地下水鹽運(yùn)動(dòng)

地下水在孔隙或裂隙中的運(yùn)動(dòng)稱為滲流。它在一定條件下符合線性滲流定律(即達(dá)西定律)。

v=kJ (1)

式中，v為地下水滲流速度；k為滲透系數(shù)；J為水力坡降(即單位距離的水位差)。

在多孔介質(zhì)中的地下水流，當(dāng)雷諾數(shù)大于10時(shí)，其水流狀態(tài)為非線性層流。水流隨著雷諾數(shù)的增大而逐漸過(guò)渡到紊流狀態(tài)區(qū)，運(yùn)動(dòng)不再符合達(dá)西定律。在紊流運(yùn)動(dòng)條件下，地下水的滲流服從謝才公式。

式中，C為謝才系數(shù)；R為水力半徑。

在自然條件(降雨、蒸發(fā)等)和人為因素(如灌溉、排水和修建水工建筑物等)影響下，地下水形成水力坡降而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

地下水含水層中鹽分運(yùn)動(dòng)即溶質(zhì)運(yùn)移，主要通過(guò)擴(kuò)散(水動(dòng)力彌散)和對(duì)流2種途徑。由于溶質(zhì)的分子擴(kuò)散和彌散作用，可用菲克定律表示，即通過(guò)單位斷面面積的溶質(zhì)通量與溶質(zhì)濃度的梯度成正比。在均質(zhì)各向同性條件下，可寫成如下關(guān)系式：

式中，J1為由于水動(dòng)力彌散作用而產(chǎn)生的溶質(zhì)通量；dc/ds為溶質(zhì)濃度梯度；D為彌散系數(shù)。

由于對(duì)流而產(chǎn)生的溶質(zhì)通量，即隨同地下水運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的溶質(zhì)通量為

J2=μ0vc (4)

式中，J2為由于對(duì)流作用而產(chǎn)生的溶質(zhì)通量；為含水層的有效孔隙率；D為地下水的孔隙平均流速；C為溶質(zhì)在地下水中的濃度。

地下水中的鹽分是隨水流而運(yùn)移的，水動(dòng)力彌散和對(duì)流2種作用往往同時(shí)存在，但在某些情況下可能以某一作用為主，而另一種作用則處于次要地位。在已知地下水流各項(xiàng)要素和水鹽運(yùn)動(dòng)基本參數(shù)的情況下，可通過(guò)式(3)、式(4)求得鹽分的運(yùn)移通量。

地下水中硝酸鹽是一種日益增加且分布廣泛的污染物質(zhì)。地下水中大量的硝酸鹽氮主要來(lái)源于居民生活污水與垃圾糞便、化肥、工業(yè)廢水、大氣氮氧化合物干濕沉降以及污水灌溉等。

硝酸鹽污染化肥的施用引起的污染

一般認(rèn)為，過(guò)量施用氮肥是造成地下水硝酸鹽污染的主要原因。自上個(gè)世紀(jì)初實(shí)現(xiàn)氮素化肥的人工合成以來(lái)，全球農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量的大幅度提高在很大程度上依賴于氮素化肥施用量的不斷增加。農(nóng)田施用氮肥雖然使糧食產(chǎn)量至少增加40%，但因?yàn)檗r(nóng)作物種類和施肥技術(shù)不同，施用的氮肥僅有25%～85%被植物吸收利用，大部分氮肥經(jīng)各種途徑進(jìn)入環(huán)境中，尤其是農(nóng)田氮肥的徑流損失和淋溶損失，使得許多地表水和地下水硝酸鹽含量過(guò)高。

硝酸鹽污染生活污水及糞便引起的污染

生活污水和居民生活區(qū)的糞便是造成地下水污染的一個(gè)重要來(lái)源。大量的生活污水、糞便通過(guò)滲井與化糞池滲入地下，其有機(jī)氮化合物在土壤微生物的作用下，分解產(chǎn)生的氨基酸，經(jīng)氨化作用合成氨，再經(jīng)亞硝酸鹽細(xì)菌作用轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，最后經(jīng)硝化細(xì)菌的作用而氧化為硝酸鹽，從而造成地下水中硝酸鹽污染。

硝酸鹽污染工業(yè)污水引起的污染

由于現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，特別是食品、皮革、造紙等輕工業(yè)均排出含大量有機(jī)物的廢水，這些有機(jī)廢水可通過(guò)滲透作用進(jìn)入地下水中，并轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，為硝酸鹽的形成提供了物質(zhì)條件。而且，一些機(jī)械化學(xué)等工業(yè)每年還使用大量與硝酸鹽有關(guān)的原材料，這些原材料流失到河、湖、土壤、大氣與地下水等環(huán)境中的數(shù)量可占一半以上，造成嚴(yán)重的水體污染。

硝酸鹽污染大氣氮氧化合物干濕沉降引起污染

因?yàn)槊骸⑹?、天然氣、植物等的燃燒也產(chǎn)生了大量的氮氧化合物。通過(guò)化學(xué)作用后，形成硝酸鹽類沉降下來(lái)，或隨雨水降落到地表、土壤和河、湖中，最終也能進(jìn)入到地下水。

硝酸鹽污染污水灌溉引起的污染

近年來(lái)，隨著水資源的日益緊張。污水灌溉增多。污水灌溉面積大幅度增加，污水水質(zhì)也發(fā)生了明顯的變化，污染物濃度增高。灌溉面積己從1963年僅有63萬(wàn)畝發(fā)展到1998年的5427萬(wàn)畝，占全國(guó)總灌溉面積的7.3%，特別是1978到1980年污灌面積從500萬(wàn)畝猛增到2000萬(wàn)畝。利用污水灌溉雖然在一定的程度上可以緩解農(nóng)業(yè)用水和水資源短缺的矛盾。在利用污水中大量有機(jī)物作為肥料的同時(shí)，污水也得到了一定的凈化，但是污水中含有大量的有機(jī)氮化合物，如果灌溉不合理，它們不僅污染了農(nóng)田環(huán)境，對(duì)土壤和農(nóng)作物形成直接危害，而且在土壤微生物參與下，污染地下水，導(dǎo)致地下水中硝酸鹽的增加。

硝酸鹽污染地下水超采引起的污染

20世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，城市用水量也隨之增加。本世紀(jì)以來(lái)，地下水超采嚴(yán)重，引起水位持續(xù)下降，形成了地下水降落漏斗，改變了水動(dòng)力條件，加速了污染的范圍。同時(shí)由于水位下降，原先的飽水帶變?yōu)榘鼩鈳В趸€原作用增強(qiáng)。促進(jìn)了有機(jī)物分解及二氧化碳分壓增大，從而進(jìn)一步溶解了土體中原先難溶解的砂礫石等物質(zhì)，使地下水體中溶解性總固體含量上升，總硬度升高。

內(nèi) 容 提 要

本書重點(diǎn)介紹淺層地下水的消耗、補(bǔ)給、更新、排泄等循環(huán)過(guò)程；天然狀況或人類活

動(dòng)條件下地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和計(jì)算方法；地下水與環(huán)境的關(guān)系以及地下水調(diào)控等方面的

內(nèi)容。全書分五章，內(nèi)容包括：地下水的形成及其特征；地下水運(yùn)動(dòng)的基本方程、水井開

采及河渠影響條件下地下水的計(jì)算以及水文地質(zhì)參數(shù)的測(cè)定方法；地下水文要素和地下

水資源評(píng)價(jià)的多年均衡法；地下水水質(zhì)與環(huán)境；地下水水、鹽動(dòng)態(tài)、監(jiān)測(cè)以及地下水調(diào)控

原理。

本書是作者在參閱國(guó)內(nèi)外大量有關(guān)文獻(xiàn)資料和總結(jié)多年從事地下水開發(fā)利用、地下

水資源評(píng)價(jià)、地下水非穩(wěn)定流計(jì)算及溶質(zhì)運(yùn)移理論等方面教學(xué)和研究成果的基礎(chǔ)上，按照

地下水循環(huán)、地下水控制以及地下水與環(huán)境這一體系編寫的。本書可作為農(nóng)田水利工程專

業(yè)的選修課教材，也可作供水文地質(zhì)、水文與水資源、環(huán)境工程等專業(yè)的學(xué)生以及有關(guān)專

業(yè)科研和工程技術(shù)人員參考。