地下水鹽運動計算方法

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

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)。

在多孔介質中的地下水流，當雷諾數(shù)大于10時，其水流狀態(tài)為非線性層流。水流隨著雷諾數(shù)的增大而逐漸過渡到紊流狀態(tài)區(qū)，運動不再符合達西定律。在紊流運動條件下，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)生運動。

地下水含水層中鹽分運動即溶質運移，主要通過擴散(水動力彌散)和對流2種途徑。由于溶質的分子擴散和彌散作用，可用菲克定律表示，即通過單位斷面面積的溶質通量與溶質濃度的梯度成正比。在均質各向同性條件下，可寫成如下關系式：

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

由于對流而產(chǎn)生的溶質通量，即隨同地下水運動而產(chǎn)生的溶質通量為

J2=μ0vc (4)

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

地下水中的鹽分是隨水流而運移的，水動力彌散和對流2種作用往往同時存在，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要素和水鹽運動基本參數(shù)的情況下，可通過式(3)、式(4)求得鹽分的運移通量。

地下水中硝酸鹽是一種日益增加且分布廣泛的污染物質。地下水中大量的硝酸鹽氮主要來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

一般認為，過量施用氮肥是造成地下水硝酸鹽污染的主要原因。自上個世紀初實現(xiàn)氮素化肥的人工合成以來，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%，但因為農(nóng)作物種類和施肥技術不同，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重要來源。大量的生活污水、糞便通過滲井與化糞池滲入地下，其有機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)亞硝酸鹽細菌作用轉化為亞硝酸鹽，最后經(jīng)硝化細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)均排出含大量有機物的廢水，這些有機廢水可通過滲透作用進入地下水中，并轉化為硝酸鹽，為硝酸鹽的形成提供了物質條件。而且，一些機械化學等工業(yè)每年還使用大量與硝酸鹽有關的原材料，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

因為煤、石油、天然氣、植物等的燃燒也產(chǎn)生了大量的氮氧化合物。通過化學作用后，形成硝酸鹽類沉降下來，或隨雨水降落到地表、土壤和河、湖中，最終也能進入到地下水。

硝酸鹽污染污水灌溉引起的污染

近年來，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63萬畝發(fā)展到1998年的5427萬畝，占全國總灌溉面積的7.3%，特別是1978到1980年污灌面積從500萬畝猛增到2000萬畝。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物作為肥料的同時，污水也得到了一定的凈化，但是污水中含有大量的有機氮化合物，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50年代以來，隨著城市規(guī)模的不斷擴大和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，城市用水量也隨之增加。本世紀以來，地下水超采嚴重，引起水位持續(xù)下降，形成了地下水降落漏斗，改變了水動力條件，加速了污染的范圍。同時由于水位下降，原先的飽水帶變?yōu)榘鼩鈳В趸€原作用增強。促進了有機物分解及二氧化碳分壓增大，從而進一步溶解了土體中原先難溶解的砂礫石等物質，使地下水體中溶解性總固體含量上升，總硬度升高。

內 容 提 要

本書重點介紹淺層地下水的消耗、補給、更新、排泄等循環(huán)過程；天然狀況或人類活

動條件下地下水的運動規(guī)律和計算方法；地下水與環(huán)境的關系以及地下水調控等方面的

內容。全書分五章，內容包括：地下水的形成及其特征；地下水運動的基本方程、水井開

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

水資源評價的多年均衡法；地下水水質與環(huán)境；地下水水、鹽動態(tài)、監(jiān)測以及地下水調控

原理。

本書是作者在參閱國內外大量有關文獻資料和總結多年從事地下水開發(fā)利用、地下

水資源評價、地下水非穩(wěn)定流計算及溶質運移理論等方面教學和研究成果的基礎上，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、水文與水資源、環(huán)境工程等專業(yè)的學生以及有關專

業(yè)科研和工程技術人員參考。