1、环境水文地质作用,讲课提纲 一、 水资源开发利用的环境地质效应 二、环境水文地质作用分类 三、环境水文地球化学作用 四、环境水动力作用 五、环境水物理作用,一、 水资源开发利用的环境地质效应,1、 区域地下水位持续下降一旦开采量长时期地超过补给量时，含水层的水量均衡状态必然遭到破坏。含水层的储存量将被逐渐消耗，从而导致地下水位的持续下降，并带来种种严重的不良后果。,2、城市水资源危机加剧,我国地下水资源总量为8700x108m3。地下水资源，并不是取之不尽，用之不竭的.城市地下水的多少,与城市的气候、水文及地质环境有关、通过对110个城市(直辖市、省会及主要地区市)的统计，地下水资源可开采量为
2、1240.76l08m3，占总资源量的1/8，其中孔隙水、裂隙水和岩溶水分别占29、48、23。由于长期性工业生产上用水的无政府状态，以及生产和生活上用水的严重浪费，再加上水资源的污染，致使在工业和人口集中的大城市，需水量已经超过天然资源保有量，供水能力和需求矛盾日益突出，城市缺水严重，有些城市己出现水荒。,3、地下水质恶化,过量开采致使地下水位下降所引起的，方式不外乎三种：地下水水动力条件改变，含水层水文地球化学条件改变、水井本身结构问题引起水质恶化。,4、海水入侵,5、诱发地震、缺氧灾害,由于开采地下水所引起的地下水位下降，使某些含水层因疏干而出现真空状态，原有水贮存空间被空气取代，在还原
3、环境下，土层中一些化学成分的氧化还原反应，耗尽地下空气中的氧气，造成地下空气缺氧，是导致地下工程开挖时，缺氧灾害的主要原因。,二、环境水文地质作用分类,1、环境水文地球化学作用,环境水文地球化学作用是指在人工干预下，在一定渗流和水文地球化学条件下，物质迁移、转化的作用，是决定污染物质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、络合与螯合作用、稀释和浓缩作用、生物净化与浓集作用、放射性衰变和细菌繁殖与衰亡作用，以及污染质在水中的弥散作用 通过这些作用，水污染物质在环境系统中发生迁移、富集、转化、分散、净化、毒性改变，从而造成水质恶化、公害病等不良环境影响，或使水体发生净化
4、作用。,氧化还原作用 CH4CH3OH CH2O HCOOH CO2+H2O 烷醛醇 酸 无机物,盐效应 污染提高了地下水的含盐度 Ca2+、 Mg2+的影响,2、环境水动力作用,环境水动力作用是指由地下水动力要素变化而引起的地质环境中相互间的能量交换作用。通过荷载效应、应力腐蚀效应、孔隙水压力效应、潜蚀吸蚀效应等作用，破坏地质环境中不同单元间的力学平衡，引发地面沉降、岩溶塌陷等地质灾害：地下水位的下降，会造成水动力场各要素如水力坡度、渗透速度、水压力的变化。,3、环境水物理学作用,环境水物理学作用是指地下水对热能的传播和转化而引起的建筑物地基失稳和地下水水质变坏的环境作用。由于人工热流出物的
5、影响，水温度发生变化可引起水体热污染，影响水质和水生生态平衡。,4、环境水文地质生态作用,水质、水量和水温等变化都可引起生态平衡的破坏。大量开采地下水造成的区域性水位下降，使包气带土壤水分减少，土壤结构破坏，出现土壤沙化和草原退化；不恰当的引水灌溉造成的地下水水位上升引发土壤盐渍化，从而破坏农业生态平衡；水污染物中氮、磷等营养物过多，可造成湖泊、海湾等水体中藻类灾害性的生长，使水体质量下降，危害水生生态系统。,三、污染物在地下水系统中的水文地球化学效应,污染物在地下水系统(含包气带及含水层)迁移过程是复杂的物理、化学及生物因素综合作用过程。地表污染物进入含水层时，绝大部分都必须通过包气带，而包
6、气带具有输水和储水功能，所以也具有输运和储存液载污染物的功能，同时还具有延缓或衰减污染的效应。,物理作用效应,物理作用效应主要包括机械过滤及稀释作用，它们主要产生净化效应。机械过滤作用主要是取决于介质的性质及污染物颗粒的大小。在松散地层里，颗粒越细，过滤效果越好；在坚硬岩石裂隙地层里其过滤效果一般不如松散地层好，裂隙越大，过滤效果越差。过滤效果主要是去除悬浮物，其次是细苗。此外，一些组分的沉淀物，如CaCO3、CaS04、Fe(OH)3、Al(OH)3，以及有机物粘土絮凝剂也可被去除。,化学作用效应,化学作用效应主要包括吸附、溶解、沉淀、氧化还原、PH值影响、化学降解、光分解及挥发作用等。 凡
7、是能吸附液态离子的固体均称为吸附剂，其吸附能力的大小以交换容量(CEC)来表示。交换容量的大小一般与下列因素有关：粘土矿物及有机质的交换容量大；颗粒越小，比表面积越大，交换容量也越大；表层土壤的交换容量与土壤中粘土矿物种类及数量有关；固体表面电荷是pH值的函数。,沉淀作用是去除污染物的主要净化效应。在地下水污染研究中，应特别注意难溶化合物溶解度对污染物在包气带和含水层中的控制。,生物作用效应,生物作用主要包括微生物降解及植物摄取两个方面。所谓微生物降解，是指复杂的污染物(主要是有机污染物)通过微生物活动使其转化为简单的产物，例如CO2和H2O；如污染物分于中含有Cl和N，也可能转化为NH3和C
8、l。无论是包气带还是含水层里都存在着大量微生物，它们包括细菌、放射菌、真菌及寄生虫。在污灌或使用其他固体废物(如污泥、农家肥)和有机农药的土壤里，以及受有机污染物污染的地下水中，其有机污染物可作为微生物的碳源和能源，微生物在消耗有机污染物的同时，其群体密度也增长。,主要污染物的相对迁移能力及其主要衰减机理,等温吸附方程及污染物迁移的迟后现象,1 . 常用的等温吸附方程 在特定温度下达吸附平衡时，某溶质的液相浓度与固相浓度存在一定关系，把这种关表示在坐标图上，即称为等温吸附线，其数学表达式称为等温吸附方程。若方程是线性的，其等温吸附线为直线；若方程为非线性的，其等温吸附方程为曲线。地下水污染研究
9、中常用的等温吸附方程简述如下。,（1） 线性等温吸附方程它最简单的数学表达式为： S= kd.c (91) 式中：-平衡时固相上被吸附溶质的浓度(mgkg)；平衡时液相溶质浓度(mgL)；分配系数(或称线性吸附系数)(Lkg)。 与液相溶质浓度无关,实际上它是描述平衡时固液相溶质浓度的分配比.对特定的固相物质和污染物来说，为常数。值越大，越易吸附，越不易迁移，反之则相反。实际上实验中所求得的Kd值，通常还包含沉淀等其他作用截留在固相里的污染物，它是某种岩土对某一污染物亲和性的量度。线性等温吸附线的另外一种表达式为： S=a+ kd.c (92)式中：a截距。,污染物在地下水中的迁移,在多孔介质
10、中，当存在两种或两种以上可溶混的流体时,在流体运动作用下其间发生过渡带，并使浓度趋于平均化，这种现象称为多孔介质中的水动力弥散现象，简称弥散现象。形成弥散现象的作用，简称弥散作用。,环境介质是指在环境中能够传递物质和能量的物质，典型的环境介质是大气和水，它们都是流体。污染物在大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,污染物运动形式,一 环境质量基本模型,推流迁移,分散运动,衰减转化,推流迁移是指污染物在气流或水流作用下产生的转移作用，推流作用只能改变污染物所处的位置，并不能降低污染物的浓度。,1.1、推流迁移,（4-1）,式中： x、y和z方向上的污染物推流迁移通量
11、；环境介质在x、y、z方向上的流速分量；C污染物在环境介质中的浓度。,在推流的作用下污染物的迁移通量可以按下式计算：,是由分子的随机运动引起的质点分散现象。分子扩散过程服从斐克(Fkk)第一定律，即分子扩散的质量通量与扩散物质的浓度梯度成正比，,1.2、分散作用,污染物在环境介质中的分散作用包含三个内容：,（4-2）,式中,x、y和z方向上分子扩散的污染物质量通量；,分子扩散系数,1）分子扩散,即,分子扩散,湍流扩散,弥散,是湍流流场中质点的各种状态（流速、压力、浓度等）的瞬时值相对于其时平均值的随机脉动而导致的分散现象，,2）湍流扩散,（4-3）,式中 x、y、z方向上由揣流扩散所导致的污染
12、物质量通量；x 、y、z方向的湍流扩散系数；时间平均的污染物浓度。,如果直接用瞬时值计算，就不会出现湍流扩散项,当流体的质点的紊流瞬时脉动速度为稳定的随机变量时，湍流扩散规律可以用斐克第一定律表达，,即,由空间各点湍流流速（或其它状态）的时平均值的空间平均值的系统差别所产生的分散现象。,3）弥散作用,是由于横断面上实际的流速分布不均匀引起的。,（4-4）,式中：,方向上由弥散作用所导致的污染物质量通量,方向上的弥散系数；,湍流时平均浓度的空间平均值。,弥散作用所导致的质量通量也可以仿照斐克第一定律来描述：,非守恒物质进入环境以后，除了随着环境介质流动而改变位置，并不断扩散而降低浓度外，还因自身
13、的衰减而加速浓度的下降。,1.3 污染物的衰减和转化,进入环境中的污染物可以分为两大类：守恒物质和非守恒物质。,守恒物质进入环境以后，随着介质的运动而不断变换所处的空间位置，还由于分散作用不断向周围扩散而其初始浓度，但它不会因此而改变总量，重金属、很多高分子有机化合物都属于守恒物质。,很多试验和实际观测数据都证明，污染物在环境中的衰减过程基本上符合一级反应动力学规律，,式中：C：污染物的浓度， t：反应时间K：反应速度常数,非守恒物质的衰减有两种方式,其自身的运动变化规律决定的 如放射性物质的蜕变,化学的或生物的反应而不断衰减 如可以生化降解的有机物,（4-5）,环境水动力作用,水诱发地震,环
14、境水动力作用,水诱发地震 抽液诱发地震:矿山疏干、采油、采卤 注水诱发地震： 机理： 应力腐蚀效应：由于溶蚀而使岩石结构面上岩石强度减弱的作用。 水库的荷载效应：荷载会在岩体内造成附加应力，从而恶化断裂面上的应力条件。 空隙水压力效应：注水使空隙水压力增加，相应地降低了作用面上的有效正应力。,环境水动力作用,地面沉降 地面沉降的时空分布规律 滨海平原、三角洲平原、河流冲积平原、内陆盆地。 大量抽液 地面沉降速率与开采速率相关； 地面沉降的形成机制,环境水动力作用,岩溶地面塌陷 岩溶地面塌陷分布规律 岩溶强烈发育区、第四系松散着盖层较薄的地段；塌陷发生的水文地质条件、 地形条件：岩溶区的负地形、
15、河谷坠地地区； 地面塌陷的危害：对矿山的危害、对城市建筑 成因：（潜蚀、吸蚀） 疏干工程、突水，供水集水建筑物，水利工程蓄水或放水、爆破振动、漏水,地下水物理状态转化的环境效应,冻胀（融沉）作用: 土体冻胀隆起夹托建筑物上升。融化季节造成地面沉降 冰椎冰丘 冻结层下承压地下水沿断裂带上升，在季节融化层下冻成冰核，在地面形成鼓丘。 热融滑坡 山坡上含冰量大量冻土，热平衡遭到破坏，发行融化并下滑； 冰融净化作用 冰和正在冻结的水之间进行盐分再分配。,环境水文地质生态作用,疏干生态作用 充水生态作用 水污染的生态效应 富营养化,水体中耗氧有机物降解 水体富营养化过程 重金属在水体中的迁移转化,污染物
16、在水体中的转化,有机物在水体中的降解是通过化学氧化、光化学氧化和生物化学氧化来实现的，其中生物化学氧化最重要。 有机物生物化学分解 水解反应水解反应是指复杂的有机物分子在水解酶参与下加以水分子分解为较简单化合物的反应。 氧化反应（1）脱氢作用：从-CHOH-或-CH2CH2-基团脱氢。（2）脱羧作用：生物氧化产生CO2的主要过程。,6.3.1 水体中耗氧有机物降解,水体中耗氧有机物降解,代表性耗氧有机物的生物降解 碳水化合物的降解碳水化合物(水解)二糖(水解)单糖(糖酵解) TCA循环/发酵 脂肪和油类的酵解脂肪/油类(水解)甘油+脂肪酸 含氮有机物的降解首先是肽键断开和羟基、氨基的脱除，然后
17、是逐步氧化。,水体富营养化过程,“营养化”是一种氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。 水体营养化类型天然富营养化、人为富营养化 植物营养物质氮、磷在水体中的转化1.含氮化合物在水体中的转化：氨化、硝化、反硝化2.含磷化合物在水体中的转化：溶解、沉淀、生物吸收,水体富营养化过程,氮、磷污染与水体富营养化富营养化主要取决于水体中磷的供应量。水体富营养化状态判断标准吉克斯塔特（Gekstatter）标准、沃伦威德（R.A.Vollenweider）标准、相崎守弘标准、武汉东湖富营养化评价标准,水体富营养化过程,水体富营养化营养物质负荷模型很多湖泊或水库，虽然每时每刻都在与环境发生着物质
18、、能量交换和信息传递，但在一定时间内可以看作处于稳定状态；磷是绝大多数湖泊水体富营养化的关键性限制因素。基于上述两个原因，将磷作为湖泊的主要变量，湖泊营养状态作为该水体的因变量，建立磷与湖泊富营养化的相关模型。对于停留时间很长、水质基本处于稳定状态的湖泊和水库，可以作为一个均匀混合的水体进行研究完全混合箱式水质模型。,6.3.2 水体富营养化过程,水体富营养化营养物质负荷模型 沃伦威德尔（R.A.Vollenweider）模型其基本假设是: 湖泊中某种营养物的浓度随时间的变化率，是输入、输出和在湖泊中沉积的该种营养物质的量的函数。用质量守恒方程表示为：,式中:V 湖泊或水库的容积(m3)；c
19、某种营养物质的浓度(g/m3);Ic 某种营养物质的总负荷(g/a)；S 营养物的沉积常数(1/a);Q 湖泊出流的流量(m3/a).,水体富营养化过程,水体富营养化营养物质负荷模型 吉柯奈尔迪龙(Kirchner-Dillon)模型沃伦威德尔模型应用的困难在于确定沉积速度常数S，为此，吉柯奈尔和迪龙引入了滞留系数Rc。吉柯奈尔迪龙模型可以表达为：,式中：Rc 某种营养物在湖泊、水库中的滞留分数；其余符号同沃伦威德尔模型。,重金属在水体中的迁移转化,重金属元素在水环境中的污染特征(四条) 重金属元素在自然界中的分布 普遍存在，含量低，污染危害严重。 重金属属于过渡性元素 价态变化较多，配位络合
20、能力强，生物毒性效应明显,重金属在水体中的迁移转化,重金属元素在水环境中的污染特征(四条) 重金属在水环境中的迁移转化 机械迁移、物理化学迁移、生物迁移 重金属的毒性效应重金属与蛋白质和酶等高分子物质结合，产生不可逆变性，导致生理或代谢过程障碍；或者与脱氧核糖核酸等相互作用而致突变。,重金属在水体中的迁移转化,重金属在水体中的迁移转化 重金属化合物的沉淀溶解作用 重金属的氧化还原转化 重金属元素络合作用 重金属的胶体化学吸附迁移转化 某些重金属的甲基化作用,水环境污染控制及管理,水体污染的防治和管理 废水处理方法,6.4.1水体污染的防治和管理,制定水环境质量标准 水质标准 是指为了保障人体健
21、康，维护生态平衡，保护水资源，控制水污染，在综合水体自然环境特征、控制水环境污染的技术水平及经济条件的基础上，所规定的水环境中污染物的容许含量、污染源排放污染物的数量和浓度等的技术规范。 工业废水排放标准 污水综合排放标准,6.4.1水体污染的防治和管理,水环境污染防治对策 减少耗水量 建立城市污水处理系统 调整工业布局 加强水资源的规划管理,6.4.2 废水处理方法,废水处理基本方法 物理法利用物理作处理、分离和回收废水中的污染物。如沉淀法、浮选法、过滤法、蒸发法等。 化学法利用化学反应或物理化学作用回收可溶性废物或胶状物质。如中和法、萃取法、氧化还原法等。 生物法利用微生物的生化作用处理废水中的有机污染物。活性污泥法、生物过滤法。,6.4.2 废水处理方法,城市污水的处理 一级处理可由筛滤、重力沉淀和浮选等方法串联组成，除去废水中大部分粒径在100um以上的大颗粒物质。 二级处理常用生物法和絮凝法。生物法主要是除去一级处理后废水中的有机物；絮凝法主要是除去一级处理后废水中无机的悬浮物和胶体颗粒物或低浓度的有机物。 三级处理目的是为了控制富营养化或达到使废水能够重新回用。通常采用物理法、化学法和生物法。如曝气、吸附、化学絮凝、沉淀、离子交换、电渗析、反渗透、氯消毒等。,
