地下水污染与防治ppt课件.ppt

地下水污染与防治,王焰新中国地质大学,Outline,Introduction: the importance of GW contamination studiesBasic concepts of GW contaminationSome advances in GW contamination studies,Introduction,水是影响人口增长和分布、经济发展、社会和政治组织以及生活质量的决定性因素。它也是引发战争和促进和平的原因。由于水资源问题在即将到来的几十年里不可能缓和，有关河流和水利用、区域水资源、水环境研究的重要性，日见显著。(图片：从圣洁的香溪河到浑浊的武钢长江水源）,在发展中国家，特别是在城市地区，水质普遍变差。发达国家的经验证明，水质的下降得到抑制甚至逆转的过程是缓慢的，而且花费高。美国1972年清洁水法令的推行导致点源污染的地表水水质得到明显改善。为了改善水质而作出的进一步努力将要求减少来自非点源的污染。在大多数情况下，非点源污染很难处理和识别。,19892000年汉江水质状况统计,19892000年最差水质因子统计,主要污染物,武汉市汉江各断面高锰酸盐指数变化趋势图,水环境中的有害物质是一个具有重要意义的问题。特别是因为陈旧的存储场地开始受到损坏,在今后20年，对有害化学废物和放射性废物的产生和储存将会受到越来越多的关注， 对现有场地废物在地表和地下的运动进行模拟和监测，具有特殊重要的意义。在污染对人类健康构成威胁的情况下，开展这种模拟是极其重要的。,1991年，美国推出了NAWQA（National Water Quality Assessment Program,USGS(美国地质调查局)的科学家们对全国50多个河流盆地和含水层开展了资料收集和分析。该项计划的目标是建立可支持管理和决策的有关河流、地下水和水生生态系统的长期连续和可比较的信息系统。NAWQA应当能回答以下问题：1美国的河流和地下水现状如何?2这些河流和地下水状态随时间是如何变化的?3自然特征和人类活动是如何影响这些河流和地下水状态的? NAWQA是如何回答这些问题的呢？,在地下水研究领域，国际水文地质界（尤其是美国）自二十世纪八十年代以来，把研究的重点从地下水水资源评价与管理转移到地下水污染治理上来,美国已经把受污染场地中土壤和地下水污染的去除作为优先考虑的问题，并计划在未来几十年修复3040万个场地。费用估计达500010000亿美元（National Research Council,1994）。污染物质泄漏或作为污染物的处置场均可能导致土地和地下水的污染。美国管理与预算委员会估计，未来75年中，修复属于国防部、能源部、内政部、农业部及国家宇航局的受污染场地就需要23403890亿美元（Federal Facilities Policy Group, 1995）。仅1996年美国在污染场地修复上的花费达90亿美元。,地下水环境修复：专利和论文,从美国1976-1996年与地下水和土壤污染修复技术有关的专利增长情况不难看出，自1991年后，出现了高速增长。欧美国家近10年来的水文地质研发经费的重点投向了地下水污染与环境修复技术研究。近10年来在Ground Water, Water Resources Research, Environmental Science and Technology, Applied Geochemistry, Water Research，Journal of Contaminant Hydrology等西方水文地质、环境科学与工程类主流学术刊物上发表的与地下水有关的论文多与地下水污染有关。相比之下，我国同类研究十分薄弱。,我国是一个缺水国家，巨大的人口压力加剧了水资源短缺的严峻形势。在我国许多地区，天然水质恶劣，如原生高氟水和高砷水的分布范围之广、危害之大实属罕见。 近几十年来，人类活动造成了大面积的地下水污染，已经在我国地下水中检测出各种有机污染物、重金属污染物、氮、硫、磷污染物，使得我国“水质型”缺水形势日益严峻。,山西大同盆地浅层地下水As (10 3mg/L),砷中毒,砷可对人体的呼吸道、胃、肠、肺、肝、骨骼、皮肤均有不同程度的损伤。砷可使人体正常分泌的酶失去活性，使细胞正常代谢发主障碍而导致细胞死亡，并可导致末稍神经炎、皮肤癌、肺癌。砷进入血液循环后直接作用于毛细血管壁，使其通透性增强，麻痹毛细血管，造成组织营养障碍，产生急性和慢性中毒。,Masud Karim(2000)对孟加拉国水砷中毒患者调查后发现，最常见的是黑皮病(93.5%)，角化症(68.3%)，角化过度(眼角膜细胞增多)(37.6%)和 leuco-melanosis (39.1%)。癌症患者 0.8%，光化角膜炎和波纹氏病3.1%。,孟加拉国水砷中毒患者（引自Md. Masud Karim，2000),砷中毒引起的皮肤癌（波纹氏病）,图1 全球范围内主要高砷地下水以及采矿和地热引起的水和环境问题分布（Smedley, 2002）,蓝色代表湖泊,全球20多个国家存在地下水砷异常导致砷中毒的国家中，比较严重的是分布于亚洲的三个国家（图2），按顺序依次为 孟加拉国、西孟加拉邦（WB，印度）和中国。局部地下水砷异常的国家越来越多，每年，都有来自亚洲国家的关于水砷污染的报道（图3）。由于砷不是实验室水质常规分析的元素，所以，漏掉了很多高砷水。饮水标准中砷含量的修订，导致许多国家的水质需要重新评价。,（1）波兰；（2）安大略湖，加拿大；（3）新西兰；（4）西班牙；（5）匈牙利；（6）美国俄勒冈州西部；（7）科尔多瓦，阿根廷；（8）Lagunera，墨西哥；（9）台湾；（10）Antofagasta，智利；（11）Lassen County，美国中部；（12） 斯里兰卡；（13）新斯科舍省，加拿大；（14）菲尔班克斯，阿拉斯加州（美国州名）；（15）Millard County，犹他州；（16）Fallon, 内华达州（美国西部内陆州）；（17）内蒙古，中国；（18）新疆 Utghur，中国；（19）孟加拉国；（20）西孟加拉邦，印度。,图2 全球有文献记录的地下水砷污染地区（引自D. Chakraborti, 2002）,图3. 亚洲高砷地下水影响地区（引自D. Chakraborti et al., 2002）,（1）新疆；（2）吉林；（3）辽宁；（4）内蒙古；（5）宁夏；（6）山西； （7）Jhelum, 巴基斯坦；（8）Gujrat, 巴基斯坦；（9）孟加拉国；（10）尼泊尔；（11） 贵州，中国；（12）台湾，中国；（13）河内, 越南；（14）缅甸；（15）老挝；（16） 西孟加拉邦，印度（17）柬埔寨；（18）Ronphibun，泰国,全球典型地砷病区,孟加拉国的砷中毒被认为是人类历史上最严重的水安全事件之一，将可能造成孟加拉国国1.3亿贫困人口中10的成年人在未来死亡。饮用地下水砷的浓度最高达3.7 mg/L（Sracek A.，1998）。 Gaus et al. (2003)对孟加拉国3534个饮用水井调查分析后，估计饮水砷0.05 mg/L高砷暴露人口大约为3500万人，饮水砷10g /L 高砷暴露人口高达5700万。,我国饮水型砷中毒分布特征,统计显示：我国地方病多发生在环境保护较差及经济不发达的地区（图4）。全国592个国家扶贫工作重点县中，有576个是地方病流行的重病区（中新社，2004） 。115万地方性砷中毒病区人口需要改水。,图4 我国地方性砷中毒的类型与分布（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，有的人往往把组分浓度高者定为污染物，而根本不去追究其来源；也有的人把所有不利于水的利用的组分统统视为污染组分。这些看法都是片面的。正确的污染物含义应该是：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。,地下水中的重要污染物,地下水污染物种类繁多，按其性质可以分为三类：化学污染物无机污染物、有机污染物 生物污染物放射性污染物,化学污染物,（一）无机污染物地下水中最常见的无机污染物是NO3-、NO2-、NH3、Cl-、SO42-、硬度、F-、CN-、总溶解固体物及微量重金属Cr、Hg、Pb、Cd和类金属As等。其中硬度、总溶解固体物、Cl-（氯化物）、SO42-（硫酸盐）、NO3-（硝酸盐）和NH3等为无直接毒害作用的无机污染物，但达到一定的浓度后，同样会对其可利用价值或对环境、甚至对人类健康造成不同程度的影响或危害。,（二）有机污染物1、易于生物降解的有机污染物,这一类污染物不稳定，多属于碳水化合物、蛋白质、脂肪和油类等自然生成的有机物。它们在微生物的作用下，借助于微生物的新陈代谢功能，可转化为稳定的无机物。如在有氧条件下，由好氧微生物作用转化，多产生CO2和H2O等稳定物质。在无氧条件下，则由厌氧微生物作用，最终转化形成H2O、CH4、CO2等稳定物质，同时放出硫化氢、硫醇等恶臭气体。耗氧有机污染物主要来源于生活污水，以及屠宰、肉类加工、乳品、制革、制糖和食品等以动植物残体为原料加工生产的工业废水。这一类污染物一般都无直接毒害作用，它的主要危害是引起地表水体的富营养化。在地下水中此类污染物浓度一般都比较小，危害性不大。,（二）有机污染物2、难于生物降解的有机污染物,这一类污染物多属于人工合成的有机物质，如有机氯化物、多环芳烃类化合物、苯并（a）芘和有机重金属化合物。它们的性质均比较稳定，不易为微生物所分解，故称之为难降解的有机污染物。这些物质大多数具有较强的毒性，甚至具有致癌、致畸、致突变的作用，对人体健康构成严重威胁。美国环保局（EPA）提出了水体中129种优先控制污染物名单，俗称黑名单，其中114种为有机污染物。我国也制定了适合中国国情的“水中优先控制污染物黑名单”，包括14类68种有毒化学污染物，其中有机毒物占58种。这58种有机有毒污染物包括（括号内符号表示对人体健康影响范围：O表示对器官有影响；T表示毒理影响；C表示在危险水平的10-5就有致毒危险）：,挥发性氯代烃：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)、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯。(3)氯代苯类：氯苯(TC)、邻二氯苯(乃)、对二氯苯(T)、六氯苯(C)。(4)多氯联苯：多氯联苯(C)。(5)酚类：苯酚(C/T)、间甲酚(O)、2，4二氯酚(C/T)、 2，4，6三氯酚(C O)、五氯酚(CO)、对硝基酚。 (6)硝基苯类：硝基苯(TO)、对硝基苯、2，4一二硝基苯(C)、三硝基苯。 (7)苯胺类：苯胺、二硝基苯胺、对硝基苯胺、6一二氯硝基苯胺。 (8)多环芳烃类：萘、萤蒽(T)、苯并(b)萤蒽、苯并(k) 萤蒽、苯并(a)芘 (C)、茚并(1，2，3，c，d)芘(C)、苯并(ghi)芘(C)。（9）酞酸酯类：酞酸二甲酯、酞酸二丁酯、酞酸二辛酯。 (10)农药：六六六(C)、敌敌畏(T)、乐果(T)、对硫磷(T)、甲基对硫磷 (T)、 除草醚(T)、敌百虫(T)。（11）丙烯腈：苯烯腈(C)。（12）亚硝胺类：N亚硝基二乙胺、N一亚硝基二正丙胺。,这些水中优先控制污染物具有下列一些共性：(1)都具有毒性，与人体健康关系非常密切，在环境中具有长效性，对环境的影响和人体健康的危害大多具有不可逆性。(2)有机氯占主体，58个优先控制的有机物中有机氯化物占25个，它们往往难以生物降解。(3)在水体中含量较低，一般是g/L数量级甚至ng/L数量级。,(二)生物污染物,细菌：地下水中曾发现并引起水媒病传染的致病菌有：霍乱弧菌（霍乱病）、伤寒沙门氏菌（伤寒病）、志贺氏菌、沙门氏菌、肠道产毒大肠杆菌、胎儿弧菌、小结肠炎耶氏菌等，后五种病菌都会引起不同特征的肠胃病。病毒：在地下水中曾发现的病毒主要是肠道病毒，如脊髓灰质炎病毒、人肠道弧儿病毒、甲型柯萨奇病毒、新肠道病毒、甲型肝炎病毒、胃肠病毒、呼吸道肠道病毒、腺病毒等，而且每种病毒又有多种类型，对人体健康危害较大 寄生虫包括原生动物、蠕虫及真菌。在寄生虫中值得注意的有：梨型鞭毛虫、痢疾阿米巴和人蛔虫,(四）放射性污染物,饮用水最大允许浓度。,地下水污染的特点与途径,1隐蔽性 即使地下水已受某些组分严重污染，但它往往还是无色、无味的，不易从颜色、气味、鱼类死亡等鉴别出来。即使人类饮用了受有毒或有害组分污染的地下水，对人体的影响也只是慢性的长期效应，不易觉察2难以逆转性 地下水一旦受到污染，就很难治理和恢复。主要是因为其流速极其缓慢，切断污染源后仅靠含水层本身的自然净化，所需时间长达数十年、甚至上百年。另一个原因是某些污染物被介质和有机质吸附之后，会发生解吸再吸附的反复交替。,二、地下水污染途径,是指污染物从污染源进入到地下水中所经过的路径 。研究地下水的污染途径有助于制定正确的防治地下水污染的措施。地下水污染途径复杂多样，以污染源的种类分为：污水渠道和污水坑的渗漏、固体废物堆的淋滤、化学液体的溢渗、农业活动的污染以及采矿活动的污染等等，这显得过于烦杂。 按照水力学上的特点可分为四类：间歇入渗型；连续入渗型；越流型；和径流型。,三、地下水系统的组成特征,地下水是指赋存于地面以下岩石空隙中的水。地下水系统是由两个要素组成：一是具有空隙的岩石；二是赋存于岩石空隙中的水。,1、岩石中的空隙,岩石中的空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分布和运动具有重要影响。按岩石空隙的形态可分为三类：松散岩石中的孔隙；坚硬岩石中的裂隙；可溶岩石中的溶隙。,2、地下水系统的结构特征,岩层按其透水性不同，可分为透水层与不透水层。饱含水的透水层称为含水层。不透水层通常称为隔水层。透水层与不透水层在概念上具有相对性。严格地讲，自然界中不存在绝对不透水的岩层，只不过某些岩层的透水性极小，以至其透过的水量微不足道而已。现在人们已经认识到，岩层透水与否取决于时间尺度、发生渗透的过水断面的大小和驱动水流动的水力梯度的大小。构成地下水系统的含水层与隔水层的分布和组合关系复杂，这决定了地下水的运动形式及水质和水量变化特征。,水文地质学根据含水岩层在地质剖面中所处的部位及隔水层（非透水层）限制的情况，将地下水分为包气带水、潜水和承压水（见图）。,四、 污染物在地下水系统中迁移过程,水动力弥散作用 在多孔介质中,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。,弥散现象,造成弥散现象的原因,造成弥散现象的原因可归结于水在介质中流动，介质孔隙系统的复杂微观形状、溶质浓度梯度引起的分子扩散、水性质的改变(如粘度、密度等)对速度分布(流速场)的影响；水中溶质与固相颗粒间的相互作用一吸附、沉淀、降解、离子交换、生物化学等过程。,污染物在地下水系统中运移的其它过程,吸附一解吸离子交换沉淀溶解氧化还原生物反应,4、 污染物在地下水系统中迁移的基本方程,描述溶质在地下水中运移的数学模型可以分为三类：确定性模型、随机模型和“黑箱”模型。它们是与近代描述地下水运动的数学模型相对应的，但溶质的运移要比地下水的运动更为复杂。本节主要讨论溶质运移的确定性模型。 考虑到溶质在运移过程中的对流作用和水动力弥散作用，再结合质量守恒定律，采用空间平均的方法我们就可以导出所谓的对流弥散方程，它是描述溶质运移的基本数学模型。,对流弥散方程的推导,在所研究的渗流场中任取一微小的质量均衡体，简称微元体(如图3-7)，dt时间内微元体中溶质质量的变化是由三方面引起的。,(1)水动力弥散作用,水动力弥散作用由机械弥散和分子扩散作用组成。设1为机械弥散通量， 2为分子扩散通量，P为水动力弥散通量，C为渗透场中溶质的浓度，那么： 1=-DngradC 2 =-D0gradCP=1 +2 =-(Dn+D0)gradC=-DgradC (31)式中D=Dn+D0，D为水动力弥散系数，它是各向异性的，为一个二阶张量。,式(31)亦可表示为：,(32)在X方向上由于弥散而引起微元体内溶质质量的变化为X断面流进与X+X断面流出的溶质质量之差 。即n为有效空隙度。 ： （33）,同理，在y和z方向上有：,在t时间内由于弥散，整个微元体中溶质质量的改变量为：,（3-4）,（3-5）,（3-6）,（2）对流作用,令V代表地下水平均实际流速。在x方向上，由于水的平均整体运动而引起的微元体内溶质质量的变化M”x为：同理有： （37）所以对流作用所引起的微元体中溶质质量的变化M为：（38）,(3)吸附作用及其它,假设由于化学反应(如吸附作用等)或其它原因，单位时间单位体积地下水中溶质质量的变化量为W，那么 t时间内微元体中由此而引起的溶质质量的变化量I为： I=WXYZnt (39)假设点（x,y,c）附近t时刻溶质浓度的变化率为 ，则在t时间内，微元体中溶质质量的变化量M为：（3-10）,依质量守恒定律应有： M=I+M+M” (311),将以上各式同时代入(3-11)中即得： （312）假定弥散主方向与坐标轴一致，那么： （313）,将(313)代入(312)中，即得到对流弥散方程(或水动力弥散方程)：,(314),考虑密度变化，不考虑化学作用等因素的情况下，对流弥散方程可以表示为：（3-15）式中：K=Dn，为液体的密度，u为地下水的平均实际流速。上述水动力弥散方程是定量描述溶质在地下水中运移的基本数学模型，它是一个二阶非线性偏微分方程。其求解方法一般可分为解析解、半解析解和数值解法三种。,Some Advances in GW Contamination Studies,地下水污染监测地下水污染脆弱性评价地下水环境修复技术,地下水污染主要分布在城区附近和地表水污染严重的地区,1 地下水污染监测,主要进展（Since 1980s）,定深取样技术现场快速、精确测试和探测技术大型试验场（Stripa, Yucca Mountain, Borden)高精度室内测试技术,群井及多水平监测井,在多数场地调查过程中，你必须测定水头及污染物浓度的垂向分布情况。为了获得这方面的信息，必须在单个钻孔中的不同深度上安装监测井。这时，在单个钻孔中可以使用单个群井，也可使用多水平监测井。可以选择设计方案。选择方案包括：有多个钻孔，每个钻孔安装一个监测井每个钻孔安装不同深度滤网的多水平监测井每个钻孔安装一个具有多个取样口的监测井具有多个止水段的全长滤网监测井,监测孔的安装,点驱动监测孔 标准点驱动监测孔 不锈钢尖端、井管滤网、击入式套管孔径1.53cm，井管滤网20100cm锤击井管滤网和套管到指定深度,监测孔的安装,点驱动监测孔 钻机点驱动监测孔 点驱动尖端、井管滤网、井管套管位于钻井套管之内预定深度上，取出钻井套管用膨润土把井管滤网以上的套管四周封口,监测孔的安装,群井及多水平监测孔 在多数场地调查过程中，必须测定水头及污染物浓度的垂向分布情况。为了获得这方面的信息，必须在的不同深度上安装监测孔。,监测孔的安装,群井及多水平监测孔 每个钻孔安装一个监测孔,监测孔的安装,群井及多水平监测孔 每个钻孔安装不同深度滤网的多水平监测孔,监测孔的安装,群井及多水平监测孔 每个钻孔安装一个具有多个取样口的监测孔,监测孔的安装,群井及多水平监测孔 每个钻孔安装一个具有多个取样口的监测孔带可膨胀的止水系统的多水平取样器（Waterloo System）,多水平监测孔获得的观测资料往往精确而全面揭示地下水系统中发生的过程。丹麦学者Dieke Postma博士提供的一个实例见图:,在水流迟缓条件下，纯对流（左）和扩散方式供氧时黄铁矿的氧化作用。在前一种情况下，饱和以氧气的地下水流过黄铁矿层；在后一种情况下，大气中的氧气先经过包气带再到达疏干的黄铁矿沼泽相沉积物,两个简单的水文地质剖面。它们之间的唯一区别是下面的图中有一低渗透性层存在。位于污染场地下游方向的井所揭露的情况是不相同的。这就表明在可能的流动路径上布置采样点需要正确的水文地质概念来指导。,根据探地雷达资料估算导水系数试验结果,受控条件下，污染物渗滤过程的电阻抗成像图,用来测定地下水化学指标的快速的现场分析方法,等离子光质谱仪（ICP-MS）,色谱-质谱联用仪,显微激光拉曼光谱仪,液相色谱仪,气相色谱仪,离子色谱仪,2 地下水脆弱性评价方法及案例研究,1968年Margat首次提出“地下水脆弱性”这一术语，但在其后的二十几年间，有关“地下水脆弱性概念的定义问题基本上处于众说纷纭的状态，许多学者和有关研究部门对地下水脆弱性的概念从不同的角度给予了不同的定义,概念的历史演变概要,1987年以前，有关地下水脆弱性的概念多是从地下水系统本身的内部要素(如地下水位埋深、地下水的平均流速、表层沉积物的渗透性等)来定义的。Verhuff将地下水脆弱性理解为地下水抵御人为污染的能力，即“防污性能(Defense capacity to contamination)”；,在1987年的“土壤与地下水脆弱性国际会议上,“地下水脆弱性”的定义方式有了新的突破，不少学者在考虑上述因素的同时，还考虑到了人类活动和污染源等外部因素对地下水脆弱性的影响。,美国NRC的定义（1993）是：污染物由地表到达地下水系统某一特定位置的趋向和可能性，即把脆弱性理解成污染潜势(Contamination potential)；,美国环保署(USEPA)和国际水文地质协会(IAH) 将脆弱性分为固有(天然)脆弱性（Intrinsic Vulnerability）和特殊(综合)脆弱性(Specific Vulnerability)两类。固有脆弱性是指在天然状态下含水层对污染所表现的内部固有的敏感性。它不考虑污染源或污染物的性质和类型，是静态、不可变和人为不可控制的。特殊脆弱性是对特定的污染物或人类活动所表现的敏感属性。它与污染源和人类活动有关，是动态、可变和人为可控制的。,国内关于地下水脆弱性的研究开始于90年代中期。目前，国内多是研究地下水的本质脆弱性，其定义多引用外文资料，在叫法上常以“地下水的易污染性”、“污染潜力”、“防污性能”、“污染敏感性”等来代替“地下水脆弱性”。,综上所述，目前国际上尚没有一个明确而统一的地下水脆弱性的定义。但就国内外总的研究情况尤其是国外学术界普遍认同的情况来看，“地下水脆弱性”主要是针对地下水水质的，而且倾向于将地下水脆弱性分为固有(天然)脆弱性和特殊(综合)脆弱性两类。脆弱性评价方法的核心问题是建立评价模型，其基础是确定评价指标体系。,评价指标体系,影响地下水脆弱性的各种潜在因素很多，概括起来可分为自然因素和人为因素两类。因此，指标体系包括自然因素指标和人为因素指标。自然因素指标指含水层的地形、地貌、地质及水文地质条件，以及与污染物运移有关的自然因子。人为因素指标主要指可能引起地下水环境污染的各种行为因子。脆弱性评价指标体系如下图所示。,四种脆弱性评价方法对比表,指标叠加法 GOD法（Foster，1987）、DRASTIC法（Aller等1987）、AVI评分系统（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 特点：属于“内在脆弱性评价” ，评价结果指示含水系统的总体防污性能 。不足：不能用于特定污染物对地下水的脆弱性评价,现有模型的特点与不足,现有模型的特点与不足,模型模拟法（包括AF、LPI 以及RI ） 特点：考虑了溶质对流、吸附-解吸及降解等过程对溶质阻滞或迁移的影响，以降解性或放射衰减性溶质（主要为农药）为研究对象； 不足：不能用来评价包气带对非降解性污染物的脆弱性,我们提出的新的地下水脆弱性评价模型: DRAMIC模型（克服不能评价污染物影响之不足）,DRAMIC模型 我们通过系统查明武汉市区地下水污染现状，分析地下水污染的形成机制与发展趋势，提出了城市地区地下水脆弱性评价的DRAMIC模型。该模型是针对国际流行的DRASTIC模型的不足加以改进得出的。DRAMIC地下水脆弱性指标由下式确定：DRAMIC=5D + 3R + 4A + 2M + 5I + 1C式中各参数的含义为：D地下水埋深，R含水层的净补给，A含水层岩性，M含水层厚度，I包气带的影响，C污染物的影响。,DRASTIC与DRAMIC指标对比,DRAMIC脆弱性评价指标 地下水埋深（D Depth to the watertable） 地下水埋深决定着污染物到达含水层之前所经过的距离及与周围介质接触的时间。通常，地下水埋深越大，污染物到达含水层所需时间越长，则污染物稀释机会越多，这同样适用于承压含水层。,DRAMIC脆弱性评价指标 净补给（R Net Recharge） 净补给指单位面积内渗入地表并达到含水层的总水量，而且这里净补给量指年均补给量。污染物通过补给水垂直传输到含水层并在含水层内水平运移，因此，补给水是污染物运移到含水层的主要工具。补给量越大，地下水污染的潜势越大。但当补给量足够大时，就会稀释污染物，因此，地下水污染的潜势不再增大而减小。净补给量主要来源于降雨量，可根据水均衡方程，用降雨量减去地表径流量和蒸发量来估计补给量。,DRAMIC脆弱性评价指标 含水层岩性（A Aquifer material） 污染物的运移路线及运移路径的长度由含水层介质控制，从而又影响着污染物的稀释、吸附、降解程度。一般而言，含水层介质的颗粒尺寸越大或裂隙和溶洞越大，渗透性越强，含水层的脆弱性越高。,DRAMIC脆弱性评价指标 含水层厚度（M Thickness of Aquifer） 含水层脆弱性显然受含水层的水量大小影响。含水层厚度决定了地下水资源量的多少，从而反映了地下水稀释能力的强弱。因此，在很大程度上决定了地下水脆弱性大小。水量丰富的含水层其脆弱性相对较低。,DRAMIC脆弱性评价指标 包气带介质的影响（I Impact of the vadose zone ） 包气带介质的类型决定了渗流路径的长度和路线，污染物在迁移过程的稀释、吸附、降解以及物理化学反应等。当对承压含水层进行评分时，应选承压层为包气带，其赋值应永远为1，因为承压层对脆弱性的影响最大。而对非承压含水层，则应选择对脆弱性有显著影响的介质层。当有多层介质时，则应考虑各层介质的相对厚度以及各层介质对脆弱性的影响大小。如当含水层上覆盖一层粘土和一层等厚度或厚度较大的砂砾层时，应选粘土作为包气带介质，因为它限制着污染物向含水层迁移，对脆弱性的影响最大。,DRAMIC脆弱性评价指标 污染物特征（C influence of Contaminant） 毫无疑问，同一含水层对不同污染物的脆弱性不同。污染物种类、与含水层的距离、污染物的排放强度、方式等对含水层的脆弱性影响很大，而污染物的物理化学性质则决定了其在迁移过程中发生的对流、吸附、降解的难易程度和弥散程度。在这里污染物稳定与否是相对的，主要是指在天然条件下是否容易发生化学反应，主要取决于污染物本身的物理化学特征。比如钙、镁比砷、氨氮稳定，而一般而言，有机物发生的反应要比其它多数化学反应要慢得多，也比一般无机物的溶解性要小得多，因此总体上有机物要比无机物要相对稳定。,应用实例武汉市地下水脆弱性分区,根据武汉市水文地质特性、含水层的富水性和开采情况，我们选取武汉市市区第四系含水层，用DRAMIC体系进行评价。采用地理信息系统MAPGIS表达并编制了与DRAMIC参数有关的6项水文地质图件，在此基础上对研究区域的6项DRAMIC参数进行了评分，并用MAPGIS绘制了6项参数评分图以及地下水DRAMIC脆弱性分区图。,第四系地下水埋深评分图,第四系地下水净补给评分图,第四系地下水含水层岩性评分图,第四系地下水含水层厚度评分图,第四系地下水包气带介质评分图,第四系地下水污染物特征评分图,武汉市地下水脆弱性分区图,一旦确定了DRAMIC敏感性得分，就可确定哪些区域的地下水相对易被污染。具有较高敏感性得分的区域，其地下水就易被污染。根据DRAMIC指标评价结果，武汉市第四系承压水的污染敏感性评分介于57至95，沿江地带、汉口主城区、武钢东部的敏感性相对较高。与德国学者合作，我们调查了武汉市地下水微量有机污染物的分布情况。把武汉市第四系地下水污染敏感性分区图与区内地下水微量有机污染物特别是苯系物含量分布进行对比，发现污染物含量明显受地下水污染敏感性的影响和控制。,第四系地下水中苯和乙苯浓度变化曲线图,第四系地下水甲苯浓度变化曲线图,3 地下水环境修复技术,立法的作用,地下水环境修复技术是近10年来环境工程和水文地质研究发展最为迅猛的领域之一。这很大程度上首先要归功于有关国家的。以美国为例：1980年，在Love Canal事件的压力驱动下，美国国会首次把地下水净化列为国家最优先问题，通过了综合环境响应，赔偿和责任法案（Comprehensive Environment Response, Compensation,and Liability Act，简称CERCLA），即一般所谓超级基金（Superfund）法案。CERCLA确定16亿美元基金（后来增至150亿美元），即超级基金，用于支付净化废弃的有害废物场地。,立法的作用,1984年，国会通过了修订资源保护与恢复法案（Resource Conservation and Recovery Act，简称RCRA），拓展了全国地下水净化计划。该法案要求，对正在使用中的处理、存储和处置有害废物的设置所引起的污染加以净化。要想继续接受废物，使用中的RCRA场地操作者必须同意净化现有的污染，RCRA也涉及净化因含有石油制品和其它有机液体的地下储藏罐泄露引起的污染。CERCLA和RCRA修正案通过后，美国各州都相继通过了要求净化污染地下水的法律。CERCLA和RCRA强烈影响了州的法律，有些州的法比联邦版本用的还要严格。,专利和论文,从美国1976-1996年与地下水和土壤污染修复技术有关的专利增长情况不难看出，自1991年后，出现了高速增长。欧美国家近10年来的水文地质研发经费的重点投向了地下水污染与环境修复技术研究。近10年来在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等西方水文地质、环境科学与工程类主流学术刊物上发表的与地下水有关的论文多与地下水污染有关。相比之下，我国同类研究十分薄弱。,修复不同污染介质的技术类型,水力学方法,作为地下水环境修复的传统技术，水力学方法包括抽注地下水、排出地下水、设置低水力传导系数的屏障。抽出-处理法是应用最广的。该方法基于理论上非常简单的概念：如果从受污染场地抽出被污染的水，用洁净的水置换；并对抽出的水加以处理，污染物最终可以被去除。,一个经典的抽出-处理系统,水力学方法的不足,当前与水力学方法有关的材料、技术和工艺流程并不能使污染物从地下环境中完全的永久的分离。应该指出的是，水力学方法不影响污染物的物理化学特性。随着受污染场地中污染消除工作的进行，人们发现，虽然投入了上亿美元，但常规修复技术已经越来越不能满足要求，当地下水遭到污染时，常规修复技术的不足愈加突出。例如，1994年的一份美国国家调查委员会(NRC)关于常规地下水污染去除系统的调查显示，77个受污染场地中只有8个达到了地下水污染去除的目标，其中应用原地治理技术的34个场地完全没有可能达到污染去除目标。,水力学方法的不足,由于多种原因，抽水-治理系统中的冲洗过程限制了效率，尤其是去除地下水位以下的溶解性不强的污染物。干扰修复效果的主要污染物和含水介质的性质如下：污染物与水的不混溶性：许多污染物极难从地下冲洗出来是因为它们在水中的溶解度相当低。污染物扩散进入水流动性有限的微孔和区域：污染物通过扩散进入水流动性有限的微孔和区域以后，由于这些它们的尺寸很小且不易接近，冲洗十分困难。含水介质对污染物的吸附：解吸的速度慢，因此将吸附在地下土壤上的污染物冲洗下来是一个相当慢的过程。含水介质的不均一性：由于含水介质的的差异，使得对污染物和水运动的路径的预测方法不能很准确。而污染物和水运动的路径对冲洗污染物很重要。,提高有机污染物的生物降解,有机物对地下水水质威胁最大，这是已经被普遍接受的观点。在过去的10到15年里，围绕应用生物化学技术来修复被这些物质污染的地下水开展了大量的工作。Kao和Bordon(1992)进行了土柱实验，用双层反应性渗透墙来去除地下水中的BTEX。墙上端水流经过的部分由充满营养物质（N和P）的混凝土泥砖组成，下面是一层泥炭。当被污染的水流经泥砖时，营养物质被释放，引发脱氮作用来降解BTEX。泥炭被作为介质来吸附流经泥砖层的低浓度BTEX。柱实验进行了55天，并设计为模拟原位墙。结果发现对甲苯和乙苯的降解速率快，而对二甲苯异构体的降解速率稍低，苯少量降解甚至没有降解。,有机污染物的非生物降解,有机污染物的生物降解方法需要维持细菌群落的存在，是件十分困难的事情。因此，近年来越来越多的研究转向使用非生物降解过程。当缺少光照时，天然的非生物降解过程进行得很慢，常常不足以使其去除有机污染物。幸运的是，加拿大Robert Gillham教授的课题组近年来的杰出贡献，使得利用零价金属来提高卤化的有机污染物的非生物降解速率成为现实。,反应性渗透墙(渗透性反应屏障)技术,加拿大学者R. W. Gillham等提出了地下水污染治理的新技术：利用零价铁的渗透性反应屏障技术反应性渗透墙是一种原地处理技术,Characteristics of Chlorinated Solvents,Immiscible with waterDensities greater than water (1.2 - 1.8 g/cm3)Relatively recalcitrant in subsurfaceUsed by a wide range of 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 Plume,Spill,Contaminant Plume,Water Table,Sand Aquifer,Dry Cleaner,DNAPL,Clay Aquitard,In the US:300,000 to 400,000 hazardous waste sites$750 Billion over 30 yearsWorld Wide: ?,Pump-and-Treat,Air StrippingG.A.C.U.V. Oxidationetc.,Two Decades of Pump-and-Treat:Much longer times than expected!Much higher cost than expected!Reasons:Geologic heterogeneityP