下水和火山巖區(qū)礦泉水中含量高第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境1 地下水水質(zhì)4 1.1 地下水的化學(xué)成分（3）地下水中的微量元素、有機(jī)成分和細(xì)菌微量元素：溴(Br)、碘(I)、氟(F)、硼(B)、磷(P)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鋰(Li)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、砷(As)、鉬(Mo)、銅(Cu)等 有機(jī)質(zhì)：是以碳、氫、氧為主的

3、高分子化合物，常以膠體方式存在于地下水中 細(xì)菌、病毒：含量的多少取決于地下水污染程度第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境1 地下水水質(zhì)5 1.1 地下水的化學(xué)成分（4）地下水總礦化度： 地下水中所含離子、分子和化合物總量稱為總礦化度(g/L)以蒸干水所得干涸殘余物總量來(lái)表示，或用分析所得陰、陽(yáng)離子含量相加，求得理論干涸殘余物值第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境1 地下水水質(zhì)6 1.1 地下水的化學(xué)成分（5）地下水總礦化度：礦化度1克升的為淡水，是良好的飲用水源； 降水的含鹽度一般只有每升幾毫克至幾十毫克；閩江水僅0.04、長(zhǎng)江水為0.19、黃河水為0.38克升 1一3克升的為微咸水；310克升的為咸水；10-50克升的

4、為鹽水；海水含鹽度高達(dá)35克升，新疆塔里木河，礦化度高達(dá)31.8克升 50克升的為鹵水“死?！奔词鞘澜缏劽柠}水湖，礦化度高達(dá)261.9克升 一般飲用水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定1000mg/L7 1.2 地下水的物理化學(xué)作用（1）吸附和解吸沉淀和溶解放射性衰變作用機(jī)械過(guò)濾作用另：氧化還原絡(luò)合離解 生物過(guò)程該部分學(xué)科：土壤化學(xué)8 1.2 地下水的物理化學(xué)作用（2） 吸附作用吸附是指地下水中的某些成分由于固液相之間的作用聚集在固體表面的過(guò)程 物理吸附：由于土壤顆粒具有表面能，可借助于分子引力將地下水中分子狀態(tài)的物質(zhì)吸附在自己表面上的作用物理化學(xué)吸附：也稱陽(yáng)離子代換吸附 ，即土粒表面所吸附的陽(yáng)離子與地下水中的陽(yáng)離子

5、進(jìn)行代換的作用 解吸：被吸附的物質(zhì)從土壤表面進(jìn)入到溶液中的過(guò)程。土粒的吸附和解吸與吸附相的濃度和水中的濃度有關(guān) 常見的吸附動(dòng)力學(xué)方程：Freundlich動(dòng)力吸附方程；Langmuir動(dòng)力吸附方程第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境1 地下水水質(zhì)9 1.2 地下水的物理化學(xué)作用（3）返回式中，S吸附相濃度，即單位質(zhì)量固體介質(zhì)上所吸附的物質(zhì)的量； C所研究的物質(zhì)在溶液中的濃度； k1，k2 Freundlich吸附和解吸常數(shù)。1.2 地下水的物理化學(xué)作用第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境1 地下水水質(zhì)當(dāng)吸附達(dá)到平衡時(shí)，方程左端趨于0，則 S = kFCm， kF=k1 / k2稱為分配系數(shù)當(dāng)m1時(shí)，吸附過(guò)程稱為線性吸附，

6、即吸附相濃度與土壤溶液濃度成正比；Freundlich 動(dòng)力吸附方程10 1.2 地下水的物理化學(xué)作用（4） 返回當(dāng)吸附達(dá)到平衡時(shí)，有1.2 地下水的物理化學(xué)作用第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境1 地下水水質(zhì)Langmuir 動(dòng)力吸附方程11 1.2 地下水的物理化學(xué)作用（5）沉淀和溶解作用水中某離子濃度超過(guò)飽和濃度時(shí)，從水中除去而產(chǎn)生沉淀使某些固相物質(zhì)（或鹽分）轉(zhuǎn)為液相的過(guò)程稱為溶解 沉淀動(dòng)力學(xué)方程： 式中，S 沉淀固相組分的濃度； k1、k2沉淀速度常數(shù)； C地下水中沉淀組分的濃度； Sm沉淀組分的飽和濃度第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境1 地下水水質(zhì)12 1.2 地下水的物理化學(xué)作用（6）放射性衰變作用水中

7、放射性物質(zhì)的來(lái)源：人為因素為主 水中放射性物質(zhì)與外界的作用：運(yùn)動(dòng)，吸附，離子交換等 放射性元素本身的衰變。濃度衰變過(guò)程可由下式表示： 式中， 放射性元素的衰變常數(shù) 機(jī)械過(guò)濾作用指土壤像一個(gè)過(guò)濾器，當(dāng)水通過(guò)土壤時(shí)，水中的懸浮物、細(xì)菌等顆粒較大的物質(zhì)可以被土壤截留 第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境1 地下水水質(zhì)13 1.3 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不同用途的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)家頒布的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)）生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) GB5749-85農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB5084-85 地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-88漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)TJ35-79中華人民共和國(guó)飲用天然礦泉水標(biāo)準(zhǔn) （GB8537-87） 劣質(zhì)水灌溉 城鎮(zhèn)生活污水灌溉 高礦化度咸

8、水灌溉返回第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境1 地下水水質(zhì)14 2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論 2.2 溶質(zhì)運(yùn)移方程 2.3 初始條件和邊界條件2.4 溶質(zhì)運(yùn)移方程的求解第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境15 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（1）對(duì)流彌散（水動(dòng)力彌散）16 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（2） 對(duì)流對(duì)流：溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中由平均水流運(yùn)動(dòng)所攜帶而產(chǎn)生的質(zhì)量輸運(yùn)現(xiàn)象稱為對(duì)流對(duì)流通量Jc：溶質(zhì)隨水的運(yùn)動(dòng)在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積多孔介質(zhì)的質(zhì)量稱為對(duì)流通量，可表示為： Jc= vC=qC (4-14)式中，v 孔隙平均流速，v =q/ ，q為達(dá)西流速(L/T)； 土壤體積

9、含水率，對(duì)飽和土壤， 即土壤孔隙率C溶質(zhì)在地下水中的平均濃度(M/L3)17 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（3） 彌散水動(dòng)力彌散現(xiàn)象：是大量的單個(gè)溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)通過(guò)孔隙的實(shí)際運(yùn)移（受濃度梯度和多孔介質(zhì)自身特性的影響）水動(dòng)力彌散理論的主要研究?jī)?nèi)容：多孔介質(zhì)中溶質(zhì)運(yùn)移的機(jī)理；定量描述可溶混流體彼此之間相互驅(qū)替的過(guò)程；多孔介質(zhì)中溶質(zhì)濃度在時(shí)間和空間上的變化規(guī)律 第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程18 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（4） 水動(dòng)力彌散理論水動(dòng)力彌散現(xiàn)象實(shí)例 例1. 二維均質(zhì)含水層中示蹤劑的擴(kuò)散；例2. 均質(zhì)砂柱中的一維驅(qū)替現(xiàn)象第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方

10、程19 例1. 返回二維均質(zhì)含水層中示蹤劑的擴(kuò)散1 第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（5） 水動(dòng)力彌散理論水動(dòng)力彌散現(xiàn)象使溶質(zhì)逐漸散布到越來(lái)與越大的流動(dòng)區(qū)域20 例2.返回均質(zhì)砂柱中的一維驅(qū)替現(xiàn)象1 第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（6） 水動(dòng)力彌散理論均質(zhì)砂柱中穩(wěn)定飽和水流運(yùn)動(dòng)某一瞬時(shí)用濃度為C0的溶液替換砂柱上邊界中原來(lái)濃度為0的溶液溶質(zhì)為非反應(yīng)性的保守溶質(zhì)21 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（7） 水動(dòng)力彌散理論造成彌散現(xiàn)象的原因 ：有多種，如分子擴(kuò)散，多孔介質(zhì)復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，流體的

11、流動(dòng)，液相和固相的相互作用等,其中主要是分子擴(kuò)散機(jī)械彌散22 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（7） 水動(dòng)力彌散理論分子擴(kuò)散23 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（7） 水動(dòng)力彌散理論分子擴(kuò)散：由于流體中所含溶質(zhì)濃度的不均一而引起的物質(zhì)輸運(yùn)現(xiàn)象分子擴(kuò)散的動(dòng)力：濃度梯度的存在分子擴(kuò)散服從Fick定律，由于分子擴(kuò)散造成的單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積多孔介質(zhì)的質(zhì)量通量： Ja= Dd gradC 式中：Dd溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中的分子擴(kuò)散系數(shù); Dd=Dd0(為多空介質(zhì)的彎曲率， Dd0為自由溶液中分子擴(kuò)散系數(shù))第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程分子擴(kuò)散24 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理

12、論（8） 水動(dòng)力彌散理論孔隙中微觀流速不均勻 ，圖43多孔介質(zhì)中宏觀尺度的不均勻性：如各部分滲透性能不同造成宏觀尺度上的不均勻性，導(dǎo)致流速的不均勻分布 機(jī)械彌散：流體在多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于微觀尺度和宏觀尺度的流速的不均勻性而引起的這種物質(zhì)輸運(yùn)現(xiàn)象返回第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程機(jī)械彌散導(dǎo)致沿流速主方向散布擴(kuò)展導(dǎo)致沿垂直流速主方向散布擴(kuò)展25 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（9） 水動(dòng)力彌散理論機(jī)械彌散通量，也服從Fick定律： Jm= Dm gradC 式中： Dm溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中的機(jī)械彌散系數(shù) 大量實(shí)驗(yàn)證明機(jī)械彌散系數(shù)Dm與平均流速v(孔隙平均流速)有關(guān)；流速越大，機(jī)

13、械彌散的作用越強(qiáng)26 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（10） 水動(dòng)力彌散理論當(dāng)流速較大時(shí)，機(jī)械彌散在水動(dòng)力彌散中起主要作用；當(dāng)流速很小時(shí)，分子擴(kuò)散起主要作用水動(dòng)力彌散可以沿平均流速方向上進(jìn)行，稱為縱向彌散；也可在垂直于平均流速方向上進(jìn)行，稱為橫向彌散27 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（11） 水動(dòng)力彌散理論水動(dòng)力彌散服從Fick定律水動(dòng)力彌散通量為： Jh= D gradeC (4-12) 式中， Jh 由于水動(dòng)力彌散造成的單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積多孔介質(zhì)的質(zhì)量通量；D Dd+ Dm 稱為水動(dòng)力彌散系數(shù)； Dd溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)，稱有效擴(kuò)散系數(shù) ； Dm溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中的機(jī)

14、械彌散系數(shù)28 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（12） 水動(dòng)力彌散理論1 水動(dòng)力彌散系數(shù)D(張量) ： D Dd+ Dm 水動(dòng)力彌散系數(shù)與平均流速的關(guān)系(均質(zhì)各向同性中)：第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程29 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（12） 水動(dòng)力彌散理論1 水動(dòng)力彌散系數(shù)D(張量) ： D Dd+ Dm 水動(dòng)力彌散系數(shù)與平均流速的關(guān)系(均質(zhì)各向同性中)：式中 3 Dij彌散系數(shù)張量的分量 L、 T 分別為多孔介質(zhì)的縱向和橫向彌散度； Dd為介質(zhì)的有效彌散度； | v |流速向量v 的模； ij 為Kroneker數(shù)，定義為 vi,vj沿i、j方向的孔隙流速第四

15、章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程30 2.1 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的基本理論（13） 水動(dòng)力彌散理論1 二維滲流中的彌散（i，j表示x,y兩個(gè)方向）：一維滲流中（直角坐標(biāo)系中一個(gè)坐標(biāo)軸如x軸與平均流動(dòng)的方向一致時(shí)，稱x軸正方向?yàn)閺浬⒅鞣较颍Ｔ谝詘軸為彌散主軸的情況下水動(dòng)力彌散系數(shù)D（忽略Dd）31 2.2 溶質(zhì)運(yùn)移方程（1）1 多孔介質(zhì)中溶質(zhì)質(zhì)量通量包括對(duì)流和彌散兩部分：對(duì)流通量Jc：Jcv C qC (4-14) 2水動(dòng)力彌散通量： Jh= D gradC 單位時(shí)間，通過(guò)多孔介質(zhì)中任一單位面積上的溶質(zhì)的質(zhì)量通量為對(duì)流通量與水動(dòng)力彌散通量之和： J Jc Jh vC D gradC (

16、4-15)第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程32 2.2 溶質(zhì)運(yùn)移方程（3）Jh= D gradC忽略分子擴(kuò)散后：33 2.2 溶質(zhì)運(yùn)移方程（2）彌散通量：Jh= D gradC34 2.2 溶質(zhì)運(yùn)移方程（4）1 水動(dòng)力彌散方程（對(duì)流彌散方程）：由質(zhì)量守恒，在均質(zhì)各向同性的非飽和介質(zhì)中，溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程為： 2 單位體積多孔介質(zhì)中溶質(zhì)質(zhì)量隨時(shí)間的變化率質(zhì)量變化率彌散項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)源匯項(xiàng)在水動(dòng)力彌散作用下，單位時(shí)間單位體積多孔介質(zhì)中溶質(zhì)質(zhì)量的變化除對(duì)流和彌散作用外，其它各種物理化學(xué)作用所引起的單位體積多孔介質(zhì)中溶質(zhì)質(zhì)量隨時(shí)間的變化率在對(duì)流作用下，單位時(shí)間內(nèi)單位體積多孔介質(zhì)中溶質(zhì)質(zhì)量的變化第

17、四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程35 2.2 溶質(zhì)運(yùn)移方程（5）水動(dòng)力彌散方程（對(duì)流彌散方程）：在均質(zhì)各向同性的飽和介質(zhì)中，溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程為：1 單位體積 液體中溶質(zhì)質(zhì)量隨時(shí)間的變化率質(zhì)量變化率彌散項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)源匯項(xiàng)在水動(dòng)力彌散作用下，單位時(shí)間單位體積液體中溶質(zhì)質(zhì)量的變化除對(duì)流和彌散作用外，其它各種物理化學(xué)作用所引起的單位體積液體中溶質(zhì)質(zhì)量隨時(shí)間的變化率在對(duì)流作用下，單位時(shí)間內(nèi)單位體積液體中溶質(zhì)質(zhì)量的變化在直角坐標(biāo)系中，飽和介質(zhì)溶質(zhì)運(yùn)移方程可展開為： 第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程36 2.2 溶質(zhì)運(yùn)移方程（6）彌散項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)源匯項(xiàng)質(zhì)量變化率第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)

18、運(yùn)移的基本方程Jh1, Jh2, Jh3,Jc1,Jc2,Jc337 2.2 溶質(zhì)運(yùn)移方程（7）水動(dòng)力彌散方程（對(duì)流彌散方程）：應(yīng)用求和記號(hào)，飽和介質(zhì)溶質(zhì)運(yùn)移方程簡(jiǎn)化為： 1 若不考慮源匯項(xiàng)，一維飽和介質(zhì)溶質(zhì)對(duì)流彌散方程為：源匯項(xiàng)的具體表達(dá)形式： 吸附或解吸；放射性衰變；抽（注）水井等第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程38 2.3 起始條件和邊界條件1 初始條件：指在t0 時(shí)刻，研究區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的濃度分布 C(x, y, z, t)=C0(x, y, z), t = 0, (x, y, z) 2 邊界條件：指在研究區(qū)域的邊界線上溶質(zhì)濃度或濃度通量的變化情況幾種常見的一維水動(dòng)力彌散問(wèn)題的邊界條件第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程39 2.3 起始條件和邊界條件 幾種常見的邊界條件(1) 一類邊界條件：邊界x=a處溶質(zhì)濃度為已知的邊界 C(a, t)=Ca(t) (4-34) 2 二類零通量（隔水隔溶質(zhì)）邊界條件：指在邊界上水流速度和溶質(zhì)通量均為0，即第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程40 2.3 起始條件和邊界條件 幾種常見的邊界條件(2)二類邊界條件：出流條件下，外界為空氣，在邊界處濃度C和流速v與區(qū)內(nèi)相等，有: 三類入流邊界，邊界外側(cè)的水體濃度固定為Ca，因邊界處v與區(qū)內(nèi)相等，則有 第四章 地下水質(zhì)與環(huán)境2