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| 內容簡介： |
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《地下水污染控制与资源化工程》从地下水污染基础理论、地下水污染场地调查与评价、地下水污染控制与修复、劣质地下水资源化技术与工程四个方面较全面、系统地阐述了地下水污染控制与资源化工程的基本概念、基本原理、基本模型、技术方法和工程案例。
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目录前言第1章 绪论 11.1 地下水功能属性 11.2 地下水污染防治与资源化现状 21.3 我国地下水污染防治制度体系 4第2章 地下水基本特征 62.1 岩土体中的空隙与水 62.1.1 岩土体中的空隙 62.1.2 岩土体空隙中的水 82.1.3 按空隙介质性质的地下水分类 102.2 地下水的埋藏特征 132.2.1 含水层与隔水层 132.2.2 按埋藏类型的地下水分类 152.3 地下水的运动特征 182.3.1 地下水的补给、径流、排泄 182.3.2 地下水运动的基本规律 202.4 地下水的化学特征 252.4.1 地下水的主要成分 252.4.2 地下水的化学作用 29思考题 32第3章 地下水污染特征 333.1 地下水污染的概念与特点 333.1.1 地下水污染的基本概念 333.1.2 地下水污染的特点 333.2 地下水污染源特征 343.2.1 工业污染源 343.2.2 农业污染源 363.2.3 生活污染源 393.3 地下水中的典型污染物 403.3.1 化学污染物 403.3.2 生物污染物 433.3.3 放射性污染物 433.3.4 新型污染物 453.4 地下水污染途径 473.5 地下水污染迁移的动力过程 493.5.1 水动力弥散作用 503.5.2 其他作用 523.5.3 对流弥散方程 533.5.4 裂隙介质中的污染物迁移 54思考题 55第4章 地下水污染调查 564.1 调查内容 574.1.1 与污染有关的水文地质背景调查 574.1.2 污染源调查 584.2 调查方法 594.2.1 地面调查 604.2.2 钻探(坑探)工作 604.2.3 野外与室内试验 604.2.4 地球物理勘探 664.2.5 新技术与新方法 684.3 调查方案 694.3.1 调查范围 704.3.2 监测网设计 704.4 样品采集 724.4.1 采集方案制定要求 724.4.2 采集器具和容器选择 724.4.3 地下水采样流程 744.4.4 水质分析与监测 754.5 工作总结与报告编制 76思考题 77第5章 地下水污染现状评价 785.1 评价程序和内容 785.1.1 准备工作 795.1.2 系统分析 795.1.3 系统评价 805.2 评价方法 815.2.1 分项污染指数 815.2.2 单综合污染指数 825.2.3 双综合污染指数 845.2.4 分类综合污染指数法 845.3 地下水污染溯源 855.3.1 水质解析法 855.3.2 多元统计法 865.3.3 同位素法 92思考题 94第6章 地下水污染风险评价 956.1 地下水污染风险评价体系 956.2 地下水污染源荷载评价 966.2.1 地下水污染源荷载评价分类 966.2.2 地下水污染源荷载评价方法 976.3 地下水脆弱性评价 1026.3.1 地下水脆弱性评价分类 1026.3.2 DRASTIC模型 1036.4 地下水功能价值评价 107思考题 110第7章 地下水污染监测预警 1117.1 地下水环境监测方案 1127.1.1 区域尺度地下水污染监测方案 1127.1.2 场地尺度地下水污染监测方案 1137.2 地下水污染预警指标 1157.2.1 地下水污染指示性因子概念 1167.2.2 地下水污染预警指标的指示性 1167.2.3 地下水污染预警指标体系构建原则 1177.2.4 地下水污染预警指标筛选方法 1187.3 地下水水质预测 1197.3.1 机理性水质预测方法 1207.3.2 非机理性水质预测方法 1217.4 地下水污染预警等级与阈值划分 1267.4.1 区域尺度地下水污染预警 1277.4.2 场地尺度地下水污染预警 1277.5 预警系统建设 1287.5.1 指导原则 1287.5.2 系统建设流程 1287.5.3 系统开发 129思考题 131第8章 地下水污染原位修复技术 1328.1 监控自然衰减技术 1328.1.1 基本原理 1338.1.2 技术要点 1338.1.3 工作流程 1348.1.4 工程案例 1368.2 渗透性反应墙技术 1378.2.1 基本原理 1378.2.2 修复设计 1388.2.3 技术要求 1408.2.4 工作流程 1408.2.5 工程案例 1418.3 电动修复技术 1428.3.1 基本原理 1438.3.2 应用方式 1448.3.3 工作流程 1448.3.4 工程案例 1458.4 化学氧化还原修复技术 1468.4.1 基本原理 1468.4.2 适用范围 1488.4.3 工作流程 1498.5 微生物修复技术 1498.5.1 基本原理 1498.5.2 技术要点 1508.5.3 工艺方法 1518.5.4 工作流程 1528.6 其他技术 1538.6.1 植物修复技术 1538.6.2 原位反应带修复技术 1548.6.3 循环井技术 155思考题 156第9章 地下水污染异位修复技术 1579.1 抽出-处理技术 1579.1.1 基本原理 1579.1.2 工作流程 1609.1.3 关键技术要求 1669.1.4 工程案例 1679.2 曝气-气提修复技术 1729.2.1 基本原理 1729.2.2 工作流程 1759.2.3 曝气点的影响区域 1769.2.4 地下水混合过程对曝气作用的影响机制 1779.3 多相抽提修复技术 1799.3.1 基本原理 1799.3.2 工作流程 1819.3.3 关键影响因素 182思考题 183第10章 微咸水基本特征与资源化利用 18410.1 中国地下微咸水分布 18410.2 地下微咸水的形成过程与危害 18610.2.1 地下微咸水的形成过程 18610.2.2 地下微咸水的危害 18710.3 微咸水资源化技术与工程 18710.3.1 微咸水淡化处理技术 18710.3.2 微咸水资源化利用工程 190思考题 193第11章 矿井水资源化技术与工程 19411.1 矿井水的来源 19411.1.1 大气降水 19511.1.2 地表水 19511.1.3 含水层水 19511.1.4 断层水 19511.1.5 采空区水 19611.2 矿井水的分类与水质特征 19611.2.1 含悬浮物矿井水 19611.2.2 高铁锰矿井水 19611.2.3 高矿化度矿井水 19711.2.4 酸性矿井水 19711.3 含悬浮物矿井水的资源化技术与工程 19811.3.1 基础理论 19811.3.2 资源化工艺 20211.3.3 资源化工程案例 20411.4 高铁锰矿井水的资源化技术 20511.4.1 氧化法 20511.4.2 离子交换法 20711.4.3 活性炭吸附法 20711.4.4 资源化处理工艺 20811.5 高矿化度矿井水的资源化技术与工程 20811.5.1 脱盐浓缩技术 20811.5.2 蒸发结晶技术 21311.5.3 资源化工艺 21411.5.4 资源化工程案例 21611.6 酸性矿井水的资源化技术与工程 21811.6.1 化学中和法 21811.6.2 生物处理法 22211.6.3 资源化工程案例 225思考题 226参考文献 227
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第1章绪论 1.1 地下水功能属性 地下水是水资源的重要组成部分，约占全球总淡水资源的30%，占全球液态淡水总量的99%。地下水分布广泛，稳定性好，水质良好，便于应用。地下水在保障城乡居民生活用水、支持社会经济发展、维持生态平衡等方面具有十分重要的作用。尤其是在地表水资源相对短缺的干旱、半干旱地区，地下水甚至是唯一的供水水源。据统计，我国黄淮海平原、辽河流域、黄河流域的地下水开采程度达到50%以上，城市用水中地下水比重占30%以上的有400多座城市。 地下水资源的开发利用不仅有力保障了人畜生活用水的需求，而且有力促进了社会经济的发展。全球一半的居民生活用水来源于地下水，约有25%的农业灌溉用水也来源于地下水，地下水浇灌了世界上38%的灌溉用地(WWDR，2022)。根据《中国水资源公报2023》，我国地下水源供水量为819.5亿m3，占总供水量的13.9%。在地下水源供水量中，浅层地下水占97.7%，深层地下水占2.3%。地下水资源在保障国家粮食安全中至关重要，农业用水量占总用水量的63%。根据《新一轮千亿斤粮食产能提升行动方案(2024—2030年)》，到2030年我国要实现新增粮食产能在千亿斤以上。 地下水不仅具有资源属性，而且具有重要的生态功能。在干旱地区，地下水资源对维持地表植被生存与演化、调节土壤包气带含水率与含盐量、维持河床基流量、维持湖泊湿地的水域面积、调节地表温度等方面具有重要的作用，是构成生态系统的基础条件之一。干旱区植被生态系统的退化与水资源尤其是地下水资源的不合理开发密切相关。当地下水位埋深大于某一阈值时，土壤包气带含水率非常低，不能涵养植被生态，土壤出现荒漠化、石漠化等生态灾害。而地下水位埋深小于某一阈值时，盐分在地表积累，造成土壤盐渍化。王文科等(2012)在准噶尔盆地调查研究发现，当地下水埋深介于0.5～3m时，土壤盐渍化非常严重；当地下水埋深大于8m时，土壤含水量低于0.2，地表极易受到风沙侵蚀。近50年，干旱区植被不断退化，不仅制约了当地社会的经济发展，而且影响着我国北方地区的生态安全，并对中部、东部地区的环境构成威胁(程国栋等，2006)。 地下水对河流的补给量通常称为基流量，特别是枯水季节，一些河流的生态基流全部由地下水来维持。Wang等(2004)研究发现黄河花园口站河流基流量的44%来自上游地下水的补给，指出要保持黄河的健康必须要保护上游地下水位，他们的研究还发现渭河华县站河流径流量的37%来自上游的地下水补给。由此可见，地下水在维持河流生态基流方面具有重要的作用。 地质环境是人类生存环境的重要组成部分，是地球演化的产物，是岩石、土壤、水、空气及生物等基本要素在长期相互作用、协同作用下形成的状态和分布格局，也是地球的物质和能量累积、分散、传递、耗散过程的具体表现(中国科学院，2018)。地下水是地质环境的重要组成部分，地下水资源的不合理开发利用会产生地下水枯竭、水污染、海水入侵、地面沉降、岩溶塌陷、土壤盐渍化、沼泽化、沙漠化等环境水文地质问题(张人权等，2005)。 地下水的动态变化实质上是其补给与排泄过程的综合表现。在含水层中，补给水量大于排泄水量时，水量增加，水位上升；反之，则水量减少，水位下降。水位持续下降是地下水超量开采或者补给量减少的主要标志。地下水位的持续下降不仅使取水工程的出水量减少，而且可导致机井干枯、抽水设备报废，甚至还可引发其他环境地质问题，如地面沉降、地表塌陷、泉水流量减少、生态环境恶化等。 地面沉降是指某一区域内由于各种原因导致的地表浅部松散沉积物压实加密，从而引起地面标高下降的现象，又称为地面下沉或地陷。大量抽取地下水与地面沉降关系*为密切。从孔隙含水层中抽取地下水降低了孔隙水压力，这使含水层骨架的有效应力增加，引起黏土层的次生固结压密和砂层的排水固结压密，进而发生下沉形变，两者相互叠加造成了地面沉降。 海水入侵是滨海地区地下水动力条件发生改变，引起海水或高矿化咸水向陆地淡水含水层运移，从而发生水体侵入的过程和现象，又称盐水入侵、海水入侵、咸水入侵等。海水入侵是沿海地区水资源过度开采带来的特殊环境问题。沿海城市由于人口高度集中、经济发展较快，对淡水资源的需求很大。随着地下水大量开采，地下水位持续大幅度下降，这造成了咸淡水界面向陆地方向迁移，海水向淡水含水层侵入，使地下水矿化度增高、水质恶化。我国海岸线长达1.8×104km，沿海地区几十年来牵引着我国经济的快速发展，但海水入侵已经给我国经济带来严重的影响。根据2018年自然资源部的海水入侵调查工作，我国地下咸水体总面积约8.67×104km2，海水入侵面积约1.13×104km2(陈广泉等，2022)。 地下水系统一旦受到污染就会很难恢复，并将长期影响地下水水质、生态平衡和人体健康。进入地下水系统的污染物受含水层非均质性影响，随着水流运动，在扩散和各种化学过程作用下，呈现非均质分布特征。富集在低渗透区的污染物的迁移过程往往缓慢且不易发现，给地下水污染治理和水环境保护工作带来极大困难。 1.2 地下水污染防治与资源化现状 地下水污染学科起源于20世纪60年代。1962年，Rachel Carson所著的《寂静的春天》一书的出版，引起了公众对包括地下水污染在内的环境问题的关注。1965年Legrand Harry在论文中*次提出了地下水污染羽的概念，但该论文并没有提供任何数据和模型。对地下水污染物的研究*早开始于对放射性污染物的研究，美国和加拿大的研究人员开始用高分辨率仪器来表征裂变产物在污染羽中的分布，是地下水污染研究的萌芽。20世纪70年代，Groundwater Pollution in Europe、Groundwater Pollution和Geoscience Canada Paper Cherry等期刊的问世，标志着地下水污染科学正式作为污染水文地质学来研究。 随着全球经济的高速发展，世界各地的地下水污染情况不容乐观。1986年Jack Barbash等调查研究发现，美国50个州的地下水均检出了微量有机污染物；日本15个工业城市的30%的水井受到三氯乙烯和四氯乙烯(PCE)的污染；据俄罗斯环境部门统计，全球每年开采30亿t石油，其中7%的原油及其产品通过各种途径又重新进入地下环境，造成了地下水水质的恶化。仅开采过程，每年直接进入土壤的原油在1000万t以上，构成了全球重要的环境问题之一，不仅造成了土壤污染，同时也造成地表水和地下水的严重污染(田薇薇等，2016)。 20世纪70年代初，我国开始出现长期积累的环境污染问题，中央政府决定对全国的污染状况特别是工业“三废”对水源和空气造成的污染进行调查。1971年起，在全国范围内开展了大规模的污染调查活动，其中既包括全国普查性质的对工业“三废”污染的调查，也包括针对重大污染事件的重点区域调查。 地下水污染调查通常是其他水污染调查的一部分而非单*的调查项目。北京西郊环境质量评价研究项目的调查显示：北京西郊地下水主要是因*都钢铁公司(以下简称“*钢”)工业废水的渗入和污水灌溉而受到酚、氰化物的污染。1970年前后，*钢污水农灌量为3875万m3/a，污灌面积1万余亩(1亩≈666.67m2)。北京东南郊的调查显示崇文区和宣武区则出现了地下水中度污染，东城区、西城区和丰台区等出现了轻度污染，其他基本属于未污染区。北京城区及近郊区160km2的地下水中有毒物质超过饮用水标准，占北京地下水总面积的1/5，被迫停用的水源井占1/10，每天减少供水能力6万t。包头全市一半地区的地下水受到铬、酚等有害物质的污染。西南地区一些厂矿直接把废水排入地下溶洞，造成河水和地下水污染。 20世纪80年代，我国开始研究污染物在含水层中的运移。例如，山东省地质局、长春地质学院、中国地质科学院水文地质环境地质研究所、山东大学等单位在济南市郊区进行了地下水质模拟试验研究工作，探讨了地下水污染与水质模拟试验的基本理论及计算方法。这些研究探索了弥散系数的野外测定方法和手段，以及地下水质模拟的计算方法与模型建立问题，并编制了相应的计算机程序。 20世纪90年代，我国在地下水污染方面的研究取得了显著进展，初步建立了地下水污染监测网络，积累了关于地下水污染的数据与资料，一些地下水污染修复技术得到了初步应用。在国家“八五”科技攻关项目山东淄博大武水源地岩溶地下水的石油类有机污染治理中，识别了主要污染源，揭示了石油类污染物在岩溶地下水中的迁移转化规律，探索了多种地下水污染治理技术。 进入21世纪以来，我国地下水污染研究在调查评估、机理研究、修复技术等方面均取得了显著进展，为地下水污染防治提供了重要支持；在全国范围内进行了大量的地下水污染现状调查，评估了污染程度、范围和趋势；针对地下水污染的成因、污染物在地下水中的迁移转化机制等进行了深入研究；积极探索和开发地下水污染修复技术，包括物理法、化学法、生物法等多种手段；通过实验室和现场示范应用，验证修复技术的有效性和可行性。国外地下水污染修复起步于20世纪70年代末，1980年美国超级基金诞生，标志着污染场地修复上升至国家法律层面，并在污染场地修复方法与技术方面做了大量的探索。 污染地下水或劣质地下水的资源化利用可以有效地提高地下水的利用率，缓解水资源的紧缺状况，对节约水资源具有重要意义。从20世纪90年代开始，河北省将浅层咸水、微咸水与开采的深层淡水混合进行农田灌溉，取得了很好的效果。河北省沧州市积极发展咸水淡化工程，采用电渗析或反渗透膜技术对开采的浅层地下水进行除盐、除氟，解决了几十万人的饮水困难问题。2023年，我国大型煤炭企业的矿井水综合利用率达到74.6%，矿井水被用于农业灌溉、工业生产等多个领域。 1.3 我国地下水污染防治制度体系 地下水污染防治工作的有序开展，需要从原则框架的角度出发，以求构筑科学高效的地下水资源管理体系、形成地下水污染防治的全新模式。*先，地下水污染防治制度体系的建立是实践工作顺利推进的关键前提。近年来，我国对其给予了高度关注，陆续发布了一系列地下水污染防治的相关政策，保障了国土、水利、安全、环保等多个部门之间的有效协同，推动了信息共享和资源整合，强化了地下水环境质量监管与改善措施，为我国地下水污染防治工作的开展，提供了强有力的法律支撑与保障。 《中华人民共和国水污染防治法》于1984年第六届全国人民代表大会常务委员会*次通过，中间经过多轮修订，目前现行版本于2017年发布，是我国防治水污染的重要法规，其中明确了地下水污染防治是水污染防治的重要内容，各级人民政府和有关部门应当采取措施保护地下水资源，防止地下水污染。此外，该项法律规定：水功能区划和水污染防治规划应当包括地下水污染防治内容；国家和地方可以制定地下水环境质量标准和污染物排放标准；禁止向地下水直接排放污染物；其他关于地下水污染监测、建立监测网络、信息公开、公众参与等方面的内容，极大程度上确立了地下水污染防治工作在水污染防治中的核心地位。 《地下水管理条例》于2021年10月29日由国务院*次发布，这是我国**部专门针对地下水管理的行政法规，旨在规范地下水的开发、利用和保护。该项法规明确了各级政府、相关部门在地下水管理中的职责和分工，详细规定了地下水的开发利用审批程序和条件，新增了防治地下水污染的具体措施和要求，并从地下水污染的调查与规划、超采治理、处罚措施等方面作出规定，细化了地下水污染防治工作的具体措施和相关监管职责。 《全国地下水污染防治规划(2011—2020年)》于2011年由环境保护部发布，是我国为保护地下水资源、防治地下水污染而制定的重要规划文件。该项规划文件明确了2011～2020年期间我国地下水污染防治工作的总体目标是防治地下水污染，改善地下水环境质量，确保饮用水安全，重点任务是控制地下水污染源，加强工业
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