第二章 地下水污染概论

1、7/1/2021 第二章第二章 地下水污染概论地下水污染概论 主要内容主要内容 地下水中化学成分的形成地下水中化学成分的形成（*） 地下水污染概念地下水污染概念（*） 地下水污染类型及危害地下水污染类型及危害（*） 地下水污染源地下水污染源（*） 地下水污染途径地下水污染途径（*） 污染物在地下水中的物理、污染物在地下水中的物理、 化学和生物过程化学和生物过程（*） 7/1/2021 第一节第一节 地下水中化学成分的形成地下水中化学成分的形成 物理性质物理性质 常见化学成分常见化学成分 化学成分的性质化学成分的性质 7/1/2021 地下水的物理性质地下水的物理性质 地下水的物理性质一般指：温

2、度，颜色，地下水的物理性质一般指：温度，颜色， 透明度，嗅，味，比重，导电率等。透明度，嗅，味，比重，导电率等。 7/1/2021 温度温度 地下水的温度主要受地下水的温度主要受气温和地温气温和地温的影响。的影响。 地壳按自上而下可分为地壳按自上而下可分为变温带、年常温带、变温带、年常温带、 增温带增温带。 按照地下水的水温可以把地下水分为五类：按照地下水的水温可以把地下水分为五类： 过冷水；冷水；温水；热水；过热水。过冷水；冷水；温水；热水；过热水。 7/1/2021 颜色颜色 地下水是地下水是无色无色的。的。 当含有一定量的某些分子成分或悬浮物和胶体当含有一定量的某些分子成分或悬浮物和胶体

3、 物质时，就会出现各种颜色。如含有机质过多物质时，就会出现各种颜色。如含有机质过多 时呈时呈黄色黄色，含硫化氢的水微带，含硫化氢的水微带翠绿色翠绿色，含氧化，含氧化 铁的水呈铁的水呈浅红褐色浅红褐色，含氧化亚铁的水呈，含氧化亚铁的水呈浅蓝绿浅蓝绿 色色，硬度大的水为，硬度大的水为浅蓝色浅蓝色，含悬浮物较多水，含悬浮物较多水， 其颜色与悬浮物相同。其颜色与悬浮物相同。 7/1/2021 地下水一般是地下水一般是透明的透明的 当含有大量有机质、固体矿物及胶体悬浮物时，当含有大量有机质、固体矿物及胶体悬浮物时， 才呈浑浊现象，按透明度把地下水分为四级：才呈浑浊现象，按透明度把地下水分为四级： 透明的

4、（不浑浊的）；半透明的（微浑浊的）；透明的（不浑浊的）；半透明的（微浑浊的）； 微透明的（浑浊的）；不透明的（极浑浊的）。微透明的（浑浊的）；不透明的（极浑浊的）。 透明度透明度 7/1/2021 味味 味：纯水是味：纯水是淡而无味的淡而无味的，水味来源于其中的盐，水味来源于其中的盐 分及气体。分及气体。 如地下水中含有重碳酸钙、重碳酸镁及碳酸时，如地下水中含有重碳酸钙、重碳酸镁及碳酸时， 水味便水味便爽快、适口爽快、适口，人们将这种水成为，人们将这种水成为“甜甜 水水”；如含氯化物会使水发；如含氯化物会使水发咸味咸味；含硫酸钠、；含硫酸钠、 硫酸镁使水变硫酸镁使水变苦苦；而且常引起饮用者呕吐

5、、腹；而且常引起饮用者呕吐、腹 痛和腹泻；含盐分过多时水味发痛和腹泻；含盐分过多时水味发涩涩；大量的有；大量的有 机质能使水发甜味，但不宜饮用。机质能使水发甜味，但不宜饮用。 7/1/2021 嗅、导电率嗅、导电率 嗅：一般地下水嗅：一般地下水无嗅无嗅。当含有硫化氢时。当含有硫化氢时发臭鸡发臭鸡 蛋味蛋味；含有氧化亚铁时有；含有氧化亚铁时有铁腥味铁腥味；含腐殖质会；含腐殖质会 使水有使水有鱼腥气味鱼腥气味。一般低温下气体不易辨别；。一般低温下气体不易辨别； 而在而在40左右时气味最显著。左右时气味最显著。 导电率：地下水导电能力的大小取决于所含电导电率：地下水导电能力的大小取决于所含电 解质的

6、数量与性质（各种离子的含量与离子解质的数量与性质（各种离子的含量与离子 价）。价）。离子含量越多，离子价越高，则水的导离子含量越多，离子价越高，则水的导 电性越强电性越强。 7/1/2021 常见化学成份常见化学成份 地下水中常见的化学成份地下水中常见的化学成份 l地下水中的气体成分地下水中的气体成分 l地下水中的离子及分子成分地下水中的离子及分子成分 7/1/2021 地下水中的气体成分地下水中的气体成分 地下水中的气体有地下水中的气体有N2，O2，CO2，H2S及及CH4，稀有元素，稀有元素 气体。气体。 气体成分影响地下水的化学成份，反映了地下水深处的气体成分影响地下水的化学成份，反映了

7、地下水深处的 地球化学环境的特征。地球化学环境的特征。 l地下水中含有一定量的地下水中含有一定量的O2和和N2，表明这种水是大气降，表明这种水是大气降 雨入渗补给为主的；雨入渗补给为主的； l地下水中含有大量的地下水中含有大量的CH4时，则表明这种水是封闭构时，则表明这种水是封闭构 造的深部油田水；造的深部油田水； l地下水中含有地下水中含有H2S，则表明这种水是来源于深部的而，则表明这种水是来源于深部的而 缺氧的还原环境中的；缺氧的还原环境中的； lCO2的大量存在却表明来自于碳酸盐岩类地区。的大量存在却表明来自于碳酸盐岩类地区。 7/1/2021 地下水中化学成份占主要地位的是地下水中化学

8、成份占主要地位的是六种离子六种离子： Na+(K+)，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO42-，HCO3-。 地下水中的离子及分子成分地下水中的离子及分子成分 7/1/2021 地下水中的离子及分子成分地下水中的离子及分子成分 氯离子：几乎存在于所有的地下水中，含量一般较大，氯离子：几乎存在于所有的地下水中，含量一般较大， Cl-来源主要是来源主要是地下水溶解盐岩及含氯化物的其他矿物的地下水溶解盐岩及含氯化物的其他矿物的 结果结果。 硫酸根离子：总含量仅次于氯离子的阴离子。硫酸根离子：总含量仅次于氯离子的阴离子。Ca2+ SO42-CaSO4。 重碳酸根离子：地下水中广泛存在的阴离子。重碳酸根离

9、子：地下水中广泛存在的阴离子。HCO3-主主 要来源于要来源于碳酸盐类岩石碳酸盐类岩石，碳酸盐类岩石的溶解度很小，碳酸盐类岩石的溶解度很小， 只有当地下水中存在只有当地下水中存在Ca2+时才较易溶于水。通常以时才较易溶于水。通常以 HCO3-为主要成分的地下水含盐量较少，一般均为淡水。为主要成分的地下水含盐量较少，一般均为淡水。 7/1/2021 地下水中的离子及分子成分地下水中的离子及分子成分 钠离子：地下水中最广泛分布的阳离子，是地下水钠离子：地下水中最广泛分布的阳离子，是地下水溶解盐溶解盐 岩及含钠岩石岩及含钠岩石的结果。的结果。 钾离子：来源与钠离子大致相同。钾盐的溶解度很大，为钾离子

10、：来源与钠离子大致相同。钾盐的溶解度很大，为 植物所吸收，易形成难溶于水的水云母等矿物，而且常为植物所吸收，易形成难溶于水的水云母等矿物，而且常为 粘土胶体所吸附，含量一般不大。粘土胶体所吸附，含量一般不大。 钙离子：在地下水中分布很广泛，但含量不高。因为钙离子：在地下水中分布很广泛，但含量不高。因为Ca2+ 主要是地下水主要是地下水溶解碳酸盐类岩石溶解碳酸盐类岩石（石灰岩、大理岩、白云（石灰岩、大理岩、白云 岩）的结果。岩）的结果。 镁离子：地下水对白云岩及泥灰岩溶解的结果，分布亦很镁离子：地下水对白云岩及泥灰岩溶解的结果，分布亦很 广泛，广泛，地下水中地下水中Mg2+的含量一般比的含量一般

11、比Ca2+小小。 7/1/2021 地下水中的离子及分子成分地下水中的离子及分子成分 与地下水化学成分有关的常见地方病：与地下水化学成分有关的常见地方病： 大骨节病大骨节病（富含较多腐蚀酸（OH）有关 ） 克山病克山病（饮用水中腐蚀酸可与许多元素形成络合物或 螫合物，影响人体对某些元素（如Mn、Ca、Se、Mg 等）的利用而导致心肌代谢障碍；某种低分子腐蚀酸 有毒，可能直接损害心肌；病区的水环境中有利于嫌 气微生物的孳生，其分泌物通过饮用水加害于心肌。） 氟病和龋齿氟病和龋齿（氟的过剩，饮用水中氟含量应控制在 0.8%1.0 mg/L，最大不超过1.5 mg/L） 7/1/2021 地下水中的

12、离子及分子成分地下水中的离子及分子成分 与地下水化学成分有关的常见地方病：与地下水化学成分有关的常见地方病： 地方性甲状腺肿地方性甲状腺肿（缺碘有关，饮用水中碘含量以大于5 ug/L为宜） 心血管病（心血管病（与水的硬度呈负相关，Ca可以阻止有机体对某 些元素的吸收；Ca的浓度可以调节生物细胞与环境中离子 的交换；软水区多为酸性、弱酸性水，腐殖质高，死亡率 高） 脑溢血症脑溢血症（统计资料表明饮水中的pH值低，而SiO2和 SO42-较高的地区，脑溢血死亡率较高 ） 癌症癌症（SiO2含量偏高，砷As含量高 ） 7/1/2021 地下水化学成份的性质地下水化学成份的性质 总矿化度：总矿化度：存

13、在于地下水中的离子、分子和微粒（不包括存在于地下水中的离子、分子和微粒（不包括 气体）的总含量成为地下水的总矿化度。气体）的总含量成为地下水的总矿化度。 地下水可按总矿化度分为地下水可按总矿化度分为淡水、微咸水、咸水、盐水、卤淡水、微咸水、咸水、盐水、卤 水水五类。通常用在五类。通常用在105110温度下将水样蒸干后所得干涸温度下将水样蒸干后所得干涸 残余物之总量来表示总矿化度。残余物之总量来表示总矿化度。 低矿化度淡水常以低矿化度淡水常以HCO3-为其主要成分；中低矿化度的盐为其主要成分；中低矿化度的盐 质水常以质水常以SO42-为其主要成分；为其主要成分； 而高矿化度的盐水和卤水则而高矿化

14、度的盐水和卤水则 常常以常常以Cl-为其主要成分。为其主要成分。 7/1/2021 氢离子的浓度氢离子的浓度 地下水的酸碱度取决于氢离子浓度的大小。地下水的酸碱度取决于氢离子浓度的大小。 当水中溶有盐类时，氢离子的浓度便将改变。当水中溶有盐类时，氢离子的浓度便将改变。 大多数地下水中的大多数地下水中的pH值在值在6.58.5之间，北方地区多之间，北方地区多 为为pH=78的弱碱性水。的弱碱性水。 按酸碱度的分类，地下水分为：按酸碱度的分类，地下水分为：强酸性水，弱酸性强酸性水，弱酸性 水，中性水，弱碱性水，强碱性水水，中性水，弱碱性水，强碱性水。 地下水化学成份的性质地下水化学成份的性质 7/

15、1/2021 地下水化学成份的性质地下水化学成份的性质 硬度硬度 地下水中含有大量的地下水中含有大量的钙镁离子钙镁离子时，对于生活和工业时，对于生活和工业 用水都有较大的影响，会造成洗衣不起泡沫、煮饭用水都有较大的影响，会造成洗衣不起泡沫、煮饭 做菜不易熟、锅炉内积垢后浪费燃料甚至引起爆炸做菜不易熟、锅炉内积垢后浪费燃料甚至引起爆炸 等。等。 硬度可分为：硬度可分为：总硬度，暂时硬度，永久硬度总硬度，暂时硬度，永久硬度。 根据总硬度可把地下水分为五类：根据总硬度可把地下水分为五类：极软水，软水，极软水，软水， 弱硬水，硬水和极硬水弱硬水，硬水和极硬水。 7/1/2021 侵蚀性二氧化碳（侵蚀性

16、二氧化碳（CO2） 当碳酸盐遇到含有当碳酸盐遇到含有CO2的水时，便有下列反应：的水时，便有下列反应： 地下水中维持这一平衡的地下水中维持这一平衡的CO2的含量称为的含量称为平衡平衡CO2。 如果水中如果水中CO2增加，超过平衡时所需的增加，超过平衡时所需的CO2，反应式，反应式 就会向右进行，直到建立新的平衡为止，这时所增加就会向右进行，直到建立新的平衡为止，这时所增加 的的CO2一部分将用于形成新条件下的新平衡，而另一一部分将用于形成新条件下的新平衡，而另一 部分还在游离的部分还在游离的CO2则可对碳酸盐起溶解作用。则可对碳酸盐起溶解作用。 地下水化学成份的性质地下水化学成份的性质 3 2

17、 223 2HCOCaCOOHCaCO 7/1/2021 第二节第二节 地下水污染概念地下水污染概念 德国（德国（Matthess，1960）：）：地下水污地下水污 染染指地下水由于人类活动的影响使其指地下水由于人类活动的影响使其 溶解的或悬浮的有害成分的浓度溶解的或悬浮的有害成分的浓度超过超过 了国家或国际规定的了国家或国际规定的饮用水最大允许饮用水最大允许 浓度浓度。（有缺陷）。（有缺陷） 7/1/2021 第二节第二节 地下水污染概念地下水污染概念 巴肯和基（巴肯和基（Buchang and Key,1956） 及迈尔德和巴尔威德（及迈尔德和巴尔威德（Milole and Mallwid

18、e，1970）：）：地下水污染地下水污染指由指由 于人类活动直接或间接的影响，致使于人类活动直接或间接的影响，致使 水的可能水的可能利用利用范围与原来的水质相比范围与原来的水质相比 受到了全部或部分的限制。受到了全部或部分的限制。 7/1/2021 第二节第二节 地下水污染概念地下水污染概念 费里得（费里得（Fried，1975）：污染是指）：污染是指 水的物理、化学和生物性质的改变，水的物理、化学和生物性质的改变， 因而限制或妨碍它在各方面的正常应因而限制或妨碍它在各方面的正常应 用。用。 7/1/2021 第二节第二节 地下水污染概念地下水污染概念 采用定义：采用定义：地下水的污染地下水的

19、污染是指由于人是指由于人 类活动使地下水的物理、化学和生物类活动使地下水的物理、化学和生物 性质发生改变，因而限制或妨碍它在性质发生改变，因而限制或妨碍它在 各方面的正常应用。各方面的正常应用。 7/1/2021 第二节第二节 地下水污染概念地下水污染概念 7/1/2021 第二节第二节 地下水污染概念地下水污染概念 地下水污染表现为地下水污染表现为北方城市重于南方城市北方城市重于南方城市的的 特点，主要分布在特点，主要分布在华北平原、松辽平原、江华北平原、松辽平原、江 汉平原和长江三角洲汉平原和长江三角洲等地区。等地区。 东北地区东北地区主要污染物为亚硝酸盐氮、氨氮、主要污染物为亚硝酸盐氮、

20、氨氮、 石油类等。石油类等。 华北地区华北地区主要污染组分有硝酸盐氮、氰化物、主要污染组分有硝酸盐氮、氰化物、 铁、锰、石油类等。铁、锰、石油类等。 7/1/2021 第三节第三节 地下水污染类型及危害地下水污染类型及危害 理化性质分：物理污染物、化学污染物、生物理化性质分：物理污染物、化学污染物、生物 污染物、综合污染物；污染物、综合污染物； 形态分：离子态污染物、分子态污染物、简单形态分：离子态污染物、分子态污染物、简单 有机物、颗粒状污染物；有机物、颗粒状污染物； 污染物对地下水的影响特征：感官污染物、卫污染物对地下水的影响特征：感官污染物、卫 生学污染物、毒理学污染物、综合污染物；生学

21、污染物、毒理学污染物、综合污染物； 从污染物对人体的危害角度将地下水污染物分从污染物对人体的危害角度将地下水污染物分 成成14类类，各类均突出了其主要危害。，各类均突出了其主要危害。 7/1/2021 第三节第三节 地下水污染类型及危害地下水污染类型及危害 7/1/2021 第三节第三节 地下水污染类型及危害地下水污染类型及危害 7/1/2021 第四节第四节 地下水污染源地下水污染源 向地下水排放或释放污染物的场所成为地下水向地下水排放或释放污染物的场所成为地下水 污染源污染源。 污染源的分类：污染源的分类： l按引起地下水污染的自然属性可划分为：按引起地下水污染的自然属性可划分为：天天 然

22、污染源然污染源（地表污水体、地下高矿化水或其（地表污水体、地下高矿化水或其 他劣质水体、含水层或包气带所含的某些矿他劣质水体、含水层或包气带所含的某些矿 物）和物）和人为污染源人为污染源（工业、农业、生活、矿（工业、农业、生活、矿 业以及石油污染）业以及石油污染） 7/1/2021 第五节第五节 地下水污染途径地下水污染途径 地下水污染途径地下水污染途径是指污染物从污染源地是指污染物从污染源地 （污染物进入地下水以前聚集存放地点）（污染物进入地下水以前聚集存放地点） 进入到地下水中所经过的路径。进入到地下水中所经过的路径。 除少部分气体、液体污染物可以直接通过除少部分气体、液体污染物可以直接通

23、过 岩石空隙进入地下水外，大部分污染物质岩石空隙进入地下水外，大部分污染物质 都是随着都是随着补给补给地下水的水源一道进入地下地下水的水源一道进入地下 水中的。水中的。 7/1/2021 第五节第五节 地下水污染途径地下水污染途径 地下水的污染途径与地下水的污染途径与地下水的补给地下水的补给有着有着 密切的关系，可分为以下四种密切的关系，可分为以下四种途径途径： l通过包气带入渗通过包气带入渗 l由集中通道直接注入由集中通道直接注入 l由地表水侧向渗入由地表水侧向渗入 l含水层之间的垂直越流含水层之间的垂直越流 7/1/2021 （1）通过包气带入渗）通过包气带入渗 连续入渗连续入渗 污染液从

24、各种具体的污染源不断地污染液从各种具体的污染源不断地通过包气带通过包气带向向 地下水面渗漏。地下水面渗漏。 如废水（废液）坑、污水池、沉淀池、蒸发池、如废水（废液）坑、污水池、沉淀池、蒸发池、 排污水库、污水渗坑、残渣水池、蓄污洼地、化排污水库、污水渗坑、残渣水池、蓄污洼地、化 粪池、排污沟渠，管道的渗漏段、输油管和贮油粪池、排污沟渠，管道的渗漏段、输油管和贮油 罐损坏漏失处，石油井或矿化自流井油或水溢流罐损坏漏失处，石油井或矿化自流井油或水溢流 到地面的地段等。到地面的地段等。 7/1/2021 （1）通过包气带入渗）通过包气带入渗 7/1/2021 （1）通过包气带入渗）通过包气带入渗 污

25、染液在到达地下水面以前要经过包气带污染液在到达地下水面以前要经过包气带 下渗，由于下渗，由于地层有过滤吸附等自净能力地层有过滤吸附等自净能力， 只有那些迁移性强的物质才能达到水面污只有那些迁移性强的物质才能达到水面污 染地下水。染地下水。 这种污染途径的污染程度受包气带岩层厚这种污染途径的污染程度受包气带岩层厚 度和岩性控制。度和岩性控制。 7/1/2021 （1）通过包气带渗入）通过包气带渗入 断续渗入断续渗入 堆放在地表的工堆放在地表的工 业废物及城市垃业废物及城市垃 圾，被大气圾，被大气降水降水 淋滤淋滤，一部分污，一部分污 染物质通过包气染物质通过包气 带下渗污染地下带下渗污染地下 水

26、。水。 7/1/2021 （1）通过包气带渗入）通过包气带渗入 断续渗入断续渗入 这种情况只发生在这种情况只发生在降雨降雨时，而时，而非降雨期则无非降雨期则无。 如地面废物堆、垃圾填坑、饲养场、盐场、尾如地面废物堆、垃圾填坑、饲养场、盐场、尾 矿坝、污水废液的地表排放场、化工原料和石矿坝、污水废液的地表排放场、化工原料和石 油产品堆放场、污灌的农田、施用大量化肥农油产品堆放场、污灌的农田、施用大量化肥农 药的农田等。药的农田等。 7/1/2021 （2）由集中通道直接注入）由集中通道直接注入 利用井、孔、坑道或岩溶通道将利用井、孔、坑道或岩溶通道将废水直接废水直接 排入排入到地下岩石孔隙裂隙中

27、，是废液废水到地下岩石孔隙裂隙中，是废液废水 地下处理的一种方法。地下处理的一种方法。 注入地下的污水，由于过滤、扩散、离子注入地下的污水，由于过滤、扩散、离子 交替、吸附、沉淀等自净作用，使污染物交替、吸附、沉淀等自净作用，使污染物 的浓度降低。的浓度降低。 7/1/2021 （2）由集中通道直接注入）由集中通道直接注入 7/1/2021 （2）由集中通道直接注入）由集中通道直接注入 如果排入的废液太多，超过了岩石对污染如果排入的废液太多，超过了岩石对污染 的自净能力，则会污染地下水。的自净能力，则会污染地下水。 污染的范围开始只限于通道附近，以后逐污染的范围开始只限于通道附近，以后逐 渐扩

28、散蔓延。渐扩散蔓延。 如果地下水流速很小，则扩散很慢，地下如果地下水流速很小，则扩散很慢，地下 水流速较大时，则向下游可以延伸很远的水流速较大时，则向下游可以延伸很远的 距离，造成地下水的大片污染。距离，造成地下水的大片污染。 7/1/2021 （3）由地表水侧向渗入）由地表水侧向渗入 污染了的地表水污染了的地表水可以成为地下水的污染可以成为地下水的污染 源。源。 在在沿海地区沿海地区，布置在滨海的钻孔，由于，布置在滨海的钻孔，由于 大量开采地下水。水位下降幅度较大，大量开采地下水。水位下降幅度较大， 降落漏斗扩展到海岸线时，也会产生海降落漏斗扩展到海岸线时，也会产生海 水入侵，咸水可渗入到淡

29、水层引起污染。水入侵，咸水可渗入到淡水层引起污染。 7/1/2021 （3）由地表水侧向渗入）由地表水侧向渗入 7/1/2021 （3）由地表水侧向渗入）由地表水侧向渗入 地下水侧向渗入污染的地下水侧向渗入污染的特征特征： l污染影响带污染影响带仅限于地表水体的附近呈带仅限于地表水体的附近呈带 状或环状分布；状或环状分布； l污染程度污染程度取决于地表水污染的程度、沿取决于地表水污染的程度、沿 岸岩石的地质结构、水动力条件以及水岸岩石的地质结构、水动力条件以及水 源地距岸边的距离，距离岸边愈远，污源地距岸边的距离，距离岸边愈远，污 染的影响愈弱染的影响愈弱 7/1/2021 （4）含水层之间的

30、垂直越流）含水层之间的垂直越流 开采封闭较好的开采封闭较好的承压含水层承压含水层时，潜水可以时，潜水可以 通过弱透水层的隔水顶板直接越流；通过弱透水层的隔水顶板直接越流； 可以通过承压含水层顶板的可以通过承压含水层顶板的“天窗天窗”流入；流入； 也可以通过止水不严的也可以通过止水不严的套管套管（或腐蚀套管）（或腐蚀套管） 与孔隙的间隙向下渗入承压含水层；与孔隙的间隙向下渗入承压含水层； 还可以经由未封填死的废弃还可以经由未封填死的废弃钻孔钻孔流入。流入。 7/1/2021 （4）含水层之间的垂直越流）含水层之间的垂直越流 7/1/2021 第六节第六节 污染物在地下水中的物理、化学污染物在地下

31、水中的物理、化学 和生物过程和生物过程 污染物渗入到含水层时，发生两个过程：污染物渗入到含水层时，发生两个过程： l排入到地下水中的污废水超过含水层排入到地下水中的污废水超过含水层 “自净能力自净能力”，地下水质，地下水质恶化恶化； l含水层净化作用，地下水由污染逐渐含水层净化作用，地下水由污染逐渐变变 清清的过程。的过程。 两个过程同时存在，其中的相对两个过程同时存在，其中的相对主导过程主导过程 决定地下水污染的总特征。决定地下水污染的总特征。 7/1/2021 第六节第六节 污染物在地下水中的物理、化学污染物在地下水中的物理、化学 和生物过程和生物过程 污染物渗入到含水层后，通过污染物与地

32、污染物渗入到含水层后，通过污染物与地 下水体之间发生复杂的相互作用：下水体之间发生复杂的相互作用： l物理作用；物理作用； l化学作用；化学作用； l物理化学作用；物理化学作用； l生物作用；生物作用； l生物化学作用生物化学作用 7/1/2021 一、物理作用一、物理作用 物理作用物理作用是指污染物进入地下水后只改变是指污染物进入地下水后只改变 其物理性状、空间位置，而其物理性状、空间位置，而不改变不改变其化学其化学 性质，不参与生物作用的过程。包括：性质，不参与生物作用的过程。包括： l混合；混合； l稀释；稀释； l物理吸附；物理吸附； l沉淀；沉淀； l机械过滤；机械过滤； l弥散（最

33、主要的物理过程）。弥散（最主要的物理过程）。 7/1/2021 一、物理作用一、物理作用 弥散弥散是指多孔介质中两种流体相接触时，是指多孔介质中两种流体相接触时， 某种物质从含量较高的流体中向含量较低某种物质从含量较高的流体中向含量较低 的流体迁移，使两种流体分界面处形成过的流体迁移，使两种流体分界面处形成过 渡混合带，趋向于成为均质的混合物质。渡混合带，趋向于成为均质的混合物质。 弥散现象是由于弥散现象是由于分子扩散和渗透分散分子扩散和渗透分散几种几种 作用同时综合影响的结果。作用同时综合影响的结果。 7/1/2021 简单扩散与渗透的比较 7/1/2021 （1）分子扩散作用）分子扩散作用

34、 分子扩散作用分子扩散作用是由于液体中是由于液体中浓度差浓度差（浓度梯（浓度梯 度）的物理度）的物理-化学势引起的，是分子布朗运动化学势引起的，是分子布朗运动 的物质迁移或分散现象。的物质迁移或分散现象。 分子扩散过程服从分子扩散过程服从Fick第一定律第一定律 x C DJ xx （y，z方向类似方向类似） 分子扩散在分子扩散在x方向上的质量流量方向上的质量流量 7/1/2021 （1）分子扩散作用）分子扩散作用 分子扩散系数分子扩散系数表征该物质在静止介质中扩散迁移表征该物质在静止介质中扩散迁移 的能力，取决于扩散介质的物理状态和性质，物的能力，取决于扩散介质的物理状态和性质，物 质性质、

35、浓度和压力。质性质、浓度和压力。 经验系数经验系数：扩散系数在孔隙介质的饱和水中为：扩散系数在孔隙介质的饱和水中为 n10- -6cm2/s;在固体物质中为在固体物质中为n10- -8n10- -5 cm2/s。 分子扩散作用进行的很慢，特别是在粘性土层中，分子扩散作用进行的很慢，特别是在粘性土层中， 一定条件下一定条件下可以忽略可以忽略。 7/1/2021 （2）渗透分散作用）渗透分散作用 渗透分散作用渗透分散作用是指污染物随渗透水流一同迁移时是指污染物随渗透水流一同迁移时 速度不均速度不均所产生的弥散现象。所产生的弥散现象。 l微观渗透分散微观渗透分散 l宏观渗透分散宏观渗透分散 7/1/

36、2021 微观渗透分散微观渗透分散 从微观来看，对流弥散机制有从微观来看，对流弥散机制有3种情况：种情况： 7/1/2021 微观渗透分散微观渗透分散 从微观来看，对流弥散机制有从微观来看，对流弥散机制有3种情况：种情况： l由于由于孔隙直径孔隙直径的大小不同而使沿孔轴的最大速的大小不同而使沿孔轴的最大速 度发生差异。度发生差异。 l质点的流线在沿流向方向上弯曲起伏的情况不质点的流线在沿流向方向上弯曲起伏的情况不 同，即同，即路径长度路径长度不同导致前进速度差异。不同导致前进速度差异。 l在多孔介质中，从单个孔管来看，由于在多孔介质中，从单个孔管来看，由于液体的液体的 粘滞性粘滞性，受介质表面

37、的摩擦阻力而形成抛物面，受介质表面的摩擦阻力而形成抛物面 的实际流速。管的中轴线处流速最大。的实际流速。管的中轴线处流速最大。 7/1/2021 微观渗透分散微观渗透分散 例如在承压例如在承压 含水层中的含水层中的 纵向微观渗纵向微观渗 透分散透分散： 7/1/2021 微观渗透分散微观渗透分散 例如在承压含水层中的例如在承压含水层中的横向微观渗透分散横向微观渗透分散： 7/1/2021 宏观渗透分散宏观渗透分散 在非均质的岩层中由于各部分岩石的渗透在非均质的岩层中由于各部分岩石的渗透 性不同而引起的弥散现象称为性不同而引起的弥散现象称为宏观渗透分宏观渗透分 散散。 与微观渗透分散机制相似，也

38、是由于与微观渗透分散机制相似，也是由于流速流速 分布不均分布不均引起的，只不过所研究的单元大引起的，只不过所研究的单元大 小不同。小不同。 7/1/2021 宏观渗透分散宏观渗透分散 例如一个不透水包体的水动力渗流网：例如一个不透水包体的水动力渗流网： 7/1/2021 二、化学及物理化学作用二、化学及物理化学作用 化学及物理化学作用化学及物理化学作用是指污染物进入地下是指污染物进入地下 水后，不仅发生空间位置变化，而且发生水后，不仅发生空间位置变化，而且发生 了了化学性质或形态、价态的转化化学性质或形态、价态的转化，但未参，但未参 与生物作用。包括：与生物作用。包括： l酸化、碱化和中和作用

39、；酸化、碱化和中和作用； l氧化和还原；氧化和还原； l沉淀与溶解；沉淀与溶解； l化学吸附与解吸；化学吸附与解吸； l络合及鳌合作用。络合及鳌合作用。 7/1/2021 （1）酸化、碱化和中和作用）酸化、碱化和中和作用 岩石特性；岩石特性； CO2； 工业废水；工业废水； 进入地下水中的无机酸可与含水层中的粘进入地下水中的无机酸可与含水层中的粘 土物质、硫酸盐物质或其他硅酸中和；土物质、硫酸盐物质或其他硅酸中和； 进入地下水中的碱性物质可与含水层中的进入地下水中的碱性物质可与含水层中的 硅石或碳酸氢盐或游离硅石或碳酸氢盐或游离CO2起中和作用。起中和作用。 7/1/2021 （2）氧化还原作

40、用）氧化还原作用 氧化还原电位；氧化还原电位； 改变元素价态；改变元素价态； 改变污染物的毒性（还原环境中的改变污染物的毒性（还原环境中的Cr3+ 氧化环境中的氧化环境中的Cr6+）；）； 改变环境化学反应条件（汞的甲基化过程改变环境化学反应条件（汞的甲基化过程 在还原环境中受到抑制）。在还原环境中受到抑制）。 7/1/2021 （3）沉淀溶解作用）沉淀溶解作用 含水层中组分的沉淀受下列因素影响：含水层中组分的沉淀受下列因素影响： l污水和天然地下水的化学成分；污水和天然地下水的化学成分； l两者渗流量的比例；两者渗流量的比例； l组分的形式；组分的形式； lpH值和值和Eh值；值； l两者的

41、温度差。两者的温度差。 7/1/2021 （4）吸附解吸作用）吸附解吸作用 物理吸附；物理吸附； 化学吸附；化学吸附； 物理化学吸附。物理化学吸附。 7/1/2021 物理吸附物理吸附 土层介质特别是土层中的胶体颗粒具有土层介质特别是土层中的胶体颗粒具有 巨大的表面能，它能够借助于分子引力巨大的表面能，它能够借助于分子引力 把地下水中的某些分子态的物质吸附在把地下水中的某些分子态的物质吸附在 自己的表面上，称这种吸附为自己的表面上，称这种吸附为物理吸附物理吸附。 7/1/2021 物理吸附物理吸附 物理吸附具有下列物理吸附具有下列特征特征： l吸附时土层胶体颗粒的表面能降低，是吸附时土层胶体颗

42、粒的表面能降低，是 放热反应放热反应。 l吸附基本上吸附基本上没有选择性没有选择性，即对于各种不，即对于各种不 同的物质，只不过是分子间力的大小有同的物质，只不过是分子间力的大小有 所不同，分子引力随分子量的增大而增所不同，分子引力随分子量的增大而增 大。对于一系列化合物，吸附随分子量大。对于一系列化合物，吸附随分子量 的增加而增加。的增加而增加。 7/1/2021 物理吸附物理吸附 物理吸附具有下列物理吸附具有下列特征特征： l不产生化学反应，不需要高温。不产生化学反应，不需要高温。 l由于热运动，被吸附的物质可以在胶体表面作由于热运动，被吸附的物质可以在胶体表面作 某些移动，亦即较易解吸。

43、某些移动，亦即较易解吸。 l凡是能降低表面能的物质，如有机酸，无机盐凡是能降低表面能的物质，如有机酸，无机盐 等，都可以被土层胶粒表面所吸附，称为等，都可以被土层胶粒表面所吸附，称为正吸正吸 附附；能够增加表面能的物质，如无机酸及其盐；能够增加表面能的物质，如无机酸及其盐 类类氯化物、硫酸盐、硝酸盐等，则受土层氯化物、硫酸盐、硝酸盐等，则受土层 胶粒的排斥，称为胶粒的排斥，称为负吸附负吸附。此外，土层胶粒还。此外，土层胶粒还 可吸附可吸附NH3，H2，以及，以及CO2等气态分子。等气态分子。 7/1/2021 物理化学吸附（离子代换）物理化学吸附（离子代换） 土层胶体带有双电层，其扩散层的补偿

44、土层胶体带有双电层，其扩散层的补偿 离子可以和地下水中同电荷的离子进行离子可以和地下水中同电荷的离子进行 等当量交换，这是一种化学现象，故称等当量交换，这是一种化学现象，故称 物理化学吸附物理化学吸附。亦称。亦称离子代换吸附离子代换吸附。它。它 是土层中吸附污染物的主要形式。是土层中吸附污染物的主要形式。 土层中的离子代换吸附作用分为两种：土层中的离子代换吸附作用分为两种： l土层中的阳离子代换吸附作用土层中的阳离子代换吸附作用 l土层中的阴离子代换吸附作用土层中的阴离子代换吸附作用 7/1/2021 土层中的阳离子代换吸附作用土层中的阳离子代换吸附作用 土层胶体一般是带负电，所以能够吸附土层

45、胶体一般是带负电，所以能够吸附 保持阳离子，其扩散层中的阳离子可被保持阳离子，其扩散层中的阳离子可被 地下水中的阳离子代换出来，故称为地下水中的阳离子代换出来，故称为代代 换吸附换吸附。 7/1/2021 土层中的阳离子代换吸附作用土层中的阳离子代换吸附作用 土层阳离子吸附作用的土层阳离子吸附作用的特征特征： l是一种能够迅速达到平衡时的可逆反是一种能够迅速达到平衡时的可逆反 应，一般能在几分钟内即可达到平衡。应，一般能在几分钟内即可达到平衡。 l阳离子的代换关系是阳离子的代换关系是等当量代换等当量代换，如，如 Ca2+2H2H+ + 7/1/2021 土层中的阳离子代换吸附作用土层中的阳离子

46、代换吸附作用 离子交换能力离子交换能力是指一种阳离子将另一种阳离子从是指一种阳离子将另一种阳离子从 胶体上取代出来的能力。各种阳离子交换能力的胶体上取代出来的能力。各种阳离子交换能力的 强弱，取决于下列因素：强弱，取决于下列因素： l电荷价电荷价：离子的电荷价愈高，离子代换能力亦：离子的电荷价愈高，离子代换能力亦 愈强。（排序）愈强。（排序） l离子半径及水化程度离子半径及水化程度：同价离子中，离子半径：同价离子中，离子半径 愈小，代换能力愈强。氢离子虽然只有一价，愈小，代换能力愈强。氢离子虽然只有一价， 但因半径极小，水化力很弱，运动速度大，故但因半径极小，水化力很弱，运动速度大，故 氢离子

47、的代换能力比二价阳离子还要强。氢离子的代换能力比二价阳离子还要强。 l离子浓度离子浓度：代换作用受质量作用定律的支配。：代换作用受质量作用定律的支配。 代换力弱的离子，在浓度很大的情况下，亦可代换力弱的离子，在浓度很大的情况下，亦可 以代换出低浓度的代换力强的离子。以代换出低浓度的代换力强的离子。 7/1/2021 土层中的阳离子代换吸附作用土层中的阳离子代换吸附作用 土层中土层中阳离子的代换量（阳离子的代换量（CEC）：单位重量土：单位重量土 层吸附保持阳离子的最大数量，称阳离子代换层吸附保持阳离子的最大数量，称阳离子代换 量。（量。（mol/kg）。）。 土层阳离子代换量的大小取决于土层负

48、电荷数土层阳离子代换量的大小取决于土层负电荷数 量的多少。单位重量土层负电荷愈多，对阳离量的多少。单位重量土层负电荷愈多，对阳离 子的吸附量亦愈大。土层胶体数量、种类和土子的吸附量亦愈大。土层胶体数量、种类和土 层层pH值三者共同决定土层负电荷的数量。因此，值三者共同决定土层负电荷的数量。因此， 土层质地越粘，有机质含量越高，土层的土层质地越粘，有机质含量越高，土层的pH值值 愈大，阳离子的代换量亦就愈大。愈大，阳离子的代换量亦就愈大。 7/1/2021 土层中的阳离子代换吸附作用土层中的阳离子代换吸附作用 土壤的可交换性阳离子有两类：一类是土壤的可交换性阳离子有两类：一类是致酸离致酸离 子子

49、，包括，包括H+和和Al3+；另一类是；另一类是盐基离子盐基离子，包括，包括 Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等。等。 当土壤胶体上吸附的阳离子均为盐基离子，且当土壤胶体上吸附的阳离子均为盐基离子，且 已达到吸附饱和时的土壤，称为已达到吸附饱和时的土壤，称为盐基饱和土壤盐基饱和土壤， 否则，这种土壤为否则，这种土壤为盐基不饱和土壤盐基不饱和土壤。在土壤交。在土壤交 换性阳离子中盐基离子所占的百分数称为换性阳离子中盐基离子所占的百分数称为土壤土壤 盐基饱和度盐基饱和度。它与土壤母质、气候等因素有关。它与土壤母质、气候等因素有关。 7/1/2021 土层的阴离子的代换吸附作用土层的阴离子

50、的代换吸附作用 对于阴离子吸附起作用的是带正电的胶体。对于阴离子吸附起作用的是带正电的胶体。 它比阳离子代换吸附作用要弱得多。它比阳离子代换吸附作用要弱得多。 阴离子代换吸附作用亦是阴离子代换吸附作用亦是可逆的反应可逆的反应，能很，能很 快达到平衡，平衡的转移亦受质量作用定律快达到平衡，平衡的转移亦受质量作用定律 支配。但是，支配。但是，土层中阴离子代换吸附常常与土层中阴离子代换吸附常常与 化学作用同时发生，两者不易区别清楚，因化学作用同时发生，两者不易区别清楚，因 此，相互代替的离子之间没有明显的当量关此，相互代替的离子之间没有明显的当量关 系。系。 各种阴离子代换能力有差别，但没有价数及各

51、种阴离子代换能力有差别，但没有价数及 离子大小的规律。（排序）离子大小的规律。（排序） 7/1/2021 化学吸附化学吸附 化学吸附化学吸附是土层颗粒表面的物质与污染物质之是土层颗粒表面的物质与污染物质之 间，由于化学键力发生了化学变化，使得化学间，由于化学键力发生了化学变化，使得化学 性质有了改变。性质有了改变。 l原来在土层溶液中的可溶性物质，经化学反应后原来在土层溶液中的可溶性物质，经化学反应后 转变为难溶性化合物的沉淀物。因为在地下水中转变为难溶性化合物的沉淀物。因为在地下水中 常含有大量的常含有大量的氯离子、硫酸根离子、重碳酸根离氯离子、硫酸根离子、重碳酸根离 子子以及在还原条件下的

52、以及在还原条件下的硫化氢硫化氢等阴离子。一旦有等阴离子。一旦有 重金属重金属污染进入，在一定的氧化还原电位和污染进入，在一定的氧化还原电位和pH 环境下，可产生相应的环境下，可产生相应的氢氧化物、硫酸盐或碳酸氢氧化物、硫酸盐或碳酸 盐沉淀盐沉淀。 7/1/2021 化学吸附化学吸附 l还可能有石灰吸附空气的还可能有石灰吸附空气的CO2，形成，形成CaCO3沉淀沉淀 以及锌粒吸附污水中的汞形成锌汞齐合金。以及锌粒吸附污水中的汞形成锌汞齐合金。 l沉淀析出的盐类，在沉淀析出的盐类，在pH值和氧化还原电位改变值和氧化还原电位改变 时，还可能时，还可能再溶解再溶解。当然这会影响水动力学过程，。当然这会

53、影响水动力学过程， 从而间接地影响受水动力过程制约的其他形式的从而间接地影响受水动力过程制约的其他形式的 去除作用。同时，去除作用。同时，沉淀会形成新的吸附面积，溶沉淀会形成新的吸附面积，溶 解则会减少吸附面积，所以沉淀过程亦影响吸附解则会减少吸附面积，所以沉淀过程亦影响吸附 性能性能。 化学吸附的化学吸附的特点特点是：吸附热大，相当于化学反是：吸附热大，相当于化学反 应热；吸附有明显的选择性；化学键力大时，应热；吸附有明显的选择性；化学键力大时， 吸附是不可逆的。吸附是不可逆的。 7/1/2021 吸附模式吸附模式 对于上述三种形式的吸附（对于上述三种形式的吸附（物理吸附、物理化物理吸附、物

54、理化 学吸附、化学吸附学吸附、化学吸附）的）的共同特点共同特点是在污染物质是在污染物质 与固相介质一定的情况下，污染物质的吸附和与固相介质一定的情况下，污染物质的吸附和 解吸附主要是与污染物质在地下水中的解吸附主要是与污染物质在地下水中的液相浓液相浓 度度和污染物质吸附在固相介质上的和污染物质吸附在固相介质上的固相浓度固相浓度有有 关。关。 对此种规律的数量表达式常有下列三种形式对此种规律的数量表达式常有下列三种形式 吸附模式吸附模式：线性、指数性、渐近性线性、指数性、渐近性吸附模式。吸附模式。 7/1/2021 吸附模式吸附模式 较好。相浓度较低的情况效果此模式一般用污染物液 污染物质的液相

55、浓度 解吸速率 吸附速率 质量或称固相浓度 吸附的污染物质的单位孔隙介质体积上被式中 利吸附模式）线性吸附模式或称亨（ C K K S t S 1 2 1 21 SKCK S C Henry 7/1/2021 吸附模式吸附模式 条件。污染物液相浓度过低的 当然它亦不适用于上出现无穷大的结果。因为这样就会导致理论 浓度过高的条件，但不太适合污染物液相它适用于一般的情况， 经验常数 污染物质的液相浓度 解吸速率 吸附速率 质量或称固相浓度 吸附的污染物质的单位孔隙介质体积上被式中 洛因得利希吸附模式）指数吸附模式或称费（ m C K K S t S 2 2 1 21 SKCK m S C Freu

56、ndlich 7/1/2021 吸附模式吸附模式 ）成正比（还没有被占据吸附位置 以及与污染物的液相浓度吸附速率的变化 污染物质的液相浓度 解吸速率 吸附速率 极限平衡时的固相浓度式中 ）（ 附模式）渐近线或称朗谬尔吸（ SS C SKCSSK 0 2 0 0 200 t S C K K S t S 3 S C Langmuir S0 7/1/2021 吸附模式吸附模式 建立上述模式的建立上述模式的假定条件假定条件： l所有可占据的吸附位置在能量上是等值的；所有可占据的吸附位置在能量上是等值的； l吸附作用一直进行到吸附表面上形成单分子覆吸附作用一直进行到吸附表面上形成单分子覆 盖为止；盖为止； l被吸附物质的解吸机率与邻近位置的占据情况被吸附物质的解吸机率与邻近位置的占据情况 无关无关 上述三种模式都是表示可逆的非平衡吸附过程的上述三种模式都是表示可逆的非平衡吸附过程的 一般情况，但一般情况，但如果如果K2值为零，则表示无解吸过程，值为零，则表示无解吸过程， 吸附是不可逆的吸附是不可逆的。 7/1/2021 吸附模式吸附模式 为了