地下水水质评价与水资源管理研究.docx
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1、地下水水质评价与水资源管理研究地下水系统是包含地质环境、地下水动力、地下水化学等子集的综合系统,早在年前的古罗马时代,人们就已应用水文地球化学方法开展地下水的水化学特征、地下水补给、径流与排泄等研究。近当代同位素技术的发展,为开展地下水补给和可更新性、追踪地下水污染等方面的研究,提供了极大帮助。研究者通过分析地下水样品的水文地球化学指标,如、等离子,结合、等稳定同位素指标,在地下水径流特征分析、水岩互相作用经过、地下水咸化、地下水资源管理以及地下水水质问题等研究方面获得了大量成果。本文概述了国内外近年来应用水文地球化学与同位素结合的手段进行地下水系统研究获得的成果及进展,着重回首了在地下水咸化
2、、地下水硝酸盐及微量有机污染以及地下水资源管理研究中的应用成果。文末讨论了应用水文地球化学与同位素结合的手段研究地下水系统的基本方法,讨论了开展地下水质质量评价与地下水资源管理的科学方法,瞻望了水文地球化学与同位素方法在地下水有机污染调查研究中的应用前景,以为该方法能够为地下水中新型及持久性有机污染物的;及污染特征研究提供重要支撑。关键词:水文地球化学;同位素;地下水;硝酸盐;微量有机污染物自从古罗马哲学家老普利尼记录第一条水文地球化学规则以来流水呈现出与它所经过的岩石类似的性质科学家和哲学家对水文地球化学的运用已经历了余年。早期的水文地质研究倾向于水岩互相作用、径流走向、水文地球化学循环特征
3、等方面,当代水文地球化学更注重应用于水资源管理及水污特征染等的研究。上世纪、年代,随着工业化进程加剧,水资源短缺与水质恶化问题凸显,水文地球化学在地下水污染及相关问题研究中的作用更为重要。与此同时,元素的检测仪器从原子吸收光谱发展到电感耦合等离子体发射光谱仪再到电感耦合等离子体质谱,多元素同步检测以及含量在水平下面微量元素的检测技术获得突破,水文地球化学的应用得以扩展到酸雨、孔隙水等微小体积样品分析领域。对水资源评价和水质分析做出重要奉献的另一工具稳定同位素技术在这段时期也得到快速发展。年,在(科学)杂志上发表了经典文章“全球降水的同位素组成差异,标志着同位素手段在自然水体中的系统应用开场。历
4、经余年的发展,同位素手段已与水文地球化学分析手段严密的融合在一起,在建立地下水循环经过概念模型、了解水质演化、判定地下水补给水源以及地下水溶质的溯源等方面发挥着重要的作用。众所周知,地下水资源是干旱、半干旱地区工业、农业和生活用水的重要;。例如在西班牙,地下水提供了全国总用水量的,并灌溉了全国以上的农田。我国首都北京市同样处于温带半干旱半湿润地带,水资源天然禀赋缺乏,全市以上的供水量来自地下水资源?。自世纪年代以来,北京因地表水的减少和地下水开采量增加,地下水逐年亏损。超量开采地下水造成水位下降,构成水位降落漏斗,产生地面沉降、水质污染等问题?。为缓解紧张的用水形势,保障城市供水,很多地区利用
5、再生水进行农田灌溉。但目前多数城市工业废水和城市生活污水排放量大幅增加,污水处理设施能力明显缺乏,再生水灌溉严重威胁到地下水水质安全。在沿海地区,地下水超采还会引发海水入侵,导致地下水咸化、地下水水质退化等问题。面临日益严峻的地下水资源短缺及地下水水质恶化等问题,人们迫切的需要在地下水水质状况、污染状况、污染物;、迁移及归趋、水资源管理等等方面展开深化细致的研究。水文地球化学特征与同位素特征分析相结合的研究方法,已成为广大研究者用于研究地下水资源管理及污染物;及迁移转化的重要手段。本文将就水文地球化学与环境同位素分析手段在地下水资源与水质评价研究中的应用现状与成果做一回首,着重概述水文地球化学
6、与环境同位素分析手段在地下水补给;、地下水咸化经过、地下水污染及地下水资源管理研究中的应用。并在此基础上讨论应用水文地球化学与同位素方法研究地下水系统的基本方法,讨论开展地下水质质量评价与地下水资源管理工作的科学方法,瞻望今后水文地球化学与环境同位素分析方法的应用空间及有关发展趋势。地下水的补给与演化水文地球化学与同位素分析手段是描绘地下水补给;与揭示地下水演化规律的有效研究方法,被广泛应用于多个地区地下水系统的研究中。研究者将地下水样品中的、值与当地大气降水线比拟,假如二者拟合程度好,则讲明研究区地下水主要源自大气降水的入渗补给。研究了我国四川省广元市的地下水;与演化,将研究区地下水的、值投
7、影到西南地区值关系图上,发现均落在降水线附近,如图所示,即以为该区地下水主要;于大气降水补给。比拟了北京市平原区地下水与北京地区大气降水中的关系,发现地下水中的、平均值明显低于大气降水中的、值,地下水中的线性斜率亦小于大气降水线。据此,作者得出该区域地下水主要;于大气降水的入渗补给,并以为地下水在补给经过中经历了不同程度的蒸发作用影响。在地下水系统的研究中,除分析和同位素外,还增加了和的指标,用于更为准确的判定地下水的补给;,以及揭示地下水构成初期所经历的地球化学演化经过。和同位素组成的变化可对一些物理经过如蒸发、稀释、离子交换等起到指示作用,蒸发作用使样品中和值升高,而海水稀释则使和值降低,
8、其中的变化幅度更为显著。通过分析中国北方某地区地下水中互相关系以及和与之间的关系,准确区分了经历蒸发作用与海水稀释的两个地下水演化系统,如图所示。图中可见,冀中地下水系统经历的蒸发作用明显,而黄骅地下水系统则主要经历了海水的稀释作用。地下水咸化海滨地区地下水超采引发海水入侵灾祸造成地下水咸化,在干旱半干旱地区尤为严重。在葡萄牙的大西洋海岸,从北部的到南部的,都发生了因超采引起的地下水咸化灾祸,并逐步向内陆延伸。我国环渤海地区由于淡水资源匮乏,地下淡水资源是居民饮用水及工农业用水的重要组成部分,地下水连年超采,引发严重的海水入侵,已经毁坏了部分滨海水源地。除海水入侵以外,地下水的咸化还归因于其他
9、经过,如蒸发浓缩经过、污水回灌、古咸水补给、表层水盐分溶解与渗滤以及水岩互相作用使矿物溶解等。很多地区地下水咸化往往是上述几个因素共同作用的结果,要区分地下水咸化的;及主要作用经过,将是一个非常复杂的难题。环境同位素的组成特征是识别海水入侵及其他地下水咸化经过的重要工具。当地下水咸化主要是由海水入侵引起时,地下水的同位素组成和呈现出与海水一致的变化。而地下水发生盐分矿物溶解、或表层盐水渗滤导致地下水盐度增高时,地下水的和同位素组成则并不会发生变化图。结合、总溶解性固体等水化学特征,就能够区分地下水咸化的不同;。图不同咸化经过地下水同位素组成与盐度变化关系:,通过分析地下水中溶解氧、电导率、总溶
10、解性固体以及、等多种离子含量,结合,和等多元素同位素组成,讨论了巴西东北部重要沿海城市地区地下水咸化的;与主要经过。浅层地下水中和同位素分析表明咸化是由古海水汇入以及浅层地下水蒸发浓缩造成的,深层地下水中、等水文地球化学特征显示有明显的咸水引入,并发生相应的离子交换。、通过水文地球化学与环境同位素结合分析,对我国滨海地区地下水海水入侵程度、盐分;以及入侵机理进行了研究。研究者以大连大魏家水源地为研究对象,对地下水和同位素的组成进行了分析,结合浓度分布,作者以为研究区除海水入侵淡水含水层增加了地下水中的盐分外,浅层地下水的蒸发也对地下水中盐分的累积起到了重要作用。根据不同水体中、等同位素特征,结
11、合水化学成分如、分析以为,研究区微咸水和咸水并不是地下水淡水和海水机械混合而成,而是在混合作用基础上还发生了如石膏、碳酸盐岩的溶解和沉淀等地球化学作用。通过对环境稳定同位素、和和放射性同位素和进行分析,结合地球化学数据,识别出葡萄牙内陆地区地下水咸化的主要;包括:海水入侵、深层盐水稀释、以及浅层灌溉水的蒸发。研究区大部分地下水的、值均位于全球降水线上或在附近,讲明当地地下水主要来自降水补给。在近海地区,地下水浓度升高,电导率升高,体现出与海水混合、盐分溶解的影响。利用放射性同位素、环境稳定同位素和水文地球化学资料,便可从多种途径解释地下水盐分升高的;,甚至区分古海洋水和当代海水的入侵比例。而近
12、代人为活动如对地下水超采、采用污水灌溉等,已成为仅次于海水入侵引发地下水盐化、地下水水质退化的经过。采用离子与的关系作为指示地下水蒸发浓缩程度的一个经典常用指标,能够指示污水回灌引起的盐分变化。地下水污染自古代以来地下水水质就与人类活动息息相关,随着近当代工业化不断发展,人类对地下水资源需求量增大,地下水位不断下降,取水井深不断增加,地下水污染逐步显现图。其中,农业面源污染、城市生活污水及工业固体废物处置是造成地下水有机与无机污染的主要人为活动,也是目前研究者重点关注的研究领域。近年来,为了应对人口增长对粮食的需求,以地下水灌溉为前提的农业生产活动,如印度等国家为提高粮食产量提出的“绿色革命,
13、造成了地下水位的持续严重下降,。在我国,单位耕地面积化肥及农药用量分别为世界平均水平的倍和倍,大量化肥和农药通过土壤浸透等方式污染地下水;部分地区长期利用污水灌溉,对农田及地下水环境构成危害,农业区地下水氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮超标和有机污染日益严重?。人口急剧增长和城市规模扩大使生活污水的排放量不断增加,而废污水处理设施建设相对滞后,大量废污水未经处理或者未处理完全即排放到环境中,成为地下水污染的重灾区?。我国大部分农村地区的生活垃圾仍处在随意丢弃的阶段,城市地区多处非正规垃圾填埋场几乎没有防渗措施,垃圾渗滤液严重威胁地下水环境安全。工业固体废物的不当处置会造成渗漏污染地下水,石油化工行业
14、勘探、开采及生产等活动显著影响地下水水质,工业企业通过渗井、渗坑和裂隙排放、倾倒工业废水,造成地下水污染。当前,我国相当部分地下水面临严重污染,部分地区地下水污染程度仍在不断加重?。当前及将来形势下,人类需要识别地下水污染的;,追踪地下水污染物的迁移转化行为,了解地下水污染物的消减机制,为地下水资源的再生及可持续利用提供支持。硝酸盐污染硝酸盐是地下水中最为普遍的一类污染,主要与农业上施用氮肥等活动、垃圾集中处理、工业废水排放、动物养殖等活动相关。不同;的硝酸盐显示出不同的、同位素比值特征。因而,通过分析地下水中硝酸盐的与值,能够判定地下水中硝酸盐污染的主要;。结合水文地球化学数据,还可对硝酸盐
15、污染物的生物地球化学转化经过进行评价。研究资料显示,工业化肥的一般在之间,而动物粪肥的一般在之间,且普遍低于。分析了希腊中部盆地孔井水中硝酸盐的同位素,结果表明,位于之间,平均;位于之间,平均。结合十项水文地球化学指标的分析电导率,推断盆地研究区地下水硝酸盐污染主要来自城市和工业废污水。地下水硝酸盐的生物地球化学转化经过,包括硝化作用与反硝化作用,从、的同位素比值变化上有所反映。好氧条件下的硝化经过中,发生富集而贫化,值介于到之间。厌氧条件下,迅速完成硝化反响,生成富集的硝酸盐产物。地下水硝酸盐的硝化速率受含水层岩石组成的影响,水稻田的灌溉补给和反硝化作用可显著降低地下水硝酸盐浓度,。硫酸盐污
16、染地下水中富集,会促进沉积岩含水层中的硫铁矿发生氧化,进而使地下水硫酸盐浓度升高。硫酸盐是地下水中普遍存在的一类化合物,;于多种人为源和自然源,包括土壤施用的农业化学品淋滤、酸雨、石灰岩含水层中硫化铁矿物的氧化与溶解等。饮用水中硫酸盐含量过高,还会影响到水的硬度和口感。不同;的硫酸盐和值表现不同,硫铁矿氧化生成的硫酸盐化合物具有和极度贫化的特征,而未遭受人为污染的深层水显示出与前工业化时代降水一致的富集的特征。在区域尺度上多个含水层交界的地下水系统中,研究者利用硫酸盐的和同位素指标作为硫酸盐的物理经过和生物地球化学经过的指示物。为探究地下水中硫酸盐的人为源与自然源硫铁矿氧化组成关系,等通过一个
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