污染河流对地下水水质影响及保护修复模式研究——以河南卫河为例

摘要

地下水作为海河流域水资源的重要组成部分，其供水量约占年度总供水量的67%。海河流域地下水污染在全国七大流域中最为严重，因此迫切需要对引发地下水污染问题的根源进行深入的研究。 论文依托于“水利部公益性行业科研专项经费项目”，选择该流域河南省境内水环境恶化最具代表性的河流——卫河，在野外取样调查与室内实验测试分析的基础上，应用水文地球化学方法、同位素的方法分析了卫河地表水与地下水的水质特征及相互转化关系及卫河沿岸河床土壤污染特征；采用静态吸附实验和土柱淋滤试验，探究河流水体中主要污染物（NH4+-N、NO3-N、TN、COD）在河流渗滤系统中的迁移转化规律；在结合卫河地下水流数值模拟和河流-地下水流系统中典型污染物迁移转化规律的基础上，提出了污染河流-地下水流系统的保护修复治理模式。 主要研究成果如下： （1）根据研究区水样氢氧同位素δD和δ18O分布特征，应用流量过程分割法，分析研究区河流与地下水补排关系，研究表明：卫河地表水补给地下水，地下水受降水、蒸发、灌溉及河流地表水的影响。根据研究区水样水化学成分，应用Piper三线图，Gibbs图、离子组分比例系数，揭示了卫河地表水各断面水化学类型均为SO4·Cl-Na型，地下水水化学类型存在差异。地表水阳离子浓度Na+>Ca2+>Mg2+>K+，阴离子浓度SO42-> Cl-> HCO3->NO3-，地表水成因类型为蒸发-浓缩型；地下水阳离子浓度Na+>Ca2+>Mg2+>K+，阴离子浓度HCO3->SO42-> Cl->NO3-，主要受溶滤作用及阳离子交替吸附作用的影响。 （2）根据供试河床土壤NH4+-N的静态吸附实验表明：土壤对NH4+-N的吸附为非线性吸附，吸附热力学符合Langmuir吸附模型。供试河床土壤土柱实验表明：土壤对NH4+-N（浓度10mg/L）90min后达到动态吸附平衡；渗滤实验中土壤与NH4+-N先发生了离子交换作用，其后发生了有机氮的矿化作用，NO3-N和NO2-N的浓度随淋滤时间及土柱深度的变化发生硝化和反硝化作用，导致DO浓度降低、pH值略微升高。 （3）采用GMS软件中的Borehole模块构建三维地质结构模型、基于MODFLOW模块构建了研究区地下水水流模型，并根据不同的地下水埋深条件和河流两岸水力梯度条件，将河流线状污染源进行分段处理。结果表明：研究区浅层地下水流场的总趋势是沿着河流的流向从西南向东北方向流动，经模型识别验证，地下水流场与实测流场拟合较好。 （4）应用Hydrus-2d软件构建了二维河流-地下水流溶质运移数值模型，模拟“三氮”和COD的迁移转化规律；以包气带底部淋滤的污染物浓度作为饱和带溶质运移的输入边界。利用RT3D模块模拟饱和带氮素的迁移转化，以MT3DMS模块模拟饱和带COD的运移，进行饱和-非饱和带溶质运移的联合模拟。结果表明：随着河流入渗时间的增长，NH4+-N、NO2-N、NO3-N和COD进入含水层的浓度逐渐升高并趋于稳定，其稳定浓度则可作为饱和含水层溶质运移模型的上边界输入浓度，污染河流对地下水的影响范围在河流两岸200m的范围内。 （5）将GMS软件中Borehole模块构建的三维地质结构模型，与MODFLOW的地下水流模型相嵌套，模拟了研究区浅层地下水流场。在此基础上利用Hydrus-2d、MODFLOW、RT3D、MT3DMS模型，建立了饱和-非饱和带污染物联合模拟模型，模拟了河流-地下水流系统中污染物迁移转化过程。 （6）探讨了地下水埋深、河道防渗、河流污染程度等因素对河流-地下水流系统污染物迁移转化的影响，提出了污染河流的地下水保护修复模式。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及技术路线

1.4 论文创新点

第二章 研究区概况

2.1 自然地理条件

2.2 水文地质概况

2.3 地下水循环特征

2.4 地表水和地下水补给关系

2.5 卫河水环境状况

第三章 卫河沿岸水体及河床土壤污染特征

3.1 卫河水体污染特征

3.2 河床土壤污染特征

3.3 本章小结

第四章 河流与地下水的补排关系

4.1 样品采集与分析

4.2 水化学成分形成作用分析

4.3 水文地球化学特征

4.4 地表水-地下水系统同位素特征及转化关系

4.5 本章小结

第五章 污染物在土壤中的迁移转化规律

5.1 NH4+-N的吸附特性研究

5.2 污染物迁移转化过程模拟实验

5.3 本章小结

第六章 卫河地下水流数值模拟

6.1 模型范围

6.2 三维地质结构模型

6.3 水文地质概念模型

6.4 数学模型及求解

6.5 数值模型

6.6 模型识别和验证

6.7 本章小结

第七章 典型污染物迁移转化数值模拟

7.1 溶质运移机理及数学模型

7.2 河流氮素迁移转化机理

7.3 包气带典型污染物迁移转化数值模拟

7.4 饱和含水层典型污染物迁移转化数值模拟

7.5 本章小结

第八章 污染河流-地下水流系统保护修复模式

8.1 污染河流对地下水影响因素分析

8.2 污染河流-地下水保护修复模式

8.3 本章小结

第九章 结论与建议

9.1 结论

9.2 建议

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢