1、地下水污染与治理1课程主要内容第一篇 污染水文地质学基础 1、基本概念 2、污染物在地下水的运移 3、污染物水文地球化学过程 第二篇 地下水污染评价方法、模拟 1、地下水污染评价方法 2、环境风险评价 3、模拟基本概念及原理第三篇 地下水污染治理 1、地下水脆弱性评价与地下水保护 2、污染物自然衰减作用 3、地下水污染修复技术2第一章 基本概念 地下水的形成 土壤结构与渗透性 土是具有连续孔隙的介质。水就会在水位差的作用下，从水位较高的一侧透过土的孔隙流向水位较低的一侧。34 地下水分类地下水分类 1、地下水的定义：埋藏在地表以下空隙(孔隙、裂隙、溶隙)中的水称之为地下水。空隙描述孔隙度、裂隙
2、度、溶隙度。2、含水层和隔水层的概念：能够储存并给出一定量水的岩层称为含水层 不具透水和给水能力的岩层称为隔水层，两者界限并不绝对。没有绝对不透水的岩层。5 地下水的形成和运动 岩石中水的存在形式岩石中水的存在形式根据水在空隙中的物理状态，水与岩石颗粒的相互作用等特征，一般将水在空隙中存在的形式分为五种。即：结合水：依靠静电引力和表面力在岩石表明形成薄膜，不能自由运动，与岩石性质有关，颗粒越细，表面越大，结合水越多。重力水：当薄膜厚度增加，表面力减弱，重力大于表面 力，形成重力水，可自由运动，是我们关注的重点。毛细水：地下水面以上岩石孔隙中由于毛细作用，形成一定高 度毛细水带。固态水：土壤冰冻
3、层内的水。气态水：地下水面以上岩石孔隙中的水蒸气6地下水的形成条件(1)岩层要具有能容纳重力水的空隙(2)具有储存和聚集地下水的地质条件 岩层下有隔水层，使水不能向下漏失；水平方向有隔水层阻挡，以免水全部流空。只有这样才能使运动在岩层空隙中的地下水长期储存下来，并充满岩层空隙而形成含水层。(3)具有充足的补给来源 7 地下水分类地下水分类 按埋藏条件可以分为潜按埋藏条件可以分为潜水、承压水、上层滞水水、承压水、上层滞水 承压水隔水层潜水毛细水土壤水地面饱水带包气带不透水层不透水层上层滞水深大断裂山体海水承压水承压水承压水潜水含水层：能够透过并给出相当数含水层：能够透过并给出相当数坛水的岩层；坛
4、水的岩层；隔水层：是指不具透水和给水能隔水层：是指不具透水和给水能力的岩层两者的区分不是绝对的。力的岩层两者的区分不是绝对的。形成含水层的条件：形成含水层的条件：89 地下水的分类特点地下水的分类特点按 埋 藏 条件定义按含水层空隙性质孔隙水裂隙水岩溶水上层滞水包气带中局部不透水层之上具有自由表面的重力水季节性存在具有自由表面的重力水出露地表的局部裂隙岩层中季节性存在的重力水裸露盐溶化地层中季节性存在的重力水潜水饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水上部无连续完整隔水层存在的各种松散岩层中的水基岩上部裂隙中的水裸露盐溶化岩层中的水承压水充满与上下两个隔水层之间的含水层中的重力水松散岩层组成的
5、向斜、单斜和山前平原自流斜地中的地下水构造盆地和向斜、单斜岩层中的裂隙承压水，向斜、单斜岩溶岩层中的承压水10上层滞水：因完全靠大气降水或地有水体直接渗入补给，水量受季节控制特别显著，通常在较厚的砂层或沙砾层中夹杂有粘土或粉质粘土透镜体时容易形成上层滞水，此外，在黄土层中夹有钙质板层时也容易形成。潜水特点：直接受大气降水补给，一般可获得较大的流量但受季节影响较大，而且分布区与补给区是一致的；容易受到污染。水质、水温受季节影响比较大。承压水；承压水的主要特点是承压，可形成自流井。承压水由于有稳定的隔水顶板和底板，因而与外界的联系较差，与地表的直接联系大部分被隔绝，所以它的埋藏区与补给区不一致。承
6、压含水层的埋藏深度一般都比潜水大，在水位、水量、水温、水质等方面受水文气象因素和人为因素，以及季节变化的影响较小，如南京地区在地下10米以下地层中年温度变化范围已经小于0.1。因此富水性好的承压含水层是理想的供水水源。虽然承压含水层的埋藏深度较大，但其稳定水位都常常接近或高于地表，这就为开采利用创造了有利条件。各种地下水的特点各种地下水的特点11 地下水的循环地下水的循环u 由自然界的水循环可知，地下水运动既是自然界水的大循环的一个重要的有机组成部分，同时又独立地参与自身的补给、径流、排泄的小循环。u 我们将地下水这种补给、径流、排泄无限往复进行，称为地下水的循环。这几个过程是紧密联系在一起的
7、，是形成地下水运动的一个完整、不可分割的过程。u 地下水的补给来源：大气降水；地表水；人工补给，除此之外，在一些高温干旱沙漠地区，大气凝结水也为主要补给来源。u 地下水的排泄途径：泉；河流；蒸发；人工排泄。u 地下水的径流：地下水在地下迁移运动的过程称为地下水的径流12 地下水的循环的特点地下水的循环的特点地下水径流的特点主要有：地下水径流的特点主要有：流速缓慢流速缓慢，通常将其成为渗流，通常将其成为渗流 多以层流状态为主，只有在一些大的裂隙和溶多以层流状态为主，只有在一些大的裂隙和溶隙及人工开采构筑物流量集中的地方会出现紊流隙及人工开采构筑物流量集中的地方会出现紊流状态。状态。非稳定、缓变流
8、运动非稳定、缓变流运动 地下水径流的规律通常用：地下水径流的规律通常用：达西线性渗透定律：达西线性渗透定律：V=KJ；Q=KJA；适用：适用：雷诺数雷诺数1-10或非线性渗透定律：紊流：哲才公式：或非线性渗透定律：紊流：哲才公式：V=KJ1/2 层流层流-紊流：斯姆莱公式：紊流：斯姆莱公式：V=KJ1/m13 一、地下水的物理性质：一、地下水的物理性质：包括温度、颜色、嗅味、口味、导电性和温度、颜色、嗅味、口味、导电性和放射性等放射性等。二、地下水的化学成分二、地下水的化学成分 1.地下水的主要化学成分地下水的主要化学成分 2.地下水按化学成分分类地下水按化学成分分类类类型型非常冷非常冷水水极
9、冷极冷水水冷水冷水温水温水热水热水极热极热水水沸腾沸腾水水温温度度00-44-2020-3737-4242-100100地下水的物理性质和化学成分地下水的物理性质和化学成分14地下水按化学成分分类地下水按化学成分分类 地下水的矿化度：水中所含各种离子、分子及化合物的含量 地下水的pH值：水的酸碱程度 水的硬度：水的硬度取决于水中Ca2+、Mg2+的含量 1516天然水的化学成分天然水的化学成分 目前各种水体里已发现80多种元素。天然水中各种物质按性质通常分为三大类：悬浮物质100nm的物质颗粒;胶体物质粒径为100-1nm的多分子聚合体;溶解物质粒径小于1nm的物质。K+、Na+、Ca2+、M
10、g2+和Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-为天然水中的八大离子。还有Fe、Mn、Cu、F、Ni、P、I等重金属、稀有金属、卤素和放射性元素等微量元素；水中溶解的气体有O2、CO2、N2，特殊条件下也有H2S、CH4等。总之，无论哪种天然水，八种主要离子的含量都占溶解质总量的95-99以上。天然水中各种元素的离子、分子与化合物的总量称为矿化度。各种溶解质在天然水中的累积和转化，是天然水的矿化过程。17天然水的矿化过程天然水的矿化过程 溶滤作用：土壤和岩石中某些成分进入水中的过程。吸附性阳离子交替作用：天然水中离子从溶液中在转移到胶体上是吸附过程。H+Fe3+Al3+Ba2+Ca2+Mg2
11、+K+NH4+Na+Li+氧化作用：围岩的矿物氧化和使水中有机物氧化。2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4 12FeSO4+3O2+6H2O=4Fe2(SO4)3+2Fe2O33H2O 游离的硫酸进而侵入围岩中的CaCO3。CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2+2H2O 18 还原作用：天然水若与含有机物的围岩（油泥、石油等）接触，或受到过量的有机物污染，碳氢化合物可以使水中的硫酸盐还原。CH4+CaSO4=CaS+CO2+2H2O CaS+CO2+H2O=CaCO3+H2S 蒸发浓缩作用：在干旱地区，内陆湖和地下水正在经历盐化作用。蒸发浓缩沉积顺序是Al、Fe、Mn
12、的氢氧化物，Ca、Mg的碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐，Na的硫酸盐，Na、K的氯化物，Ca、Mg的氯化物，最后为硝酸盐。混合作用：雨水渗入补给地下水，地下水补给河水，河水注入湖泊或大海，河口段的潮水上溯，滨海含水层的海水入侵等，都是天然水的混合。天然水的矿化过程天然水的矿化过程19天然水化学分类表天然水化学分类表20（2）地下水化学分类 地下水化学分类方法很多，现介绍C.A.舒卡列夫的分类方法，见表1-10。这个分类法既考虑了各主要离子成分的摩尔百分数，又考虑了水的矿化度。21地下水的化学特征 地下水化学组成类型之多，地区性差异之大，是其它天然水不可比的。关于地下水化学成分的起源和形成过程，至今仍有
13、许多长期争论的问题没有解决。地下水化学基本特点如下：（1）地下水充填于岩石、土壤空隙中，与岩石、土壤广泛接触渗流速度很小，循环交替缓慢，而且地下水贮存于岩石圈上部相当大的深度（10公里），构成了地下水圈。22（2）矿化度变化范围大，从淡水直到盐水。在淡水中阴离子以HCO3为主，阳离子以Ca2+为主。随着矿化度的增加，阴离子按HCO3-SO42-Cl 次序递增；阳离子中Na+的含量增多，逐渐代替Ca 2+成为主要成分，而且Mg2+的含量稍有增加。地下水的化学特征23（3）地下水的化学成分的时间变化极为缓慢，常需以地质年代衡量。地下水的化学特征24（4）地下水与大气接触有很大的局限性，仅限于距地表
14、最近的含水层，此层可溶入氧气成为地下水氧化作用带。然而地下水中CO2的含量比较多，因为生物的呼吸、有机质的分解，使土壤空气中CO2的含量可达17。如果地下水交替缓慢，则氧很快耗尽，成为还原环境。围岩中若含有机质，则地下水便富集 H2S、CH4等气体。地下水的化学特征25地下水污染 概念 凡是在人类活动的影响下，地下水水质变化朝着水质恶化方向发展的现象 辨析 产生地下水污染的原因是人类活动，尽管天然地质过程亦可导致地下水水质恶化，但它是人类所不可防止的、必然的，我们称其为“地质成因异常”地下水污染的结果或标志是水质不断恶化方向发展，不是只有超过水质标准才算污染，有达到或超过水质标准趋势的情况亦算
15、污染 如此定义，为了强调水质恶化过程，便于防治2627举例1：水质标准水质标准Fet28 概念 引起地下水污染的各种物质的来源，如各种组分、热、沙尘等 分类 按物质的形成原因（表1-1）自然污染源，如海水等 人为污染源，如工农业活动导致的废水、废渣、农药等29 分类 按时间动态连续性污染源 间断性污染源瞬时性污染源 分类 按行业或部门活动工业污染源农业污染源生活污染源区域性水体污染源 分类 按空间分布特征点状污染源带状污染源面状污染源用于评价和预测污染物的运移用于评价地下水污染的范围，便于采取相应的保护措施便于掌握地下水的污染特征30 包括 工业三废：废水、废渣、废气 来源于动力工业、冶金工业
16、、化学工业、石油工业、印染制革工业、机械加工制造业等 储存装置和输运管道的渗漏 化学物品、石油、污水储存罐等 工业物的事故性泄漏 偶然性的工业事故31 例1 据1994年的资料，海河流域乡镇企业排放的废水量达14.4亿吨。其中，保定市每日排放的废污水就达26万吨（全年达9500万吨）海河流域的地下水资源量共272亿立方米，而现已有172亿立方米受到污染32 例2 1994年淮河支流颍河水系内工矿企业每天排放废水129.2万吨，城镇生活污水排放量达45.5万吨，二者合计175万吨，几乎完全不经处理便直接排放 污染物的排放量：化学需氧量18.8万吨，悬浮物12.2万吨，重金属18.5吨，挥发酚92
17、.4吨，氰化物9.8吨，砷4.8吨 污水除了使颍河污染外，郑州、平顶山、许昌、漯河和阜阳等市的市区及河道两岸的地下水遭受了挥发酚、汞、氰化物、砷、六价铬和重金属污染 333435 资料 全世界每年排出的尾矿砂及废石在100亿吨以上 我国现有8000多个国营矿山和11万多个集体矿山，堆存的尾矿达40亿吨以上，且以每年数亿吨的速度增长 分布在全国15个省、30多个地县境内的铀矿山目前采掘的废石总量达2.8亿吨，而分布在全国8个省、13个地县境内的铀水冶厂多年累计排出的尾砂量达3亿吨3637381、太原2、米兰(意大利)3、北京4、乌鲁木齐5、墨西哥市（墨西哥）6、兰州7、重庆8、济南9、石家庄10
18、、德黑兰（伊朗）全球322个大气污染严重城市前十名(1998年)39例：酸雨例：酸雨40项目二氧化硫排放量（万吨）年度20002001200220032004年度增减率(%)合计1995.11947.81926.62158.72254.94.5工业1612.51566.61562.01791.41891.45.6生活382.6381.2364.6367.3363.5-1.0SO2排放量41环境容量2004年单位：万吨/年2500200015001000500我国SO2排放量远超过环境容量SO2环境容量与2004年实际排放量比较2254.912004243 实例1 山西某农药厂管道的渗漏，使大量
19、的三氯乙醛进入饮用的含水层中，迫使水源地报废 目前虽修复了管道，切断了污染源，但已进入含水层的三氯乙醛在对流弥散作用下不断扩大污染范围，虽然污染物浓度有所下降，但仍达4mg/l44 实例2：地下储油罐及地下油库等渗漏 美国休斯顿已发现排污管道输送的污水有1/8被渗漏 美国液态废物的深井废物处置，已使美国1000多口井受到了污染，已有700多种化学污染物从地下水中检测出来，其中有的是致癌物质45 实例2005年1月26日，美国肯塔基州的一条输油管道发生破裂，溢出的6万多加仑的原油从裂缝溢出。由于管道距肯塔基河岸仅17m，原油全都流入河道内，并形成了20 km的浮油污染带，浮油蔓延到了与肯塔基河交
20、汇的俄亥俄河，威胁到饮用水源。泄漏的石油污染物还会随地表水的补给和雨水的渗流进一步污染地下水46 农药 杀虫剂、杀菌剂和除草剂 杀虫剂包括：有机氯（DDT和六六六）、有机磷（1605、1059、苯硫磷、马拉硫磷）以及氨基甲酸酯 化肥 氮肥、磷肥和钾肥 动物废物：大量的氮、细菌和病毒 植物残余物：需氧特性 污水灌溉：多种有毒有害物质，尤其是重金属与持久性有机污染物（POPs）47 实例 建国初期，我国主要施用砷酸铅、汞制剂等无机类农药 70年代为滴滴涕、六六六等有机氯农药所替代，至1983年我国共累计施用六六六约490多万吨，滴滴涕约40多万吨 美国地下水中已发现130多种农药或其降解物 我国河
21、北等地已发现有六六六、阿特拉津、乙草胺、杀虫双等农药残留48 实例 北京市目前有规模化猪场1300多个，年存栏生猪260多万头；另有鸡场1000多家，年存栏3600多万只；另外还饲养有20万头牛 全市养殖业1年粪浆排放量达1200万吨以上，其中仅3%经过无害化处理。猪、鸡的粪尿都需要用水冲洗，1200多万吨的粪尿，形成污水排放时高达3500多万吨 这相当于3000到4000万人口当量的污染量49 u人体的排泄物 u肥皂、洗涤剂、腐烂的食物等u科研文教单位排出的废水成分u医疗卫生部门的污水：细菌和病毒 u生活垃圾：挥发性脂肪酸、富里酸、胡敏酸、烃 类化合物，卤代烃、邻苯二甲酸酯类、酚类、苯胺类化
22、合物 50 实例 我国仅城市垃圾每年就达6000万吨，近400座城市中大多数已陷入垃圾包围之中 北京市，市区四周分布的垃圾山4500多座，被称为“垃圾长城”，占地近1000公顷5152 海水入侵 在美国东西岸已有至少20个大的滨海含水层因海水入侵而水质恶化，如佛罗里达洲、墨西哥湾、夏威夷地区等在荷兰、德国、以色列、日本、印度、泰国、马来西亚、西班牙等国家和地区，均发生了不同程度的海水入侵在山东莱州湾沿海地区，海侵面积：1976年初次发现侵染面积达15.8km2，1982年为29.2 km2，1984年发展到71.1 km2，1990年达221.4 km2，目前已发展到627.3 km253 概
23、念 凡是人类活动导致进入地下水环境，会引起水质恶化的溶解物或悬浮物，无论其浓度是否达到使水质明显恶化的程度，均称为地下水污染物 按性质可分为l 化学污染物l 生物污染物l 放射性污染物 54 最常见的无机污染物：NO3-、NO2-、NH3 Cl-、SO42-、硬度、TDS F-、CN-、As Cr、Hg、Pb、Cd等 六大毒性物质 氰化物：0.05mgL 砷：0.05mgL 汞：0.001mgL 镉：0.01mgL 铬：0.05mgL 铅：0.05mgL55 砷是地壳中第20个最富集的元素，地球上约有240多种矿物含有砷 砷在环境中可以-3、+3、0和+5四种价态存在，是一种强的络合剂元素，三
24、价砷毒性大于五价砷 砷的独特之处在于它可以在近中性-碱性（pH6.5-8.5）的氧化或还原的地下水环境中保持较高的迁移性 大面积的高砷地下水相继在阿根廷、智利、墨西哥、中国、匈牙利、印度（孟加拉）、孟加拉国、越南、俄罗斯等众多国家发现 我国受高砷地下水影响人口达234万人 56 高氟水分布于我国的1318个县，约占全国总县数的46.97%受影响的人口约1.1亿，有氟斑牙患者3,739万人，氟骨症患者276万人 饮水中氟存在安全阈值，一般为0.6-1mg/L，大于1mg/L易患氟中毒，较低时易患龋齿5758铬是有害废物场地下水中的第二大无机污染物铬主要以两种价态存在，即Cr()和Cr(III)铬
25、酸根离子和重铬酸根离子是氧化态Cr()的主要存在形态，铬酸盐矿物极易溶于水，由于铬酸根离子带负电，很难被含水层矿物吸附，而具有很高的迁移能力。因此，它在地下水中的含量可以很高与之相反，还原态的Cr(III)在微酸-中性的水溶液中主要以难溶的沉淀形式存在，因此，地下水中的Cr(III)浓度一般都很低毒性：Cr()Cr(III)59我国电镀厂、点约有1万家，每年排放出的废水达40亿m3全国制革工业每年产生的含铬废弃物有30万之多我国铬酸盐工业中历年堆存量已超过250万我国的青岛、西安、沈阳、杭州、太原、黄石、运城等地均有土壤或地下水遭受铬污染的报道60 含量低，毒性大，具有致癌、致畸、致突变等“三
26、致性”种类多，美国的调查表明：世界范围内饮用水中已出现765种合成有机化合物，其中117种属于致癌的或者有关致癌的物质 地下水中已发现有机污染物180多种，主要包括芳香烃类、卤代烃类、有机农药类、多环芳烃类与邻苯二甲酸酯类等，且数量和种类仍在迅速增加，还发现了一些没有注册使用的农药 61 世界卫生组织（WHO）饮用水水质准则给出了限值 19种有机污染物 30种来源于农业活动的有机农药 18种来源于水处理中应用或与饮用水直接接触材料的有机消毒剂及其副产物 美国EPA现行国家饮用水水质标准 88项控制指标，有机污染物控制指标占有54项62有机污染物的种类1生物易降解有机污染物耗氧有机污染物多属于碳
27、水化合物、蛋白质、脂肪和油类等自然生成的有机物不稳定，在微生物作用下，都能转化为稳定的无机物耗氧有机污染物主要来源于生活污水，以及以动植物残体为原料加工生产的屠宰、肉类加工、乳品、制革、制糖和食品等工业废水无直接毒害作用，在其降解过程中会消耗溶解氧（DO），使水体DO值下降 63有机污染物的种类2生物难降解有机污染物 性质稳定，不易分解，能在各种环境介质中长期存在环境内分泌干扰物（环境激素）：烷基酚、双酚A、邻苯二甲酸酯等持久性有机污染物（POPs）：在生物体内积累富集、通过食物链对高营养等级生物造成危害性影响，通过蒸气可长距离迁移至遥远的偏僻地区和极地地区，在特定环境浓度下可能对接触该化学物
28、质的生物造成有害或有毒效应POPs公约中首批控制的POPs共有三大类21种化学物质：杀虫剂和杀菌剂、多氯联苯、化学品的副产物（二噁英）64 多环芳烃：PAH 多氯联苯：PCBs 非水相流体：NAPLs（DNAPLs&LNAPLs）挥发性有机化合物：VOCs 半挥发性有机化合物：SVOCs 亚硝基二甲胺：NDMA 持久性有机污染物：POPs 苯并a芘：BaP 多氯代二苯并二噁英：PCDDs 六氯代苯：HCB 六六六：BHC 三氯乙烯：TCE 四氯乙烯：PCE 二氯乙烯：DCE 苯、甲苯、乙苯和二甲苯：BTEX 甲基叔丁基醚：MTBE65u细菌 在人和动物的粪便中有400多种细菌、已鉴定出的病毒有
29、100多种 u病毒 比细菌小得多，存活时间长，比细菌更易进入含水层u寄生虫 原生动物、蠕虫及真菌 66 六种放射性核素 氚、碘、锶、铯、钚、镭 实例 1986年4月26日前苏联的切尔诺贝利核电站核爆炸事故 二战期间日本广岛和长崎的原子弹67684、地下水污染特点与途径地下水污染特点：隐蔽性 即使某些组分已经受到污染，但是很难从颜色、气味、鱼类死亡等鉴别，对人体的影响是长期的，不易察觉。难以逆转性 一旦污染，很难治理与恢复。主要是其流动速度慢，即使切断污染源，其靠自身净化所需时间长；其次，污染物被介质与有机质吸附后，在水环境中不断发生吸附-脱附的反复交替。69地下水污染途径概念污染物从污染源进入
30、到地下水中所经过的路径。（了解污染途径有助于制定正确的防治地下水污染的措施）分类依据水力学特点，分为4种 间歇入渗型 连续入渗型 越流型 径流型701、间歇入渗型 特点 有毒或有害物质周期性渗入含水层 受污染的对象主要是浅层地下水 常与大气降雨或灌溉对应 污染源一般呈固态 污染源 堆积固废渗漏 农药、化肥残留及易容矿物质712、连续渗入型 特点 污染方式由上而下 污染物经包气带连续渗入 污染源一般呈液态 污染源 受污染的地表水723、越流型 特点 污染物通过越流形式 人类活动引发越流方向改变 难于查清越流具体的地点及地质部位 污染源 受污染含水层 天然咸水734、径流型 特点 污染物通过径流形式 污染范围可能不很大 污染程度往往由于缺乏自然净化作用而显得十分严重 污染源 地表污水 海水入侵74
