环境水文地质作用第四章.ppt

1、环境水文地质效应，讲座大纲1，水资源开发利用的环境水文地质效应2，环境水文地质效应分类3，环境水文地球化学效应4，环境水动力效应5，水资源开发利用的环境水文地质效应1。区域地下水位继续下降。一旦开采量长期超过补给量，含水层的水平衡状态将不可避免地被破坏。含水层的蓄水能力将被逐渐消耗，这将导致地下水位持续下降，并带来各种严重的不良后果。2.城市水资源危机加剧，中国地下水资源总量为8700108 m3。地下水资源不是取之不尽的。城市地下水的量与城市的气候、水文和地质环境有关。据110个城市(直辖市、省会城市和主要区域城市)统计，地下水资源可开采量为1240.76l08m3，占资源总量的1/8，其中

2、孔隙水、裂隙水和岩溶水分别占29和48。由于工业生产用水的长期无政府状态，生产生活用水的严重浪费，水资源的污染，在工业和人口集中的大城市，水的需求量已经超过了自然资源的总量，水的供需矛盾日益突出，城市严重缺水，部分城市缺水。3.过度开采造成的地下水水质恶化和地下水位下降有三种原因：地下水水动力条件的变化、含水层水文地球化学条件的变化和井本身结构问题造成的水质恶化。4、海水入侵，5、诱发地震和缺氧灾害，地下水开采引起的地下水位下降使一些含水层因排水而出现真空状态，原来的蓄水空间被空气所取代。在还原环境中，土层中某些化学成分的氧化还原反应排出地下空气中的氧气，导致地下空气缺氧，这是地下工程开挖过程

3、中缺氧灾害的主要原因。2.环境水文地质学分类。1.环境水文地球化学是指在一定的渗流和水文地球化学条件下，人为干预下物质迁移转化的作用，是决定污染物迁移转化规律的主要作用。主要有酸碱作用、氧化还原作用、吸附-解吸作用、络合和螯合作用、稀释和浓缩作用、生物净化和浓缩作用、放射性衰变、细菌繁殖和衰变作用以及污染物在水中的扩散作用。通过这些行动，水污染物质在环境系统中迁移、富集、转化、分散、净化和改变毒性，从而造成不利的环境影响，如水质恶化和公共危害，或净化水体。氧化还原CH4CH3OH CH2O HCOOH CO2 H2O烷醇酸无机物，盐污染增加了地下水的含盐量Ca2和Mg2的影响，2。环境水动力作

4、用是指由地下水动力要素变化引起的地质环境之间的能量交换。通过荷载效应、应力腐蚀效应、孔隙水压力效应、地下侵蚀效应等。破坏了地质环境中不同单元之间的力学平衡，引发了地面沉降、岩溶塌陷等地质灾害。地下水位的下降会引起水动力场各要素的变化，如水力梯度、渗流速度和水压等。3.环境水物理功能是指地下水对热能的传播和转化引起的建筑基础不稳定和地下水水质恶化的环境功能。由于人工热排放的影响，水温的变化会造成水体热污染，影响水质和水生生态平衡。4.环境水文地质和生态功能、水质、水量和水温的变化都会造成生态平衡的破坏。大规模开采地下水引起的区域水位下降，降低了包气带土壤水分，破坏了土壤结构污染物在地下水系统中的

5、水文地球化学效应，污染物在地下水系统(包括包气带和含水层)中的迁移过程是物理、化学和生物因素综合作用的复杂过程。当地表污染物进入含水层时，大部分污染物必须通过包气带，包气带具有输送和储存水的功能，因此它也具有输送和储存液态污染物的功能，还具有延缓或减轻污染的作用。物理作用效果主要包括机械过滤和稀释，主要产生净化效果。机械过滤主要取决于介质的性质和污染物颗粒的大小。松散地层中，颗粒越细，过滤效果越好；在坚硬岩石破碎地层中，过滤效果一般不如松散地层，且裂缝越大，过滤效果越差。过滤作用主要是去除悬浮固体，其次是细苗。此外，还可以去除一些组分的沉淀物，如碳酸钙、硫酸钙、三氧化二铁、三氧化二铝和有机粘土

6、絮凝剂。化学效应主要包括吸附、溶解、沉淀、氧化还原、酸碱度影响、化学降解、光解和挥发。任何能吸附液体离子的固体都称为吸附剂，其吸附能力用交换能力表示。交换容量一般与以下因素有关：(1)粘土矿物和有机质的交换容量大；颗粒越小，比表面积越大，交换容量越大。表土的交换能力与土壤中粘土矿物的类型和数量有关。固体表面电荷是酸碱度的函数。沉淀是去除污染物的主要净化作用。在研究地下水污染时，应特别注意控制不溶性化合物对包气带和含水层中污染物的溶解度。生物效应主要包括微生物降解和植物吸收。微生物降解是指复杂的污染物(主要是有机污染物)转化为简单的产品，如CO2和H2O；通过微生物的活动。如果污染物含有氯和氮，

7、它们也可能转化为氨和氯。包气带和含水层中都有大量微生物，包括细菌、放射性细菌、真菌和寄生虫。有机污染物可用作污水灌溉土壤或使用其他固体废物(如污泥和农家肥)和有机农药的土壤中微生物的碳源和能源，以及被有机污染物污染的地下水。当微生物消耗有机污染物时，它们的种群密度也会增加。主要污染物的相对迁移能力及其主要衰减机制，等温吸附方程和污染物迁移的后期现象，1。当在特定温度下达到吸附平衡时，溶质的液相浓度和固相浓度之间存在一定的关系，这种关系在坐标图上表示，称为等温吸附线，其数学表达式称为等温吸附方程。如果方程是线性的，其等温吸附线是一条直线；如果方程是非线性的，其等温吸附方程是一条曲线。地下水污染研

8、究中常用的等温吸附方程简述如下。(1)线性等温吸附方程其最简单的数学表达式为：S=kd.c (91)，其中：-平衡时固相吸附溶质的浓度(mg kg)；液相平衡溶质浓度(mgl)；分配系数(或线性吸附系数)(Lkg)。它与液相中溶质的浓度无关，但实际上它描述了平衡状态下固液相中溶质浓度的分配比，这对于特定的固体物质和污染物来说是常数。数值越大，吸附越容易，迁移越少，反之亦然。事实上，在实验中获得的Kd值通常包括通过沉淀和其他作用被截留在固相中的污染物，这是对某种岩石和土壤对某种污染物的亲和力的测量。线性等温吸附线的另一个表达式是：S=1千道尔顿(92)，其中：截距。污染物在地下水中的运移在多孔介

9、质中，当存在两种或两种以上可混溶的流体时，在流体运动的作用下，它们之间出现过渡带，浓度趋于平均。这种现象被称为流体动力分散环境介质是指能够在环境中传递物质和能量的物质。典型的环境介质是大气和水，两者都是流体。污染物在空气和水中的运动具有相似的特征。1.污染物在环境介质中的运动特征和运动形式，是环境质量的基本模型，推流迁移、弥散迁移、衰减迁移，推流迁移是指污染物在气流或水流作用下的迁移，它只能改变污染物的位置，而不能降低污染物的浓度。1.1，推流迁移，(4-1)，其中：污染物在X、Y、Z方向的推流迁移通量；环境介质在x、y和z方向的速度分量；环境介质中污染物的浓度。污染物在推流作用下的迁移通量可

10、以计算如下：它是分子随机运动引起的粒子分散现象。分子扩散过程遵循Fkk第一定律，即分子扩散的质量流量与扩散物质的浓度梯度成正比，1.2。扩散，污染物在环境介质中的扩散包括三个内容：(4-2)，污染物在X、Y、Z方向分子扩散的质量通量；分子扩散系数，1)分子扩散，即分子扩散、湍流扩散和弥散，是由处于各种状态(流速、压力、浓度等)的粒子的瞬时值的随机脉动引起的弥散现象。2)湍流扩散、(4-3)，其中x、y和z方向由塞流扩散引起，x、y和z方向的湍流扩散系数；时间平均污染物浓度。如果瞬时值直接用于计算，将没有湍流扩散项。当流体颗粒的湍流瞬时脉动速度是一个稳定的随机变量时，湍流扩散规律可以用Fick第

11、一定律来表示，即湍流速度(或其它状态)的时间平均值在空间各点的空间平均值的系统差异所引起的弥散现象。3)弥散是由实际速度在横截面上的不均匀分布引起的。(4-4)，其中：方向上分散引起的污染物质量通量和方向上的分散系数；湍流中平均浓度的空间平均值。由扩散引起的质量通量也可以用菲克第一定律来模拟：非保守物质进入环境后，不仅随着环境介质的流动而改变它们的位置，而且由于它们自身的衰减而降低它们的浓度。1.3污染物的衰减和转化，进入环境的污染物可分为两类：保守物质和非保守物质。保守物质进入环境后，随着介质的运动，其空间位置不断变化，初始浓度由于分散而不断扩散，但总量不会改变。重金属和许多高分子有机化合物

12、属于保守物质。许多实验和实际观测数据已经证明，污染物在环境中的衰减过程基本符合一级反应动力学规律，其中：C:污染物浓度，T:反应时间，K:反应速度常数，非保守物质有两种衰减方式，这是由其自身的运动变化规律决定的，如放射性物质的分解，化学或生物反应和连续衰减，如可生物降解的有机物质，(4-5)，环境流体动力作用，水致地震， 环境水动力作用、水诱发地震诱发地震：矿井排水、采油、采卤和注水诱发地震：机理：应力腐蚀效应：由于溶解作用导致岩石结构面岩石强度减弱的效应。 储层的荷载效应：荷载会在岩体中产生附加应力，使破裂面上的应力状况恶化。间隙水压效应：注水增加了间隙水压，相应地降低了作用面上的有效正应力

13、。环境水动力作用、地面沉降时空分布规律、滨海平原、三角洲平原、河流冲积平原和内陆盆地。大量泵送流体的地面沉降速率与生产速率有关；地面沉降的形成机制、环境水动力作用、岩溶地面沉降的分布规律、岩溶发育强烈的地区和第四系松散盖层较薄的地区；塌陷的水文地质和地形条件：岩溶区、山谷塌陷区的负地形；地面塌陷的危害：对矿山的危害和城市建筑物的成因：(潜流、吸力侵蚀)排水工程、突水、供水和集水建筑物、水利工程中的蓄水或排水、爆破振动、漏水、地下水物理状态转换的环境效应、冻胀(融化和下沉)效应：土壤冻胀隆起支持建筑物的上升。融化季节引起的地面沉降冰锥和冰丘冻结层下的承压地下水沿断裂带上升，在季节融化层下冻结成冰

14、芯，在地面形成隆起。热熔滑坡山坡上有大量冻土，热量平衡被破坏，释放物融化滑落；融冰净化在冰和冷冻水之间重新分配盐。水体污染的生态效应富营养化、水体中耗氧有机物的降解、水体中重金属的迁移转化、水体中污染物的转化以及水体中有机物的降解都是通过化学氧化、光化学氧化和生化氧化来实现的，其中生化氧化最为重要。有机物的生化分解和水解反应水解反应是指在水解酶的参与下，复杂的有机物分子被水分子分解成更简单的化合物的反应。氧化反应(1)脱氢：从-CHOH-或-CH2CH2-基团脱氢。(2)脱羧：生物氧化生产CO2的主要过程。6.3.1水中耗氧有机物的降解、代表性耗氧有机物的生物降解、碳水化合物的降解(水解)、二

15、糖的降解(水解)、单糖的降解(糖酵解)、TCA循环/发酵、脂肪和油的糖酵解(水解)、甘油脂肪酸中含氮有机物的降解首先是肽键断裂和羟基及氨基的去除，然后是逐渐氧化。在水体富营养化过程中，“富营养化”是指氮、磷等植物营养物质过量而造成的水污染现象。水体富营养化的类型：自然富营养化、人工富营养化、水体中植物营养物质氮和磷的转化。水中含氮化合物的转化：氨化、硝化和反硝化。水中含磷化合物的转化：溶解、沉淀、生物吸收、水体富营养化过程、氮磷污染和水体富营养化主要取决于水中磷的供给。判断富营养化状态的湖泊或水库有很多，如格斯特标准、德国沃尔伦韦德标准、佐木寿洪标准、武汉东湖富营养化评价标准、富营养化过程、富

16、营养化营养负荷模型等。虽然与环境一直存在着物质和能量的交换和信息的传递，但在一定时期内可以认为是处于稳定状态。磷是大多数湖泊富营养化的关键限制因素。基于上述两个原因，以磷为主要变量，湖泊营养状况为水体的因变量，建立了磷与湖泊富营养化的相关模型。对于停留时间长、水质稳定的湖泊和水库，可以将完全混合箱水质模型作为均匀混合水体进行研究。6.3.2水体富营养化过程，水体富营养化养分负荷模型沃尔伦韦德的基本假设是，湖中某一养分浓度随时间的变化率是湖泊中沉积的养分的输入、输出和数量的函数。质量守恒方程表示为：伏湖泊或水库的体积(m3)；某些营养素的浓度(克/立方米)；Ic中某些营养素的总负荷(g/a)；养分沉积常数(1/a)；q湖出流流量(m3/a)、水体富营养化过程、Kirchner-Dillon模型和warrenweider模型应用的难点在于确定沉积速率常数s，因此Kirchner和Dillon引入了滞留