人工回灌条件下的水岩作用室内实验研究

人工回灌过程中所发生的水岩作用是影响含水层地下水环境质量的重要因素。本次采用室内实验技术对人工回灌过程中的水文地球化学作用和各主要离子的来源进行了分析。结果表明：人工回灌过程中地下水中的Na＋不仅受混合作用的影响,还伴随有相应的阳离子交换反应和含Na矿物的溶解反应等,而且回灌过程对原始地下水中的Na＋、Cl-有稀释作用;K＋主要受到钾长石矿物溶解的影响;人工回灌过程中存在石膏、方解石等矿物组分溶解,并且介质中的含锰矿物和含铁矿物发生了溶解反应。     

人工回灌过程中的水-岩相互作用模拟

人工回灌过程中所发生的水-岩相互作用是影响回灌层位地下水环境质量的重要因素。采用室内实验和水文地球化学模拟等技术对人工回灌过程中的水-岩相互作用机理进行了分析。研究结果表明：受混合作用影响,随着回灌水比例的增加,混合水中TDS质量浓度降低,水化学类型由Cl·HCO₃-Na型水逐渐转变为HCO₃·Cl-Na·Ca型水;受水-岩作用影响,在同一混合比例条件下,随着水-岩作用的进行,混合水中TDS质量浓度升高,各主要离子质量浓度呈现升高的趋势,但只有回灌水比例占10%时,混合水TDS质量浓度才大于原始地下水（涨幅约5%）。实验介质溶解于水的离子中,Ca²⁺、Mg²⁺和HCO^-₃主要来源于碳酸盐矿物的溶解, Na⁺主要来自岩盐的溶解。在人工回灌过程中,发生的水-岩相互作用主要包括方解石、白云石、钾长石、岩盐、CO₂的溶解和伊利石的沉淀。其中:钾长石溶解量与伊利石沉淀量、碳酸盐矿物溶解量与CO₂溶解量的相关性较强,其相关系数分别为1.00和0.78（显著性水平为0.05）;硅酸盐矿物反应量和回灌水比例之间的相关系数为0.97（显著性水平为0.01）,相关性极强;而碳酸盐矿物反应量和回灌水比例之间的相关系数为0.52（显著性水平为0.01）,相关性较弱。上述相关性分析为确定人工回灌过程中的水-岩相互作用机理、地下水中主要离子组分的来源途径以及定量分析人工回灌对含水层介质的影响提供了依据。     

利用因子分析确定岩溶地下河系统水质的影响因素

根据云南南洞地下河系统2008年旱季的水化学分析结果,利用因子分析方法探讨地下水水质的影响因素及程度,结果表明:流域地下水成分变动范围较大,具有明显的空间变异性;地下水水质受人类活动、水岩作用过程和土壤等自然因素的共同影响,三个因素能够解释地下水水质形成的79%,其中人类活动是主要影响因素;地下水中的Cl-、NO3-、SO42-、Na+、K+主要受人类活动特别是农业和生活废水等因素的控制,Ca2+主要是水-岩作用的产物,但也受人类活动的影响,pH值、电导率受水岩作用过程和人类活动的影响,Mg2+、HCO3-受土壤CO2含量和水-岩作用过程的共同影响。     

人工回灌过程中地下水微生物群落变化

人工回灌过程中,回灌水的注入使目的含水层地下水环境发生变化,微生物条件也会随之改变,从而影响地下水环境质量及水文地球化学作用。以上海市某人工回灌试验场为例,在分析人工回灌过程中水化学演化特点的基础上,应用DGGE技术对场地回灌过程中地下水中的微生物群落结构变化进行研究,为评价人工回灌对地下水水质安全的影响提供科学的理论依据。结果表明:人工回灌作用使目的含水层地下水中的Eh值及DO质量浓度升高,分别由64.0 mV、1.12 mg/L升至534.4 mV、1.44 mg/L;同一位置处微生物群落结构与原始地下水状态的相似性随时间降低;同一时刻距离回灌井越远的监测井的微生物群落结构越接近于原始地下水状态。随着回灌的进行,目的含水层地下水中优势菌属(种)共有7种,其中Rubrivivax gelatinosus和Candidatus Accumulibacter phosphatis clade IIA str.的反硝化能力以及Rhodoferax ferrireducens对Fe³⁺的还原能力,对地下水水化学组分产生影响。     

人工回灌条件下多组分溶质的反应迁移模拟

人工回灌技术在我国水资源管理中占据重要地位,但是其实施对地下水环境质量也造成了较大的影响。如何保障人工回灌条件下地下水环境质量的安全稳定性,已成为人工回灌技术发展的瓶颈。以上海市某人工回灌试验场为例,结合试验场的地质、水文地质勘探结果,以TOUGHREACT为数值模拟平台,模拟预测人工回灌条件下地下水中多组分溶质的迁移转化过程。模拟结果表明：地下水化学成分主要受混合作用、阳离子交换吸附作用及含水层矿物相溶解-沉淀作用等影响;含水介质中石英、白云石、钾长石、钠长石及蒙脱石发生溶解,方解石发生沉淀,伊利石与高岭石则先溶解后沉淀,但各矿物相反应量极其微弱;按不同压力方案回灌,水位恢复速率随压力增大而加快,但地下水中化学成分变化趋势几乎不受压力影响。     

工程降水中人工回灌综合技术

建筑工程降水往往伴生水资源浪费和地面变形等环境问题,人工回灌是解决这些问题的有效手段之一。影响工程降水中人工回灌的条件有回灌场地水文地质条件、回灌水源水质和水量及回灌方案的经济可行性等因素。就工程降水中出现的问题,提出资源补充型回灌和应力稳定型回灌方法,并给出了适用条件; 根据工程降水水质特点及现有的地下水人工回灌相关水质标准,提出工程降水回灌水质的控制指标主要为悬浮物、浊度、一般污染性指标、微生物指标及重金属等。针对目前人工回灌在工程中存在的可回灌性低的问题,进行了影响入渗速率因素研究,为今后开展促渗关键技术提供理论支持。     

广东英德白沙佛冈花岗岩风化壳地下水中的稀土元素

广东省英德市白沙镇花岗岩风化壳地下水主要属于HCO3-Ca·Na型。水样的pH值在4.3～6.6之间。与世界其他花岗岩地区地下水相比,白沙地区花岗岩风化壳地下水的稀土元素(REE)总浓度偏高,在1.1～114μg/L之间,变化范围较大。地下水中的REE浓度与水的pH值呈弱的负相关关系,并且受母岩风化程度的影响。由于pH值、氧化还原状态及水中主要离子组成的差异,使得可溶态REE在水中的赋存状态存在差异。地下水与母岩、风化壳REE的PAAS标准化分布模式基本相似,呈LREE富集型,母岩中无Ce异常,而水样中有Ce负异常,表明Ce在水岩作用过程中发生了明显的分异。     

地下水人工回灌气相堵塞特征的试验研究

地下水人工回灌可以高效地利用雨季丰沛的水量来缓解地下水过量开采造成的海水入侵、泉水断流等环境水文地质问题,但回灌堵塞一直是制约人工回灌效率的关键问题。针对雨洪水回灌携带的大量气泡问题,设计室内砂柱试验模拟装置,利用曝气水进行人工回灌,定时记录试验过程中测压管读数及出流流量,利用达西定律计算各层渗透系数,研究气相堵塞的发展过程和规律。结果表明:回灌过程中由于气相堵塞导致含水层渗透系数随时间呈指数衰减,气相堵塞主要发生在介质浅表层（0~30 cm）,且随时间有向下发展的趋势,堵塞速率随深度的增加逐渐减小,在回灌过程中适时停灌进行排气有利于减小气相堵塞对回灌效率的影响。     

干湿交替条件下包气带土柱中氮素迁移转化规律实验

干湿交替的回灌方法常被用于解决地面回灌补给地下水的堵塞问题。研究干湿交替条件下地面回灌对地下水的影响对于指导再生水回灌地下水具有重要实际意义。通过室内土柱模拟实验,在入渗强度为10.5 mm/h的条件下,日均进水量3 888 mL;用干湿交替的地面回灌模式持续运行136 d,累计灌入氨氮含量为5 mg/L的模拟再生水23 894 L,研究包气带土柱对氨氮的去除效果及氮素在包气带中的迁移转化规律。研究表明,充分利用包气带的好氧、兼氧和厌氧环境,生物脱氮是地下水回灌过程中脱氮的主要途径。包气带对氨氮的去除机理主要为土壤对氨氮的吸附作用和微生物的降解作用。回灌过程中累积在土颗粒表面的氨氮在干期发生硝化作用,干湿交替会加强氮素在包气带的迁移转化,导致干期后的回灌初期大量硝态氮迁移到饱和带地下水中。     

御道口汉诺坝玄武岩偏硅酸矿泉水形成机制及其地质建造制约

冀北坝上一带玄武岩地区广布富偏硅酸地下水,研究其形成机制及其水岩作用过程对矿泉水的合理开发利用与京津冀水源涵养功能具有重要意义.结合玄武岩地质建造地下水赋存特征,综合利用水化学分析,玄武岩岩石风化机制,水岩相互作用矿物平衡体系,δD、δ18O和δ13C同位素、14C放射性同位素测年等方法,剖析了汉诺坝玄武岩偏硅酸矿泉水形成的岩石地球化学风化和水文地球化学过程及地质建造制约因素.结果表明,研究区矿泉水为低矿化度的HCO₃-Ca·Mg型与HCO₃-Na·Ca型水,矿泉水形成类型有构造断裂深循环淋溶型和层状补给富集埋藏型2类.上层古风化壳地下水14C校正年龄约为4 050 a,地下水可溶性无机碳来源于土壤CO₂与幔源CO₂的混合作用.偏硅酸矿泉水的形成与分布受玄武岩地质建造制约,受岩石地球化学特征、岩石风化地表过程和水文地球化学响应过程控制.地下水中偏硅酸主要来源于玄武岩中斜长石、单斜辉石、镁橄榄石等硅酸盐矿物的风化水解;岩石矿物风化的水化学响应过程受溶滤作用控制,受阳离子交换作用影响.      

宁夏海原盆地地下水水化学特征及其演化规律

结合宁夏海原盆地已有的地质、水文地质资料,基于水化学、同位素数据分析了研究区的水文地球化学特征。总体上当地的地下水化学场从补给区到径流区到排泄区具有明显的分带性,符合干旱区盆地的水质演化规律;地球化学模拟表明当地水岩相互作用从补给区的以溶滤-混合作用为主逐渐演变成排泄区的以溶滤-蒸发为主。水中的溶解性总固体含量升高主要由岩盐和石膏的溶解引起,第三系岩性及径流条件对地下水水质有很大的影响。同位素特征表明西华山-南华山断裂控制着当地地下水的补给,地下水开采对深层地下水水质的影响尚不明显;在有些地区,由于地下水开采加速了地下水径流,水质有变好的趋势。      

人工补给对含水层水质的影响

为了研究人工补给对含水层水质的影响问题,通过反向地球化学模拟方法对大庆西部地下水水质演化规律进行了分析。结果表明,地下水化学成分主要受含水层矿物相的溶解-沉淀作用、阳离子交换吸附作用以及氧化还原作用的影响,并确定方解石、白云石、盐岩、萤石、石膏、赤铁矿、菱铁矿、软锰矿、二氧化碳、阳离子交换剂等为影响地下水化学成分的控制性（矿）物相。在此基础上,采用正向地球化学模拟方法,以大庆市西水源地下水人工补给为例,模拟了地表水进入到地下后与含水层中原有的地下水以及含水层介质发生的水-岩相互作用。模拟结果表明,注入水与含水层中的水混合后,使地下水的矿化度有所降低,且混合水中地表水所占比例越大,地下水的矿化度越低;注入水与含水层中的地下水混合后,不会导致地下水水质的突变和水质级别的降低,还可在一定程度上改善含水层水质。     

济南泉域岩溶水水化学特征及其成因

济南泉域水质逐年变差,查明其污染来源和影响因素,对岩溶水资源开发利用及生态环境保护具有十分重要的意义,而对包含补给径流区的全区岩溶水系统分析尚未见报道.综合运用水化学(Piper三线图、离子比例系数、相关分析)和多元统计(因子分析、聚类分析)方法分析地下水水化学特征,探讨了不同区域水质影响因素及影响强度.因子分析反映了灰岩水岩作用、工业和生活污染、白云岩水岩作用、农牧业和生活污染对水化学组分的影响,贡献率依次为33.1%、28.4%、12.0%和11.8%.分析结果表明:研究区岩溶水水质受水岩作用和人类活动的双重影响;南部补给区、西郊及其以西排泄区水质优良,主要受碳酸盐岩溶解的影响;直接补给径流区部分岩溶水受农牧业和农村生活污染的影响,NO₃-含量较高;东郊排泄区、城区及近郊开采区受工业及城镇生活污染的影响,水质较差,少数地段SO₄2-、NO₃-、TDS和总硬度超标.      

人类活动影响下娘子关岩溶水系统地球化学演化

娘子关泉是我国北方最大的岩溶泉之一,也是阳泉市工农业生产和人民生活的重要供水水源。地下水地球化学演化分析表明,在地下水由补给区向排泄区运移过程中,除固有的水岩相互作用外,由于受采矿活动和地表水入渗补给的影响,岩溶水由低离子含量的HCO3-SO4或HCO3型水逐渐成为SO4型、SO4-HCO3型和SO4-HCO3-Cl型水。在泉群集中排泄区,区域流动系统与局部流动系统的地下水发生混合作用,最终形成了水质相对良好的HCO3-SO4型或SO4-HCO3型岩溶泉水。在此过程中,地下水对方解石和白云石也由最初的溶解作用演变为沉淀再结晶。尽管石膏呈持续溶解现象,但在采煤活动严重影响区域,石膏的沉淀也可能出现。地球化学模拟表明,在岩溶含水层中,地下水首先以方解石（白云石）的溶解为主;随着石膏溶解数量的增加,方解石（白云石）的溶解开始受到抑制,进而发生沉淀,石膏的溶解成为控制地下水水化学的主导过程。当矿坑水混入时,地下水相对石膏过饱和,地下水对碳酸盐岩含水介质的溶蚀能力得到增强。随着水岩反应的演进,铁氢氧化物大量沉淀,通过共沉淀和吸附作用去除了地下水中的重金属类污染物。      

岩溶含水系统降水入渗补给研究进展

岩溶含水系统中赋存着丰富的优质地下水,而大气降水是浅部可供开采的岩溶地下水的最主要补给来源。受岩溶含水系统各向异性、不均一性和直接观测难度大等因素的影响,降水入渗补给量的计算是一个非常复杂的过程。确定岩溶含水系统的汇水范围是降水入渗补给计算的首要问题,示踪法与经验公式法被证明是最有效的两种方法。降水入渗补给量的计算方法主要包括水文过程线法分析法、氧同位素法、氯质量平衡法、基于GIS的多变量综合分析法和模型法。本文对目前岩溶含水系统降水入渗补给计算方法的关键点和适用条件进行了总结和对比,同时指出大气降水物理化学性质的时空特征以及水-岩反应可以作为未来研究岩溶含水系统降水补给的研究方向之一。     

雨水花园集中入渗对地下水水位与水质的影响

作为低影响开发（Low Impact Developmet, LID）措施之一,城市雨水花园集中入渗雨水径流可增加对城区地下水的补给。根据一现场监测试验,研究了长期（监测期3年）及短期（降雨3天内）雨水花园入渗点及对照点地下水位与水质的变化,分析了集中入渗的效果和影响范围。结果表明:① 雨水花园对入渗区地下水位产生了显著影响（α=0.01）;② 氨氮（NH₄-N）在3年及雨后3日的观测值均显著小于对照值;总氮（TN）指标在短期增加显著,长期均值增加不显著。③ 硝态氮（NO₃-N）浓度在降雨后有所升高,但不显著,几个观测点浓度有增有减;总磷（TP）浓度的短期值和长期均值有增有减。对于类似研究区地下水位在2~3 m的情况,集中入渗雨水径流可有效补给地下水,对氮素影响明显,对磷影响有限。     

新疆玛纳斯河流域平原地下水水-岩作用模拟

玛纳斯河流域平原区地下水化学演化较为复杂,从上游至下游的变化特点主要以Na+、Ca2+、 HCO3-、SO42-含量和TDS值的高低相间交替演化为主。本文对此演化机理进行了水-岩作用模拟研究,模拟结果表明:①矿物相的溶解、析出和蒸发作用、稀释作用共同控制着地下水水化学的演化;②从研究区上游往下,由于地层岩性颗粒逐渐变细,水中矿物相迁入、迁出的数量逐渐增大,水-岩作用逐渐增强;③研究区上游的水-岩作用主要是地表水或灌溉水入渗补给的影响,研究区中下游的水-岩作用主要受蒸发作用的影响;④由于地表水或灌溉水的大量混入,局部的水化学演化往往不符合一般演化规律,甚至于往相反的方向演化,TDS呈下降趋势,产生复杂的过渡水化学类型。