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1、水文地球化学基础水文地球化学基础 主讲：苏春利中国地质大学（武汉）环境学院第五讲第五讲 水的地球化学循环与水的地球化学循环与水文地球化学应用水文地球化学应用第一节第一节水的地球化学循环水的地球化学循环地下水地下水n水资源水资源的组成部分的组成部分n水圈水圈的组成部分的组成部分n水循环水循环的参与者的参与者n参与参与成岩过程成岩过程n参与参与成矿过程成矿过程n参与参与深部地质过程深部地质过程n在在地壳演化过程中地壳演化过程中扮演重要角色扮演重要角色地下水圈地下水圈n水圈水圈=大气水大气水+地表水地表水+地球内部的水地球内部的水n“地下水地下水”的概念的概念n贮存于地下岩土空隙中的水；地球内部各种
2、水的总和贮存于地下岩土空隙中的水；地球内部各种水的总和n地下水圈的水文物理分带地下水圈的水文物理分带n固体水带：固体水带：具有严格完整的水结构，分布于地表极圈、雪线具有严格完整的水结构，分布于地表极圈、雪线之上的地区、多年冻土带之上的地区、多年冻土带n液体水带：液体水带：上部液态水，下部水汽混合层，下界深上部液态水，下部水汽混合层，下界深10-15km（最深最深80km）（热力学条件：热力学条件：0-398；1-25000巴）巴）n实流体带：实流体带：氢键破裂，下界深氢键破裂，下界深11-160km（热力学条件：热力学条件：450-700；3-50000巴）巴）n单分子带：单分子带：水不是溶剂
3、，反应的参加者，下界深水不是溶剂，反应的参加者，下界深30-270km（热力学条件：热力学条件：700-1000；50000-100000巴）巴）n离解分子带：离解分子带：水分子已不存在水分子已不存在地下水圈的概念地下水圈的概念n“地下水地下水”的存在形式：的存在形式：n自由水（重力水）自由水（重力水）n毛细水毛细水n结合水：结合水：靠静电引力吸附在固体表面的水靠静电引力吸附在固体表面的水n离解常数大离解常数大npH值低值低n氢键数量少氢键数量少溶解性低溶解性低n矿物结构水：矿物结构水：存在于矿物结晶格架或晶层之间存在于矿物结晶格架或晶层之间n结构水：结构水：以以OH-、H+的形式存在，的形式
4、存在，常温常压下矿物风化释出常温常压下矿物风化释出；如高岭；如高岭石石n结晶水：结晶水：以水分子的形式存在于结晶格架，以水分子的形式存在于结晶格架，高温高压下释出高温高压下释出；如石膏；如石膏n沸石水：沸石水：以水分子的形式存在于晶层间，以水分子的形式存在于晶层间，常温常压可部分逸出常温常压可部分逸出；如方；如方沸石、蒙脱石沸石、蒙脱石地下水圈的概念地下水圈的概念n地下水圈中的水量估算地下水圈中的水量估算n最初的地下水总量指地下最初的地下水总量指地下2km以内的自由水以内的自由水n地球内部所有的水地球内部所有的水n地幔水：占地球总重量的地幔水：占地球总重量的0.34%（谢鸿森，（谢鸿森，200
5、5）n莫霍面以上（地幔以上）莫霍面以上（地幔以上）10.5108km3n康拉德面以上康拉德面以上5.7108km3（重力水占重力水占1/3）n沉积岩中：沉积岩中：1.9108km3n结晶岩中：结晶岩中：8.6108km3地壳中水的地球化学循环地壳中水的地球化学循环n水在地球中的全循环水在地球中的全循环n水文循环水文循环n发生于地表与地表以下发生于地表与地表以下2km范围内；范围内；n循环方式：降水、蒸发、地表径流、地下径流、地表水入循环方式：降水、蒸发、地表径流、地下径流、地表水入渗地下等渗地下等n地质循环地质循环n发生于地壳深部发生于地壳深部n循环方式循环方式n重结晶脱水重结晶脱水矿物释水矿
6、物释水n矿物结晶吸水矿物结晶吸水自由水变为结合水自由水变为结合水n沉积物压实释水沉积物压实释水进入其他沉积层进入其他沉积层n初生水与其他成因水（主要是沉积成因水）的水量交换初生水与其他成因水（主要是沉积成因水）的水量交换地壳中水的地球化学循环地壳中水的地球化学循环n水在地球中的全循环水在地球中的全循环向宇宙散失的水向宇宙散失的水地幔岩地幔岩岩浆源岩浆源结晶岩结晶岩沉积岩沉积岩大陆冰盖来自幔源的初生水来自幔源的初生水回到幔源的初生水回到幔源的初生水岩石重结晶脱出的水岩石重结晶脱出的水岩石沉积排出的水岩石沉积排出的水沉积埋藏的水沉积埋藏的水渗入水与地下径流渗入水与地下径流地表径流地表径流来自宇宙散
7、失的水来自宇宙散失的水蒸发、降水蒸发、降水地内循环水地内循环水11.2km/s地壳中水的地球化学循环地壳中水的地球化学循环n水文循环过程水文循环过程n海盆中的水蒸发进入大气圈，一部分在海域或近海海盆中的水蒸发进入大气圈，一部分在海域或近海岸就形成大气降水，并返回海盆；岸就形成大气降水，并返回海盆；n大气中的水蒸气运移到陆地后形成大气降水，一部大气中的水蒸气运移到陆地后形成大气降水，一部分形成地表径流，另一部分入渗至地下成为地下径分形成地表径流，另一部分入渗至地下成为地下径流；流；n地表或地下径流最终又汇入海盆；地表或地下径流最终又汇入海盆；n在此循环过程中，还包括大气圈与大气圈外宇宙中在此循环
8、过程中，还包括大气圈与大气圈外宇宙中的水分子交换。的水分子交换。地壳中水的地球化学循环地壳中水的地球化学循环n水文循环过程水文循环过程地壳中水的地球化学循环地壳中水的地球化学循环n地质循环过程地质循环过程n海盆或湖盆中的沉积物在成岩过程中，一部分水将被挤出，返回沉积海盆或湖盆中的沉积物在成岩过程中，一部分水将被挤出，返回沉积盆地；另一部分水封存在沉积岩中，成为沉积成因水；还有一部分水盆地；另一部分水封存在沉积岩中，成为沉积成因水；还有一部分水与沉积岩结合成为结合水。与沉积岩结合成为结合水。n地壳深处的沉积岩在高温高压下可发生重结晶作用，变为变质岩，在地壳深处的沉积岩在高温高压下可发生重结晶作用
9、，变为变质岩，在此过程中有水释出，形成变质成因水，其中一部分可能回到地幔，还此过程中有水释出，形成变质成因水，其中一部分可能回到地幔，还有一部分可能与沉积岩发生水合作用，也成为结合水。有一部分可能与沉积岩发生水合作用，也成为结合水。n当地幔中涌上的初生水进入地壳下部时，可能发生地壳物质的重熔作当地幔中涌上的初生水进入地壳下部时，可能发生地壳物质的重熔作用，在此过程中变质成因水、沉积成因水、变质岩、沉积岩及其中的用，在此过程中变质成因水、沉积成因水、变质岩、沉积岩及其中的结合水，一起成为重熔岩浆。结合水，一起成为重熔岩浆。（此过程为吸水过程）（此过程为吸水过程）n岩浆在上涌过程中冷却，并脱水，脱
10、出的水可能重新回到沉积盆地中岩浆在上涌过程中冷却，并脱水，脱出的水可能重新回到沉积盆地中。地壳中水的地球化学循环地壳中水的地球化学循环n地壳中水的地球化学循环地壳中水的地球化学循环n由俄罗斯学者由俄罗斯学者什瓦尔采夫什瓦尔采夫提出提出n含义：在地球内部的有次序、有方向的沉积含义：在地球内部的有次序、有方向的沉积-变质过程中，变质过程中，在岩石、有机物、气体所经历的地球化学改造中，在岩石、有机物、气体所经历的地球化学改造中，水均水均为为直接参与者直接参与者；在上述过程中产生的；在上述过程中产生的水的分解和合成作水的分解和合成作用用的总和称为水的地球化学循环的总和称为水的地球化学循环n水的地球化学
11、循环始于水的地球化学循环始于表生带表生带的的风化作用风化作用，一直到，一直到深部深部变质作用带变质作用带形成再生水，或形成再生水，或深部变质作用带深部变质作用带的局部熔融的局部熔融体冷却后分异出内生水，并返回地表为止体冷却后分异出内生水，并返回地表为止地壳中水的地球化学循环地壳中水的地球化学循环n表生带表生带-水的地球化学循环水的地球化学循环n水是风化作用的积极参与者水是风化作用的积极参与者n2NaAlSi3O8+2CO2+11H2O=Al2Si2O5(OH)4+2Na+4H4SiO4+2HCO3-n风化过程中，水被离解为风化过程中，水被离解为H+和和OH-，其离解平衡其离解平衡随风化过程的进
12、行被不断破坏，其离解程度已不受随风化过程的进行被不断破坏，其离解程度已不受控于离解平衡常数，而取决于水解作用的规模；控于离解平衡常数，而取决于水解作用的规模；n机械搬运与机械沉积使粘土矿物在合适的地段沉积机械搬运与机械沉积使粘土矿物在合适的地段沉积成岩，化学搬运与化学沉积（发生于水交替缓慢的成岩，化学搬运与化学沉积（发生于水交替缓慢的地带）则形成碳酸盐岩；地带）则形成碳酸盐岩；n结果：结果：铝硅酸盐铝硅酸盐+水水+CO2=粘土粘土+碳酸盐碳酸盐地壳中水的地球化学循环地壳中水的地球化学循环n沉积盆地深部沉积盆地深部-水的地球化学循环水的地球化学循环n表生带风化形成的粘土矿物高岭石、蒙脱石经搬表生
13、带风化形成的粘土矿物高岭石、蒙脱石经搬运在合适地段沉积后，随沉积物厚度的增加，底运在合适地段沉积后，随沉积物厚度的增加，底部沉积物在高压下将进一步水解为伊利石和绿泥部沉积物在高压下将进一步水解为伊利石和绿泥石；石；n上述水解过程不仅促进了水的离解，使水中的氢上述水解过程不仅促进了水的离解，使水中的氢氧结合到新的粘土矿物中，还使水的成分由富钾氧结合到新的粘土矿物中，还使水的成分由富钾镁转为贫钾镁（富钾水环境蒙脱石转化为伊利石，镁转为贫钾镁（富钾水环境蒙脱石转化为伊利石，富镁水环境蒙脱石转化为绿泥石）。富镁水环境蒙脱石转化为绿泥石）。n在沉积盆地底部还可能有含水矿物发生重结晶脱在沉积盆地底部还可能
14、有含水矿物发生重结晶脱水，如石膏变为硬石膏水，如石膏变为硬石膏地壳中水的地球化学循环地壳中水的地球化学循环n深部变质带深部变质带-水的地球化学循环水的地球化学循环n区域变质带中，粘土矿物将与碳酸盐矿物在高温高区域变质带中，粘土矿物将与碳酸盐矿物在高温高压条件下重结晶生成原生铝硅酸盐，在此过程中伴压条件下重结晶生成原生铝硅酸盐，在此过程中伴随有再生水的形成；随有再生水的形成；n来自上地幔的初生水则可能使地壳深部形成局部熔来自上地幔的初生水则可能使地壳深部形成局部熔融体，此过程为吸水过程，将使变质带的各种成因融体，此过程为吸水过程，将使变质带的各种成因的水融入局部熔融体的岩浆中；的水融入局部熔融体
15、的岩浆中；n局部熔融体在冷却过程中将释水，此部分水与变质局部熔融体在冷却过程中将释水，此部分水与变质成因水、深循环而来的受到加热烘烤的渗入成因水成因水、深循环而来的受到加热烘烤的渗入成因水相混合，如可沿合适通道涌出地表，即成为现代热相混合，如可沿合适通道涌出地表，即成为现代热泉。泉。地壳中水的地球化学循环地壳中水的地球化学循环n水在其自身的地球化学循环中的作用水在其自身的地球化学循环中的作用n在水的地球化学循环过程中，它绝不仅是循环着的物在水的地球化学循环过程中，它绝不仅是循环着的物质，还深刻影响着各种地球化学过程与地质过程的进质，还深刻影响着各种地球化学过程与地质过程的进程；在此进程中，伴随
16、着水的不断离解与合成程；在此进程中，伴随着水的不断离解与合成n水具有破坏岩石，使其发生水解的能力；水具有破坏岩石，使其发生水解的能力；n高温高压下，水的侵蚀性显著增强，这一点对许多地球化学过程都高温高压下，水的侵蚀性显著增强，这一点对许多地球化学过程都有重要作用；有重要作用；n水（水（水温、水量水温、水量）影响岩石的变质程度和变质矿物的种类及特征，）影响岩石的变质程度和变质矿物的种类及特征，许多变质过程在水不存在或水量很小时都停止了；许多变质过程在水不存在或水量很小时都停止了；n水可以加快晶体的生长速度，并可使矿物结晶得以在更低的温度下水可以加快晶体的生长速度，并可使矿物结晶得以在更低的温度下
17、完成。完成。n水积极参与岩浆的形成和分异过程；水量的大小对岩浆冷却时岩石水积极参与岩浆的形成和分异过程；水量的大小对岩浆冷却时岩石的结晶程度有重要影响；水还可降低地幔物质的熔融温度。的结晶程度有重要影响；水还可降低地幔物质的熔融温度。地壳中水的地球化学循环地壳中水的地球化学循环n结论结论n岩石不仅是地下水储存与迁移的场所，同时还是岩石不仅是地下水储存与迁移的场所，同时还是一种活泼的化学反应剂，可以促进水分子的离解，一种活泼的化学反应剂，可以促进水分子的离解，并将离解的产物固定在新矿物中；并将离解的产物固定在新矿物中；n水不仅是各类矿物的良好溶剂，在适当的地质环水不仅是各类矿物的良好溶剂，在适当
18、的地质环境中，它还会分解或合成境中，它还会分解或合成这也是水的地球化这也是水的地球化学循环的重要特色之一；学循环的重要特色之一；n地下水处于不断流动、往复循环的过程中，因此，地下水处于不断流动、往复循环的过程中，因此，某一地下环境中的地下水的化学组分是地下水地某一地下环境中的地下水的化学组分是地下水地球化学循环的结果，而不仅仅与围岩的成分有关。球化学循环的结果，而不仅仅与围岩的成分有关。成矿过程中水的地球化学循环成矿过程中水的地球化学循环n地下水的成矿作用地下水的成矿作用n地下水中的成矿组分地下水中的成矿组分，在适宜的地球化学在适宜的地球化学条件，选择有利的地质环境富集、沉淀形条件，选择有利的
19、地质环境富集、沉淀形成矿床的过程成矿床的过程n地下水与矿床的关系地下水与矿床的关系n成矿溶液即地下水成矿溶液即地下水n地下水可将分散于岩石中的元素溶汲出来，使地下水可将分散于岩石中的元素溶汲出来，使其发生迁移与富集过程，并在合适地段成矿其发生迁移与富集过程，并在合适地段成矿n地下水还可改造或破坏已有矿床地下水还可改造或破坏已有矿床成矿过程中水的地球化学循环成矿过程中水的地球化学循环n地下水的成矿作用地下水的成矿作用n在各种成因的地下水中在各种成因的地下水中n“内生水的成矿作用内生水的成矿作用”一般与岩浆活动过程有一般与岩浆活动过程有关，内生矿床的成矿机理比较复杂，本课程暂关，内生矿床的成矿机理
20、比较复杂，本课程暂不讨论；不讨论；n与渗入成因水相比，沉积成因水的成矿作用更与渗入成因水相比，沉积成因水的成矿作用更加普遍；加普遍；n沉积成因水中富含更多的成矿组分；沉积成因水中富含更多的成矿组分；n沉积盆地中的沉积物压实过程与深部变质过程有利于沉积盆地中的沉积物压实过程与深部变质过程有利于沉积物中金属元素的淋滤。沉积物中金属元素的淋滤。n沉积盆地中有利于地下水淋滤成矿物质的因素沉积盆地中有利于地下水淋滤成矿物质的因素n在沉积物压实阶段，结合水继自由水之后被排出，其活化后侵在沉积物压实阶段，结合水继自由水之后被排出，其活化后侵蚀性很强，有利于淋滤围岩中金属元素进入水中，而随蚀性很强，有利于淋滤
21、围岩中金属元素进入水中，而随TDS的的增加，增加，Cl在水中富集，将进一步提高水的侵蚀性；在水中富集，将进一步提高水的侵蚀性；n在沉积物压实阶段，某些矿物可转变为其他矿物（如长石转变在沉积物压实阶段，某些矿物可转变为其他矿物（如长石转变为高岭石或蒙脱石），在此过程中矿物中的某些金属元素可进为高岭石或蒙脱石），在此过程中矿物中的某些金属元素可进入水中（同时可能伴随有水中的金属元素进入矿物结晶格架）；入水中（同时可能伴随有水中的金属元素进入矿物结晶格架）；n盆地深部的沉积岩变质过程也将导致金属元素向水中淋滤；盆地深部的沉积岩变质过程也将导致金属元素向水中淋滤；n深部变质过程产生的大量深部变质过程产
22、生的大量CO2将增加水的侵蚀性，有利于围岩将增加水的侵蚀性，有利于围岩中金属元素的淋滤。中金属元素的淋滤。n沉积物的压实、脱水、成岩、变质的过程，也是岩石中的成矿沉积物的压实、脱水、成岩、变质的过程，也是岩石中的成矿元素不断迁移和水中成矿元素不断富集的过程。元素不断迁移和水中成矿元素不断富集的过程。成矿过程中水的地球化学循环成矿过程中水的地球化学循环n沉积盆地中的水循环对成矿作用的影响沉积盆地中的水循环对成矿作用的影响n根据水动力条件，沉积盆地由上至下可分为根据水动力条件，沉积盆地由上至下可分为3个水动力个水动力带：带：n1、沉积盆地上部：水的运动受静水压力驱动，运动方向为自、沉积盆地上部：水
23、的运动受静水压力驱动，运动方向为自补给区至排泄区补给区至排泄区n2、沉积盆地过渡带：沉积物的压实过程正在进行、沉积盆地过渡带：沉积物的压实过程正在进行n对于封闭含水层，在此过程中水压力与土体介质的有效应力一起对于封闭含水层，在此过程中水压力与土体介质的有效应力一起上升；上升；n对于未封闭的含水层，在此过程中水向上排出，水压力逐渐降低，对于未封闭的含水层，在此过程中水向上排出，水压力逐渐降低，直到达到与上部沉积物的水压力平衡为止。这一过程可视为过渡直到达到与上部沉积物的水压力平衡为止。这一过程可视为过渡带水压力重新分配的过程，随着沉积过程与压实过程的进行，该带水压力重新分配的过程，随着沉积过程与
24、压实过程的进行，该过程将往复进行，持续非常长的时间。过程将往复进行，持续非常长的时间。n3、沉积盆地底部：沉积物的压实过程已完成，沉积层中的重沉积盆地底部：沉积物的压实过程已完成，沉积层中的重力水与弱结合水已完全排出力水与弱结合水已完全排出成矿过程中水的地球化学循环成矿过程中水的地球化学循环n沉积盆地中的水循环对成矿作用的影响沉积盆地中的水循环对成矿作用的影响n过渡带的某些位置是进行成矿作用的有利地段。过渡带的某些位置是进行成矿作用的有利地段。在过渡带，下部含水层的水在排出过程中水压力在过渡带，下部含水层的水在排出过程中水压力逐渐减小，与上部含水层的水压力达到平衡；逐渐减小，与上部含水层的水压
25、力达到平衡；n在水压力达到动态平衡的地段，地下水在一定时在水压力达到动态平衡的地段，地下水在一定时期内处于滞流状态，其化学组分在此地段聚集，期内处于滞流状态，其化学组分在此地段聚集，如此地段同时存在相应的储矿构造，则将会形成如此地段同时存在相应的储矿构造，则将会形成矿床。矿床。成矿过程中水的地球化学循环成矿过程中水的地球化学循环n结论结论n矿体的物质来源并不仅是其储存位置的围矿体的物质来源并不仅是其储存位置的围岩，而是整个含水系统；矿体围岩不过是岩，而是整个含水系统；矿体围岩不过是提供了贮矿空间及适宜的地球化学环境；提供了贮矿空间及适宜的地球化学环境；n沉积盆地中的成矿物质主要来源于下垫岩沉积
26、盆地中的成矿物质主要来源于下垫岩层或最深部岩层；而在渗入成因水主导成层或最深部岩层；而在渗入成因水主导成矿过程的剥蚀陆台区，物源是上覆岩层或矿过程的剥蚀陆台区，物源是上覆岩层或构造隆起的部分岩层。构造隆起的部分岩层。成矿过程中水的地球化学循环成矿过程中水的地球化学循环第二节第二节水文地球化学的应用水文地球化学的应用n定义定义n在在人类活动影响人类活动影响下所产生的地下水水质向下所产生的地下水水质向恶化方向恶化方向发展的发展的现象现象n关于定义中关于定义中“人类活动影响人类活动影响”的阐述的阐述n所谓地下水污染，前提为水质的所谓地下水污染，前提为水质的恶化恶化是是人类活动人类活动引起的引起的n天
27、然地质环境天然地质环境中也可能出现不宜人类饮用或作其他用途使中也可能出现不宜人类饮用或作其他用途使用的地下水用的地下水应称为应称为“原生劣质水原生劣质水”n从科学术语的严谨性看，将从科学术语的严谨性看，将“受污染地下水受污染地下水”与与“原原生劣质水生劣质水”混为一谈是不可取的混为一谈是不可取的n天然劣质水是在漫长的地质历史时期内形成的，是不天然劣质水是在漫长的地质历史时期内形成的，是不以人类意志为转移的，而地下水污染是可以预防并控以人类意志为转移的，而地下水污染是可以预防并控制的，对这两个概念进行区分有利于人们有目的地保制的，对这两个概念进行区分有利于人们有目的地保护或改造地下水水质，把目标
28、锁定在护或改造地下水水质，把目标锁定在“受污染地下水受污染地下水”上，而不是去盲目地试图改造上，而不是去盲目地试图改造“原生劣质水原生劣质水”地下水污染地下水污染n定义定义n在在人类活动影响人类活动影响下所产生的地下水水质向下所产生的地下水水质向恶化方向恶化方向发展的发展的现象现象n关于定义中关于定义中“水质发展方向水质发展方向”的阐述的阐述n只要地下水水质向恶化方向发展，不论恶化程度是否达到只要地下水水质向恶化方向发展，不论恶化程度是否达到影响人类使用的程度，都应视为地下水污染影响人类使用的程度，都应视为地下水污染n判别地下水污染的意义在于预防地下水污染，如待水判别地下水污染的意义在于预防地
29、下水污染，如待水质恶化到超过水质标准才定义为质恶化到超过水质标准才定义为“地下水污染地下水污染”，就，就失去了预防的意义失去了预防的意义n在理论上，未被污染的地下水应该是水中各种组分在背景在理论上，未被污染的地下水应该是水中各种组分在背景值范围内的地下水值范围内的地下水n由于背景值很难获得，故此值一般以历史时期的水质由于背景值很难获得，故此值一般以历史时期的水质参数或区内无明显污染源地段的水质参数来代替参数或区内无明显污染源地段的水质参数来代替地下水污染地下水污染n含义含义n在在人类活动影响下人类活动影响下进入地下水系统的溶解物或悬进入地下水系统的溶解物或悬浮物浮物n上述物质使地下水水质向上述
30、物质使地下水水质向恶化方向恶化方向发展发展n无论上述物质的浓度是否达到使水质超过使用标无论上述物质的浓度是否达到使水质超过使用标准的程度，都应视为污染物准的程度，都应视为污染物n分类分类n化学污染物化学污染物n生物污染物生物污染物n放射性污染物放射性污染物地下水污染物地下水污染物n化学污染物化学污染物n无机污染物无机污染物nNO3-、Cl-、硬度（硬度（Ca2+Mg2+）、）、SO42-、总溶解固体总溶解固体（TDS）nF、As（地下水中的地下水中的F、As常为地质成因常为地质成因）、）、Cr、Hg、Pb（酚、酚、氰、汞、汞、铬、砷、砷 并称五毒并称五毒）n有机污染物：有机污染物：n含量甚微，
31、一般是含量甚微，一般是ppb级（级（10-9），或是），或是ppt级（级（10-12），但），但多多数有毒数有毒，且，且种类繁多种类繁多；n以卤代烃类挥发性有机物最普遍，如二、三、四氯乙烯、氯仿以卤代烃类挥发性有机物最普遍，如二、三、四氯乙烯、氯仿（即三氯甲烷即三氯甲烷）n生物污染物生物污染物n细菌、病毒和寄生虫细菌、病毒和寄生虫n放射性污染物放射性污染物nRa-226、Sr-90、Pu-289、Cs-137等（铀矿、核工业废水）等（铀矿、核工业废水）地下水污染物地下水污染物n按成因分为按成因分为n人为污染源人为污染源n液体废物：液体废物：如生活污水、工业污水；如生活污水、工业污水；n固体废物
32、：固体废物：如生活垃圾、工业垃圾及污泥；如生活垃圾、工业垃圾及污泥；n农业活动产生的污染物：农业活动产生的污染物：如农药、化肥等。如农药、化肥等。n天然污染源天然污染源n天然存在的污染源，但在人为活动的影响下才使污染物进入地下水环境，天然存在的污染源，但在人为活动的影响下才使污染物进入地下水环境，如海水入侵。如海水入侵。n按分布形式分为按分布形式分为n点污染源点污染源n面污染源面污染源（如大面积降落的酸雨）（如大面积降落的酸雨）地下水污染源地下水污染源n特点特点n隐蔽性隐蔽性n感观指标和生物指标（如地表水的生物种类减少）不显著感观指标和生物指标（如地表水的生物种类减少）不显著n难以逆转性难以逆
33、转性n水交换缓慢，自身难以净化水交换缓慢，自身难以净化n地下水埋深大，原位处理困难地下水埋深大，原位处理困难n方式方式n直接污染：直接污染：n污染组分来自污染源，在迁移过程化学性质不改变污染组分来自污染源，在迁移过程化学性质不改变n间接污染：间接污染：n污染组分不是来自污染源（如污水在地下发生阳离子交换过程使地下水污染组分不是来自污染源（如污水在地下发生阳离子交换过程使地下水硬度增大）硬度增大）地下水污染特点、方式地下水污染特点、方式n间歇入渗型间歇入渗型n污染物通过污染物通过大气降水大气降水或或灌溉水灌溉水的淋滤进入地下环的淋滤进入地下环境境，而而降水降水或或灌溉灌溉为不连续的、间断分布的事
34、件。为不连续的、间断分布的事件。污染对象主要为污染对象主要为潜水潜水。n连续入渗型连续入渗型n污染物随水的污染物随水的不断渗入不断渗入而进入含水层，地下水污而进入含水层，地下水污染的发生是染的发生是连续连续、不间断的不间断的。污水渗坑、破损污。污水渗坑、破损污水管道、受污染地表水的渗漏引起地下水的污染水管道、受污染地表水的渗漏引起地下水的污染属此类。属此类。地下水污染途径地下水污染途径n越流型越流型n污染物通过污染物通过越流越流从一个含水层进入另一个含从一个含水层进入另一个含水层。其越流途径或者是大面积的弱透水层，水层。其越流途径或者是大面积的弱透水层，或是人为途径（结构不合理的井管、破损的或
35、是人为途径（结构不合理的井管、破损的老井管等）。老井管等）。n径流型径流型n污染物通过各种途径以污染物通过各种途径以地下径流地下径流的形式进入的形式进入含水层，如废水处理井、岩溶通道；滨海地含水层，如废水处理井、岩溶通道；滨海地区淡水大量开采引起水位下降，使得海水向区淡水大量开采引起水位下降，使得海水向陆地含水层径流也是一个好例子。陆地含水层径流也是一个好例子。地下水污染途径地下水污染途径n地下环境中的氮地下环境中的氮n离子离子NH4+、NO3-、NO2-n溶解气体溶解气体N2、N2On有机化合物有机化合物有机氮有机氮n地下水中氮的来源地下水中氮的来源n天然来源天然来源n研究证明研究证明天然土
36、壤中的有机氮天然土壤中的有机氮是地下水的是地下水的NO3-N主要来源主要来源n沉积地层中也会含有地质成因的氮沉积地层中也会含有地质成因的氮n人为来源人为来源n人为来源主要有化肥、农家肥、城市生活污水及生人为来源主要有化肥、农家肥、城市生活污水及生活垃圾活垃圾地下水氮污染地下水氮污染自然界中的氮循环自然界中的氮循环n1、有机氮的矿化过程、有机氮的矿化过程n复杂的含氮有机物的矿化过程，更准确地说，是有机氮转复杂的含氮有机物的矿化过程，更准确地说，是有机氮转化为无机氮（化为无机氮（NH4+-N或或NH3-N）的过程。的过程。n这个过程是在细菌参加下的铵化过程，其细菌是异养型细这个过程是在细菌参加下的
37、铵化过程，其细菌是异养型细菌，可以是好氧菌或厌氧菌菌，可以是好氧菌或厌氧菌n（1）在充分通气条件下）在充分通气条件下nRCHNH2COOH（谷氨酸谷氨酸）+O2RCOOH+NH3+CO2+Qn（2）在厌气条件下在厌气条件下nRCHNH2COOH+2H+RCH2COOH+NH3+Q地下水系统氮循环机理地下水系统氮循环机理n2、硝化过程硝化过程n使使NH4-N通过自养型微生物氧化为通过自养型微生物氧化为NO3-N的过程的过程nNH4-NNO2-nNH4+1.5O2(亚硝化杆菌亚硝化杆菌)NO2-+H2O+H+QnNO2NNO3-NnNO2-+0.5O2(硝化杆菌硝化杆菌)NO3-+Q地下水系统氮循
38、环机理地下水系统氮循环机理n3、反硝化过程反硝化过程n通过微生物使通过微生物使NO3-N还原为气态氮（还原为气态氮（N2、N2O）的的过程过程n参加的微生物通常是异养细菌为主，故反硝化过程参加的微生物通常是异养细菌为主，故反硝化过程一般需有机碳作为能源一般需有机碳作为能源n2HNO32HNO2n2HNO22NOn2NON2OnN2ON2n4、固固氮过程氮过程n有机氮矿化过程、硝化过程、反硝化过程的产物通有机氮矿化过程、硝化过程、反硝化过程的产物通过微生物或植物的吸收成为有机氮过微生物或植物的吸收成为有机氮地下水系统氮循环机理地下水系统氮循环机理n5、铵吸附作用、铵吸附作用n在在NH4-随入渗的
39、污水向地下渗流的过程中，可随入渗的污水向地下渗流的过程中，可能与包气带介质中的吸附性阳离子发生离子交能与包气带介质中的吸附性阳离子发生离子交换，从而吸附于岩土介质表面；换，从而吸附于岩土介质表面；n该过程并不产生氮的转化，但为硝化作用提供该过程并不产生氮的转化，但为硝化作用提供了更充分的反应时间；了更充分的反应时间；nEAR=0.036+0.1051AAR地下水系统氮循环机理地下水系统氮循环机理n自然环境因素自然环境因素n温度（温度（T）n硝化作用最佳温度范围（硝化作用最佳温度范围（30-35）n反硝化作用最佳温度范围（反硝化作用最佳温度范围（35-65）n氧化还原电位（氧化还原电位（Eh）n
40、硝化作用发生（硝化作用发生（Eh250-300mV）n反硝化作用发生（反硝化作用发生（Eh7-8时，易形时，易形成碳酸盐沉淀。成碳酸盐沉淀。n注意：注意：固体废物中的有机物分解时可形成数量可观的脂固体废物中的有机物分解时可形成数量可观的脂肪酸，而脂肪酸与微量金属污染物的络合，能明显减少金肪酸，而脂肪酸与微量金属污染物的络合，能明显减少金属离子的吸附与沉淀，促进其迁移。属离子的吸附与沉淀，促进其迁移。微量金属污染微量金属污染n存在形态存在形态n两种氧化态两种氧化态nCr3+：CrOH2+、Cr(OH)2+、Cr(OH)4-nCr6+：CrO42-、HCrO4-、Cr2O72-npH=5-9，还原
41、条件：还原条件：Cr3+占优势；占优势；n碱性环境、中等氧化条件（碱性环境、中等氧化条件（潜水潜水）：）：Cr6+占优势；占优势；n虽然在地下环境微量元素的阳离子易被吸附，但六价虽然在地下环境微量元素的阳离子易被吸附，但六价Cr一般以络阴离子形式存在，故六价一般以络阴离子形式存在，故六价Cr污染常见于污染常见于地下水；地下水；n毒性：毒性：Cr6+=300Cr3+微量金属污染微量金属污染Crn地下水铬污染的天然修复地下水铬污染的天然修复n沉淀沉淀还原条件，还原条件，Cr6+还原为还原为Cr3+，产生产生Cr(OH)3 n还原剂：二价铁、有机质等；还原剂：二价铁、有机质等；n吸附吸附n一定条件下
42、，一定条件下，Cr6+的络阴离子也可被的络阴离子也可被吸附吸附；n吸附剂：铁的氧化物、氢氧化物吸附剂：铁的氧化物、氢氧化物n例如：例如：Stollenwerk曾研究了某冲积层中沉积物颗粒吸附曾研究了某冲积层中沉积物颗粒吸附Cr6+的的情况，由于沉积物颗粒表面有一层铁的氧化物与氢氧化物薄膜，情况，由于沉积物颗粒表面有一层铁的氧化物与氢氧化物薄膜，对对Cr6+的的吸附量非常大，地下水中吸附量非常大，地下水中Cr6+浓度很低。这是因为该冲浓度很低。这是因为该冲积层的积层的pH值为值为6.8，小于沉积物颗粒表面有含铁化合物薄膜存在，小于沉积物颗粒表面有含铁化合物薄膜存在时的时的pHz值（值（8.38）
43、，因而沉积物带正电，可吸附络阴离子。，因而沉积物带正电，可吸附络阴离子。微量金属污染微量金属污染Crn存在形态存在形态n地壳中，砷与硫共存，常以砷的硫化物的形式存在，如地壳中，砷与硫共存，常以砷的硫化物的形式存在，如As2S3（雌黄）、雌黄）、AsS（雄黄）等，含砷硫化物均不易溶于雄黄）等，含砷硫化物均不易溶于水，但被氧化后形成五价砷酸盐易溶于水水，但被氧化后形成五价砷酸盐易溶于水n四种价态：四种价态：+3、+5、-3、0n地下水中以地下水中以+3（毒性极大毒性极大）+5常见常见n氧化条件下氧化条件下npH3：H3AsO42-、AsO43-npH=3-7：H2AsO4-npH=7-11：HAs
44、O42-n还原条件下还原条件下nH3AsO30、H2AsO3-、HAsO32-微量非金属污染微量非金属污染Asn天然成因的砷天然成因的砷n天然地下水中一般天然地下水中一般As细菌（几天、几十天）细菌（几天、几十天）n环境因素环境因素存活期存活期n水温高、水温高、pH低存活时间更短低存活时间更短n岩土颗粒的吸附作用岩土颗粒的吸附作用n酸性土壤（达到小于酸性土壤（达到小于pHz的程度时带正电）易吸附微生物的程度时带正电）易吸附微生物地下水的微生物污染地下水的微生物污染n特点特点n地下水受硬度、地下水受硬度、Cl-、SO42-、总可溶解固体等常规组分的总可溶解固体等常规组分的污染；污染；n常伴有常伴
45、有NO3-污染；污染；n常出现于城区、浅层地下水，是城市化的结果；常出现于城区、浅层地下水，是城市化的结果；n以老城区为中心向外延伸，污染物浓度降低。以老城区为中心向外延伸，污染物浓度降低。n原因原因n城市固体废物淋滤城市固体废物淋滤n包气带中包气带中Na-Ca交换交换高高SAR的污水导致地下水硬度上升的污水导致地下水硬度上升n大量汲取地下水导致水盐均衡破坏大量汲取地下水导致水盐均衡破坏n水位下降，包气带厚度增大，入渗途径变长，还原变为氧化水位下降，包气带厚度增大，入渗途径变长，还原变为氧化环境环境n含水层变薄，对盐分的稀释能力降低含水层变薄，对盐分的稀释能力降低地下水的盐污染地下水的盐污染地
46、下水环境质量评价地下水环境质量评价地下水污染现状评价地下水污染现状评价地下水质量评价地下水质量评价地下水脆弱性（质量影响）评地下水脆弱性（质量影响）评价价地下水污染现状评价地下水污染现状评价n目的目的n旨在说明地下水的污染程度及范围，并不说旨在说明地下水的污染程度及范围，并不说明地下水的适用性，受污染的地下水并不一明地下水的适用性，受污染的地下水并不一定影响其使用定影响其使用。n评价因子的选择评价因子的选择n根据研究区的具体情况而定，一般情况下常根据研究区的具体情况而定，一般情况下常把地下水污染物质分为如下几类：把地下水污染物质分为如下几类：n常规组分常规组分n常见有毒金属和非金属物质：常见有
47、毒金属和非金属物质：Hg，Cr，Cdn有机有害物质：有机氮、有机磷、苯类、酚类有机有害物质：有机氮、有机磷、苯类、酚类n细菌、病毒等细菌、病毒等评价标准及评价方法评价标准及评价方法 n评价标准评价标准n地下水化学组分的背景值地下水化学组分的背景值n指不受人类活动影响的地下水组分天然含量指不受人类活动影响的地下水组分天然含量n与自然地理、地质、水文地质条件相关与自然地理、地质、水文地质条件相关n在计算背景值前应进行环境水文地质分区在计算背景值前应进行环境水文地质分区n计算公式：计算公式：n评价方法评价方法n单要素指数法：单要素指数法：I=Ci/C0n多要素指数法多要素指数法n均值法：常会失真均值
48、法：常会失真n加和法：常会失真加和法：常会失真n均方法：无明确的物理意义均方法：无明确的物理意义n参数分级评分迭加型指数法：最为科学参数分级评分迭加型指数法：最为科学地下水（环境）质量评价地下水（环境）质量评价n评价目的评价目的n说明地下水水质的优劣与适用性说明地下水水质的优劣与适用性n评价标准评价标准n各类水质标准各类水质标准n地下水质量标准（地下水质量标准（GB/T14848-93）n评价方法评价方法n单项组分评价单项组分评价n综合评价综合评价地下水质量标准（地下水质量标准（GB/T14848-93）n地下水质量分类指标地下水质量分类指标n感官性状指标：色度、浑浊度、嗅和味等感官性状指标：
49、色度、浑浊度、嗅和味等n毒理学指标：汞、砷、铬等毒理学指标：汞、砷、铬等n流行病学指标：总大肠菌群等流行病学指标：总大肠菌群等n地下水质量分类地下水质量分类n类类 主要反映地下水化学组分的天然低背景含量。适用主要反映地下水化学组分的天然低背景含量。适用于各种用途。于各种用途。n类类 主要反映地下水化学组分的天然背景含量。适用于主要反映地下水化学组分的天然背景含量。适用于各种用途。各种用途。n类类 以人体健康基准值为依据。主要适用于集中式生活以人体健康基准值为依据。主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水。饮用水水源及工、农业用水。n类类 以农业和工业用水要求为依据。除适用于农业和部以农业和
50、工业用水要求为依据。除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可作生活饮用水。分工业用水外，适当处理后可作生活饮用水。n类类 不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用。不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用。地下水脆弱性评价地下水脆弱性评价n定义定义n地下水在天然条件下（未经人工防护）的防污性能地下水在天然条件下（未经人工防护）的防污性能n天然条件下污染物从地表随入渗水自包气带进入含天然条件下污染物从地表随入渗水自包气带进入含水层的倾向或可能性水层的倾向或可能性n脆弱性分类脆弱性分类n内在脆弱性内在脆弱性n不考虑污染物的水文地球化学特性，它指地质、水文、水不考虑污染物的水文地球化学特性，它指地质、水文