環(huán)境水文地質(zhì)作用第四章.ppt

1、環(huán)境水文地質(zhì)效應(yīng)，講座大綱1，水資源開發(fā)利用的環(huán)境水文地質(zhì)效應(yīng)2，環(huán)境水文地質(zhì)效應(yīng)分類3，環(huán)境水文地球化學(xué)效應(yīng)4，環(huán)境水動(dòng)力效應(yīng)5，水資源開發(fā)利用的環(huán)境水文地質(zhì)效應(yīng)1。區(qū)域地下水位繼續(xù)下降。一旦開采量長期超過補(bǔ)給量，含水層的水平衡狀態(tài)將不可避免地被破壞。含水層的蓄水能力將被逐漸消耗，這將導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，并帶來各種嚴(yán)重的不良后果。2.城市水資源危機(jī)加劇，中國地下水資源總量為8700108 m3。地下水資源不是取之不盡的。城市地下水的量與城市的氣候、水文和地質(zhì)環(huán)境有關(guān)。據(jù)110個(gè)城市(直轄市、省會城市和主要區(qū)域城市)統(tǒng)計(jì)，地下水資源可開采量為1240.76l08m3，占資源總量的1/8，其中

2、孔隙水、裂隙水和巖溶水分別占29和48。由于工業(yè)生產(chǎn)用水的長期無政府狀態(tài)，生產(chǎn)生活用水的嚴(yán)重浪費(fèi)，水資源的污染，在工業(yè)和人口集中的大城市，水的需求量已經(jīng)超過了自然資源的總量，水的供需矛盾日益突出，城市嚴(yán)重缺水，部分城市缺水。3.過度開采造成的地下水水質(zhì)惡化和地下水位下降有三種原因：地下水水動(dòng)力條件的變化、含水層水文地球化學(xué)條件的變化和井本身結(jié)構(gòu)問題造成的水質(zhì)惡化。4、海水入侵，5、誘發(fā)地震和缺氧災(zāi)害，地下水開采引起的地下水位下降使一些含水層因排水而出現(xiàn)真空狀態(tài)，原來的蓄水空間被空氣所取代。在還原環(huán)境中，土層中某些化學(xué)成分的氧化還原反應(yīng)排出地下空氣中的氧氣，導(dǎo)致地下空氣缺氧，這是地下工程開挖過程

3、中缺氧災(zāi)害的主要原因。2.環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)分類。1.環(huán)境水文地球化學(xué)是指在一定的滲流和水文地球化學(xué)條件下，人為干預(yù)下物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的作用，是決定污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的主要作用。主要有酸堿作用、氧化還原作用、吸附-解吸作用、絡(luò)合和螯合作用、稀釋和濃縮作用、生物凈化和濃縮作用、放射性衰變、細(xì)菌繁殖和衰變作用以及污染物在水中的擴(kuò)散作用。通過這些行動(dòng)，水污染物質(zhì)在環(huán)境系統(tǒng)中遷移、富集、轉(zhuǎn)化、分散、凈化和改變毒性，從而造成不利的環(huán)境影響，如水質(zhì)惡化和公共危害，或凈化水體。氧化還原CH4CH3OH CH2O HCOOH CO2 H2O烷醇酸無機(jī)物，鹽污染增加了地下水的含鹽量Ca2和Mg2的影響，2。環(huán)境水動(dòng)力作

4、用是指由地下水動(dòng)力要素變化引起的地質(zhì)環(huán)境之間的能量交換。通過荷載效應(yīng)、應(yīng)力腐蝕效應(yīng)、孔隙水壓力效應(yīng)、地下侵蝕效應(yīng)等。破壞了地質(zhì)環(huán)境中不同單元之間的力學(xué)平衡，引發(fā)了地面沉降、巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。地下水位的下降會引起水動(dòng)力場各要素的變化，如水力梯度、滲流速度和水壓等。3.環(huán)境水物理功能是指地下水對熱能的傳播和轉(zhuǎn)化引起的建筑基礎(chǔ)不穩(wěn)定和地下水水質(zhì)惡化的環(huán)境功能。由于人工熱排放的影響，水溫的變化會造成水體熱污染，影響水質(zhì)和水生生態(tài)平衡。4.環(huán)境水文地質(zhì)和生態(tài)功能、水質(zhì)、水量和水溫的變化都會造成生態(tài)平衡的破壞。大規(guī)模開采地下水引起的區(qū)域水位下降，降低了包氣帶土壤水分，破壞了土壤結(jié)構(gòu)污染物在地下水系統(tǒng)中的

5、水文地球化學(xué)效應(yīng)，污染物在地下水系統(tǒng)(包括包氣帶和含水層)中的遷移過程是物理、化學(xué)和生物因素綜合作用的復(fù)雜過程。當(dāng)?shù)乇砦廴疚镞M(jìn)入含水層時(shí)，大部分污染物必須通過包氣帶，包氣帶具有輸送和儲存水的功能，因此它也具有輸送和儲存液態(tài)污染物的功能，還具有延緩或減輕污染的作用。物理作用效果主要包括機(jī)械過濾和稀釋，主要產(chǎn)生凈化效果。機(jī)械過濾主要取決于介質(zhì)的性質(zhì)和污染物顆粒的大小。松散地層中，顆粒越細(xì)，過濾效果越好；在堅(jiān)硬巖石破碎地層中，過濾效果一般不如松散地層，且裂縫越大，過濾效果越差。過濾作用主要是去除懸浮固體，其次是細(xì)苗。此外，還可以去除一些組分的沉淀物，如碳酸鈣、硫酸鈣、三氧化二鐵、三氧化二鋁和有機(jī)粘土

6、絮凝劑。化學(xué)效應(yīng)主要包括吸附、溶解、沉淀、氧化還原、酸堿度影響、化學(xué)降解、光解和揮發(fā)。任何能吸附液體離子的固體都稱為吸附劑，其吸附能力用交換能力表示。交換容量一般與以下因素有關(guān)：(1)粘土礦物和有機(jī)質(zhì)的交換容量大；顆粒越小，比表面積越大，交換容量越大。表土的交換能力與土壤中粘土礦物的類型和數(shù)量有關(guān)。固體表面電荷是酸堿度的函數(shù)。沉淀是去除污染物的主要凈化作用。在研究地下水污染時(shí)，應(yīng)特別注意控制不溶性化合物對包氣帶和含水層中污染物的溶解度。生物效應(yīng)主要包括微生物降解和植物吸收。微生物降解是指復(fù)雜的污染物(主要是有機(jī)污染物)轉(zhuǎn)化為簡單的產(chǎn)品，如CO2和H2O；通過微生物的活動(dòng)。如果污染物含有氯和氮，

7、它們也可能轉(zhuǎn)化為氨和氯。包氣帶和含水層中都有大量微生物，包括細(xì)菌、放射性細(xì)菌、真菌和寄生蟲。有機(jī)污染物可用作污水灌溉土壤或使用其他固體廢物(如污泥和農(nóng)家肥)和有機(jī)農(nóng)藥的土壤中微生物的碳源和能源，以及被有機(jī)污染物污染的地下水。當(dāng)微生物消耗有機(jī)污染物時(shí)，它們的種群密度也會增加。主要污染物的相對遷移能力及其主要衰減機(jī)制，等溫吸附方程和污染物遷移的后期現(xiàn)象，1。當(dāng)在特定溫度下達(dá)到吸附平衡時(shí)，溶質(zhì)的液相濃度和固相濃度之間存在一定的關(guān)系，這種關(guān)系在坐標(biāo)圖上表示，稱為等溫吸附線，其數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為等溫吸附方程。如果方程是線性的，其等溫吸附線是一條直線；如果方程是非線性的，其等溫吸附方程是一條曲線。地下水污染研

8、究中常用的等溫吸附方程簡述如下。(1)線性等溫吸附方程其最簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：S=kd.c (91)，其中：-平衡時(shí)固相吸附溶質(zhì)的濃度(mg kg)；液相平衡溶質(zhì)濃度(mgl)；分配系數(shù)(或線性吸附系數(shù))(Lkg)。它與液相中溶質(zhì)的濃度無關(guān)，但實(shí)際上它描述了平衡狀態(tài)下固液相中溶質(zhì)濃度的分配比，這對于特定的固體物質(zhì)和污染物來說是常數(shù)。數(shù)值越大，吸附越容易，遷移越少，反之亦然。事實(shí)上，在實(shí)驗(yàn)中獲得的Kd值通常包括通過沉淀和其他作用被截留在固相中的污染物，這是對某種巖石和土壤對某種污染物的親和力的測量。線性等溫吸附線的另一個(gè)表達(dá)式是：S=1千道爾頓(92)，其中：截距。污染物在地下水中的運(yùn)移在多孔介

9、質(zhì)中，當(dāng)存在兩種或兩種以上可混溶的流體時(shí)，在流體運(yùn)動(dòng)的作用下，它們之間出現(xiàn)過渡帶，濃度趨于平均。這種現(xiàn)象被稱為流體動(dòng)力分散環(huán)境介質(zhì)是指能夠在環(huán)境中傳遞物質(zhì)和能量的物質(zhì)。典型的環(huán)境介質(zhì)是大氣和水，兩者都是流體。污染物在空氣和水中的運(yùn)動(dòng)具有相似的特征。1.污染物在環(huán)境介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)特征和運(yùn)動(dòng)形式，是環(huán)境質(zhì)量的基本模型，推流遷移、彌散遷移、衰減遷移，推流遷移是指污染物在氣流或水流作用下的遷移，它只能改變污染物的位置，而不能降低污染物的濃度。1.1，推流遷移，(4-1)，其中：污染物在X、Y、Z方向的推流遷移通量；環(huán)境介質(zhì)在x、y和z方向的速度分量；環(huán)境介質(zhì)中污染物的濃度。污染物在推流作用下的遷移通量可

10、以計(jì)算如下：它是分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的粒子分散現(xiàn)象。分子擴(kuò)散過程遵循Fkk第一定律，即分子擴(kuò)散的質(zhì)量流量與擴(kuò)散物質(zhì)的濃度梯度成正比，1.2。擴(kuò)散，污染物在環(huán)境介質(zhì)中的擴(kuò)散包括三個(gè)內(nèi)容：(4-2)，污染物在X、Y、Z方向分子擴(kuò)散的質(zhì)量通量；分子擴(kuò)散系數(shù)，1)分子擴(kuò)散，即分子擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散和彌散，是由處于各種狀態(tài)(流速、壓力、濃度等)的粒子的瞬時(shí)值的隨機(jī)脈動(dòng)引起的彌散現(xiàn)象。2)湍流擴(kuò)散、(4-3)，其中x、y和z方向由塞流擴(kuò)散引起，x、y和z方向的湍流擴(kuò)散系數(shù)；時(shí)間平均污染物濃度。如果瞬時(shí)值直接用于計(jì)算，將沒有湍流擴(kuò)散項(xiàng)。當(dāng)流體顆粒的湍流瞬時(shí)脈動(dòng)速度是一個(gè)穩(wěn)定的隨機(jī)變量時(shí)，湍流擴(kuò)散規(guī)律可以用Fick第

11、一定律來表示，即湍流速度(或其它狀態(tài))的時(shí)間平均值在空間各點(diǎn)的空間平均值的系統(tǒng)差異所引起的彌散現(xiàn)象。3)彌散是由實(shí)際速度在橫截面上的不均勻分布引起的。(4-4)，其中：方向上分散引起的污染物質(zhì)量通量和方向上的分散系數(shù)；湍流中平均濃度的空間平均值。由擴(kuò)散引起的質(zhì)量通量也可以用菲克第一定律來模擬：非保守物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境后，不僅隨著環(huán)境介質(zhì)的流動(dòng)而改變它們的位置，而且由于它們自身的衰減而降低它們的濃度。1.3污染物的衰減和轉(zhuǎn)化，進(jìn)入環(huán)境的污染物可分為兩類：保守物質(zhì)和非保守物質(zhì)。保守物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境后，隨著介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，其空間位置不斷變化，初始濃度由于分散而不斷擴(kuò)散，但總量不會改變。重金屬和許多高分子有機(jī)化合物

12、屬于保守物質(zhì)。許多實(shí)驗(yàn)和實(shí)際觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)證明，污染物在環(huán)境中的衰減過程基本符合一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，其中：C:污染物濃度，T:反應(yīng)時(shí)間，K:反應(yīng)速度常數(shù)，非保守物質(zhì)有兩種衰減方式，這是由其自身的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律決定的，如放射性物質(zhì)的分解，化學(xué)或生物反應(yīng)和連續(xù)衰減，如可生物降解的有機(jī)物質(zhì)，(4-5)，環(huán)境流體動(dòng)力作用，水致地震， 環(huán)境水動(dòng)力作用、水誘發(fā)地震誘發(fā)地震：礦井排水、采油、采鹵和注水誘發(fā)地震：機(jī)理：應(yīng)力腐蝕效應(yīng)：由于溶解作用導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)面巖石強(qiáng)度減弱的效應(yīng)。 儲層的荷載效應(yīng)：荷載會在巖體中產(chǎn)生附加應(yīng)力，使破裂面上的應(yīng)力狀況惡化。間隙水壓效應(yīng)：注水增加了間隙水壓，相應(yīng)地降低了作用面上的有效正應(yīng)力

13、。環(huán)境水動(dòng)力作用、地面沉降時(shí)空分布規(guī)律、濱海平原、三角洲平原、河流沖積平原和內(nèi)陸盆地。大量泵送流體的地面沉降速率與生產(chǎn)速率有關(guān)；地面沉降的形成機(jī)制、環(huán)境水動(dòng)力作用、巖溶地面沉降的分布規(guī)律、巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的地區(qū)和第四系松散蓋層較薄的地區(qū)；塌陷的水文地質(zhì)和地形條件：巖溶區(qū)、山谷塌陷區(qū)的負(fù)地形；地面塌陷的危害：對礦山的危害和城市建筑物的成因：(潛流、吸力侵蝕)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、爆破振動(dòng)、漏水、地下水物理狀態(tài)轉(zhuǎn)換的環(huán)境效應(yīng)、凍脹(融化和下沉)效應(yīng)：土壤凍脹隆起支持建筑物的上升。融化季節(jié)引起的地面沉降冰錐和冰丘凍結(jié)層下的承壓地下水沿?cái)嗔褞仙?，在季?jié)融化層下凍結(jié)成冰

14、芯，在地面形成隆起。熱熔滑坡山坡上有大量凍土，熱量平衡被破壞，釋放物融化滑落；融冰凈化在冰和冷凍水之間重新分配鹽。水體污染的生態(tài)效應(yīng)富營養(yǎng)化、水體中耗氧有機(jī)物的降解、水體中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化、水體中污染物的轉(zhuǎn)化以及水體中有機(jī)物的降解都是通過化學(xué)氧化、光化學(xué)氧化和生化氧化來實(shí)現(xiàn)的，其中生化氧化最為重要。有機(jī)物的生化分解和水解反應(yīng)水解反應(yīng)是指在水解酶的參與下，復(fù)雜的有機(jī)物分子被水分子分解成更簡單的化合物的反應(yīng)。氧化反應(yīng)(1)脫氫：從-CHOH-或-CH2CH2-基團(tuán)脫氫。(2)脫羧：生物氧化生產(chǎn)CO2的主要過程。6.3.1水中耗氧有機(jī)物的降解、代表性耗氧有機(jī)物的生物降解、碳水化合物的降解(水解)、二

15、糖的降解(水解)、單糖的降解(糖酵解)、TCA循環(huán)/發(fā)酵、脂肪和油的糖酵解(水解)、甘油脂肪酸中含氮有機(jī)物的降解首先是肽鍵斷裂和羥基及氨基的去除，然后是逐漸氧化。在水體富營養(yǎng)化過程中，“富營養(yǎng)化”是指氮、磷等植物營養(yǎng)物質(zhì)過量而造成的水污染現(xiàn)象。水體富營養(yǎng)化的類型：自然富營養(yǎng)化、人工富營養(yǎng)化、水體中植物營養(yǎng)物質(zhì)氮和磷的轉(zhuǎn)化。水中含氮化合物的轉(zhuǎn)化：氨化、硝化和反硝化。水中含磷化合物的轉(zhuǎn)化：溶解、沉淀、生物吸收、水體富營養(yǎng)化過程、氮磷污染和水體富營養(yǎng)化主要取決于水中磷的供給。判斷富營養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊或水庫有很多，如格斯特標(biāo)準(zhǔn)、德國沃爾倫韋德標(biāo)準(zhǔn)、佐木壽洪標(biāo)準(zhǔn)、武漢東湖富營養(yǎng)化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、富營養(yǎng)化過程、富

16、營養(yǎng)化營養(yǎng)負(fù)荷模型等。雖然與環(huán)境一直存在著物質(zhì)和能量的交換和信息的傳遞，但在一定時(shí)期內(nèi)可以認(rèn)為是處于穩(wěn)定狀態(tài)。磷是大多數(shù)湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵限制因素。基于上述兩個(gè)原因，以磷為主要變量，湖泊營養(yǎng)狀況為水體的因變量，建立了磷與湖泊富營養(yǎng)化的相關(guān)模型。對于停留時(shí)間長、水質(zhì)穩(wěn)定的湖泊和水庫，可以將完全混合箱水質(zhì)模型作為均勻混合水體進(jìn)行研究。6.3.2水體富營養(yǎng)化過程，水體富營養(yǎng)化養(yǎng)分負(fù)荷模型沃爾倫韋德的基本假設(shè)是，湖中某一養(yǎng)分濃度隨時(shí)間的變化率是湖泊中沉積的養(yǎng)分的輸入、輸出和數(shù)量的函數(shù)。質(zhì)量守恒方程表示為：伏湖泊或水庫的體積(m3)；某些營養(yǎng)素的濃度(克/立方米)；Ic中某些營養(yǎng)素的總負(fù)荷(g/a)；養(yǎng)分沉積常數(shù)(1/a)；q湖出流流量(m3/a)、水體富營養(yǎng)化過程、Kirchner-Dillon模型和warrenweider模型應(yīng)用的難點(diǎn)在于確定沉積速率常數(shù)s，因此Kirchner和Dillon引入了滯留