吉林大學環境工程系2014年5月污染水文地質學基本原理PrinciplesofContaminantHydrogeology專題講座水文地質學系統結構含水層性質水動力性質孔隙介質裂隙介質巖溶介質雙重介質水文地球化學巖性構造地貌地層補給排泄徑流水壓力重力應力環境水文地球化學機械過濾吸附交替作用溶解、沉淀作用生物作用對流、彌散作用生物地球化學作用污染質在地下環境中的主要衰減作用第一講污染物的生物地球化學降解BiogeochemicalDegradationofPollutants氧化還原反應方程KJ/molCH2O氧還原NO3-還原錳還原鐵還原SO42-還原產甲烷CH2O+O2→CO2+H2O5CH2O+4NO3-→2N2+4HCO3-+CO2+3H2OCH2O+3CO2+H2O+2MnO2→Mn2++4HCO3-CH2O+7CO2+4Fe(OH)3→Fe2++8HCO3-+3H2OCH2O+SO42-→H2S+2HCO3-

CH2O→CO2+CH4

-475-448-349-114-77-58O2>NO3->Mn4+>Fe3+>SO42-（1）地下環境中的主要氧化還原物質地下環境氧化還原系統中主要包括氣體（O2、N2、CH4、CO2）、溶解性組分（NO3-、NH4+、CH2O、Fe2+、Mn2+、SO42-、HS-、H+）、固體（FeOOH、MnO2、FeCO3、MnCO3）和存在于固體中的離子交換態組分（Fe2+、Mn2+、NH4+）。1.污染物生物地球化學降解原理1.污染物生物地球化學降解原理1.污染物生物地球化學降解原理包氣帶含水層地下水流向地下水位SO42-還原帶產甲烷帶NO3-還原帶氧還原帶鐵錳還原帶垃圾填埋場1.污染物生物地球化學降解原理（2）氧化還原帶形成的原理生物地球化學原理

微生物在利用O2、NO3-、鐵錳氧化物和氫氧化物、SO42-等最終電子受體并通過好氧呼吸、硝酸鹽還原、鐵錳還原、硫酸鹽還原和產甲烷等代謝途徑對有機污染物進行降解，在此過程中，由于最終電子受體爭奪最終電子能力大小的不同，導致氧化還原反應發生的難易程度也不同，所以在污染暈中形成了一系列不同的氧化還原環境，或者氧化還原梯度，也就是順序氧化還原帶，即產甲烷帶、

硫酸鹽還原帶、鐵還原帶、錳還原帶、硝酸鹽還原帶、氧還原帶等。其實質也是由于地下環境中的各種最終電子受體爭奪電子能力的不同所致。熱力學原理

O2、NO3-、Mn4+、Fe3+和SO42-發生氧化還原反應所需要能量不同，造成了在不同的氧化還原環境中發生不同的氧化還原反應的難易程度和次序的不同，從而導致污染暈在時間和空間上依次出現不同的氧化還原環境，也就是順序氧化還原帶。1.污染物生物地球化學降解原理2.氧化還原帶中物質變化特征圖7.10氧化還原帶動態發展理想模型abcedtabcdeMGZ/SRZIRZNRZ/ORZ低活性帶鐵氧化物＋ORZ低鐵帶低鐵＋還原性S豐鐵帶好氧污染源泄漏還原性物質c氧化還原帶發展演化的理論模型3.氧化還原帶動態發展演化過程第二講

多相流

MultiphaseFlow2.多相流（1）基本概念非水相液體（NonaqueousPhaseLiquids,NAPL）

不與水發生混合的液體稱為NAPL;重非水相液體（DenseNonaqueousPhaseLiquids，DNAPL）

比水重的非水相液體；輕非水相液體（LightNonaqueousPhaseLiquids，LNAPLs）比水輕的非水相液體自由相（FreePhase）

在水動力條件下可流動的連續NAPL。殘余相（ResidualPhase）“困”在孔隙中，在水動力條件下不易流動的NAPL。MobilePhaseNAPLor(Free-PhaseNAPL)isacontinuousmassofNAPLthatcanflowunderahydraulicgradientNAPL包氣帶和含水層中相分布示意圖ResidualPhaseNAPListrappedintheporespacesbetweenthesoilparticles,andcannotbeeasilymovedhydraulically2.多相流Canbeestimatedinthelabviathefollowing:Where:rb=soilbulkdensity[g/cm3]rn=NAPLbulkdensity[g/cm3]n=porosityTPH=TotalPetroleumHydrocarbons[mgNAPL/kgdrysoil]2.多相流飽和度：指流體充填體積占總孔隙體積的比例。剩余飽和度：因毛細作用使其固定不變時的飽和度PartitioningTracerTestforSNChemicalsareintroducedconsistingofconservativeandpartitioningtracers(PTT)NAPL-WaterPartitionCoefficientKN.KN=CN/CwwhereCNistheconc.inNAPLandCw

iswaterconc.Atsteadystate,theeffectistodelayorretardthePTtransportrateaccordingtoaretardationfactorR=1+(KNSN)/(1-SN)=tp/tn2.多相流TpistraveltimeforthePartitioningtracerTnisthetraveltimefortheconservativetracer(Br-)SorptionisassumedinsignificantPTcompoundsoftenusedincludealcoholssuchasethanol，n-pentanol(1.4)，n-hexanol，2,2dimethyl-3-pentanol，n-heptanolMeasuredBTCforPTTwithbromideTimedifferencebetweendifferentchemicalsallowscalculationofSNPartitioningTracerTestforSNC/C0EffluentVolume(L)500 1000 1500 2000Bromiden-pentanol2,2DMP2.多相流表面張力：液體與其他物質接觸（如固體、不想混合的液體或氣體）將會產生界面能。這種能量是由于界面與內部分子吸引力不同而引起的，這種現象稱為表面張力，定義為分子離開單位面積界面需要做的功，單位為達因/cm。2.多相流濕潤性：一種或另一種液體會優先蔓延或濕潤整個固體表面。界面角θ和表面張力之間的關系如下：θ應在密度大的液體中測出。如果θ小于90°，液體L將優先濕潤固體；如果θ大于90°，液體G將優先濕潤固體。也就是兩種液體爭奪一固體表面，其中一種占主導地位，覆蓋固體表面。NAPLisNonwettingfluid2.多相流毛細壓力（毛管壓力）

當兩種不相混合的流體接觸時，接觸面發生彎曲。每相靠近界面的孔隙壓力不一樣，這種壓力差就叫毛細管壓力。毛細管壓力在包氣帶為負值，當視為張力時為正值。

球形空氣-水界面的曲率半徑r’、毛細壓力Pc、表面張力σ之間的關系為：毛細管壓力與表面張力成正比，和曲率半徑成反比。曲率半徑取決于孔徑以及所填充溶液的量。毛細管壓力是兩種不想混溶的流體特性函數，即使在同一種介質中，毛細管壓力也會由于水和NAPL比例的不同而不同。2.多相流相對滲透率

當兩種不相混溶的流體同時流動時，共同占有了有效孔隙。在給定飽和度的情況下，流體的固有滲透率與巖石總的固有滲透率之比。2.多相流束縛飽和度

在沒有任何附加水流動時的含水量。在油-水兩相流系統，若含水量小于束縛飽和度，油能夠流動，水被毛細作用力控制；若含油量小于油的殘余飽和度時，水能夠流動，而油不能。2.多相流LNAPLReleasetoVadoseZoneLNAPLattheWaterTable（2）NAPL遷移的概念模型2.多相流2.多相流LNAPL在含水層中的遷移2.多相流DNAPL在含水層中的遷移2.多相流透鏡體對DNAPL遷移的影響DNAPL在裂隙中的遷移2.多相流CompositeDNAPLSite2.多相流2.多相流NAPLmigrationinprimaryvs.secondaryporosity(A)NAPLmigrationthroughprimaryporosity.(B)NAPLmigrationthroughsecondaryporosityfeatures(fractures,rootholes,etc.).AB2.多相流LNAPLMovingUpgradient2.多相流DissolvingNAPL2.多相流ApparentLNAPLThicknessHf：LNAPL漂浮厚度Hw：井中LNAPL厚度ρw：水的密度ρLNAPL：LNAPL的密度ThicknessinscreenedwellcasingonlyindicatorofactualthicknessintheunitThicknessinthewellmaybe2to10timeslargerthanactualthicknessofmobileLNAPLinthesurroundingaquiferNomethodsexisttoimprovetheseestimates2.多相流DNAPLDetectionProblems2.多相流第三講

飽和介質中的溶質運移MassTransportinSaturatedMedia（1）濃度梯度作用下的遷移水中的溶質從濃度高的地方向濃度低的地方遷移，這個過程叫做分子擴散，或擴散。流體擴散的量與濃度梯度成正比，稱為Fick第一定律。F=-Dd（dC/dx）

F：單位時間通過單位面積的溶質質量；Dd：擴散系數（L2/T）C：溶質濃度（M/L3)負號表示運動沿濃度減小的方向進行。不同物質的Dd值可以查到。對于濃度隨時間的系統，適用于Fick第二定律，其一維表達形式為：1.濃度梯度作用下的遷移

：為濃度隨時間的變化。

在多孔介質中，由于離子在礦物顆粒周圍擴散時需要經過更長的路徑，因此，引入有效擴散系數D*。D*=ωDd

Ci是t時刻距離污染源x處的濃度；C0是初始濃度，erfc是余誤差函數。ω是一個與彎曲度有關的系數，通常小于1，通過擴散試驗獲得。濃度分布服從正態分布或高斯分布，還可用統計特征值來描述。Fick第二定律一維表達式的解：1.濃度梯度作用下的遷移地下水運動中攜帶溶解性固體使之發生遷移，這個過程叫做對流遷移。Vx為平均線速度；K為滲透系數；ne為有效孔隙度；dh/dl為水力梯度。由于對流作用，一維質量通量Fx為：Fx=vxneC2.對流遷移地下水以大于和小于平均線速度的速率運動著。原因有：孔隙中心處的流速比孔隙壁處大；在直線距離相同時，多孔介質中有的流體質點會比其他質點沿著更長的路徑運動；孔隙的大小不一，大孔流速快。

若含有溶質的地下水以相同的速度運動，那么他們就會取代不含溶質的水，并在兩種水體之間產生一個突變界面。然而，由于侵入的含有溶質的水不是以相同速度運動的，所以這兩種水會沿著流動路徑發生混合，這種混合就稱為機械彌散，他導致在水流的推進邊緣被稀釋。沿著流動路徑方向發生的混合稱為縱向彌散；溶質鋒面沿著垂直于流動方向發生的混合，稱為橫向彌散。3.機械彌散

在地下水流動過程中，分子擴散過程不能從機械彌散中分離出來，將二者結合起來定義一個參數稱為水動力彌散系數D，即DL=αLvi+D*DT=αTvi+D*DL：平行于水流運動方向的水動力彌散系數（縱向）；DT：垂直于水流運動主方向的水動力彌散系數（橫向）；αL：縱向彌散度；αT：橫向彌散度。4.水動力彌散（4）對流-彌散方程推導αT：橫向彌散度。2.飽和介質中的物質遷移FxFyFz

（1）吸附過程吸附過程包括吸附、化學吸附、吸收和離子交換。吸附：包含溶質附著到固體表面的過程。陽離子交換：陽離子被吸附到帶負電的粘土礦物附近并通過靜電力附著在那里；化學吸附：溶質因化學反應而與沉積層、土壤或巖石表面結合。吸收：若含水層顆粒是多孔的，且使溶質能夠通過擴散進入顆粒并被吸附到其表面上。3.溶質轉化、阻滯和衰減（2）表面反應平衡1）線性等溫吸附溶質的濃度C和固體吸附的溶質的量C*之間存在一個直接的線性關系，即：C*=KdCC*：固體單位容重所吸附溶質質量（mg//kg);C：吸附平衡時溶液中溶質的濃度（mg/L）；Kd為分配系數（L/kg），等于等溫吸附線的斜率。3.溶質轉化、阻滯和衰減

整理后，得：

阻滯因子Rf由下式給出：3.溶質轉化、阻滯和衰減

如果地下水平均流速為vx，則濃度為初始濃度一半的溶質鋒面的平均速度vc為：線性等溫吸附模型有兩個缺陷：沒有限制固體吸附溶質的量；點少時，易將C*-C曲線形式誤解為直線。2）Freundlich等溫吸附3.溶質轉化、阻滯和衰減對此式進行線性化：logC*=logK+NlogCC*=KCN

整理后得：阻滯因子Rff由下式給出：

若N>1，鋒面不斷擴展；若N<1，鋒面會自銳；若N=1，就是線性等溫吸附3.溶質轉化、阻滯和衰減

是與結合能有關的吸附常數（L/mg）β是固體所能吸附的溶質的最大量（mg/kg）Langmuir等溫吸附也可表示為：

整理后得：

阻滯因子Rfl由下式給出：

3）Langmuir等溫吸附

第四講

地下水污染數值模擬

NumericalSimulationofGroundwaterPollution數值模擬的目的：測試一種假設，或提高對某一給定含水層系統的認識；了解物理、化學或生物過程；設計地下水污染修復系統；預測未來狀況或模擬壓力對地下水的影響；資源管理4.地下水污染數值模擬一、建模的基本信息（一）模型范圍及邊界一般以相對獨立的水文地質單元為模擬區范圍，便于準確刻畫自然邊界，提高精度。實際中，由于工作范圍、資料精度以及模擬所限，模擬去可能不是一個完整的地下水系統，這種情況下就要人為劃定模擬邊界。1、對以河流河流或其它地表水體為邊界的情況，可根據河流與地下水的關系，設置為一類（有直接水力聯系，已知河流水位）、二類（河流與含水層脫節，并已知河流滲入補給量）或三類邊界條件（河流下有弱透水層，已知河流水位）。2、以地下水分水嶺、不透水斷層為邊界，可以定義為隔水邊界，即二類邊界，邊界量設為零。3、以山區-平原交界線為邊界的情況，一般可定義為二類邊界，山區向平原的流入量可根據地下水流場或山區匯水面積等方法確定。4、對于人為邊界，可設置為通用水頭邊界5、泉、排水溝、內河河流邊界等可直接處理成含水層的補給量。4.地下水污染數值模擬（二）水文地質結構

根據鉆孔巖性、水文地質剖面圖、地下水開采情況（深度）以及研究目的，劃分模擬區含水巖組、弱透水層、和隔水層，再根據地下水流動特征，確定水文地質結構是單層結構還是多層結構。各層的頂板可用其標高等值線來表示，各層厚度可用其厚度等值線表示。（三）水文地質參數水文地質參數主要包括兩類：一類是為求含水層補排量所需的參數，如降水入滲系數、河流滲漏系數、蒸發系數等；另一類表明含水層介質性質參數，如水動力參數、有關的溶質運移參數、熱運動參數等。

常用的水文地質參數為含水層的滲透系數、承壓含水層的導水系數、潛水含水層的給水度、承壓含水層的儲水系數和釋水系數。（四）初始流場對于模擬非穩定流，需要提供模擬初始時刻的地下水流場，地下水水位觀測點太少或分布不均，無法控制模擬區地下水流場。4.地下水污染數值模擬（五）源匯項通過水文地質調查、測量、計算以及其它手段獲得地下水補排量（源匯項）。建模需要資料概括為下表：基礎資料1.模擬區相應比例尺的地形圖或數字地形圖（DEM）2.地質和水文地質鉆孔柱狀圖或鉆孔數據庫3.地質圖、地質剖面圖、地貌圖和第四系地質圖4.各含水層、弱透水層頂底板標高等值線圖和各層等厚線圖5.河流、湖泊等水體分布、標高以及分水嶺位置