環(huán)境水文地質作用第四章.ppt

1、環(huán)境水文地質效應，講座大綱1，水資源開發(fā)利用的環(huán)境水文地質效應2，環(huán)境水文地質效應分類3，環(huán)境水文地球化學效應4，環(huán)境水動力效應5，水資源開發(fā)利用的環(huán)境水文地質效應1。區(qū)域地下水位繼續(xù)下降。一旦開采量長期超過補給量，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，這將導致地下水位持續(xù)下降，并帶來各種嚴重的不良后果。2.城市水資源危機加劇，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、水文和地質環(huán)境有關。據(jù)110個城市(直轄市、省會城市和主要區(qū)域城市)統(tǒng)計，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)生產用水的長期無政府狀態(tài)，生產生活用水的嚴重浪費，水資源的污染，在工業(yè)和人口集中的大城市，水的需求量已經超過了自然資源的總量，水的供需矛盾日益突出，城市嚴重缺水，部分城市缺水。3.過度開采造成的地下水水質惡化和地下水位下降有三種原因：地下水水動力條件的變化、含水層水文地球化學條件的變化和井本身結構問題造成的水質惡化。4、海水入侵，5、誘發(fā)地震和缺氧災害，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，土層中某些化學成分的氧化還原反應排出地下空氣中的氧氣，導致地下空氣缺氧，這是地下工程開挖過程

3、中缺氧災害的主要原因。2.環(huán)境水文地質學分類。1.環(huán)境水文地球化學是指在一定的滲流和水文地球化學條件下，人為干預下物質遷移轉化的作用，是決定污染物遷移轉化規(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、細菌繁殖和衰變作用以及污染物在水中的擴散作用。通過這些行動，水污染物質在環(huán)境系統(tǒng)中遷移、富集、轉化、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)境水動力作

4、用是指由地下水動力要素變化引起的地質環(huán)境之間的能量交換。通過荷載效應、應力腐蝕效應、孔隙水壓力效應、地下侵蝕效應等。破壞了地質環(huán)境中不同單元之間的力學平衡，引發(fā)了地面沉降、巖溶塌陷等地質災害。地下水位的下降會引起水動力場各要素的變化，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化引起的建筑基礎不穩(wěn)定和地下水水質惡化的環(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，影響水質和水生生態(tài)平衡。4.環(huán)境水文地質和生態(tài)功能、水質、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，破壞了土壤結構污染物在地下水系統(tǒng)中的

5、水文地球化學效應，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、化學和生物因素綜合作用的復雜過程。當?shù)乇砦廴疚镞M入含水層時，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械過濾和稀釋，主要產生凈化效果。機械過濾主要取決于介質的性質和污染物顆粒的大小。松散地層中，顆粒越細，過濾效果越好；在堅硬巖石破碎地層中，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、三氧化二鋁和有機粘土

6、絮凝劑?；瘜W效應主要包括吸附、溶解、沉淀、氧化還原、酸堿度影響、化學降解、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：(1)粘土礦物和有機質的交換容量大；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。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，應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。生物效應主要包括微生物降解和植物吸收。微生物降解是指復雜的污染物(主要是有機污染物)轉化為簡單的產品，如CO2和H2O；通過微生物的活動。如果污染物含有氯和氮，

7、它們也可能轉化為氨和氯。包氣帶和含水層中都有大量微生物，包括細菌、放射性細菌、真菌和寄生蟲。有機污染物可用作污水灌溉土壤或使用其他固體廢物(如污泥和農家肥)和有機農藥的土壤中微生物的碳源和能源，以及被有機污染物污染的地下水。當微生物消耗有機污染物時，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制，等溫吸附方程和污染物遷移的后期現(xiàn)象，1。當在特定溫度下達到吸附平衡時，溶質的液相濃度和固相濃度之間存在一定的關系，這種關系在坐標圖上表示，稱為等溫吸附線，其數(shù)學表達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)學表達式為：S=kd.c (91)，其中：-平衡時固相吸附溶質的濃度(mg kg)；液相平衡溶質濃度(mgl)；分配系數(shù)(或線性吸附系數(shù))(Lkg)。它與液相中溶質的濃度無關，但實際上它描述了平衡狀態(tài)下固液相中溶質濃度的分配比，這對于特定的固體物質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。事實上，在實驗中獲得的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表達式是：S=1千道爾頓(92)，其中：截距。污染物在地下水中的運移在多孔介

9、質中，當存在兩種或兩種以上可混溶的流體時，在流體運動的作用下，它們之間出現(xiàn)過渡帶，濃度趨于平均。這種現(xiàn)象被稱為流體動力分散環(huán)境介質是指能夠在環(huán)境中傳遞物質和能量的物質。典型的環(huán)境介質是大氣和水，兩者都是流體。污染物在空氣和水中的運動具有相似的特征。1.污染物在環(huán)境介質中的運動特征和運動形式，是環(huán)境質量的基本模型，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)境介質在x、y和z方向的速度分量；環(huán)境介質中污染物的濃度。污染物在推流作用下的遷移通量可

10、以計算如下：它是分子隨機運動引起的粒子分散現(xiàn)象。分子擴散過程遵循Fkk第一定律，即分子擴散的質量流量與擴散物質的濃度梯度成正比，1.2。擴散，污染物在環(huán)境介質中的擴散包括三個內容：(4-2)，污染物在X、Y、Z方向分子擴散的質量通量；分子擴散系數(shù)，1)分子擴散，即分子擴散、湍流擴散和彌散，是由處于各種狀態(tài)(流速、壓力、濃度等)的粒子的瞬時值的隨機脈動引起的彌散現(xiàn)象。2)湍流擴散、(4-3)，其中x、y和z方向由塞流擴散引起，x、y和z方向的湍流擴散系數(shù)；時間平均污染物濃度。如果瞬時值直接用于計算，將沒有湍流擴散項。當流體顆粒的湍流瞬時脈動速度是一個穩(wěn)定的隨機變量時，湍流擴散規(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))的時間平均值在空間各點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。由擴散引起的質量通量也可以用菲克第一定律來模擬：非保守物質進入環(huán)境后，不僅隨著環(huán)境介質的流動而改變它們的位置，而且由于它們自身的衰減而降低它們的濃度。1.3污染物的衰減和轉化，進入環(huán)境的污染物可分為兩類：保守物質和非保守物質。保守物質進入環(huán)境后，隨著介質的運動，其空間位置不斷變化，初始濃度由于分散而不斷擴散，但總量不會改變。重金屬和許多高分子有機化合物

12、屬于保守物質。許多實驗和實際觀測數(shù)據(jù)已經證明，污染物在環(huán)境中的衰減過程基本符合一級反應動力學規(guī)律，其中：C:污染物濃度，T:反應時間，K:反應速度常數(shù)，非保守物質有兩種衰減方式，這是由其自身的運動變化規(guī)律決定的，如放射性物質的分解，化學或生物反應和連續(xù)衰減，如可生物降解的有機物質，(4-5)，環(huán)境流體動力作用，水致地震， 環(huán)境水動力作用、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：機理：應力腐蝕效應：由于溶解作用導致巖石結構面巖石強度減弱的效應。 儲層的荷載效應：荷載會在巖體中產生附加應力，使破裂面上的應力狀況惡化。間隙水壓效應：注水增加了間隙水壓，相應地降低了作用面上的有效正應力

13、。環(huán)境水動力作用、地面沉降時空分布規(guī)律、濱海平原、三角洲平原、河流沖積平原和內陸盆地。大量泵送流體的地面沉降速率與生產速率有關；地面沉降的形成機制、環(huán)境水動力作用、巖溶地面沉降的分布規(guī)律、巖溶發(fā)育強烈的地區(qū)和第四系松散蓋層較薄的地區(qū)；塌陷的水文地質和地形條件：巖溶區(qū)、山谷塌陷區(qū)的負地形；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、漏水、地下水物理狀態(tài)轉換的環(huán)境效應、凍脹(融化和下沉)效應：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層下的承壓地下水沿斷裂帶上升，在季節(jié)融化層下凍結成冰

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)效應富營養(yǎng)化、水體中耗氧有機物的降解、水體中重金屬的遷移轉化、水體中污染物的轉化以及水體中有機物的降解都是通過化學氧化、光化學氧化和生化氧化來實現(xiàn)的，其中生化氧化最為重要。有機物的生化分解和水解反應水解反應是指在水解酶的參與下，復雜的有機物分子被水分子分解成更簡單的化合物的反應。氧化反應(1)脫氫：從-CHOH-或-CH2CH2-基團脫氫。(2)脫羧：生物氧化生產CO2的主要過程。6.3.1水中耗氧有機物的降解、代表性耗氧有機物的生物降解、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)物質氮和磷的轉化。水中含氮化合物的轉化：氨化、硝化和反硝化。水中含磷化合物的轉化：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，如格斯特標準、德國沃爾倫韋德標準、佐木壽洪標準、武漢東湖富營養(yǎng)化評價標準、富營養(yǎng)化過程、富

16、營養(yǎng)化營養(yǎng)負荷模型等。雖然與環(huán)境一直存在著物質和能量的交換和信息的傳遞，但在一定時期內可以認為是處于穩(wěn)定狀態(tài)。磷是大多數(shù)湖泊富營養(yǎng)化的關鍵限制因素?；谏鲜鰞蓚€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)化的相關模型。對于停留時間長、水質穩(wěn)定的湖泊和水庫，可以將完全混合箱水質模型作為均勻混合水體進行研究。6.3.2水體富營養(yǎng)化過程，水體富營養(yǎng)化養(yǎng)分負荷模型沃爾倫韋德的基本假設是，湖中某一養(yǎng)分濃度隨時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模型應用的難點在于確定沉積速率常數(shù)s，因此Kirchner和Dillon引入了滯留