地下水质与环境保护管理

1、第四章地下水质与环境1 地下水水质 2 溶质运移基本方程3 地下水污染4 地下水开采与地面沉降5 地下水开采与海水入侵6 地下水环境保护11 地下水水质 1.1 地下水的化学成分 1.2 地下水的物理化学作用 1.3 水质标准第四章 地下水质与环境2 1.1 地下水的化学成分（1） 地下水中的主要离子成分八大离子：Cl, SO4, HCO3 , CO32 , Na+ , Mg2+ , Ca2+ 和 K+ 占所有溶解盐类的90以上 低矿化水：以HCO3 , 及Ca2+ 、 Mg2+ 为主；中矿化水：以SO4 及Na+ 、 Mg2+ 为主；高矿化水：以Cl、Na+ 为主 第四章 地下水质与环境1

2、地下水水质3 1.1 地下水的化学成分（2）主要气体成分： CO2、O2、N2、H2S 等1 CO2：来源复杂，可来源于大气或土壤中生物化学作用产物O2和N2：来源于大气；有溶解氧的环境为氧化环境；氧的含量随深度减少硫化氢H2S ：是缺氧还原条件下有机物生物化学作用的产物；油田地下水和火山岩区矿泉水中含量高第四章 地下水质与环境1 地下水水质4 1.1 地下水的化学成分（3）地下水中的微量元素、有机成分和细菌微量元素：溴(Br)、碘(I)、氟(F)、硼(B)、磷(P)、铅(Pb)、锌(Zn)、锂(Li)、锶(Sr)、钡(Ba)、砷(As)、钼(Mo)、铜(Cu)等 有机质：是以碳、氢、氧为主的

3、高分子化合物，常以胶体方式存在于地下水中 细菌、病毒：含量的多少取决于地下水污染程度第四章 地下水质与环境1 地下水水质5 1.1 地下水的化学成分（4）地下水总矿化度： 地下水中所含离子、分子和化合物总量称为总矿化度(g/L)以蒸干水所得干涸残余物总量来表示，或用分析所得阴、阳离子含量相加，求得理论干涸残余物值第四章 地下水质与环境1 地下水水质6 1.1 地下水的化学成分（5）地下水总矿化度：矿化度1克升的为淡水，是良好的饮用水源； 降水的含盐度一般只有每升几毫克至几十毫克；闽江水仅0.04、长江水为0.19、黄河水为0.38克升 1一3克升的为微咸水；310克升的为咸水；10-50克升的

4、为盐水；海水含盐度高达35克升，新疆塔里木河，矿化度高达31.8克升 50克升的为卤水“死海”即是世界闻名的盐水湖，矿化度高达261.9克升 一般饮用水标准规定1000mg/L7 1.2 地下水的物理化学作用（1）吸附和解吸沉淀和溶解放射性衰变作用机械过滤作用另：氧化还原络合离解 生物过程该部分学科：土壤化学8 1.2 地下水的物理化学作用（2） 吸附作用吸附是指地下水中的某些成分由于固液相之间的作用聚集在固体表面的过程 物理吸附：由于土壤颗粒具有表面能，可借助于分子引力将地下水中分子状态的物质吸附在自己表面上的作用物理化学吸附：也称阳离子代换吸附 ，即土粒表面所吸附的阳离子与地下水中的阳离子

5、进行代换的作用 解吸：被吸附的物质从土壤表面进入到溶液中的过程。土粒的吸附和解吸与吸附相的浓度和水中的浓度有关 常见的吸附动力学方程：Freundlich动力吸附方程；Langmuir动力吸附方程第四章 地下水质与环境1 地下水水质9 1.2 地下水的物理化学作用（3）返回式中，S吸附相浓度，即单位质量固体介质上所吸附的物质的量； C所研究的物质在溶液中的浓度； k1，k2 Freundlich吸附和解吸常数。1.2 地下水的物理化学作用第四章 地下水质与环境1 地下水水质当吸附达到平衡时，方程左端趋于0，则 S = kFCm， kF=k1 / k2称为分配系数当m1时，吸附过程称为线性吸附，

6、即吸附相浓度与土壤溶液浓度成正比；Freundlich 动力吸附方程10 1.2 地下水的物理化学作用（4） 返回当吸附达到平衡时，有1.2 地下水的物理化学作用第四章 地下水质与环境1 地下水水质Langmuir 动力吸附方程11 1.2 地下水的物理化学作用（5）沉淀和溶解作用水中某离子浓度超过饱和浓度时，从水中除去而产生沉淀使某些固相物质（或盐分）转为液相的过程称为溶解 沉淀动力学方程： 式中，S 沉淀固相组分的浓度； k1、k2沉淀速度常数； C地下水中沉淀组分的浓度； Sm沉淀组分的饱和浓度第四章 地下水质与环境1 地下水水质12 1.2 地下水的物理化学作用（6）放射性衰变作用水中

7、放射性物质的来源：人为因素为主 水中放射性物质与外界的作用：运动，吸附，离子交换等 放射性元素本身的衰变。浓度衰变过程可由下式表示： 式中， 放射性元素的衰变常数 机械过滤作用指土壤像一个过滤器，当水通过土壤时，水中的悬浮物、细菌等颗粒较大的物质可以被土壤截留 第四章 地下水质与环境1 地下水水质13 1.3 水质标准不同用途的水质标准（国家颁布的水环境质量标准）生活饮用水水质标准 GB5749-85农田灌溉水质标准GB5084-85 地面水环境质量标准GB3838-88渔业水质标准TJ35-79中华人民共和国饮用天然矿泉水标准 （GB8537-87） 劣质水灌溉 城镇生活污水灌溉 高矿化度咸

8、水灌溉返回第四章 地下水质与环境1 地下水水质14 2 溶质运移的基本方程 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论 2.2 溶质运移方程 2.3 初始条件和边界条件2.4 溶质运移方程的求解第四章 地下水质与环境15 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（1）对流弥散（水动力弥散）16 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（2） 对流对流：溶质在多孔介质中由平均水流运动所携带而产生的质量输运现象称为对流对流通量Jc：溶质随水的运动在单位时间内通过单位面积多孔介质的质量称为对流通量，可表示为： Jc= vC=qC (4-14)式中，v 孔隙平均流速，v =q/ ，q为达西流速(L/T)； 土壤体积

9、含水率，对饱和土壤， 即土壤孔隙率C溶质在地下水中的平均浓度(M/L3)17 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（3） 弥散水动力弥散现象：是大量的单个溶质质点通过孔隙的实际运移（受浓度梯度和多孔介质自身特性的影响）水动力弥散理论的主要研究内容：多孔介质中溶质运移的机理；定量描述可溶混流体彼此之间相互驱替的过程；多孔介质中溶质浓度在时间和空间上的变化规律 第四章 地下水质与环境2 溶质运移的基本方程18 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（4） 水动力弥散理论水动力弥散现象实例 例1. 二维均质含水层中示踪剂的扩散；例2. 均质砂柱中的一维驱替现象第四章 地下水质与环境2 溶质运移的基本方

10、程19 例1. 返回二维均质含水层中示踪剂的扩散1 第四章 地下水质与环境2 溶质运移的基本方程 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（5） 水动力弥散理论水动力弥散现象使溶质逐渐散布到越来与越大的流动区域20 例2.返回均质砂柱中的一维驱替现象1 第四章 地下水质与环境2 溶质运移的基本方程 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（6） 水动力弥散理论均质砂柱中稳定饱和水流运动某一瞬时用浓度为C0的溶液替换砂柱上边界中原来浓度为0的溶液溶质为非反应性的保守溶质21 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（7） 水动力弥散理论造成弥散现象的原因 ：有多种，如分子扩散，多孔介质复杂的微观结构，流体的

11、流动，液相和固相的相互作用等,其中主要是分子扩散机械弥散22 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（7） 水动力弥散理论分子扩散23 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（7） 水动力弥散理论分子扩散：由于流体中所含溶质浓度的不均一而引起的物质输运现象分子扩散的动力：浓度梯度的存在分子扩散服从Fick定律，由于分子扩散造成的单位时间内通过单位面积多孔介质的质量通量： Ja= Dd gradC 式中：Dd溶质在多孔介质中的分子扩散系数; Dd=Dd0(为多空介质的弯曲率， Dd0为自由溶液中分子扩散系数)第四章 地下水质与环境2 溶质运移的基本方程分子扩散24 2.1 溶质在地下水中运移的基本理

12、论（8） 水动力弥散理论孔隙中微观流速不均匀 ，图43多孔介质中宏观尺度的不均匀性：如各部分渗透性能不同造成宏观尺度上的不均匀性，导致流速的不均匀分布 机械弥散：流体在多孔介质中运动时，由于微观尺度和宏观尺度的流速的不均匀性而引起的这种物质输运现象返回第四章 地下水质与环境2 溶质运移的基本方程机械弥散导致沿流速主方向散布扩展导致沿垂直流速主方向散布扩展25 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（9） 水动力弥散理论机械弥散通量，也服从Fick定律： Jm= Dm gradC 式中： Dm溶质在多孔介质中的机械弥散系数 大量实验证明机械弥散系数Dm与平均流速v(孔隙平均流速)有关；流速越大，机

13、械弥散的作用越强26 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（10） 水动力弥散理论当流速较大时，机械弥散在水动力弥散中起主要作用；当流速很小时，分子扩散起主要作用水动力弥散可以沿平均流速方向上进行，称为纵向弥散；也可在垂直于平均流速方向上进行，称为横向弥散27 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（11） 水动力弥散理论水动力弥散服从Fick定律水动力弥散通量为： Jh= D gradeC (4-12) 式中， Jh 由于水动力弥散造成的单位时间内通过单位面积多孔介质的质量通量；D Dd+ Dm 称为水动力弥散系数； Dd溶质在多孔介质中的扩散系数，称有效扩散系数 ； Dm溶质在多孔介质中的机

14、械弥散系数28 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（12） 水动力弥散理论1 水动力弥散系数D(张量) ： D Dd+ Dm 水动力弥散系数与平均流速的关系(均质各向同性中)：第四章 地下水质与环境2 溶质运移的基本方程29 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（12） 水动力弥散理论1 水动力弥散系数D(张量) ： D Dd+ Dm 水动力弥散系数与平均流速的关系(均质各向同性中)：式中 3 Dij弥散系数张量的分量 L、 T 分别为多孔介质的纵向和横向弥散度； Dd为介质的有效弥散度； | v |流速向量v 的模； ij 为Kroneker数，定义为 vi,vj沿i、j方向的孔隙流速第四

15、章 地下水质与环境2 溶质运移的基本方程30 2.1 溶质在地下水中运移的基本理论（13） 水动力弥散理论1 二维渗流中的弥散（i，j表示x,y两个方向）：一维渗流中（直角坐标系中一个坐标轴如x轴与平均流动的方向一致时，称x轴正方向为弥散主方向）。在以x轴为弥散主轴的情况下水动力弥散系数D（忽略Dd）31 2.2 溶质运移方程（1）1 多孔介质中溶质质量通量包括对流和弥散两部分：对流通量Jc：Jcv C qC (4-14) 2水动力弥散通量： Jh= D gradC 单位时间，通过多孔介质中任一单位面积上的溶质的质量通量为对流通量与水动力弥散通量之和： J Jc Jh vC D gradC (

16、4-15)第四章 地下水质与环境2 溶质运移的基本方程32 2.2 溶质运移方程（3）Jh= D gradC忽略分子扩散后：33 2.2 溶质运移方程（2）弥散通量：Jh= D gradC34 2.2 溶质运移方程（4）1 水动力弥散方程（对流弥散方程）：由质量守恒，在均质各向同性的非饱和介质中，溶质运移的基本方程为： 2 单位体积多孔介质中溶质质量随时间的变化率质量变化率弥散项对流项源汇项在水动力弥散作用下，单位时间单位体积多孔介质中溶质质量的变化除对流和弥散作用外，其它各种物理化学作用所引起的单位体积多孔介质中溶质质量随时间的变化率在对流作用下，单位时间内单位体积多孔介质中溶质质量的变化第

17、四章 地下水质与环境2 溶质运移的基本方程35 2.2 溶质运移方程（5）水动力弥散方程（对流弥散方程）：在均质各向同性的饱和介质中，溶质运移的基本方程为：1 单位体积 液体中溶质质量随时间的变化率质量变化率弥散项对流项源汇项在水动力弥散作用下，单位时间单位体积液体中溶质质量的变化除对流和弥散作用外，其它各种物理化学作用所引起的单位体积液体中溶质质量随时间的变化率在对流作用下，单位时间内单位体积液体中溶质质量的变化在直角坐标系中，饱和介质溶质运移方程可展开为： 第四章 地下水质与环境2 溶质运移的基本方程36 2.2 溶质运移方程（6）弥散项对流项源汇项质量变化率第四章 地下水质与环境2 溶质

18、运移的基本方程Jh1, Jh2, Jh3,Jc1,Jc2,Jc337 2.2 溶质运移方程（7）水动力弥散方程（对流弥散方程）：应用求和记号，饱和介质溶质运移方程简化为： 1 若不考虑源汇项，一维饱和介质溶质对流弥散方程为：源汇项的具体表达形式： 吸附或解吸；放射性衰变；抽（注）水井等第四章 地下水质与环境2 溶质运移的基本方程38 2.3 起始条件和边界条件1 初始条件：指在t0 时刻，研究区域内各点的浓度分布 C(x, y, z, t)=C0(x, y, z), t = 0, (x, y, z) 2 边界条件：指在研究区域的边界线上溶质浓度或浓度通量的变化情况几种常见的一维水动力弥散问题的边界条件第四章 地下水质与环境2 溶质运移的基本方程39 2.3 起始条件和边界条件 几种常见的边界条件(1) 一类边界条件：边界x=a处溶质浓度为已知的边界 C(a, t)=Ca(t) (4-34) 2 二类零通量（隔水隔溶质）边界条件：指在边界上水流速度和溶质通量均为0，即第四章 地下水质与环境2 溶质运移的基本方程40 2.3 起始条件和边界条件 几种常见的边界条件(2)二类边界条件：出流条件下，外界为空气，在边界处浓度C和流速v与区内相等，有: 三类入流边界，边界外侧的水体浓度固定为Ca，因边界处v与区内相等，则有 第四章 地下水质与环境2