第七章 地下水运动中的若干专门问题
§1 非饱和带的地下水运动
一、关于非饱和带水分的基本知识
1. 含水率，饱和度和田间持水量
包气带中的空隙，一部分被水充填，另一部分被空气充填。 含水率(θ)：表示单位积中水所占的体积，
式中：（V w ）0——典型单元体中水的体积；
V 0——典型单元体的体积
饱和度：岩石的空隙空间中被水占据部分所占的比例。 式中：（V 0）0——典型单元体中的空隙体积
含水率与饱和度的关系：
θ=nS w
式中：n ——孔隙度。
田间持水量：在长时间重力排水后仍然保留在土中的水量。 2. 毛管压力
毛管压强：在多孔介质的孔隙中，液体和气体接触是，二者存在压力差，这个压力差称毛管压强。用p c 表示
p c =p a -p w
式中：p a ——空气的压强；
p w ——水的压强
毛管压强取决于界面的曲率，曲率愈大（液面愈弯曲，毛管压强愈大。 以上毛管压强是以绝对压强为基准，如果以相对压强为基准，这时有：
p c =p a -p w –p a
∴ p c =-p w 毛管压强相对大气压强为负值。即，非饱和带孔隙中的水处于小于大气压
强的情况下。
非饱和带水流中任何点的水头 式中：z ——位置水头；
h c =p c /r ——毛管压力水头；
()()0
00V V S w w =
()0
V V w =
θr
p z r p z H c w -
=+
=
∴ H=z-h c
3土壤水分特征的曲线
水分特征曲线：反映毛管压力水头（或毛管压强）和土壤含水率或饱和度关系的曲线。如图：随着含水率的减少，毛管压力增加，当含水率减小到某一值时，压强继续增大时，含水率不在减小。相应的饱和度为：
影响特征曲线的因素：
（1）不同质地的土壤，其水分特征曲线不同。一般说，土壤的粘粒含量愈高。同一负压条件下土壤的含水率愈大，或者同一含水率下其负压愈高。这是因为，粘粒含量增多。使土壤中细小孔隙发育的缘故。
（2）土壤结构。如图，为一砂壤土不同干容重的水分特征曲线，在同一负压下，土壤愈密实，（大），相应的含水率一般也大。原因，土壤愈密实，大孔隙数量减少，中孔隙增多。
（3）温度的影响。温度升高，水的粘滞性下降，所以表面张力降低，在同样的负压下，含水率要低一些。
（4）土壤水分变化过程的影响。对于同一土壤，土壤脱湿（由湿变干）过程测得的水分特征曲线不同，如图，在相同的负压下，排水（脱湿）时的含水率要大于吸湿时的含水率。这种现象称为滞后现象。
（5）容水度：毛管压力水头变化一个单位时，从单位体积土中释放出的水体积。数值上等于，水分特征曲线的斜率的负倒数。
它是含水率和毛管压强的函数，可用或表示。
二、非饱和带水运动的基本方程
非饱和带地下水的运动，也可以用达西定律描述，这时的渗透系数是变化的，与含水率和毛细压力水头有关，是和的函数，其关系如图，随着含水率的增大，渗透系数增大，随毛管压力水头的减小，渗透系数增大。
在非饱和带中，定律的表达式为： 在三个坐标轴的分量为： 2 基本微分方程
第一章推的渗流连续性方程，如下：
在饱水带中，全部孔隙被水充满，等式右端用孔隙度，在非饱和带中，部分孔隙被水充
n
S w 0
0θ=
dh d C θ
-
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h K v J
K v c ?=?=或
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H
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θθ或
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满，所以用含水率取代，并两边除（近似为常数），得：
将v x 、v y 、v z 代入上式，得： 二式为非饱和流的基本方程
3 基本方程的几种形式
（1）以含水率为因变量的表达式
将H 换成θ，将H=z-h c 代入上（1）式，得：
上式进一步变换
定义K （θ）/C （θ）=D （θ）
为扩散系数，得：
对于垂向一维流动，去掉前两项，得： 轴向上取正值，轴向下取负值。
（2）以毛管压力水头为因变量得表达式： 将H=z-h c 代入（2）式，得： 代入上式：
对于垂向一维流动，去掉前两项，得：
轴向上取正值，轴向下取负值。
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§2 水动力弥散理论
用来模拟地下水中污染物和化学成分得运移过程，预测地下水污染得发展趋势。
一 水动力弥散现象及其机理
例1. 在一口井中注入一种示踪剂，示踪剂在随地下水向前流动得过程中，向外围扩散，形成一个以中心点浓度最大，向四周浓度逐渐减小的过渡带，并且随示踪剂迁移的距离增大，过渡带也越来越宽。如图（书中）
例2. 在均匀流的砂柱中，用含有示踪剂浓度为的水去替代，在砂柱另一端测量示踪剂浓度，得曲线如图（书）。水在流动过程中并非一个突变界面，而是一个过液带。这种现象称水动力弥散。
水动力弥散是机械弥散和分子扩散所引起的。 1 机械弥散
液体在多孔介质中运动的三种情况：（1）由于液体粘性的作用和结合水的摩擦阻力，使得靠近孔隙壁的水流速度趋于零。孔隙中心部位流速最大。
孔隙大小不一，造成不同孔隙之间沿轴部的最大流速有差异； （1）由于空隙的弯弯曲曲，水流方向也随之不断地改变。
由于上述三种情况，造成了地下水质点运动速度，在大小和方向上的不均一，造成了示踪剂有的运动快，有的运动慢，从而形成了上述过渡带。这种由于速度不均一所造成的这种物质运移现象称为机械弥散。
2 分子扩散
一般溶质都有由浓度高向浓度低的地方运移的性质，以求浓度趋于均一。这种由于液体
中所含溶质的浓度不均一而引起的物质运移现象叫分子扩散。 分子扩散服从定律
式中：I s ——单位时间内通过单位面积的溶质的质量；
dc/ds ——溶质在溶液中的浓度c 沿s 方向变化的浓度梯度； D d —扩散系数。
机械弥散和分子扩散是同时出现的，当流速较大时，机械弥散是主要的；当流速甚小时，分子扩散的作用就变得明显。
水动力弥散还分为沿水流方向和垂直与水流方向的弥散，沿水流方向的弥散称纵向弥散，垂直水流方向的弥散称横向弥散。
二 水动力弥散系数
分子扩散服从定律：
式中：D ″——为分子扩散系数；
I ″——为由于分子扩散在单位时间内通过单位面积的溶质质量。
机械弥散也服从定律：
式中：D ′——为机械扩散系数；
I ′——为由于机械扩散在单位时间内通过单位面积的溶质质量。
由于水动力弥散是分子弥散和机械扩散共同作用的，定义水动力弥散系数：
ds
dc D I d
s -=ds
dc D I '
'-=''ds
dc D I '
-='
水动力弥散定律如下：
式中：I ——单位时间内通过面积的溶质质量；
D ——水动力弥散系数；
Dc/ds ——浓度梯度。
如果我们取方向与流速方向一致，轴和轴与流速方向垂直，上式可用下式表示：
三 对流弥散方程及其定解条件
如图，以渗流区内任一点为中心，取一无限小的六面体单元，各边长为Δx 、Δy 、Δz ，选择x 轴与P 点处的平均流速方向一致。（即纵向弥散方向为轴方向）
在对流弥散问题中，包括两个子问题：其一，溶质随地下水的流动或流出单元体；其二，溶质通过自身的弥散流入或流出单元体。
水动力弥散引起的物质运移：
设，沿轴方向溶质的质量变化率为dI x /dx ，如果假设I x 为在abcd 面上，单位时间内通过单位面积溶质的质量，那么，时间内通过面流入单元体的溶质质量为：I x nΔyΔzΔt
因为沿轴方向溶质的质量变化率为dI x /dx ，所经距离Δx 后，变化了（dI x /dx ）Δx ，所
以，Δt 时间内，通过a ′b ′c ′d ′面流出单元体的溶质质量为：
所以，沿x 轴方向流入与流出单元体的溶质质量差为：
同理，沿y 轴方向和z 轴方向流入与流出单元体的溶质质量差为：
所以，通过弥散单元体内溶质质量的变化为： 随地下水流的物质运移： 设沿x 轴方向，在abcd 面地下水的流速为v x ，则单位时间通过abcd 面单位面积流入单元体的水量为v x ×1×1，流入的溶质质量为v x ×c ：（为溶质的浓度），那么，在Δt 时间内流入abcd 面溶质量为：
v x cΔyΔzΔt
D D D ''+'=ds
dc
D
I -=dz
dc D I dy dc D I dx dc D I zz
z yy y xx x -=-=-=t z y n x x I I x x ?????
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设沿方向，通过单位面积溶质质量的变化率为： 经Δx 距离的变化量为：
在a ′b ′c ′d ′面，单位时间单位面积流出单元体的溶质质量为：
在Δt 时间内流出面的溶质质量为：
所以，沿轴方向流入与流出单元体的溶质的质量差为：
同理，沿轴和轴方向流入与流出单元体的溶质质量差为：
所以，随地下水流流入与流出单元体的溶质质量差为： Δt 时间内，流入和流出单元体总的溶质质量差为：
另外，设单元体内溶质浓度随时间的变化率为dc/dt ，那么，Δt 时间内单元体内体积溶质浓度变化量为：
所以，Δt 时间内单元体内溶质质量变化量为：
()x c v x ??()x
x
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上述二量应相等，并消去Δx Δy Δz Δt ，得： 代入上式，并两边同除以，则得： 式中，u ——实际流速。
上式为对流弥散方程。
如果，有其它源汇项时，并设单位时间单位体积含水层内由源汇引起的溶质质量的变化量为f 。在上式的左边加一项f 即可。
关于溶质运移的数学模型除微分方程外，还应有定解条件： 初始条件：初始时刻的浓度分布。表达式如下：
C(x ，y ，z ，0)= C 0(x ，y ，z)
边界条件：有两类。
一类是已知浓度的边界条件，表示如下： 式中：Γ1——表示一类边界。
另一类是通量边界，即单位时间内通过单位边界面积的溶质质量已知。如： 隔水边界：
补给边界：
所以，要确定一个水动力弥散问题的解，即求得浓度的分布，要给出下列信息：（1）微分方程；（2）研究空间区域和时间区域；（3）研究区域水头场的分布；（4）有关参数，如弥散度和等；（4）定解条件。
四 一维弥散问题解
设投放示踪剂前，含含水层中示踪剂的浓度为0，然后在河渠中连续注入浓度为C 0的示踪剂。在均匀流情况下，u x =u 为常数
（1）数学模型：
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2
=??Γs
c ()
t C s c nD vc L =?
?
? ??
??-Γ2
定解问题的解： 其中 当
时，上解可近似为：
（2）利用实验资料求纵向弥散系数
有一个观测孔时，观测孔距河渠距高已知，在观孔中可测得不同时刻的，从而可求得。 求参步骤：
① 据实验资料作C i /C 0—t 关系曲线，如图
② 在图上找出C i /C 0为0.84和0.16二点，并读出其横坐标t 0.84和t 0.16。③ 代入下
式求纵向弥散系数
式中：u ——地下水实际流速
§3 海岸带含水层中的咸淡水界面
天然条件下，在海岸带含水层中的地下水一般是流向海的，由于海水比淡水的比重大，海水体将位于淡水体的下方，是楔型，如图。处于平衡状态。
当在海岸边抽取淡水时，这时淡水的水位下降，打破了原来的平衡，引起海水向内陆的入侵，以达到新的平衡，这时界面向陆地推进。该现象为海水入侵。
海水与淡水是可以溶混的，由于水动力弥散，在海水与淡水之间形成了一个过渡带，在过渡带中地下水的矿化度由小变大，直到海水矿化度。
过渡带的宽度在不同的地区，其宽度不同，当其宽度较小，且与含水层的厚度相比较小时，可以以为海水与淡水之间是一突变界面；否则宽度较宽时，则作为水动力弥散问题加以研究。
一 作突变界面处理静止界面的近似解
当淡水和海水处于一种平衡状态时，界面是静止的，如图，假设淡水的容重为r f ，海水的容重为r s 。
在界面上的点，受海水的压力为：γs h s
在界面上的点，受到淡水的压力为：γf （h s +h f ）
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此二压力应相等：γf （h s +h f ）= γs h s 解得： 令 则：
h s =δh f
一般海水密度为 1.025g/cm 3，容重γs =10045N/m 3，淡水密度为 1.000g/cm 3，容重γ
s =9800N/m 3
。代入可求得：δ=40 ∴ h s =40h f
说明：在离海岸任一距离上，稳定界面在海面以下得深度为该处 淡水高出海面得倍。 以上仅是一种近似解法。
二 确定界面的形状及海水入侵的范围
（一） 厚度固定的水平承压含水层中的界面问题 水流是稳定流，如图，设，原点位于坡脚（点），x 轴的正向指向海。含水层厚度为M ，承压水头为H ，假设地下水为水平流，忽略垂向分速度。由Darcy 定律，有：
K=K f （K f 含水层中淡水的渗透系数） H=H f （H f 含水层中淡水的水头） 由前面知，h s =d+h(x) ∵ h s =δH
∴ d+h (x)= δH
两边对求导，得：（与无关） 代入上式得： 对上式整理得：
两边积分得：
当x=0时，h(x)=M ，代入上式得：
f
f
s f
s h h ?-=
γγγ
f
s f
γ
γγ
δ-=
()
dx
dH x h K q f -=0()
dx
x dh dx
dH δ1=
()()
()
10dx
x dh x Kh q δ-
=()()
x dh x h K
dx q δ
-
=0()C
x h
K x q +-
=2
02
1
δ2
2M
K C δ
=
代入上式得：
上式表明界面得形状是一条抛物线。利用此式可确定X 处的h （x ）。
另外，由d+h (x)=δH 得：
h (x)=δH-d
代入（1）式得：
两边积分，得：
当x=0时，H=H 0，代入上式，得：
代入，得：
此式表明承压水含水层淡水的水头面的形状也是一条抛物线。
当x=L 时，h=0，这时d+h=d=δH
∴ H=d /δ
代入上式，得：
此式表示出海水入侵深度与流向海的淡水流量q 0和界面坡脚以上测压水头H 0之间的关系。
又∵ 在x=0处，有d+M=Δh 0，代入上式，得：
此式中，均为常数，所以等式的右端为常数，这样可得出：与是反比。当增大时，减小。
（二） 潜水含水层中的界面问题
含水层上部有均匀入渗补给，水流是稳定流，且假设水流为水平流动。如图。处的单宽流量为：
前面得出了h=δh f
[]
dx
dH d H K q --=δ0[]C dH H K x +-=2
δ[]dH d H K dx q --=δ0?
?
????-=02
02dH H K C δ?
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--???
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δδ
δd H Kd d H K l q 02
22002
(
)
()
H
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02
2002
δ()()()
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δδδδδδ22222
22222
2
2
2
2
2
2
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KM
Kd
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KH Kd d M d KH l q +
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-+=+-=
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??+-=+0()[
]
δ
22
2
0x h
M
K x q -=
代入上式，得：
分离变量，得： 两边积分得：
当x=0时，h f =H 0，代入上式得：
则：
此式表明：界面形状为一条椭圆线。
当x=L 时，h f =0，有：
此式表示与的关系。即越大，越小，所以，可以通过控制来控制海水入侵的范围。
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地下水污染来源及污染原因分析 【摘要】地下水是人类生产生活所必要的水资源的重要组成部分，是人类赖以生活的物质基础。近年来，随着社会经济的快速发展以及人类生活水平的提高，生活垃圾、生活污水及其工业生产排放的污染物的种类和数量不断增加，地下水资源遭到了前所未有的重大危机。俗话说得好“治病要治根”，因此，为了合理开发利用和保护地下水资源，我们必须搞清楚地下水的污染原因和污染物的来源。【关键词】地下水；污染源；防治 1 地下水污染 地下水污染主要是指人类活动引起地下水化学成分、物理性质和生物学特性发生改变而是质量下降的现象。由于污染物的种类众多，数量较大，地下水污染的治理成本非常高，并且效果也不是太好。因此，治理地下水的关键是从污染源头出发，减少地下水污染源的排放，加强地下水污染源的治理和降解工作。 2地下水污染原因分析 地下水污染的原因分为自然和人为两大部分，但最有破坏力的还是人为原因所造成的地下水成分改变和质量下降。具体总结为以下几个方面： ①地下水大都存在于岩石孔隙中，随着地震等大型地质活动的发生，使得土壤、岩石成分渗漏至地下水，造成地下水污染； ②人类对地下水不合理的开采和利用，导致海水入侵和倒灌，造成淡水层变咸及其受到其他海水物质的污染； ③工业废水、生活污水等的直接排放或者未经过严格处理排放至水体，受污染的地表水渗透入侵到地下含水层中； ④受生活垃圾、工业残渣、人类粪便、农药等污染物污染的水渗入地下，造成地下水的污染； ⑤大气污染物、酸雨等污染地下水、造成水体酸化。 3 地下水污染源分析 由于水体循环过程的复杂性和污染途径的多样性，地下水污染源的类型也及其复杂多样。地下水按照污染源的行业类型及其排放物的种类，可将地下水污染源分为以下几类：
第七章地下水资源评价 第一节概述 “地下水资源”指有利用价值的、本身又具有不断更替能力的各种地下水量的总称，它属于地球整个水资源的一部分。地下水有利用价值必定包括水质和水量两个方面，地下水能够构成资源首先是因为它有利用价值，这是由质来决定的；而其来源多少则是由量来体现。所谓地下水资源评价主要指在水质评价的前提下对水量的评价。 地下水资源评价是供水水文地质勘察的根本性任务，它要求在一定的天然及人工条件下，对地下水水量及水质作出定量评价。其中主要解决两个问题，即符合给定水质条件下的允许开采量和补给的保证程度。 地下水资源评价具体内容包括下列几个方面： 1．地下水水质评价：即根据不同用户的要求，是否会产生严重恶化等方面的预测。 2．地下水量评价：根据水文地质条件和拟订的需水量，确定开采方案及开采量；并应探讨其补给保正程度以及是否需要进行人工补给等。 3．开采技术条件的评价：主要指开采期内水位下降值是否会超过技术允许的范围；地下水对取水构筑物是否可能出现腐蚀作用以及水井可能的使用年限等。 4．评价开采地下水时可能产生的影响：如对邻近现有的取水工程、其它水利工程经济效益的干扰和地面沉降等。 5．开采时是否需要特殊的地下水资源保护措施(包括水源地卫生防护措施)。 第二节地下水资源的组成 一、地下水资源分类 地下水资源分类的目的不仅仅是为了进一步弄清地下水资源的一些基本概念，更重要的是使分类能客观地反映地下水资源形成的基本规律以及它的经济意义，便于我们在实践中对它进行研究和定量评价。正确地进行地下水资源分类，对供水水文地质勘测、试验和长期观察工作有直接的指导意义，同时也是地下水资源评价的基础理论之一。为此，长期以来国内外不少学者对地下水资源分类进行了不少研究，提出了各种各样分类方案。下面就国内外常见的地下水资源分类作一些简要介绍。 （一）国外地下水资源分类 1．前苏联普洛特尼柯夫储量分类 普氏分类将地下水储量分成静储量、调节储量、动储量和开采储量四大类。前三者合称为天然储量，它表示天然状态下含水层中未经取水设备扰动的地下水总量。 （1）静储量：一般指储存于地下水最低水位以下含水层中的重力水的体积。亦即当含水层全部疏干后所能获得的地下水量，数值上等于含水层的体积与给水度的乘积。 hF = Qμ (7-1) ) (静 式中：μ为含水层的给水度；h为最低地下水位以下的含水层平均厚度；F为含水层的分布面积。 （2）调节储量：指存在于地下水位年变动带（即年最高水位与最低水位之间）内的含水层中重力水的体积，亦即疏干该带时所获得的地下水量。 Q? =μ hF (7-2) (调 ) ?为地下水位的年变幅；其余符号同前。 式中：h （3）动储量：指通过含水层某一横断面上的地下水天然流量。
第七章地下水的补给与排泄 补给：recharge 径流：runoff 排泄：discharge 补给、径流、排泄是地下水参与自然界水循环的重要环节。 7．1 地下水的补给 补给––––含水层或含水系统从外界获得水量的过程。 1．大气降水（precipitation） 入渗机理： 1）活塞式下渗（piston type infiltration）→Green–Ampt模型：求地表处的入渗率（稳定时v→K）（P49,公式5–14；P65，图7–3），累积入渗量。 2）捷径式下渗（short-circuit type infiltration），或优势流（preferential flow）。 降水→地下水储量增加→地下水位抬高→势能增加。 降水转化为3种类型的水： ①地表水，地表径流（一般降水的10 ~ 20%产生为地表径流）； ②土壤水，腾发返回大气圈（一般大于50%的降水转为土壤水，华北平原有70%的降 水转化为土壤水）； ③地下水，下渗补给含水层（一般20 ~ 30%降水渗入地下进入含水层）。 渗入地面以下的水： ①滞留于包气带→土壤水，通过腾发ET（evapotranspiration）→返回大气圈； ②其余下渗补给含水层→地下水。 因此，落到地面的降水归结为三个去向：（1）地表径流；（2）土壤水（腾发返回大气圈）；（3）下渗补给含水层。 入渗补给地下水的水量： q x=X-D-?S
式中：q x ––––降水入渗补给含水层的量； X ––––年降水总量； D ––––地表径流量； ?S ––––包气带水分滞留量。 单位：mm 水柱。 降水入渗系数（α）––––补给地下水的量与降水总量之比。 X q x =α （小数或%表示） 一般α =0.2 ~ 0.5。 定量计算（入渗系数法）：Q=α·X ·F （注意单位统一，X ：mm/a ，F ：km 2，Q ：m 3/a ） 影响降水入渗补给的因素： ① 降水量大小：雨量大，α大；雨量小，α小； ② 降水强度：间歇性的小雨，构不成对地下水的有效补给（如华北平原，一次降水 <10mm 的为无效降雨）；连绵小雨有利于补给；集中暴雨→一部分转化为地表径流→不利于补给； ③ 包气带岩性：K 大，有利于入渗；K 小，不利于入渗； ④ 包气带厚度：厚，入渗量小，河北平原存在“最佳埋深”，一般4 ~ 6m ，地下水位 在“最佳埋深”时，入渗补给量最大，入渗系数α也最大； ⑤ 降雨前期土壤含水量：含水量高，有利于补给；含水量低，不利于补给； ⑥ 地形地貌：坡度大→地表径流量大→不利于补给；地势平缓，有利于补给； ⑦ 植被覆盖情况：植被发育，有利于拦蓄雨水和入渗；但浓密的植被，尤其是农作物，蒸腾量大，消耗的土壤水分多，不利于补给。 2．地表水 地表水对地下水的补给： 1）山区：一般排泄地下水（河水位低于地下水位，地下水补给河水），洪水期：补给地下 水； 2）山前：常年补给地下水（河水位高于地下水位）； 3）平原：河水补给地下水（“地上河”）。 影响因素：① 河床的透水性；② 水位差（河水与地下水）。 定量计算： ① 达西定律：q x =K ωI ； ② 测定上、下游河流断面的流量（断面测流）：q x =Q 上-Q 下。 大气降水、地表水是地下水的两种主要补给来源。其特点： 1）从空间分布上看：大气水属于面状补给，范围大且均匀； 地表水（河流）为线状补给，局限于地表水体周边。 2）从时间分布上看：大气降水持续时间较短； 地表水（河流）持续时间较长，是经常性的； 简而言之：大气降水：面状补给，持续时间短； 地表水：线状补给，经常性的，持续时间较长。 条件变化的影响： 地下水开采以后，由于水位的下降，水文地质条件的变化，大气降水、地表水的补给强度也要发生变化。地下水位下降后，由于包气带的加厚，降水补给量有可能减少；地表水与地下水水头差的加大，地表水的补给量有可能增大。
地下水有机污染调查与评估 姓名:王学良学号：110924 专业：自动化成绩; （北京石油化工科学院自动化系，北京102617） 摘要：随着经济的发展，人们生活中制造的垃圾也急剧提升，从最原始的灰尘到白色污染的塑料和生活中的废弃物，都是越来越多。在我国主要城市，其中有机污染物的占有率更是越来越多，那么对这些有机物污染的处理问题与技术也是越来越迫在眉睫，在当今社会，对有机污染物的处理技术到底处于何种间断，这是我们这里需要讨论和研究的重点。，采用一些技术进行评价，并对不同方法评价和评价结果进行分析，同时，提高全社会的科技意识，环保意识和参与意识，这样才是提高资源综合利用水平的途径。本文主要论述地下水有机污染的状况，和对地下水的有机污染物的影响地下水有机污染物迁移转化的作用和因素、地下水有机污染自然衰减和主动修复技术等进行了讨论。 关键词：地下水；有机污染；技术评估 一、地下水有机污染的来源与状况 人类在生产实践活动中对有机物的不合理排放及不适当处理，导致其进入地质环境，造成地下水的有机污染。近年来，由于我国城市急剧扩张，导致城市污水排放量的大幅增加，由于管网建设相对滞后、维护保养不及时，管网漏损导致污水外渗，部分进入地下水体；雨污分流不彻底，汛期污水随雨水溢流，造成地下水污染。 部分行业威胁地下水环境安全，2009 年全国5亿多吨生活与工业有机废物未得到有效综合利用或处置，生活有机废气液体渗漏污染地下水事件时有发生；石油化工行业勘探、开采及生产等活动显著影响地下水水质，加油站渗漏污染地下水问题日益显现；部分工业企业通过渗井、渗坑和裂隙排放、倾倒工业废水，造成地下水污染；部分地下水工程设施及活动止水措施不完善，导致地表污水直接污染含水层，以及不同含水层之间交叉污染。 在国内，地表水污染对地下水影响日益加重，特别是在黄河、辽河、海河及太湖等地表水污染较严重地区，因地表水与地下水相互连通，地下水污染十分严重。部分沿海地区地下水超采，破坏了海岸带含水层中淡水和咸水的平衡，引起了沿海地区地下水的海水入侵。 在国外，据已有调查资料，美国的50个州均有微量有机物的报道，且污染物的种类很多，远远大于无机污染物的种类。1987年美国地下水中已发现了175种有机化合。从统计数据来看，三氯乙烯和四氯乙烯是地下水中检出率很高的有机污染物。日本东京的地下水中于1974年首次发现有"ICE存在。随后的调查表
地下水与土壤污染防治措施： （1）源头上控制对土壤及地下水的污染。 企业应从设计、管理中防止和减少污染物料的跑，冒，滴，漏而采取的各种措施，主要措施包括工艺、管道、设备、土建、给排水、总图布置等防止污染物泄露的措施。在处理或贮存化学品的所有区域设置防渗漏的地基并设置围堰，以确保任何物质的冒溢均能被回收，从而防止土壤和地下水环境污染。 设计强酸或强碱操作的区域的地基、地面、围墙、排水沟均通过耐酸碱混凝土或耐酸碱胶泥或花岗岩处理；其他操作区域的地基、地面均铺设防渗漏地基。严格按照化工环境保护设计规范设计施工。设计化学物质的输送管线均设置在地面上，不设地下贮罐。地下集水池经过酸性防腐和防渗漏处理。 企业危险废物临时堆场设置应符合《危险废物贮存污染控制标准》（GB18597-2001）要求，固废临时堆场应采取防雨淋、防扬散、防渗漏、防流失等措施，以免对地下水和土壤造成污染。 企业与污水集中处理厂的危险废物仓库应安装视频监控设施，并与产业园监控中心及地方环保主管部门联网。 （2）地下水污染监控 建立企业地下水环境监控体系，包括建立地下水监控制度和环境管理体系、制定监测计划、配备必要的检测仪器和设备，以便及时发现问题，及时采取措施。要求企业在运行期严格管理，加强巡检，及时发现污染物泄漏；一旦出现泄漏及时处理，检查检修设备，将污染物泄漏的环境风险事故降到最低。 （3）应急预案及应急处置 建立企业污染事故应急预案，当发生异常情况时，按照装置制定的环境事故应急预案，启动应急预案。在第一时间内尽快上报主管领导，启动周围
社会预案，密切关注地下水水质变化情况。组织装专业队伍负责查找环境事故发生地点，分析事故原因，尽量将紧急时间局部化，如可能应予以消除。对事故现场进行调查，监测，处理，对事故后果进行评估，采取紧急措施制止事故的扩散，扩大，并制定防止类似事件发生的措施。 事件诱因：因人为因素导致某种物质（废气中的污染物质、废水中污染物质、固体废物中的污染物或其渗透液）进入陆地表层土壤，引起土壤化学、物理、生物等方面特性的改变，影响土壤功能和有效利用，危害公众健康或者破坏生态环境的现象 事件类型： 1、大气污染物通过干、湿沉降过程污染水体和土壤； 2、工业废水、生活污水对水体和土壤的污染； 3、固体废物堆积、掩埋等处理污染水体和土壤； 4、企业使用的原辅材料发生泄漏处理不当污染水体和土壤。 对人体健康的影响： 1、重金属污染的危害：土壤中重金属或类金属污染对居民的危害通过农作物和水进入人体；（痛痛病） 2、农药污染的危害：农业生产中大量使用农药，首先使土壤受到污染，通过食物链进入人体，可引起急、慢性中毒极致突变、致癌和致畸作用； 3、生物性污染：是当前土壤污染的重要危害，影响面广，可引起肠道传染病和寄生虫病；可引起钩端螺旋体病、炭疽病、破伤风及肉毒中毒等。 对环境的影响： 地下水与土壤污染是具有隐蔽性和潜伏性、不可逆性和长期性两大特点。地下水与土壤污染是长期积累的过程，危害也是持续的、具有积累性的；使地下水与土壤质量下降，造成污染，影响动植物的生长、大气环境质量和危害人体健康。
第五章地下水的结构与运动 ? ●地下水系统的组成与结构 ●地下水类型 ●地下水的补给与排泄 ●地下水运动 ●地下水的动态与平衡 §5.1 地下水系统的组成与结构 ?地下水的贮存空间 ?地下水流系统 ?地下水系统垂向结构 地下水是存在于地表以下岩(土)层空隙中的各种不同形式水的统称。 一、地下水的贮存空间 1.含水介质、含水层和隔水层 通常把既能透水，又饱含水的多孔介质称为含水介质，这是地下水存在的首要条件。所谓含水层是指贮存有地下水，并在自然状态或人为条件下，能够流出地下水来的岩体。对于那些虽然含水，但几乎不透水或透水能力很弱的岩体，称为隔水层。 2.含水介质的空隙性与水理性 含水介质的空隙性：裂隙率(KT)、岩溶率(Kk)与孔隙率(n) 。含水介质的水理性质：与水分的贮容、运移有关的岩石性质称为含水介质的水理性质，包括岩土的容水性、持水性、给水性、贮水性、透水性及毛细性等。 3.蓄水构造 指由透水岩层与隔水层相互结合而构成的能够富集和贮存地下水的地质构造体。主要有：单斜蓄水结构、背斜蓄水结构、向斜蓄水结构、断裂型蓄水结构、岩溶型蓄水结构等。 二、地下水流系统 地下水虽然埋藏于地下，难以用肉眼观察，但它象地表上河流湖泊一样，存在集水区域，在同一集水区域内的地下水流，构成相对独立的地下水流系统。
1.地下水流系统的基本特征 在一定的水文地质条件下，汇集于某一排泄区的全部水流，自成一个相对独立的地下水流系统，又称地下水流动系。与地表水系相比较具有如下的特征:空间上的立体性；流线组合的复杂性和不稳定性；流动方向上的下降与上升的并存性；区域范围一般比较小。 2.地下水域 地下水流系统的集水区域，为立体的集水空间。地下水域范围变化快，在地表上均存在相应的补给区与排泄区. 三、地下水系统垂向结构 1.地下水垂向层次结构的基本模式 包气带：土壤水带、中间过渡带及毛细水带等3个亚带；存在结合水(包括吸湿水和薄膜水)和毛管水； 饱和水带：潜水带和承压水带两个亚带；存在重力水(包括潜水和承压水)。 2.地下水不同层次的力学结构 分子力、毛细力和重力。 3.地下水体系作用势 重力势、静水压势、渗透压势、吸附势等分势组合为总水势。 §5.2 地下水类型 ?地下水基本类型的划分 ?包气带水 ?饱水带水(潜水和承压水) ?空隙水(孔隙水、裂隙水和岩溶水) 一、地下水基本类型的划分
地下水污染处理技术方法系统介绍随着工业生产的高速发展，我国地下水污染的问题日益突出，地下水污染所带来的对环境和经济发展的影响也日趋显露。因此，加强对地下水污染的治理和相应技术的开发就成为一种迫切的需要。客观上讲，我国目前在地下水污染调查及地下水污染物迁移转化模式方面做了不少基础性工作，但在具体的地下水污染治理技术方面做的工作却不多，而国外，尤其是欧美国家自20世纪70年代以来在地下水点源污染治理方面取得了很大的进展，且逐渐发展形成较为系统的地下水污染治理技术。地下水污染治理技术归纳起来主要有：物理处理法、水动力控制法、抽出处理法、原位处理法。 1.1物理法 物理法是用物理的手段对受污染地下水进行治理的一种方法，概括起来又可分为： ①屏蔽法 该法是在地下建立各种物理屏障，将受污染水体圈闭起来，以防止污染物进一步扩散蔓延。常用的灰浆帷幕法是用压力向地下灌注灰浆，在受污染水体周围形成一道帷幕，从而将受污染水体圈闭起来。其他的物理屏障法还有泥浆阻水墙、振动桩阻水墙、板桩阻水墙、块状置换、膜和合成材料帷幕圈闭法等，原理都与灰浆帷幕法相似。总的来说，物理屏蔽法只有在处理小范围的剧毒、难降解污染物时才可考虑作为一种永久性的封闭方法，多数情况下，它只是在地下水污染治理的初期，被用作一种临时性的控制方法。 ②被动收集法 该法是在地下水流的下游挖一条足够深的沟道，在沟内布置收集系统，将水面漂浮的污染物质如油类污染物等收集起来，或将所有受污染地下水收集起来以便处理的一种方法。被动收集法一般在处理轻质污染物(如油类等)时比较有效，它在美国治理地下水油污染时得到过广泛的应用。 1.2水动力控制法 水动力控制法是利用井群系统，通过抽水或向含水层注水，人为地改变地下水的水力梯度，从而将受污染水体与清洁水体分隔开来。根据井群系统布置方式的不同，水力控制法又可分为上游分水岭法和下游分水岭法。上游分水岭法是在受污染水体的上游布置一排注水井，通过注水井向含水层注入清水，使得在该注水井处形成一地下分水岭，从而阻止上游清洁水体向下补给已被污染水体；同时，在下游布置一排抽水井将受污染水体抽出处理。而下游分水岭法则是在受污染水体下游布置一排注水井注水，在下游形成一分水岭以阻止污染羽流向下游扩散，同时在上游布置一排抽水井，抽出清洁水并送到下游注入。同样，水动力控制法一般也用作一种临时性的控制方法，在地下水污染治理的初期用于防止污染物的扩散蔓
第七章 地下水的化学组分及其演变 7．1 概 述 地下水不是化学纯的H 2O ，而是一种复杂的溶液。 天然： 人为：人类活动对地下水化学成分产生影响。 地下水的化学成分是地下水与环境、以及人类活动长期相互作用的产物。一个地区地下水的化学面貌，反映了该地区地下水的历史演变。 水是最为常见的良好溶剂，可溶解、搬运岩土中的某些组分。水是地球中元素迁移富集的载体。 利用地下水，各种行业对水质都有一定的要求→进行水质评价。 7．2 地下水的化学特征 1．地下水中主要气体成分 O 2 、N 2 、CO 2 、CH 4 、H 2S 等。 1）O 2 、N 2 地下水中的O 2 、N 2主要来源于大气。地下水中的O 2含量多→说明地下水处于氧化环境。在较封闭的环境中O 2耗尽，只留下N 2，通常说明地下水起源于大气，并处于还原环境。 2）H 2S 、甲烷（CH 4） 地下水中出现H 2S 、CH 4 ，其意义恰好与出现O 2相反，说明→处于还原的地球化学环境。 3）CO 2 CO 2主要来源于土壤。化石燃料（煤、石油、天然气）→CO 2（温室气体）→温室效应→全球变暖。 地下水中含CO 2愈多，其溶解碳酸盐岩的能力便愈强。 2．地下水中主要离子成分 7大离子：Cl -、SO 42-、HCO 3- 、Na +、K +、Ca 2+、Mg 2+。 低矿化水中（M<1 ~ 2g/L ）：HCO 3- 、Ca 2+、Mg 2+为主（难溶物质为主）； 发生化学反应 岩石圈水圈 交换化学成分
中矿化水中（M=2 ~ 5g/L ）：SO 42- 、Na +、Ca 2+为主； 高矿化水中（M>5g/L ）：Cl - 、Na +为主（易溶物质为主）。 造成这种现象的主要原因是水中盐类溶解度的不同： 溶解性总固体(total dissolved solids)：溶解性总固体是指溶解在水中的无机盐和有机物 的总称(不包括悬浮物和溶解气体等非固体组分)，用缩略词TDS １）Cl - 主要出现在高矿化水中，可达几g/L ~ 100g/L 以上。 来源： ① 来自沉积岩氯化物的溶解； ② 来自岩浆岩中含氯矿物的风化溶解； ③ 来自海水； ④ 来自火山喷发物的溶滤； ⑤ 人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量Cl - ，因此居民点附近矿化度不高的 地下水中，如Cl - 含量超过寻常，则说明很可能已受到污染。 特点： ① Cl - 不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面所吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子； ② Cl -含量随着矿化度增长而不断增加，Cl - 的含量常可用来说明地下水的矿化程度。 2）SO 42- 中等矿化的地下水中，SO 42- 为主要阴离子。 来源： ① 含石膏（CaSO 4·2H 2O ）或其它硫酸盐的沉积岩的溶解； ② 硫化物的氧化： 2FeS 2+7O 2+2H 2O →2FeSO 4+4H ++2SO 42- （黄铁矿） 注意： ① 由于煤系地层（C –P ）常含有很多黄铁矿（硫铁矿），因此流经这类地层的地下水 往往以SO 42- 为主； ② 金属硫化物矿床附近的地下水中常含有大量的SO 42- ； ③ 煤的燃烧产生大量SO 2，与大气中的水汽结合形成含硫酸的降雨→酸雨，从而使 地下水中SO 42- 增加； ④ 在我国能源消耗中，煤占70%以上，我国每年向大气排放的SO 2已达1800?104t 之 多，因此，地下水中SO 42- 的这一来源不容忽视。 ３）HCO 3- 低矿化水的主要阴离子。 来源： ① 含碳酸盐的沉积盐（石灰岩、白云岩）与变质岩（大理盐）： 碳酸盐溶 解 度 矿 化 度 小 低 H C O 3 -S O 4 2-C l -大 高 硫酸盐氯盐
1 地下水污染及其特点 1.1基本概念 凡是在人类活动影响下,地下水水质朝着恶化方向发展的现象。地下水污染源可分为人为污染源和天然污染源两大类。地下水污染物是指:凡是人类活动导致进入地下水环境,会引起水质恶化的溶解物或悬浮物,无论其浓度是否使水质恶化达到影响其使用的程度。按其性质可分为3类: 化学污染物、生物污染物和放射性污染物。按其形态又分为液体污染物和固体污染物两大类。地下水污染途径是指污染物从污染源进入地下水所经过的路径。研究地下水的污染途径有助于制订正确的防治地下水污染的措施。按照水力学特点可分为4类:间歇入渗型、连续入渗型、越流型和径流型。 1.2地下水污染的特点 一般而言,地下水由于贮存于地下含水介质中,不易被污染。一方面,包气带具有过滤屏障作用, 可将进入地下的有害物质优先过滤掉;另一方面,污染物在进入地下水沿途易被土壤、岩石及水体中的微生物降解而成无害的物质,因而地下水的污染常被人们忽视。但是,由于环境容量的有限性, 污染物进入地下水系统超出其自净能力时, 将会对地下水造成一定污染。地下水一旦被污染, 很难被及早发现, 其后果莫测。地下水污染具有如下特点。 (1)不确定性,由于地下水含水介质的差异性和复杂性,决定了地下水污染范围的不确定性。地下水一旦被污染,其范围很难准确圈定。 (2)隐蔽性。地下水一旦被污染, 很难被发现,不像地表水污染直观明显而易于监测,因而常不会引起人们的关注。 (3)延时性。地下水污染早期不易被觉察,待人们发觉水质有明显变异特征时,才确定地下水已被污染或严重污染。 (4)广泛性。由于地下水是处于不断运移和循环中,经历着补给、径流、排泄各个途径,在地质环境复杂的体系中,各个水力系统又有着密切的水力联系,从而决定了地下水污染范围的广泛性。而地表水污染仅局限于水体所流经或贮存的有限空间内。 (5)不可还原性。地下水运移于含水介质中,由于受含水介质差异性、空隙、裂隙系统的限制,使地下水的运移速率极其缓慢,地下水在含水系统中的循环周期也相当长(几年、几十年、几百年),从而决定了污染地下水体在地下滞留时间亦长,使污染的地下水在近期内很难得以彻底修复还原。而地表水循环流动迅速,只要排除污染源,并加以一定的改善措施,水质还是能在短期内得到改善、净化的。
《地下水污染修复技术》 地下水污染修复技术 论文题目 环境工程 系部 环境工程11级 专业班级 姓名 学号 指导教师 二○一四年十二月二十八日
目录 地下水污染修复技术 (3) 地下水污染 (3) 地下水污染修复 (3) 地下水污染修复技术 (3) 抽出------处理技术 (4) 生物修复技术 (5) 反应渗透墙修复技术 (6)
地下水污染修复技术 摘要：文章主要论述了几种主要的地下水污染修复技术，比如，抽出------处理技术，生物修复技术，反应渗透墙修复技术等。 关键字：地下水污染修复，抽出------处理技术，生物修复技术，反应渗透墙技术 地下水污染 地下水是水环境系统的一个重要组成部分，是人类赖以生存的物质基础条件之一。地下水污染（ground water pollution）主要指人类活动引起地下水化学成分、物理性质和生物学特性发生改变而使质量下降的现象。地表以下地层复杂，地下水流动极其缓慢，因此，地下水污染具有过程缓慢、不易发现和难以治理的特点。地下水一旦受到污染，即使彻底消除其污染源，也得十几年，甚至几十年才能使水质复原。至于要进行人工的地下含水层的更新，问题就更复杂了。 我国存在大量的地下水污染场地，给地下水资源的使用带来了严重威胁。将地下水污染场地划分为4大类，15个亚类，为制定不同地下水污染场地的管理、控制和修复规定提供了依据；对地下水污染防治规划的内容和方法技术进行了论述。提出了建立地下水污染的预警系统，为污染的预防奠定基础；介绍了地下水污染的控制与修复技术，并对地下水污染防控和治理的基本原则进行了探讨。 地下水污染修复 广义上看，地下水污染修复，地下水污染控制及地下水污染预防是人类处理污染的三种方式。地下水污染预防是指从源头上使用不至于产生污染的理想设施或环境友好材料的污染处理方式；地下水污染控制是指人类在生产、生活中产生的污染，在污染物被释放到环境之前，捕获或改变污染物的结构形态，达到净化目的的污染处理方式；地下水污染修复是指人类在生产、生活中产生的污染，先释放到环境，然后再实施净化的污染处理方式。地下水修复代价及其昂贵。 地下水污染修复技术 第一类是最简单、最便宜的修复方法，即自然修复法或称被动修复法，其依赖于自然的过程作用，包括生物降解、挥发和吸附。 自然修复的机制很复杂，而且重要的物理化学特征极其多变。 第二类最简单的应用型修复技术是挖出土壤并将其运往适宜场所处理的技术。 第三类地下水主要修复技术包括地下水的抽出------处理系统和土壤的气相抽提系统等。总的来说，最常见的地下水修复系统是抽出------处理系统。污染的地下水通过生产井得到修复。在地表使用吹脱、活性炭吸附、生物处理或其他方法来处理废水。若存在碳氢化合物，则可能需要油水分离器。通过注射井或由表面排水处置过的废水可能会再次回到含水层。已有经验表明对于地下水污染物的去除，抽出------处理系统效果明显。然而这种修复方法，代
第五章地下水资源计算 地下水是水资源的重要组成部分，在区域水资源分析计算中，查清地下水资源的数量、质量及时空分布特点，掌握地下水资源的循环补给规律，了解地下水与地表水之间的转化关系，不仅能为农业生产、水利规划提供科学根据，而且也能为城市规划、工业布局及国防建设等提供可靠的依据。 区域地下水资源分析计算的对象一般指浅层地下水，评价的重点是水量。多数地区以分析矿化度不大于2g/L的淡水资源为主，有些地区对矿化度2～5g/L的微咸水及大于5g/L的咸水也进行计算与评价。 地下水资源计算的基本方法主要有四大储量法、地下水动力学法、数理统计法及水均衡法等。水均衡法建立在地下水各补给项、各排泄项和地下含水层蓄变量等区域水平衡分析的基础上，是平原区地下水资源常用的计算方法，本章将主要介绍这种方法。 第一节概述 一、地下水的垂直分布 地面以下水分在垂直剖面上的分布可以按照岩石空隙中含水的相对比例，以地下水面为界，划分为两个带：饱和带和包气带。在包气带，岩石的空隙空间一部分被水所占据，还有一部分为空气所占据。在大多数情况下，饱和带的上部界限，或者是饱和水面，或者覆盖着不透水层，其下部界限则为下伏透水层，如粘土层。 包气带（充气带）从地下水面向上延伸至地面。它通常可进一步划分为3个带：土壤水带、中间带和毛细管带。土壤水带的水分形式主要有结合水、毛细水和一些过路性质的重力水。中间带的水为气态水、结合水和毛细水。毛细管带内的水分含量随着距潜水面高度的增加而逐渐减少，在毛细管带中，压力小于大气压力，水可以发生水平流动及垂直流动。 饱和带岩石的所有空隙空间均为水所充满，有重力水，也有结合水。重力水是开发利用的主要对象。 图5.1 地面以下水的分布
岩溶水与裂隙水环境修复简介 一、地下水污染修复的难点 地下水污染的治理相对于地表水来说更加复杂,在进行具体的治理时,除了恰当地进行试验方案的设计外,还需要考虑以下因素: (1)因为污染区域的水文地质条件和地球化学特性都会影响到地下水污染的治理,因此地下水污染的治理通常要以水文地质工作为前提。 (2)受污染地下水的修复往往还要包括土壤的修复。地下水和土壤是相互作用的,如果只治理了受污染的地下水而不治理土壤,由于雨水的淋滤或地下水位的波动,污染物会再次进入地下水体,形成交叉污染,使地下水的治理前功尽弃。 (3)在地下水污染治理过程中,地表水的截流也是一个需要考虑的问题,要防止地表水补给地下水,以免加大治理工作量。 二、岩溶水污染修复方法 含水层油类污染现场治理技术 水力控制净化法：通过截留沟、阻水槽、抽水井或注水井等水力屏障限制流场范围, 加速流场内的水流速度, 从而逐渐将污染物去除掉。 其他污染治理：
1、物理化学处理法：①加药法。通过井群系统向受污染水体灌注化学药剂，如灌注中和剂以中和酸性或碱性渗滤液，添加氧化剂降解有机物或使无机化合物形成沉淀等。②渗透性处理床。渗透性处理床主要适用于较薄、较浅含水层，一般用于填埋渗滤液的无害化处理。具体做法是在污染羽流的下游挖一条沟，该沟挖至含水层底部基岩层或不透水粘土层，然后在沟内填充能与污染物反应的透水性介质，受污染地下水流入沟内后与该介质发生反应，生成无害化产物或沉淀物而被去除。常用的填充介质有：a.灰岩，用以中和酸性地下水或去除重金属；b.活性炭，用以去除非极性污染物和CCl4、苯等；c.沸石和合成离子交换树脂，用以去除溶解态重金属等。③土壤改性法。利用土壤中的粘土层，通过注射井在原位注入表面活性剂及有机改性物质，使土壤中的粘土转变为有机粘土。经改性后形成的有机粘土能有效地吸附地下水中的有机污染物。 2、生物法：原位生物修复的原理实际上是自然生物降解过程的人工强化。它是通过采取人为措施，包括添加氧和营养物等，刺激原位微生物的生长，从而强化污染物的自然生物降解过程。通常原位生物修复的过程为：先通过试验研究，确定原位微生物降解污染物的能力，然后确定能最大程度促进微生物生长的氧需要量和营养配比，最后再将研究结果应用于实际。 三、裂隙水污染修复方法 裂隙水由于大的导水性和小的贮水性, 与孔隙水相比, 它
第七章 地下水运动中的若干专门问题 §1 非饱和带的地下水运动 一、关于非饱和带水分的基本知识 1. 含水率，饱和度和田间持水量 包气带中的空隙，一部分被水充填，另一部分被空气充填。 含水率(θ)：表示单位积中水所占的体积， 式中：（V w ）0——典型单元体中水的体积； V 0——典型单元体的体积 饱和度：岩石的空隙空间中被水占据部分所占的比例。 式中：（V 0）0——典型单元体中的空隙体积 含水率与饱和度的关系： θ=nS w 式中：n ——孔隙度。 田间持水量：在长时间重力排水后仍然保留在土中的水量。 2. 毛管压力 毛管压强：在多孔介质的孔隙中，液体和气体接触是，二者存在压力差，这个压力差称毛管压强。用p c 表示 p c =p a -p w 式中：p a ——空气的压强； p w ——水的压强 毛管压强取决于界面的曲率，曲率愈大（液面愈弯曲，毛管压强愈大。 以上毛管压强是以绝对压强为基准，如果以相对压强为基准，这时有： p c =p a -p w –p a ∴ p c =-p w 毛管压强相对大气压强为负值。即，非饱和带孔隙中的水处于小于大气压 强的情况下。 非饱和带水流中任何点的水头 式中：z ——位置水头； h c =p c /r ——毛管压力水头； ∴ H=z-h c 3土壤水分特征的曲线 ()()0 00 V V S w w = ()0 V V w = θr p z r p z H c w -=+ =
水分特征曲线：反映毛管压力水头（或毛管压强）和土壤含水率或饱和度关系的曲线。如图：随着含水率的减少，毛管压力增加，当含水率减小到某一值时，压强继续增大时，含水率不在减小。相应的饱和度为： 影响特征曲线的因素： （1）不同质地的土壤，其水分特征曲线不同。一般说，土壤的粘粒含量愈高。同一负压条件下土壤的含水率愈大，或者同一含水率下其负压愈高。这是因为，粘粒含量增多。使土壤中细小孔隙发育的缘故。 （2）土壤结构。如图，为一砂壤土不同干容重的水分特征曲线，在同一负压下，土壤愈密实，（大），相应的含水率一般也大。原因，土壤愈密实，大孔隙数量减少，中孔隙增多。 （3）温度的影响。温度升高，水的粘滞性下降，所以表面张力降低，在同样的负压下，含水率要低一些。 （4）土壤水分变化过程的影响。对于同一土壤，土壤脱湿（由湿变干）过程测得的水分特征曲线不同，如图，在相同的负压下，排水（脱湿）时的含水率要大于吸湿时的含水率。这种现象称为滞后现象。 （5）容水度：毛管压力水头变化一个单位时，从单位体积土中释放出的水体积。数值上等于，水分特征曲线的斜率的负倒数。 它是含水率和毛管压强的函数，可用或表示。 二、非饱和带水运动的基本方程 非饱和带地下水的运动，也可以用达西定律描述，这时的渗透系数是变化的，与含水率和毛细压力水头有关，是和的函数，其关系如图，随着含水率的增大，渗透系数增大，随毛管压力水头的减小，渗透系数增大。 在非饱和带中，定律的表达式为： 在三个坐标轴的分量为： 2 基本微分方程 第一章推的渗流连续性方程，如下： 在饱水带中，全部孔隙被水充满，等式右端用孔隙度，在非饱和带中，部分孔隙被水充满，所以用含水率取代，并两边除（近似为常数），得： n S w 0 0θ= dh d C θ- =()()J h K v J K v c ?=?=或 θ() () () () () () z H h K v z H K v y H h K v y H K v x H h K v x H K v c z z c y y c x x ??-=??-=??-=??-=??-=??-=θθθ或 ()()()[]z y x n t z y x z v y v x v z y x ????? =???? ???????+??+??-ρρρρ
地下水污染概念、特点及危害 地下水是水资源的重要组成部分，其在社会经济发展中有着十分要的作用。在我国，约有2/3的人口以地下水为饮用水源，地下水资源对于维持人民群众的生活有着重要的意义。随着地下水的开发利用规模日益增大，造成地下水位不断下降，地下水污染也不断发生，不仅影响了城乡供水质量，危及人体健康，而且还诱发出各种各样的地质环境问题，并给经济建设带来巨大损失。 地下水环境评价主要包括地下水污染评价、地下水环境质量评价和地下水防污性能评价三个方面内容。要做好地下水环境评价工作，首先得弄清楚地下水污染的基本概念。 一、地下水污染的含义 凡是在人类活动的影响下，地下水质(物理性质、化学组分、生物性状)朝着不利于人类生活或生产的水质恶化方向发展的现象，统称为地下水污染。不管此种现象是否使水质恶化达到影响使用的程度，只要这种现象一发生，就应视为污染。而在天然环境中，含矿体地层或某种水文地球化学条件影响下，所产生的地下水某些组分相对富集及贫化而使水质恶化的现象，不应视为污染，而应称为“天然异常”。 判定地下水是否污染必须具备三个条件:第一，水质朝着恶化的方面发展;第二，这种变化是由人类活动引起的;第三，地下水是否污染的判别标准是地区背景值(或称本底值，即未受人类影响的地下水各组分的天然含量)，超过此值者，即可称之为污染。但这个值很难获得，所以，有时也用历史水质数据，或无明显污染来源的水质对照值来判别地下水是否污染。
在人类活动的影响下，地下水某些组分浓度的变化是由小到大的量变过程，在其浓度未超标之前，实际污染已经产生。因此，把浓度变化超标以后才视为污染，是不科学的，而且失去了预防的意义。当然，在判定地下水是否污染时，也应该参考水质标准，但其目的并不是把它作为地下水污染的标准，而是根据它判别地下水是否朝着恶化的方向发展。 二、地下水污染的特点 地下水污染是水圈污染的一部分，但地下水污染与地表水污染明显不同，具有以下三个特点: 1.隐蔽性。由于地下水污染是发生在地表以下的多孔介质中，即使地下水受某些组分严重污染，也往往是无色、无味的，不易被发现，不能像地表水那样，从颜色、气味、感观或鱼类等生物的死亡、灭绝鉴别出来。即使人类饮用了受有害或有毒组分污染的地下水，对人体的影响也只是慢性的长期效应，不易被觉察。 2.延缓性。主要表现在两个方面。（1）由于污染物在含水层上部的包气带，污水渗入过程中经过土壤各种物理化学及生物作用，则会在时间上和垂向上延缓潜水含水层的污染，对于承压含水层，由于上部的隔水顶板存在，污染物向下的运移速度会更加缓慢;(2)因地下水流缓慢和地下水在含水层中产生的各种作用，地下水污染的扩散过程亦是相当缓慢的。 3.难以逆转性。地下水一旦受污染，便很难治理及恢复。这主要是因为其流速极其缓慢，不像地表水那样流速快，靠稀释作用即可很快恢复;切断了污染来源后，靠含水层本身的自然净化，所需的时间长达十年、几十年、甚至上百年。 三、地下水污染的危害及与人体健康
2、土壤污染模拟 土壤是一个多相的疏松的多孔介质，固相中有大量的有机和无机胶体。石油是一种天然的粘油状液体，主要成分为烃类化合物(占80%一90%)。烃类化合物是非极性有机物，其偶极矩<1，介电常数<3，在土壤中有一定的吸附作用。地表的石油可以在重力作用下入渗，也可能随地面水或雨水沿着土壤毛细管孔隙向下渗透污染土壤，甚至进一步向下淋滤污染地下水。石油类污染物质在土壤入渗过程中，由于土壤中存在着大量的有机和无机的胶体，使得进入土壤中的污染物不断地被吸附。吸附能力与土壤的质地、石油的性质有密切联系。通常，石油烃类在土壤介质吸附程度以分配系数Kd来表示。 式中:Cs为平衡时固相中的浓度(mg/kg)；Ce为平衡时液相中的浓度(mg/l)根据土壤中溶质运移模型和石油类污染物质在土壤中的迁移转化过程，考虑吸附作用而忽略石油的挥发，建立石油类污染物质在土壤中迁移转化二维综合模型。它包括水运动方程和石油运动方程。 土壤中水运动方程: 土壤中石油类运动方程: 式中：C(h)为比水容量（cm-1）；K x、K z分别为横向纵向水力传导系数（cm/d）；Dxx、Dzz分别为横向纵向弥散系数（cm2/d）；Rd为滞留因子；c为液相中石油的浓度(mg/l)；qx、qz分别为x和z方向的达西流速（cm/d）；θ为含水量(%)；λ为降解系数（d-1）；h为土壤中压力水头(cm)。 初始条件和边界条件 根据监测的结果和落地油的分布特征，预测石油类在土壤中迁移过程及石油是否会对地下水造成污染，选择预测范围为：长80m，深6m剖面区域。并对部分问题可进行简化处理,作一些基本假设。假设土壤水最初不含石油，即未受到污染，但土壤中存在一定的本底值，经取样测定取平均值为40.3mg/kg。在土壤的预测范围内，土壤被认为是均质的。 对水运动方程上边界确定为Cauchy边界，下边界为Neumann边界。
第七章地下水运动中的若干专门问题 一、填空题 1．土壤水分特征曲线斜率的负倒数称为_____，它表示_____变化一个单位时从单位体积土体中释放出来的水体积。 2．足够的降雨，可大大增加非饱和带上层的含水量，水分不断向下运移，雨后由于蒸发作用，地表附近的水分不断向上运移。在这种情况下，在地下某一深度处存在一个界，界面以上的水分向上运动，界面以下的水分_____运动，界面上水分通量为_____，这个界面称为零通量面。 3．零通量面刚生成时，离地表很浅，随着蒸发的不断进行，零通量面将不断____，至水分_______附近则趋于稳定。 4．对于主零通量面，只有足够的降雨或灌水才能使其_____。蒸发只能使其_____，但达到一定深度可稳定。对于次一级的零通量面，_____或降雨都有可能将其破坏消失。 5．对于饱和土层来说，任一点的土水势应包括____势和____势，两者之和叫作总土水势；对于非饱和土层水来说，任一点的土水势包括____势和____势。水分的运动是由土水势___的地方向土水势___的地方运动。 6．在渗流场中，由于地下水流的速度_____，造成溶质运移的现象称为_______。 7．在渗流场中，由于所含溶质的浓度_____，而引起溶质运移的现象称为_______。 8．在渗流场中，机械弥散作用和分子扩散作用是_____存在的，二者共同的结果使示踪剂向外扩展的范围_____按地下水流平均流速应到达的范围，这种现象称为_____。 二、选择题 1．在地下水中短时间注入示踪剂，在下游观测井中示踪剂浓度的变化是（）
(1)由小到大再由大到小的脉冲式；(2)前后有一个突变界面的活塞式 2．水动力弥散是由机械弥散和分子扩散共同作用引起的，在某一含水层中以哪种作用为主取决于（） (1)示踪剂的浓度；(2)地下水实际流速的大小； (3)地下水的初始浓度；(4)含水介质的空隙大小 二、判断题 1．在非饱和带中，饱和度总是小于含水率。（） 2．在非饱和带中，渗透率k和渗透系数K仍为常数。（） 3．含水率θ与饱和度S w 的关系为S w =nθ。（） 4．双重介质含水层中，完整井非稳定抽水情况下，孔隙水的水头总是小于裂隙水水头。（） 5．机械弥散不能单纯存在，分子扩散时时刻刻都在进行。（） 三、分析题 1．简述影响p c ～ 曲线的主要因素有哪些？ 2．双重介质渗流学说，为什么要假设一个点有两个水位？在钻孔中测出的水位代表什么水位？ 3．非饱和带中，某一点的渗透率是否为常数？为什么？ 4．试比较用达西定律描述非饱和带、饱和带水流运动有哪些不同？ 5．简述水动力弥散的机理。 6．简述机械弥散是怎样造成的。 7．假设要从距固体废物处理场下方一定距离处的潜水含水层中抽水（图7-1），为了防止所抽的水受到污染，设计人员应进行哪些方面的调查工作？