地下水污染與防治

1、地下水污染與防治yx.1OutlineIntroduction: the importance of GW contamination studiesBasic concepts of GW contaminationSome advances in GW contamination studies Introduction3 水是影響人口增長和分布、經(jīng)濟發(fā)展、社會和政治組織以及生活質(zhì)量的決定性因素。它也是引發(fā)戰(zhàn)爭和促進和平的原因。由于水資源問題在即將到來的幾十年里不可能緩和，有關(guān)河流和水利用、區(qū)域水資源、水環(huán)境研究的重要性，日見顯著。(圖片：從圣潔的香溪河到渾濁的武鋼長江水源）在發(fā)展中國家，

2、特別是在城市地區(qū)，水質(zhì)普遍變差。發(fā)達國家的經(jīng)驗證明，水質(zhì)的下降得到抑制甚至逆轉(zhuǎn)的過程是緩慢的，而且花費高。美國1972年清潔水法令的推行導致點源污染的地表水水質(zhì)得到明顯改善。為了改善水質(zhì)而作出的進一步努力將要求減少來自非點源的污染。在大多數(shù)情況下，非點源污染很難處理和識別。19892000年漢江水質(zhì)狀況統(tǒng)計 19892000年最差水質(zhì)因子統(tǒng)計 主要污染物武漢市漢江各斷面高錳酸鹽指數(shù)變化趨勢圖 水環(huán)境中的有害物質(zhì)是一個具有重要意義的問題。特別是因為陳舊的存儲場地開始受到損壞,在今后20年，對有害化學廢物和放射性廢物的產(chǎn)生和儲存將會受到越來越多的關(guān)注， 對現(xiàn)有場地廢物在地表和地下的運動進行模擬和監(jiān)

3、測，具有特殊重要的意義。在污染對人類健康構(gòu)成威脅的情況下，開展這種模擬是極其重要的。1991年，美國推出了NAWQA（National Water Quality Assessment Program USGS(美國地質(zhì)調(diào)查局)的科學家們對全國50多個河流盆地和含水層開展了資料收集和分析。該項計劃的目標是建立可支持管理和決策的有關(guān)河流、地下水和水生生態(tài)系統(tǒng)的長期連續(xù)和可比較的信息系統(tǒng)。NAWQA應(yīng)當能回答以下問題：1美國的河流和地下水現(xiàn)狀如何?2這些河流和地下水狀態(tài)隨時間是如何變化的?3自然特征和人類活動是如何影響這些河流和地下水狀態(tài)的? NAWQA是如何回答這些問題的呢？研究設(shè)計和方法全國統(tǒng)

4、一以便在區(qū)域和全國范圍內(nèi)水質(zhì)狀態(tài)是可對比的研究是長期和周期性的以便分析水質(zhì)的變化趨勢，從而確定水質(zhì)是變好還是變差研究工作把人類活動和自然因素與 水質(zhì)，水生生物和河流生境聯(lián)系起來以便使研究成果對于有關(guān)水資源管理及飲用水和水生生態(tài)系統(tǒng)管理的決策提供幫助USGS 的科學家與政府官員，資源管理者，工業(yè)界代表和其他利益相關(guān)者相互作用以便研究的發(fā)現(xiàn)與決策者相關(guān)聯(lián)USGS的科學家來自多學科，包括水文學，地質(zhì)學，生物學。地球物理，地理學和統(tǒng)計學以便能夠分析河流盆地和含水層系統(tǒng)相互依賴的特性USGS有責任為所有人提供不帶偏見的科學信息以便使研究的發(fā)現(xiàn)有多種表現(xiàn)形式，包括原始數(shù)據(jù)，報告，期刊論文，宣傳小冊子，錄象

5、帶。這些成果大多是免費的。在地下水研究領(lǐng)域，國際水文地質(zhì)界（尤其是美國）自二十世紀八十年代以來，把研究的重點從地下水水資源評價與管理轉(zhuǎn)移到地下水污染治理上來美國已經(jīng)把受污染場地中土壤和地下水污染的去除作為優(yōu)先考慮的問題，并計劃在未來幾十年修復3040萬個場地。費用估計達500010000億美元（National Research Council,1994）。污染物質(zhì)泄漏或作為污染物的處置場均可能導致土地和地下水的污染。美國管理與預算委員會估計，未來75年中，修復屬于國防部、能源部、內(nèi)政部、農(nóng)業(yè)部及國家宇航局的受污染場地就需要23403890億美元（Federal Facilities Poli

6、cy Group, 1995）。僅1996年美國在污染場地修復上的花費達90億美元。地下水環(huán)境修復：專利和論文從美國1976-1996年與地下水和土壤污染修復技術(shù)有關(guān)的專利增長情況不難看出，自1991年后，出現(xiàn)了高速增長。歐美國家近10年來的水文地質(zhì)研發(fā)經(jīng)費的重點投向了地下水污染與環(huán)境修復技術(shù)研究。近10年來在Ground Water, Water Resources Research, Environmental Science and Technology, Applied Geochemistry, Water Research，Journal of Contaminant Hydrol

7、ogy等西方水文地質(zhì)、環(huán)境科學與工程類主流學術(shù)刊物上發(fā)表的與地下水有關(guān)的論文多與地下水污染有關(guān)。相比之下，我國同類研究十分薄弱。 我國是一個缺水國家，巨大的人口壓力加劇了水資源短缺的嚴峻形勢。在我國許多地區(qū)，天然水質(zhì)惡劣，如原生高氟水和高砷水的分布范圍之廣、危害之大實屬罕見。 近幾十年來，人類活動造成了大面積的地下水污染，已經(jīng)在我國地下水中檢測出各種有機污染物、重金屬污染物、氮、硫、磷污染物，使得我國“水質(zhì)型”缺水形勢日益嚴峻。山西大同盆地淺層地下水As (10 3mg/L)砷中毒砷可對人體的呼吸道、胃、腸、肺、肝、骨骼、皮膚均有不同程度的損傷。砷可使人體正常分泌的酶失去活性，使細胞正常代謝發(fā)

8、主障礙而導致細胞死亡，并可導致末稍神經(jīng)炎、皮膚癌、肺癌。砷進入血液循環(huán)后直接作用于毛細血管壁，使其通透性增強，麻痹毛細血管，造成組織營養(yǎng)障礙，產(chǎn)生急性和慢性中毒。 Masud Karim(2000)對孟加拉國水砷中毒患者調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，最常見的是黑皮病(93.5%)，角化癥(68.3%)，角化過度(眼角膜細胞增多)(37.6%)和 leuco-melanosis (39.1%)。癌癥患者 0.8%，光化角膜炎和波紋氏病3.1%。 孟加拉國水砷中毒患者（引自Md. Masud Karim，2000) 砷中毒引起的皮膚癌（波紋氏?。﹫D1 全球范圍內(nèi)主要高砷地下水以及采礦和地熱引起的水和環(huán)境問題分布（S

9、medley, 2002）藍色代表湖泊全球20多個國家存在地下水砷異常導致砷中毒的國家中，比較嚴重的是分布于亞洲的三個國家（圖2），按順序依次為 孟加拉國、西孟加拉邦（WB，印度）和中國。局部地下水砷異常的國家越來越多，每年，都有來自亞洲國家的關(guān)于水砷污染的報道（圖3）。由于砷不是實驗室水質(zhì)常規(guī)分析的元素，所以，漏掉了很多高砷水。飲水標準中砷含量的修訂，導致許多國家的水質(zhì)需要重新評價。（1）波蘭；（2）安大略湖，加拿大；（3）新西蘭；（4）西班牙；（5）匈牙利；（6）美國俄勒岡州西部；（7）科爾多瓦，阿根廷；（8）Lagunera，墨西哥；（9）臺灣；（10）Antofagasta，智利；（1

10、1）Lassen County，美國中部；（12） 斯里蘭卡；（13）新斯科舍省，加拿大；（14）菲爾班克斯，阿拉斯加州（美國州名）；（15）Millard County，猶他州；（16）Fallon, 內(nèi)華達州（美國西部內(nèi)陸州）；（17）內(nèi)蒙古，中國；（18）新疆 Utghur，中國；（19）孟加拉國；（20）西孟加拉邦，印度。圖2 全球有文獻記錄的地下水砷污染地區(qū)（引自D. Chakraborti, 2002）圖3. 亞洲高砷地下水影響地區(qū)（引自D. Chakraborti et al., 2002）（1）新疆；（2）吉林；（3）遼寧；（4）內(nèi)蒙古；（5）寧夏；（6）山西； （7）Jhel

11、um, 巴基斯坦；（8）Gujrat, 巴基斯坦；（9）孟加拉國；（10）尼泊爾；（11） 貴州，中國；（12）臺灣，中國；（13）河內(nèi), 越南；（14）緬甸；（15）老撾；（16） 西孟加拉邦，印度（17）柬埔寨；（18）Ronphibun，泰國全球典型地砷病區(qū)孟加拉國的砷中毒被認為是人類歷史上最嚴重的水安全事件之一，將可能造成孟加拉國國1.3億貧困人口中10的成年人在未來死亡。飲用地下水砷的濃度最高達3.7 mg/L（Sracek A.，1998）。 Gaus et al. (2003)對孟加拉國3534個飲用水井調(diào)查分析后，估計飲水砷0.05 mg/L高砷暴露人口大約為3500萬人，飲水

12、砷10g /L 高砷暴露人口高達5700萬。我國飲水型砷中毒分布特征統(tǒng)計顯示：我國地方病多發(fā)生在環(huán)境保護較差及經(jīng)濟不發(fā)達的地區(qū)（圖4）。全國592個國家扶貧工作重點縣中，有576個是地方病流行的重病區(qū)（中新社，2004） 。115萬地方性砷中毒病區(qū)人口需要改水。圖4 我國地方性砷中毒的類型與分布（引自侯少范等，2002）Basic Concepts of Ground Water Contamination 一、地下水污染物的概念在研究中，有的人往往把組分濃度高者定為污染物，而根本不去追究其來源；也有的人把所有不利于水的利用的組分統(tǒng)統(tǒng)視為污染組分。這些看法都是片面的。正確的污染物含義應(yīng)該是：凡

13、是人類活動導致進入地下水環(huán)境，會引起水質(zhì)惡化的溶解物或懸浮物，無論其濃度是否達到使水質(zhì)明顯惡化的程度，均稱為地下水污染物。地下水中的重要污染物地下水污染物種類繁多，按其性質(zhì)可以分為三類：化學污染物無機污染物、有機污染物 生物污染物放射性污染物化學污染物（一）無機污染物地下水中最常見的無機污染物是NO3-、NO2-、NH3、Cl-、SO42-、硬度、F-、CN-、總?cè)芙夤腆w物及微量重金屬Cr、Hg、Pb、Cd和類金屬As等。其中硬度、總?cè)芙夤腆w物、Cl-（氯化物）、SO42-（硫酸鹽）、NO3-（硝酸鹽）和NH3等為無直接毒害作用的無機污染物，但達到一定的濃度后，同樣會對其可利用價值或?qū)Νh(huán)境、甚

14、至對人類健康造成不同程度的影響或危害。（二）有機污染物1、易于生物降解的有機污染物這一類污染物不穩(wěn)定，多屬于碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪和油類等自然生成的有機物。它們在微生物的作用下，借助于微生物的新陳代謝功能，可轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無機物。如在有氧條件下，由好氧微生物作用轉(zhuǎn)化，多產(chǎn)生CO2和H2O等穩(wěn)定物質(zhì)。在無氧條件下，則由厭氧微生物作用，最終轉(zhuǎn)化形成H2O、CH4、CO2等穩(wěn)定物質(zhì)，同時放出硫化氫、硫醇等惡臭氣體。耗氧有機污染物主要來源于生活污水，以及屠宰、肉類加工、乳品、制革、制糖和食品等以動植物殘體為原料加工生產(chǎn)的工業(yè)廢水。這一類污染物一般都無直接毒害作用，它的主要危害是引起地表水體的富營養(yǎng)化。

15、在地下水中此類污染物濃度一般都比較小，危害性不大。（二）有機污染物2、難于生物降解的有機污染物 這一類污染物多屬于人工合成的有機物質(zhì)，如有機氯化物、多環(huán)芳烴類化合物、苯并（a）芘和有機重金屬化合物。它們的性質(zhì)均比較穩(wěn)定，不易為微生物所分解，故稱之為難降解的有機污染物。這些物質(zhì)大多數(shù)具有較強的毒性，甚至具有致癌、致畸、致突變的作用，對人體健康構(gòu)成嚴重威脅。美國環(huán)保局（EPA）提出了水體中129種優(yōu)先控制污染物名單，俗稱黑名單，其中114種為有機污染物。我國也制定了適合中國國情的“水中優(yōu)先控制污染物黑名單”，包括14類68種有毒化學污染物，其中有機毒物占58種。這58種有機有毒污染物包括（括號內(nèi)符

16、號表示對人體健康影響范圍：O表示對器官有影響；T表示毒理影響；C表示在危險水平的10-5就有致毒危險）：揮發(fā)性氯代烴：二氯甲烷(C)、三氯甲烷(C)、1， 2一二氯乙烷(C) 、四氯化碳(C)、1，1，1一三氯乙烷(T)、1，1，2一三氯乙烷(C)、1，1，2，2一四氯乙烷(C)、三氯乙烯(C)、四氯乙烯(C )、三溴甲烷（Cc)。(2)苯系物：苯(C)、甲苯(T)、乙苯(丁)、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯。(3)氯代苯類：氯苯(TC)、鄰二氯苯(乃)、對二氯苯(T)、六氯苯(C)。(4)多氯聯(lián)苯：多氯聯(lián)苯(C)。(5)酚類：苯酚(C/T)、間甲酚(O)、2，4二氯酚(C/T)、 2，4，6三

17、氯酚(C O)、五氯酚(CO)、對硝基酚。 (6)硝基苯類：硝基苯(TO)、對硝基苯、2，4一二硝基苯(C)、三硝基苯。 (7)苯胺類：苯胺、二硝基苯胺、對硝基苯胺、6一二氯硝基苯胺。 (8)多環(huán)芳烴類：萘、螢蒽(T)、苯并(b)螢蒽、苯并(k) 螢蒽、苯并(a)芘 (C)、茚并(1，2，3，c，d)芘(C)、苯并(ghi)芘(C)。（9）酞酸酯類：酞酸二甲酯、酞酸二丁酯、酞酸二辛酯。 (10)農(nóng)藥：六六六(C)、敵敵畏(T)、樂果(T)、對硫磷(T)、甲基對硫磷 (T)、 除草醚(T)、敵百蟲(T)。（11）丙烯腈：苯烯腈(C)。（12）亞硝胺類：N亞硝基二乙胺、N一亞硝基二正丙胺。這些水中

18、優(yōu)先控制污染物具有下列一些共性：(1)都具有毒性，與人體健康關(guān)系非常密切，在環(huán)境中具有長效性，對環(huán)境的影響和人體健康的危害大多具有不可逆性。(2)有機氯占主體，58個優(yōu)先控制的有機物中有機氯化物占25個，它們往往難以生物降解。(3)在水體中含量較低，一般是g/L數(shù)量級甚至ng/L數(shù)量級。(二)生物污染物細菌：地下水中曾發(fā)現(xiàn)并引起水媒病傳染的致病菌有：霍亂弧菌（霍亂?。?、傷寒沙門氏菌（傷寒病）、志賀氏菌、沙門氏菌、腸道產(chǎn)毒大腸桿菌、胎兒弧菌、小結(jié)腸炎耶氏菌等，后五種病菌都會引起不同特征的腸胃病。病毒：在地下水中曾發(fā)現(xiàn)的病毒主要是腸道病毒，如脊髓灰質(zhì)炎病毒、人腸道弧兒病毒、甲型柯薩奇病毒、新腸道病

19、毒、甲型肝炎病毒、胃腸病毒、呼吸道腸道病毒、腺病毒等，而且每種病毒又有多種類型，對人體健康危害較大 寄生蟲包括原生動物、蠕蟲及真菌。在寄生蟲中值得注意的有：梨型鞭毛蟲、痢疾阿米巴和人蛔蟲 (四）放射性污染物放射性核素半衰期（a）MPC(pCi/ml) 標準器官主要放射物 生物半衰期3H12.263全身粒子12d90Sr28.13骨骼粒子50a129I1.71076甲狀腺粒子射線138d137Cs30.22全身粒子射線70d226Ra16003骨骼粒子射線45a289Pu244005骨骼粒子200a飲用水最大允許濃度。地下水污染的特點與途徑 1隱蔽性 即使地下水已受某些組分嚴重污染，但它往往還是

20、無色、無味的，不易從顏色、氣味、魚類死亡等鑒別出來。即使人類飲用了受有毒或有害組分污染的地下水，對人體的影響也只是慢性的長期效應(yīng)，不易覺察2難以逆轉(zhuǎn)性 地下水一旦受到污染，就很難治理和恢復。主要是因為其流速極其緩慢，切斷污染源后僅靠含水層本身的自然凈化，所需時間長達數(shù)十年、甚至上百年。另一個原因是某些污染物被介質(zhì)和有機質(zhì)吸附之后，會發(fā)生解吸再吸附的反復交替。二、地下水污染途徑 是指污染物從污染源進入到地下水中所經(jīng)過的路徑 。研究地下水的污染途徑有助于制定正確的防治地下水污染的措施。地下水污染途徑復雜多樣，以污染源的種類分為：污水渠道和污水坑的滲漏、固體廢物堆的淋濾、化學液體的溢滲、農(nóng)業(yè)活動的污

21、染以及采礦活動的污染等等，這顯得過于煩雜。 按照水力學上的特點可分為四類：間歇入滲型；連續(xù)入滲型；越流型；和徑流型。 三、地下水系統(tǒng)的組成特征地下水是指賦存于地面以下巖石空隙中的水。地下水系統(tǒng)是由兩個要素組成：一是具有空隙的巖石；二是賦存于巖石空隙中的水。1、巖石中的空隙巖石中的空隙是地下水儲存場所和運動通道?？障兜亩嗌?、大小、形狀、連通情況和分布規(guī)律，對地下水的分布和運動具有重要影響。按巖石空隙的形態(tài)可分為三類：松散巖石中的孔隙；堅硬巖石中的裂隙；可溶巖石中的溶隙。2、地下水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征巖層按其透水性不同，可分為透水層與不透水層。飽含水的透水層稱為含水層。不透水層通常稱為隔水層。透水層與不

22、透水層在概念上具有相對性。嚴格地講，自然界中不存在絕對不透水的巖層，只不過某些巖層的透水性極小，以至其透過的水量微不足道而已?，F(xiàn)在人們已經(jīng)認識到，巖層透水與否取決于時間尺度、發(fā)生滲透的過水斷面的大小和驅(qū)動水流動的水力梯度的大小。構(gòu)成地下水系統(tǒng)的含水層與隔水層的分布和組合關(guān)系復雜，這決定了地下水的運動形式及水質(zhì)和水量變化特征。水文地質(zhì)學根據(jù)含水巖層在地質(zhì)剖面中所處的部位及隔水層（非透水層）限制的情況，將地下水分為包氣帶水、潛水和承壓水（見圖）。四、 污染物在地下水系統(tǒng)中遷移過程水動力彌散作用 在多孔介質(zhì)中,當存在兩種或兩種以上可溶混的流體時，在流體運動作用下其間發(fā)生過渡帶，并使?jié)舛融呌谄骄@

23、種現(xiàn)象稱為多孔介質(zhì)中的水動力彌散現(xiàn)象，簡稱彌散現(xiàn)象。形成彌散現(xiàn)象的作用，簡稱彌散作用。彌散現(xiàn)象 造成彌散現(xiàn)象的原因 造成彌散現(xiàn)象的原因可歸結(jié)于水在介質(zhì)中流動，介質(zhì)孔隙系統(tǒng)的復雜微觀形狀、溶質(zhì)濃度梯度引起的分子擴散、水性質(zhì)的改變(如粘度、密度等)對速度分布(流速場)的影響；水中溶質(zhì)與固相顆粒間的相互作用一吸附、沉淀、降解、離子交換、生物化學等過程。 污染物在地下水系統(tǒng)中運移的其它過程吸附一解吸離子交換沉淀溶解氧化還原生物反應(yīng)4、 污染物在地下水系統(tǒng)中遷移的基本方程 描述溶質(zhì)在地下水中運移的數(shù)學模型可以分為三類：確定性模型、隨機模型和“黑箱”模型。它們是與近代描述地下水運動的數(shù)學模型相對應(yīng)的，但溶

24、質(zhì)的運移要比地下水的運動更為復雜。本節(jié)主要討論溶質(zhì)運移的確定性模型。 考慮到溶質(zhì)在運移過程中的對流作用和水動力彌散作用，再結(jié)合質(zhì)量守恒定律，采用空間平均的方法我們就可以導出所謂的對流彌散方程，它是描述溶質(zhì)運移的基本數(shù)學模型。對流彌散方程的推導 在所研究的滲流場中任取一微小的質(zhì)量均衡體，簡稱微元體(如圖3-7)，dt時間內(nèi)微元體中溶質(zhì)質(zhì)量的變化是由三方面引起的。(1)水動力彌散作用 水動力彌散作用由機械彌散和分子擴散作用組成。設(shè)1為機械彌散通量， 2為分子擴散通量，P為水動力彌散通量，C為滲透場中溶質(zhì)的濃度，那么： 1=-DngradC 2 =-D0gradCP=1 +2 =-(Dn+D0)gr

25、adC=-DgradC (31)式中D=Dn+D0，D為水動力彌散系數(shù)，它是各向異性的，為一個二階張量。式(31)亦可表示為：(32)在X方向上由于彌散而引起微元體內(nèi)溶質(zhì)質(zhì)量的變化為X斷面流進與X+X斷面流出的溶質(zhì)質(zhì)量之差 。即n為有效空隙度。 ： （33）同理，在y和z方向上有：在t時間內(nèi)由于彌散，整個微元體中溶質(zhì)質(zhì)量的改變量為：（3-4）（3-5）（3-6）（2）對流作用令V代表地下水平均實際流速。在x方向上，由于水的平均整體運動而引起的微元體內(nèi)溶質(zhì)質(zhì)量的變化M”x為：同理有： （37）所以對流作用所引起的微元體中溶質(zhì)質(zhì)量的變化M為：（38）(3)吸附作用及其它假設(shè)由于化學反應(yīng)(如吸附作用

26、等)或其它原因，單位時間單位體積地下水中溶質(zhì)質(zhì)量的變化量為W，那么 t時間內(nèi)微元體中由此而引起的溶質(zhì)質(zhì)量的變化量I為： I=WXYZnt (39)假設(shè)點（x,y,c）附近t時刻溶質(zhì)濃度的變化率為 ，則在t時間內(nèi)，微元體中溶質(zhì)質(zhì)量的變化量M為：（3-10）依質(zhì)量守恒定律應(yīng)有： M=I+M+M” (311)將以上各式同時代入(3-11)中即得： （312）假定彌散主方向與坐標軸一致，那么： （313）將(313)代入(312)中，即得到對流彌散方程(或水動力彌散方程)：(314) 考慮密度變化，不考慮化學作用等因素的情況下，對流彌散方程可以表示為：（3-15）式中：K=Dn，為液體的密度，u為地下

27、水的平均實際流速。上述水動力彌散方程是定量描述溶質(zhì)在地下水中運移的基本數(shù)學模型，它是一個二階非線性偏微分方程。其求解方法一般可分為解析解、半解析解和數(shù)值解法三種。Some Advances in GW Contamination Studies地下水污染監(jiān)測地下水污染脆弱性評價地下水環(huán)境修復技術(shù)59地下水污染主要分布在城區(qū)附近和地表水污染嚴重的地區(qū)1 地下水污染監(jiān)測主要進展（Since 1980s）定深取樣技術(shù)現(xiàn)場快速、精確測試和探測技術(shù)大型試驗場（Stripa, Yucca Mountain, Borden)高精度室內(nèi)測試技術(shù)群井及多水平監(jiān)測井在多數(shù)場地調(diào)查過程中，你必須測定水頭及污染物濃度

28、的垂向分布情況。為了獲得這方面的信息，必須在單個鉆孔中的不同深度上安裝監(jiān)測井。這時，在單個鉆孔中可以使用單個群井，也可使用多水平監(jiān)測井?？梢赃x擇設(shè)計方案。選擇方案包括：有多個鉆孔，每個鉆孔安裝一個監(jiān)測井每個鉆孔安裝不同深度濾網(wǎng)的多水平監(jiān)測井每個鉆孔安裝一個具有多個取樣口的監(jiān)測井具有多個止水段的全長濾網(wǎng)監(jiān)測井監(jiān)測孔的安裝點驅(qū)動監(jiān)測孔 標準點驅(qū)動監(jiān)測孔 不銹鋼尖端、井管濾網(wǎng)、擊入式套管孔徑1.53cm，井管濾網(wǎng)20100cm錘擊井管濾網(wǎng)和套管到指定深度監(jiān)測孔的安裝點驅(qū)動監(jiān)測孔 鉆機點驅(qū)動監(jiān)測孔 點驅(qū)動尖端、井管濾網(wǎng)、井管套管位于鉆井套管之內(nèi)預定深度上，取出鉆井套管用膨潤土把井管濾網(wǎng)以上的套管四周封

29、口 監(jiān)測孔的安裝群井及多水平監(jiān)測孔 在多數(shù)場地調(diào)查過程中，必須測定水頭及污染物濃度的垂向分布情況。為了獲得這方面的信息，必須在的不同深度上安裝監(jiān)測孔。 監(jiān)測孔的安裝群井及多水平監(jiān)測孔 每個鉆孔安裝一個監(jiān)測孔 監(jiān)測孔的安裝群井及多水平監(jiān)測孔 每個鉆孔安裝不同深度濾網(wǎng)的多水平監(jiān)測孔 監(jiān)測孔的安裝群井及多水平監(jiān)測孔 每個鉆孔安裝一個具有多個取樣口的監(jiān)測孔 監(jiān)測孔的安裝群井及多水平監(jiān)測孔 每個鉆孔安裝一個具有多個取樣口的監(jiān)測孔帶可膨脹的止水系統(tǒng)的多水平取樣器（Waterloo System）多水平監(jiān)測孔獲得的觀測資料往往精確而全面揭示地下水系統(tǒng)中發(fā)生的過程。丹麥學者Dieke Postma博士提供的一

30、個實例見圖:在水流遲緩條件下，純對流（左）和擴散方式供氧時黃鐵礦的氧化作用。在前一種情況下，飽和以氧氣的地下水流過黃鐵礦層；在后一種情況下，大氣中的氧氣先經(jīng)過包氣帶再到達疏干的黃鐵礦沼澤相沉積物 兩個簡單的水文地質(zhì)剖面。它們之間的唯一區(qū)別是下面的圖中有一低滲透性層存在。位于污染場地下游方向的井所揭露的情況是不相同的。這就表明在可能的流動路徑上布置采樣點需要正確的水文地質(zhì)概念來指導。根據(jù)探地雷達資料估算導水系數(shù)試驗結(jié)果 受控條件下，污染物滲濾過程的電阻抗成像圖 用來測定地下水化學指標的快速的現(xiàn)場分析方法化學指標方法檢測限（精度）備注pH電極法0.1 pH單位推薦方法溶解氧電極或化學滴定法0.50

31、.1mg/L推薦方法Eh電極法定性對氧化還原敏感組分電導率電極法（10%）推薦方法總有機氣體（TOV）總有機氣體分析儀1mg/L（20%）可用不同的分析儀揮發(fā)性有機物（VOCs）頂空GC0.1-10ug/L（10%）使用便攜GC特定揮發(fā)性有機物和其他有機物野外GC和室內(nèi)GC/MS0.1-10ug/L（10%）需要野外實驗室氯、溴特定離子電極1mg/L（20%）有其他物質(zhì)干擾選定的農(nóng)藥免疫矩陣法0.01ug/L（20%）新技術(shù)，迅速發(fā)展主要無機離子（不包括微量元素）比色法工具箱與實驗室分析一樣，但精度更差干擾嚴重，比氯化物的還大等離子光質(zhì)譜儀（ICP-MS）色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀顯微激光拉曼光譜儀 液

32、相色譜儀氣相色譜儀離子色譜儀2 地下水脆弱性評價方法及案例研究831968年Margat首次提出“地下水脆弱性”這一術(shù)語，但在其后的二十幾年間，有關(guān)“地下水脆弱性概念的定義問題基本上處于眾說紛紜的狀態(tài)，許多學者和有關(guān)研究部門對地下水脆弱性的概念從不同的角度給予了不同的定義概念的歷史演變概要1987年以前，有關(guān)地下水脆弱性的概念多是從地下水系統(tǒng)本身的內(nèi)部要素(如地下水位埋深、地下水的平均流速、表層沉積物的滲透性等)來定義的。Verhuff將地下水脆弱性理解為地下水抵御人為污染的能力，即“防污性能(Defense capacity to contamination)”；在1987年的“土壤與地下水

33、脆弱性國際會議上,“地下水脆弱性”的定義方式有了新的突破，不少學者在考慮上述因素的同時，還考慮到了人類活動和污染源等外部因素對地下水脆弱性的影響。美國NRC的定義（1993）是：污染物由地表到達地下水系統(tǒng)某一特定位置的趨向和可能性，即把脆弱性理解成污染潛勢(Contamination potential)；美國環(huán)保署(USEPA)和國際水文地質(zhì)協(xié)會(IAH) 將脆弱性分為固有(天然)脆弱性（Intrinsic Vulnerability）和特殊(綜合)脆弱性(Specific Vulnerability)兩類。固有脆弱性是指在天然狀態(tài)下含水層對污染所表現(xiàn)的內(nèi)部固有的敏感性。它不考慮污染源或污染

34、物的性質(zhì)和類型，是靜態(tài)、不可變和人為不可控制的。特殊脆弱性是對特定的污染物或人類活動所表現(xiàn)的敏感屬性。它與污染源和人類活動有關(guān)，是動態(tài)、可變和人為可控制的。國內(nèi)關(guān)于地下水脆弱性的研究開始于90年代中期。目前，國內(nèi)多是研究地下水的本質(zhì)脆弱性，其定義多引用外文資料，在叫法上常以“地下水的易污染性”、“污染潛力”、“防污性能”、“污染敏感性”等來代替“地下水脆弱性”。綜上所述，目前國際上尚沒有一個明確而統(tǒng)一的地下水脆弱性的定義。但就國內(nèi)外總的研究情況尤其是國外學術(shù)界普遍認同的情況來看，“地下水脆弱性”主要是針對地下水水質(zhì)的，而且傾向于將地下水脆弱性分為固有(天然)脆弱性和特殊(綜合)脆弱性兩類。脆弱

35、性評價方法的核心問題是建立評價模型，其基礎(chǔ)是確定評價指標體系。評價指標體系 影響地下水脆弱性的各種潛在因素很多，概括起來可分為自然因素和人為因素兩類。因此，指標體系包括自然因素指標和人為因素指標。自然因素指標指含水層的地形、地貌、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，以及與污染物運移有關(guān)的自然因子。人為因素指標主要指可能引起地下水環(huán)境污染的各種行為因子。脆弱性評價指標體系如下圖所示。四種脆弱性評價方法對比表方法迭置指數(shù)法（scientifically based)過程數(shù)學模擬法(scientifically based)統(tǒng)計方法模糊數(shù)學方法性質(zhì)固有脆弱性或固有和特殊脆弱性的聯(lián)合特殊脆弱性特殊脆弱性固有脆弱性對象

36、多數(shù)潛水,少數(shù)淺層承壓水土壤、包氣帶潛水潛水范圍小比例尺(大范圍)大比例尺(小范圍)小比例尺(大范圍)小比例尺(大范圍)結(jié)果定性、半定量或定量定量定量定量 指標疊加法 GOD法（Foster，1987）、DRASTIC法（Aller等1987）、AVI評分系統(tǒng)（Van Stempvoort等，1993）、SEEPAGE法、SINTACS法、ISIS法（Gogu R.C. 和 Dassargues A., 2000）、EPIK法（Doerfliger等1997， 1999）、DIVERSITY法 特點：屬于“內(nèi)在脆弱性評價” ，評價結(jié)果指示含水系統(tǒng)的總體防污性能 。不足：不能用于特定污染物對地下

37、水的脆弱性評價 現(xiàn)有模型的特點與不足現(xiàn)有模型的特點與不足模型模擬法（包括AF、LPI 以及RI ） 特點：考慮了溶質(zhì)對流、吸附-解吸及降解等過程對溶質(zhì)阻滯或遷移的影響，以降解性或放射衰減性溶質(zhì)（主要為農(nóng)藥）為研究對象； 不足：不能用來評價包氣帶對非降解性污染物的脆弱性我們提出的新的地下水脆弱性評價模型: DRAMIC模型（克服不能評價污染物影響之不足） DRAMIC模型 我們通過系統(tǒng)查明武漢市區(qū)地下水污染現(xiàn)狀，分析地下水污染的形成機制與發(fā)展趨勢，提出了城市地區(qū)地下水脆弱性評價的DRAMIC模型。該模型是針對國際流行的DRASTIC模型的不足加以改進得出的。DRAMIC地下水脆弱性指標由下式確定

38、：DRAMIC=5D + 3R + 4A + 2M + 5I + 1C式中各參數(shù)的含義為：D地下水埋深，R含水層的凈補給，A含水層巖性，M含水層厚度，I包氣帶的影響，C污染物的影響。DRASTIC與DRAMIC指標對比 DRAMIC脆弱性評價指標 地下水埋深（D Depth to the watertable） 地下水埋深決定著污染物到達含水層之前所經(jīng)過的距離及與周圍介質(zhì)接觸的時間。通常，地下水埋深越大，污染物到達含水層所需時間越長，則污染物稀釋機會越多，這同樣適用于承壓含水層。 DRAMIC脆弱性評價指標 凈補給（R Net Recharge） 凈補給指單位面積內(nèi)滲入地表并達到含水層的總水量

39、，而且這里凈補給量指年均補給量。污染物通過補給水垂直傳輸?shù)胶畬硬⒃诤畬觾?nèi)水平運移，因此，補給水是污染物運移到含水層的主要工具。補給量越大，地下水污染的潛勢越大。但當補給量足夠大時，就會稀釋污染物，因此，地下水污染的潛勢不再增大而減小。凈補給量主要來源于降雨量，可根據(jù)水均衡方程，用降雨量減去地表徑流量和蒸發(fā)量來估計補給量。 DRAMIC脆弱性評價指標 含水層巖性（A Aquifer material） 污染物的運移路線及運移路徑的長度由含水層介質(zhì)控制，從而又影響著污染物的稀釋、吸附、降解程度。一般而言，含水層介質(zhì)的顆粒尺寸越大或裂隙和溶洞越大，滲透性越強，含水層的脆弱性越高。 DRAMIC脆

40、弱性評價指標 含水層厚度（M Thickness of Aquifer） 含水層脆弱性顯然受含水層的水量大小影響。含水層厚度決定了地下水資源量的多少，從而反映了地下水稀釋能力的強弱。因此，在很大程度上決定了地下水脆弱性大小。水量豐富的含水層其脆弱性相對較低。 DRAMIC脆弱性評價指標 包氣帶介質(zhì)的影響（I Impact of the vadose zone ） 包氣帶介質(zhì)的類型決定了滲流路徑的長度和路線，污染物在遷移過程的稀釋、吸附、降解以及物理化學反應(yīng)等。當對承壓含水層進行評分時，應(yīng)選承壓層為包氣帶，其賦值應(yīng)永遠為1，因為承壓層對脆弱性的影響最大。而對非承壓含水層，則應(yīng)選擇對脆弱性有顯著影

41、響的介質(zhì)層。當有多層介質(zhì)時，則應(yīng)考慮各層介質(zhì)的相對厚度以及各層介質(zhì)對脆弱性的影響大小。如當含水層上覆蓋一層粘土和一層等厚度或厚度較大的砂礫層時，應(yīng)選粘土作為包氣帶介質(zhì)，因為它限制著污染物向含水層遷移，對脆弱性的影響最大。 DRAMIC脆弱性評價指標 污染物特征（C influence of Contaminant） 毫無疑問，同一含水層對不同污染物的脆弱性不同。污染物種類、與含水層的距離、污染物的排放強度、方式等對含水層的脆弱性影響很大，而污染物的物理化學性質(zhì)則決定了其在遷移過程中發(fā)生的對流、吸附、降解的難易程度和彌散程度。在這里污染物穩(wěn)定與否是相對的，主要是指在天然條件下是否容易發(fā)生化學反應(yīng)

42、，主要取決于污染物本身的物理化學特征。比如鈣、鎂比砷、氨氮穩(wěn)定，而一般而言，有機物發(fā)生的反應(yīng)要比其它多數(shù)化學反應(yīng)要慢得多，也比一般無機物的溶解性要小得多，因此總體上有機物要比無機物要相對穩(wěn)定。地下水埋深D凈補給(R)含水層介質(zhì)(A)范圍(m)評 分范圍(mm)評分類別評分典型評分0.0-2.5100-401塊狀頁巖1-322.5-5.5940-802變質(zhì)巖/火成巖2-535.5-10.0780-1253風化變質(zhì)巖/火成巖3-5410.0-17.05125-1754冰磧層4-6517.0-24.03175-2306層狀砂巖、灰?guī)r及頁巖序列5-9624.0-33.02230-2807塊狀砂巖4-9

43、633.01280-3508塊狀灰?guī)r4-96砂礫層4-983509玄武巖2-109巖溶灰?guī)r9-1010含水層厚度(M)包氣帶介質(zhì) (I)污染物特征 (C)厚度(m)評 分類別評分典型評分污染物特征評分0-69承壓層11污染物穩(wěn)定，易滲入含水層96-157粉砂/粘土2-63污染物穩(wěn)定，較易滲入含水層715-255頁巖2-53污染物穩(wěn)定，不易滲入含水層525-324灰?guī)r2-76污染物較穩(wěn)定，易滲入含水層532-403砂巖4-86污染物較穩(wěn)定，較易滲入含水層440-502層狀灰?guī)r，砂巖，頁巖4-86污染物較穩(wěn)定，不易滲入含水層3501含較多粉砂和粘土的砂礫4-86污染物不穩(wěn)定，易滲入含水層3變質(zhì)巖/

44、火成巖2-84砂礫6-98污染物不穩(wěn)定，較易滲入含水層2玄武巖2-109巖溶灰?guī)r8-1010污染物不穩(wěn)定，不易滲入含水層1應(yīng)用實例武漢市地下水脆弱性分區(qū) 根據(jù)武漢市水文地質(zhì)特性、含水層的富水性和開采情況，我們選取武漢市市區(qū)第四系含水層，用DRAMIC體系進行評價。采用地理信息系統(tǒng)MAPGIS表達并編制了與DRAMIC參數(shù)有關(guān)的6項水文地質(zhì)圖件，在此基礎(chǔ)上對研究區(qū)域的6項DRAMIC參數(shù)進行了評分，并用MAPGIS繪制了6項參數(shù)評分圖以及地下水DRAMIC脆弱性分區(qū)圖。第四系地下水埋深評分圖第四系地下水凈補給評分圖第四系地下水含水層巖性評分圖第四系地下水含水層厚度評分圖第四系地下水包氣帶介質(zhì)評分

45、圖第四系地下水污染物特征評分圖武漢市地下水脆弱性分區(qū)圖一旦確定了DRAMIC敏感性得分，就可確定哪些區(qū)域的地下水相對易被污染。具有較高敏感性得分的區(qū)域，其地下水就易被污染。根據(jù)DRAMIC指標評價結(jié)果，武漢市第四系承壓水的污染敏感性評分介于57至95，沿江地帶、漢口主城區(qū)、武鋼東部的敏感性相對較高。與德國學者合作，我們調(diào)查了武漢市地下水微量有機污染物的分布情況。把武漢市第四系地下水污染敏感性分區(qū)圖與區(qū)內(nèi)地下水微量有機污染物特別是苯系物含量分布進行對比，發(fā)現(xiàn)污染物含量明顯受地下水污染敏感性的影響和控制。 第四系地下水中苯和乙苯濃度變化曲線圖 第四系地下水甲苯濃度變化曲線圖3 地下水環(huán)境修復技術(shù)立

46、法的作用地下水環(huán)境修復技術(shù)是近10年來環(huán)境工程和水文地質(zhì)研究發(fā)展最為迅猛的領(lǐng)域之一。這很大程度上首先要歸功于有關(guān)國家的。以美國為例：1980年，在Love Canal事件的壓力驅(qū)動下，美國國會首次把地下水凈化列為國家最優(yōu)先問題，通過了綜合環(huán)境響應(yīng)，賠償和責任法案（Comprehensive Environment Response, Compensation,and Liability Act，簡稱CERCLA），即一般所謂超級基金（Superfund）法案。CERCLA確定16億美元基金（后來增至150億美元），即超級基金，用于支付凈化廢棄的有害廢物場地。立法的作用1984年，國會通過了修訂

47、資源保護與恢復法案（Resource Conservation and Recovery Act，簡稱RCRA），拓展了全國地下水凈化計劃。該法案要求，對正在使用中的處理、存儲和處置有害廢物的設(shè)置所引起的污染加以凈化。要想繼續(xù)接受廢物，使用中的RCRA場地操作者必須同意凈化現(xiàn)有的污染，RCRA也涉及凈化因含有石油制品和其它有機液體的地下儲藏罐泄露引起的污染。CERCLA和RCRA修正案通過后，美國各州都相繼通過了要求凈化污染地下水的法律。CERCLA和RCRA強烈影響了州的法律，有些州的法比聯(lián)邦版本用的還要嚴格。專利和論文從美國1976-1996年與地下水和土壤污染修復技術(shù)有關(guān)的專利增長情況不

48、難看出，自1991年后，出現(xiàn)了高速增長。歐美國家近10年來的水文地質(zhì)研發(fā)經(jīng)費的重點投向了地下水污染與環(huán)境修復技術(shù)研究。近10年來在Ground Water, Water Resources Research, Environmental Science and Technology, Applied Geochemistry, Water Research，Journal of Contaminant Hydrology, Science of the Total Environment, Journal of Hydrology, Chemosphere等西方水文地質(zhì)、環(huán)境科學與工程類主流學

49、術(shù)刊物上發(fā)表的與地下水有關(guān)的論文多與地下水污染有關(guān)。相比之下，我國同類研究十分薄弱。修復不同污染介質(zhì)的技術(shù)類型范圍固定/固化和保留技術(shù)生物和化學反應(yīng)技術(shù)分離、活化和提取技術(shù)非飽和帶土壤深度混合挖掘泥漿墻板樁墻薄泥漿墻生物通氣SVE熱增強SVE表面活性劑或共溶劑土壤沖洗（電動學系統(tǒng)）飽和帶挖掘（聚合物墻）泥漿墻板樁墻薄泥漿墻利用增強吸附的被動-反應(yīng)屏障 工程化原位生物修復;自然生物修復;生物噴氣（化學氧化/還原）;被動-反應(yīng)屏障利用鐵反應(yīng)；利用有機或微生物反應(yīng)（增強吸附、添加營養(yǎng)物質(zhì)）抽取-處理系統(tǒng)噴射：空氣和蒸汽（電動學系統(tǒng)）兩相回收（表面活性劑或共溶劑土壤沖洗）飽和帶中高濃度污染的補給區(qū)抽取

50、-處理系統(tǒng)（聚合物墻）泥漿墻板樁墻薄泥漿墻生物通氣生物噴氣（化學氧化/還原）工程化原位生物修復自然生物修復NAPL回收兩相回收（表面活性劑或共溶劑土壤沖洗）噴射：空氣和蒸汽水力學方法作為地下水環(huán)境修復的傳統(tǒng)技術(shù)，水力學方法包括抽注地下水、排出地下水、設(shè)置低水力傳導系數(shù)的屏障。抽出-處理法是應(yīng)用最廣的。該方法基于理論上非常簡單的概念：如果從受污染場地抽出被污染的水，用潔凈的水置換；并對抽出的水加以處理，污染物最終可以被去除。 一個經(jīng)典的抽出-處理系統(tǒng) 水力學方法的不足當前與水力學方法有關(guān)的材料、技術(shù)和工藝流程并不能使污染物從地下環(huán)境中完全的永久的分離。應(yīng)該指出的是，水力學方法不影響污染物的物理化

51、學特性。隨著受污染場地中污染消除工作的進行，人們發(fā)現(xiàn)，雖然投入了上億美元，但常規(guī)修復技術(shù)已經(jīng)越來越不能滿足要求，當?shù)叵滤獾轿廴緯r，常規(guī)修復技術(shù)的不足愈加突出。例如，1994年的一份美國國家調(diào)查委員會(NRC)關(guān)于常規(guī)地下水污染去除系統(tǒng)的調(diào)查顯示，77個受污染場地中只有8個達到了地下水污染去除的目標，其中應(yīng)用原地治理技術(shù)的34個場地完全沒有可能達到污染去除目標。水力學方法的不足 由于多種原因，抽水-治理系統(tǒng)中的沖洗過程限制了效率，尤其是去除地下水位以下的溶解性不強的污染物。干擾修復效果的主要污染物和含水介質(zhì)的性質(zhì)如下：污染物與水的不混溶性：許多污染物極難從地下沖洗出來是因為它們在水中的溶解度相

52、當?shù)汀Ｎ廴疚飻U散進入水流動性有限的微孔和區(qū)域：污染物通過擴散進入水流動性有限的微孔和區(qū)域以后，由于這些它們的尺寸很小且不易接近，沖洗十分困難。含水介質(zhì)對污染物的吸附：解吸的速度慢，因此將吸附在地下土壤上的污染物沖洗下來是一個相當慢的過程。含水介質(zhì)的不均一性：由于含水介質(zhì)的的差異，使得對污染物和水運動的路徑的預測方法不能很準確。而污染物和水運動的路徑對沖洗污染物很重要。提高有機污染物的生物降解有機物對地下水水質(zhì)威脅最大，這是已經(jīng)被普遍接受的觀點。在過去的10到15年里，圍繞應(yīng)用生物化學技術(shù)來修復被這些物質(zhì)污染的地下水開展了大量的工作。Kao和Bordon(1992)進行了土柱實驗，用雙層反應(yīng)性滲

53、透墻來去除地下水中的BTEX。墻上端水流經(jīng)過的部分由充滿營養(yǎng)物質(zhì)（N和P）的混凝土泥磚組成，下面是一層泥炭。當被污染的水流經(jīng)泥磚時，營養(yǎng)物質(zhì)被釋放，引發(fā)脫氮作用來降解BTEX。泥炭被作為介質(zhì)來吸附流經(jīng)泥磚層的低濃度BTEX。柱實驗進行了55天，并設(shè)計為模擬原位墻。結(jié)果發(fā)現(xiàn)對甲苯和乙苯的降解速率快，而對二甲苯異構(gòu)體的降解速率稍低，苯少量降解甚至沒有降解。有機污染物的非生物降解有機污染物的生物降解方法需要維持細菌群落的存在，是件十分困難的事情。因此，近年來越來越多的研究轉(zhuǎn)向使用非生物降解過程。當缺少光照時，天然的非生物降解過程進行得很慢，常常不足以使其去除有機污染物。幸運的是，加拿大Robert

54、Gillham教授的課題組近年來的杰出貢獻，使得利用零價金屬來提高鹵化的有機污染物的非生物降解速率成為現(xiàn)實。反應(yīng)性滲透墻(滲透性反應(yīng)屏障)技術(shù)加拿大學者R. W. Gillham等提出了地下水污染治理的新技術(shù)：利用零價鐵的滲透性反應(yīng)屏障技術(shù)反應(yīng)性滲透墻是一種原地處理技術(shù)Characteristics of Chlorinated SolventsImmiscible with waterDensities greater than water (1.2 - 1.8 g/cm3)Relatively recalcitrant in subsurfaceUsed by a wide range o

55、f industriesHigh rates of production (millions tons/yr)Soluble in water from few ug/L to thousands of mg/LLow drinking water limits (commonly 5 ug/L)DNAPL Contaminant PlumeSpillContaminant PlumeWater TableSand AquiferDry CleanerDNAPLClay AquitardIn the US:300,000 to 400,000 hazardous waste sites$750

56、 Billion over 30 yearsWorld Wide: ?Pump-and-TreatAir StrippingG.A.C.U.V. Oxidationetc.Two Decades of Pump-and-Treat:Much longer times than expected!Much higher cost than expected!Reasons:Geologic heterogeneityPoor definition of initial conditionsDesorptionSource zone DNAPLVOC Degradation Using Granular Iron PRBsA Decade of