（环境工程专业论文）地下水中硝基苯迁移规律的试验研究.pdf

摘要 本文在当前渭河受到严重污染的现状，以及有机物污染物对地下水影响日渐明显， 业已影响到人民生产生活的背景下，结合渭河沿岸地区地下水运动特性，选择渭河草滩 段地下水中硝基苯迁移为研究对象，对特征污染物硝基苯在地下水中的迁移规律开展了 系统的研究。 采用室内试验模拟方法，深入探讨硝基苯在不同粒径砂样地下水中迁移的内在规 律，揭示迁移过程中对硝基苯的对流稀释、吸附等行为特征，分析诠释了硝基苯在不同 粒径砂样的地下水中迁移的规律特征。结果表明： 1 通过n a c i 示踪实验获得地下水中不同粒径砂样的渗透系数k 。经筛分的细砂和 中砂的渗透系数分别为4 1 8 m d 、2 0 7 4 m d ，未经筛分的渭河河漫滩原砂样的渗透系数 为5 0 6m d 。 2 本次研究表明，硝基苯在地下水中的迁移受对流、弥散、吸附等作用影响，但 主要影响因素是对流和吸附作用。硝基苯密度比水大在一定程度上也会影响其迁移特 征，特别是在硝基苯浓度较高的地下水中，硝基苯的密度物理特性对硝基苯的纵向和横 向分布影响较大。 3 对实验模型的结果分析表明：在不同粒径砂样的地下水中，颗粒级配是影响吸 附作用的关键性因素。颗粒级配越是均匀，其含水层中硝基苯的浓度降低的越明显。在 同一浓度下，原砂样的吸附能力大于细砂的吸附能力，细砂的吸附能力大于中砂的吸附 能力。细砂和原砂样的颗粒级配较中砂的更为均匀，故在硝基苯的迁移过程中，同一取 样点处含水层中硝基苯的浓度比中砂更低。且由于细砂和原砂样颗粒级配和孔隙度都比 较接近，故二者对硝基苯在地下水中迁移所表现出的规律无论是时间还是空间上也较为 接近。 4 在吸附的实验中可得出，细砂、中砂和原砂样快速吸附时间分别为1 5 、1 5 和 2 h ，慢速解析时间分别为5 5 、l 和5 h ，达到平衡的时间分别为7 、2 5 和7 l l 。 5 在三种不同粒径砂样的含水层中，硝基苯浓度在垂直方向上分布不均，随着埋 深的增加硝基苯的浓度增加，造成这种现象有两个主要原因。一是地下水的流场分布不 均，埋深浅的流速大于埋深深的流速，故在单位时间内埋深浅的地方水流对硝基苯的对 流作用表现明显；二是由于硝基苯的比重大于水的比重，垂直方向上由于重力的作用， 上层的硝基苯向临近的下层迁移，致使上层硝基苯含量降低下层含量增加。二者共同作 用表现出上述现象。 6 在相同的地下水实际流速下，同一取样孔位置硝基苯浓度峰值出现的时间由早到 晚依次是中砂、细砂和原砂样，此现象也是与三种不同砂样的阻滞能力不同有关。根据 实验数据，计算得到细砂、中砂和原砂样中硝基苯平均运移速度为3 3 4 7 c m d 、3 7 9 4 c r n d 、 3 0 3 6 c m d ，都远低于地下水流的渗流流速4 6 9 2 c m d 。 7 利用m a t l a b 工具建立原砂地下水的有水流稳态源溶质的时间扩散模型，并对 纵向扩散系数d x 估计、回归结果分析，以d x = 0 5 4 0 c m 2 m i n 建立的一维稳态源溶质随 时间的运移数学模型，用实测值检验预测值所得相对误差在0 0 l 到o 0 5 之间，故可以 认为预测效果良好。 关键词：地下水、渗流槽试验、迁移规律、硝基苯 i i a bs t r a c t b a s e do nt h ec u r r e n ts t a t u so ft h ew e i h er i v e ri sb a d l yp o l l u t e d ，a n dt h ei m p a c to f o r g a n i cp o l l u t a n t si ng r o u n d w a t e rb e c o m ea p p a r e n t ，h a sa f f e c t e dp e o p l ei nt h ec o n t e x to f p r o d u c t i o na n dl i v i n g ，c o m b i n e dw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n d w a t e rm o v e m e n ti nc o a s t a l a r e a so ft h ew e i h er i v e r , t h ew e i h er i v e rm a r s hc h o o s em i g r a t i o no fg r o u n d w a t e ri nt h e s t u d yo fn i t r o b e n z e n eo b j e c t ，o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o l l u t a n tn i t r o b e n z e n ei nt h em i g r a t i o n o fg r o u n d w a t e rc a r r i e do u ti nt h es y s t e m u s i n gl a b o r a t o r yt e s ts i m u l a t i o nm e t h o d so fn i t r o b e n z e n ei nw a t e rd e p t ho fs a n do f d i f f e r e n tp a r t i c l es i z eo ft h ei n t e m a lm i g r a t i o no fm e d i al a w , r e v e a l i n gt h em i g r a t i o np r o c e s s o fn i t r o b e n z e n ed i l u t i o n , a d s o r p t i o n ，d e g r a d a t i o na n do t h e rb e h a v i o r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n a l y z e a n di n t e r p r e tt h en i t r o b e n z e n es a n do fd i f f e r e n ts i z e si nt h em i g r a t i o nl a w so fm e d i af e a t u r e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： 1 b yn a c it r a c e re x p e r i m e n t si ng r o u n d w a t e ro fd i f f e r e n ts i z es a n dm e d i ap e r m e a b i l i t y k t h es c r e e n i n go ft h es a n da n dt h es a n dp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t sw e r e4 18 m d ，2 0 7 4 m d ， w i t h o u tt h es c r e e n i n go ft h ew e i h er i v e rf l o o d p l a i no ft h eo r i g i n a ls a n ds a m p l ep e n e t r a t i o n c o e 伍c i e n t5 0 6r n d 2 t h i ss t u d ys h o w st h a tt h em i g r a t i o no fn i t r o b e n z e n ei nt h eg r o u n d w a t e ra r em a i n l yd u e t oc o n v e c t i o n ，d i f f u s i o n ，a d s o r p t i o na n db i o d e g r a d a t i o n t os o m ee x t e n t ，n i t r o b e n z e n ed e n s i t y t h a nw a t e rw i l la l s oa f f e c tt h em i g r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，e s p e c i a l l yi nt h eh i g h e rc o n c e n t r a t i o n o fn i t r o b e n z e n ei ng r o u n d w a t e r p h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h ed e n s i t yo fn i t r o b e n z e n eh a sa g r e a t e ri m p a c to fv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o no f n i t r o b e n z e n e 3 a c c o r d i n gt ot h em o d e lu s e di nt h i se x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a t ：g r o u n d w a t e ri n d i f f e r e n tm e d i as i z e ，t h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o ni st h ek e yf a c t o ra f f e c t i n gt h ea d s o r p t i o n e f f e c t t h em o r eu n i f o r mp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n , t h ea d s o r p t i o no ft h em o r eo b v i o u s ，t h e c o n c e n t r a t i o no fn i t r o b e n z e n ei nt h ea q u i f e rd e c l i n ef a s t e r i nt h es a m ec o n c e n t r a t i o n ，t h e a d s o r p t i o nc a p a c i t yo ft h eo r i g i n a ls a n ds a m p l ei sg r e a t e rt h a nt h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo ff i n e s a n d ，f i n es a n di sg r e a t e rt h a nt h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo ft h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fs a n d f i n e s a n da n dt h eo r i g i n a lp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no fs a n d - l i k es a n dt h a ni nt h em o r eu n i f o r m ，s o t h em i g r a t i o np r o c e s si nn i t r o b e n z e n e ，f i n es a n da n dm e d i u ms a n da q u i f e r , t h ec o n c e n t r a t i o n i i i o fn i t r o b e n z e n ei nt h es a n dt h a ns m a l l e r a n db e c a u s et h ef i n es a n da n dt h es a n dl i k et h e o r i g i n a lp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o na n dp o r o s i t ya r er e l a t i v e l yc l o s e ，s ot h et w oo fn i t r o b e n z e n e i nt h em i g r a t i o no fg r o u n d w a t e rl a wh a v e c l o s e s h o w nt i m eo rs p a c e ，w h e t h e ri ti sa l s or e l a t i v e l y 4 a d s o r p t i o na n db i o d e g r a d a t i o ni nt h ei n t e r a c t i o no fe x p e r i m e n tc a nb ed r a w n ，f i n es a n d ， m e d i u ms a n da n ds a n dl i k et h eo r i g i n a lf a s ta d s o r p t i o nt i m ew e r e1 5 ，1 5a n d2 h ，t h es l o w d e s o r p t i o nt i m ew a s5 5 ，1a n d5 h ，t h et i m et or e a c he q u i l i b r i u mr e s p e c t i v e l y7 , 2 5a n d7 h 5 t h r e ed i f f e r e n ts i z em e d i aa q u i f e r , t h en i t r o b e n z e n ec o n c e n t r a t i o ni nt h eu n e v e n d i s t r i b u t i o ni nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n ，a st h ed e p t hi n c r e a s e st h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r o b e n z e n e ， t h e r ea r et w om a i nr e a s o n sf o rt h i sp h e n o m e n o n f i r s t ，t h eu n e v e nd i s t r i b u t i o no fg r o u n d w a t e r f l o w , s h a l l o wd e p t ho ft h ef l o wv e l o c i t yi sg r e a t e rt h a nb u r i e dd e e p ，s oe m b e d d e di nt h eu n i t o f t i m ew h e r et h ed e p t ho fw a t e ro nt h ep e r f o r m a n c eo fn i t r o b e n z e n ei nt h er o l eo fc o n v e c t i v e d i s p e r s i o ns i g n i f i c a n t l y , t h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r o b e n z e n ei nt h ea q u i f e rr a p i dd e c l i n e ；s e c o n d ， t h ep r o p o r t i o no ft h en i t r o b e n z e n ei sg r e a t e rt h a nt h ep r o p o r t i o no fw a t e r , t h ev e r t i c a l d i r e c t i o nb e c a u s eo f g r a v i t y , n e a rt h et o po ft h en i t r o b e n z e n et ot h el o w e rm i g r a t i o n ，r e s u l t i n g i nd e c r e a s e du p p e rl o w e rc o n t e n to fn i t r o b e n z e n ei n c r e a s e d i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et w o s h o w st h i sp h e n o m e n o n 6 i nt h ea c t u a lf l o wo fg r o u n d w a t e ru n d e rt h es a m e ，t h es a m es a m p l i n gh o l ec o n c e n t r a t i o no f n i t r o b e n z e n ep e a l ( t i m ef r o me a r l yt ol a t ef o l l o w e db ym e d i u ms a n d ，f i n es a n da n ds a n dl i k e t h eo r i g i n a l ，t h i sp h e n o m e n o ni sa l s oa s s o c i a t e d 谢t ht h r e ed i f f e r e n tk i n do fb l o c ks a n d d i f f e r e n tc a p a c i t i e sr e l a t e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h ec a l c u l a t e df i n e s a n d ， m e d i u ms a n da n ds a n ds a m p l e so ft h eo r i g i n a l a v e r a g em i g r a t i o nr a t eo fn i t r o b e n z e n e 3 3 4 7 c m d ，3 7 9 4 c m d ，3 0 3 6 c m d ，w e l lb e l o wt h es e e p a g eo fg r o u n d w a t e rf l o wv e l o c i t y 4 6 9 2 c m | d 7 u s i n gm a t l a bt o o l st o c r e a t et h eo r i g i n a ls t e a d yf l o w o fs a n da r e t h es o u r c eo f g r o u n d w a t e rs o l u t ed i f f u s i o nm o d e lo ft i m e ，a n dt h el o n g i t u d i n a ld i f f u s i o nc o e f f i c i e n td x e s t i m a t i o n ，r e g r e s s i o na n a l y s i so fr e s u l t st od x = 0 5 4 0 c m 2 m i ne s t a b l i s h e do n e d i m e n s i o n a l s t e a d ys o u r c eo fs o l u t ew i t ht i m em i g r a t i o nm o d e l ，t h em e a s u r e dv a l u eo ft h et e s t 、析t l lr e l a t i v e e r r o r so f p r e d i c t e dv a l u eb e t w e e n0 0 1t o0 0 5 ，s ot h a tt h ep r e d i c t e de f f e c ti sg o o d k e yw o r d s ：g r o u n d w a t e r ，p e r c o l a t i o nt a n kt e s t ，m i g r a t i o n ，n i 订o b e n z e n e i v 长安大学硕：j ：学位论文 第一章绪论 地下水是地球上最主要、分布最为广泛的水资源之一。全世界超过1 5 亿的人口主要 依靠地下水作为饮用水。然而随着人类活动的增加和社会经济的飞速发展，地下水正遭 受着越来越严重的污染，进而对人类的正常生存生活造成很大的威胁【m 】。目前在我国【3 】， 有2 3 的城市是以地下水作为主要的供水水源，特别在北方一些干旱地区，地下水已成 为唯一的水源。 由于温室气体的排放影响了全球气候发生了明显的改变，从而影响了降水分布状 况，我国北方地区降雨量逐年递减。在某些地区，地下水已经成为人们生产生活用水的 唯一来源。并且，由于对地下水的不合理开发利用，对地下水污染形势及其危害性的重 视不够等，造成严重的地下水污染问题。据2 0 0 7 中国地质环境公报f 4 】，全国1 8 9 个大中 城市的地下水水质监测资料统计( 表1 1 所示) ，全国6 个地区地下水均遭受不同程度的 污染，而且呈恶性发展的趋势。据中国环境科学研究院监测资料【5 1 表明，全国基本清洁 的地下水只占3 。 表1 1全国各地区2 0 0 7 年地下水水质情况表 华北 地区 东北地区 西北 地区 华东 地区 中南华南地区 西南地区 浅层地下水 深层地下水 浅层地下水 浅层地下水 深层地下水 浅层地下水 深层地下水 浅层地下水 深层地下水 浅层地下水 2 0 0 5 年1 2 月广东北江水污染，此次北江韶关段镉严重超标，是由韶关冶炼厂设备 检修期间超标排放含镉废水所致，是一次由企业违法超标排放导致的严重环境污染事 弱 钌 钞 鲐 四 配 筋 钉 钇 钳 钻 叭 钙 们 舛 船 如 铝 第一章绪论 故。2 0 0 6 忙牛河水污染事件，污染带长约5 公里，污染物为二甲基苯胺。据了解，此次 事故系吉林长白山精细化工有限公司向忙牛河中人为排放化工废水所致。随着社会经济 的快速发展、城市化建设的推进、工业化的高速发展，在生产生活和建设过程中产生了 大量的废水、废渣、废气，不仅对大气、地表水等造成污染，同时也间接或直接的污染 着地下水。农业生产过程中施用农药、化肥随雨水淋滤入渗地下，造成地下水污染；使 用被污染的地表水或直接使用未经处理的污水灌溉，造成污水中的有毒有害物质侵蚀土 壤，并下渗到地下水中，造成地下水污染。地下水的污染同时加剧了可利用水资源短缺， 影响人们的生活和生产，威胁人们的身心健康，制约社会经济的发展p 1 。 基于此背景，本次研究以特征污染物硝基苯为代表，开展硝基苯在地下水中不同粒 径砂样地下水中的迁移规律的试验研究，对硝基苯在地下水中的迁移特征详细的描述， 可为污染物在多孔介质中的溶质运移提供科学依据。同时也为其他污染物的相关研究提 供可借鉴的参考依据。 1 1 硝基苯的性质 1 1 1 硝基苯的理化性质 硝基苯( n i t r o b e n z e n e ) 系芳香族化合物，室温下为无色或淡黄色、苦杏仁味的油 状液体，易溶于多种有机溶剂，如甲醇、乙醇、乙醚等。在空气中的爆炸极限( 下限) 为 1 8 。被广泛应用于化工产业，主要用于合成苯胺和硝基苯衍生物，制造炸药、染料、 润滑油、香料、橡胶助剂及药物等，也可作为有机溶剂。主要存在于染料、炸药和制革 等工业废水中。硝基苯的部分理化性质详见表1 2 。 表1 2 硝基苯的部分理化性质【8 1 化学名称硝基苯 9 化学结构式 化学式c 6 h s n 0 2 n 吨 分子量 1 2 3 0 6 l ( o 、v3 6 6 5 0 ( 估计值) 分馏系数 溶解度 1 9 9 l ( 2 0 c )l o gl ( o c 1 8 5 比重 1 1 9 9 ( 2 4 ，4 。c ) 蒸气密度 4 1 ( a i r = 1 ) 沸点 2 1 0 9 。c ( 1a t m ) 凝固点 5 8 c5 ( 7 6 0 t o r r ) 闪点8 8 c ( 闭口杯法)亨利定律常数 2 3 x 1 0 a r m i t l 3 m o l ( 2 5 c ) 2 长安人学硕。f ：学化论文 硝基苯属半挥发性有机物，自然条件下挥发缓慢。硝基苯在水中的稳定性极高，由 于其密度大于水，进入水体后会沉入水底，长时间保持不变。又因为在水中有一定的溶 解度，所以造成的水体污染会持续相当长的时间。 1 1 2 硝基苯的毒性及浓度限制 硝基苯化学性能稳定，对生态生物及人类都有毒害作用，毒性高于一般化合物的 2 0 - - 3 0 倍。硝基苯进入环境中将对人体健康构成极大威胁，美国、欧盟及我国国家环保 部将其列入环境优先控制污染物的名单中。 l 、对人体健康的危害 硝基苯可通过皮肤吸附和呼吸系统进入人体，产生危害。皮肤对液态硝基苯吸附可 达0 2 - 3 o m g c m 2 l l o u r 【9 】。 硝基苯慢性中毒可有神经衰弱综合征，慢性溶血时，可出现贫血、黄疸。急性中毒 表现为高铁血红蛋白症，导致红细胞携带氧的能力降低，可引起神经系统症状，还可引 起肝肾的损伤，严重者可引发急性肝坏死。急性硝基苯中毒的神经系统症状较为明显， 有高热、多汗、缓脉等症状，初期血压升高、瞳孔扩大等植物神经系统紊乱等症状。吸 入硝基苯后，由于硝基苯的氧化作用，使血红蛋白变成氧化血红蛋白，大大阻止了血红 蛋白输送氧的作用，会出现呼吸急促和皮肤苍白的现象。严重者会因呼吸衰竭而死亡。 美国e p a 根据是按所制定的人体暴露限值为0 0 0 0 5 m g k g d a y 。国际癌症研究机构认为 硝基苯具有潜在的致癌风险。 2 、对水生生物的危害 硝基苯对水生生物表现为低毒性【l o l 。有关硝基苯对水生生物体内富集系数的研究表 明，硝基苯在水生生态系统中的富集作用很小。硝基苯浓度为0 0 1 0 1 m g l 时，水生 生物中的富集不明显，大部分硝基苯滞留在水体中，有机体将硝基苯代谢生成苯胺、硝 基酚等。 3 、硝基苯的浓度极限值 我国制定的一系列有关硝基苯浓度限值的环境标准，详见表1 3 。 3 第一章绪论 中国( t j 3 6 7 9 )车间空气中有害物质最高容 许浓度 居住区大气中有害物质最高 容许浓度 中i n ( g b 8 9 7 8 19 9 6 ) 污水综合排放标准 中i 蚕( g b 8 3 8 3 2 0 0 2 ) 地表水环境质量标准 ( i ，i i ，i i i 类水域特定值) 5 m g m 3 曼l k 0 0 1m g m 3 一级：2 0 m g l 二级：3 0 m g l 三级：5 0 m g l 0 0 1 7 m g l 我国集中式生活饮用水地表水水源地的硝基苯浓度限值，与美国环保署所制定的保 护人体健康水质基准的限值一致，为o 0 1 7 m g l 。 1 1 3 环境中硝基苯的来源及去向 1 、环境中硝基苯的来源 据统计【1 1 】，在生产、运输、储藏和使用的过程中，全球每年向环境中排放的硝基苯 可超过1 0 0 0 0 吨。随着化工工业的不断发展，硝基苯的需求也在不断增加，向环境中排 放的硝基苯数量仍会持续增加。近年来，在含有硝基苯的化工产品运输储藏过程中，由 于违规操作等引发的事故也成为硝基苯污染的原因之一。 工业上硝基苯是由苯与浓硝酸在硫酸催化作用下生成，生产过程中向环境中排放 o 1 的硝基苯。废水中含有少量的苯、硝基酚、硝酸盐、硫酸盐等。当硝基苯作为溶剂 使用时，由于其具有挥发的性质，故向环境中排放的量会更大。在以硝基苯为原料的工 业生产过程中排放的废水中，硝基苯的含量一般为2 0 0 3 0 0 m g l ，苯胺含量一般为3 0 m g l 左右。 除硝基苯在工业生产、储藏、运输和使用过程中会向环境中排放外，市政污泥焚烧、 危险废弃物等也在向大气、土壤和水体中释放硝基苯。大气中的硝基苯部分光解，部分 由于相对密度大于空气下沉，随着降水和降尘进入水环境中，成为水环境中硝基苯的一 个污染源。 2 、环境中硝基苯的去向 4 长安大学硕j ：学位论文 进入环境中的硝基苯，会受到包括物理化学和生物反应在内的一系列的作用而发生 衰减。硝基苯的结构和化学性质较为稳定，通常不会发生水解。环境中的硝基苯在迁移 转化的过程中，光解、挥发、吸附起主要作用。 ( 1 ) 硝基苯的光解 硝基苯的光解主要发生在光线能够照射到的地表环境中，如表层土壤、地表水中。 在紫外光的作用下，硝基苯转化为亚硝基苯、苯酚等产物。z e e p 等研究了北纬4 0 度附 近地表水水体中硝基苯的直接光解，得出其半衰期为2 5 6 天【1 2 】。 由硝基苯生成的亚硝基苯和酚类也可发生光解，但此过程相对以上的光解过程较为 缓慢。研究表明【1 3 1 ，该光解过程的半衰期约为2 5 0 天，以此据一级反应动力学估计，在 p h = 7 的地表水中，硝基苯的间接光解半衰期为2 5 0 天1 3 年。 ( 2 ) 挥发作用 z o e t e m a n 等估计河水中硝基苯的挥发半衰期为1 天【1 4 j ，i n c e 估计湖水硝基苯的挥 发半衰期为8 一2 0 天【9 】，j u r y 等研究表明，地表1 0 c m 土层处，硝基苯的挥发半衰期为 1 9 天1 9 1 。水环境中硝基苯挥发较慢，随着水体的蒸发增强而增强。 ( 3 ) 吸附作用 在l o k k e 以有机含量为1 8 2 和2 5 8 的土壤中，由非线性f r e u n d l i c h 方程得到的土 壤有机碳水分配系数k o c 在17 0 - - 一3 7 0 之剐1 5 1 。b a h n i c k 等根据分众连接性指数计算 得k o c = 1 4 8 。r o y 等根据溶解度和k o w 计算得到k o c 值分别为7 9 和6 2 ，并且认为硝基 苯在土壤中的有较高的迁移性 9 1 。多数土壤吸附试验表明，硝基苯在沉积物上的吸附程 度中等，吸附量主要与土壤中有机碳的含量有关，温度、p h 和阳离子交换容量等影响 较小。在土壤中硝基苯迁移能力属于中等，但与有机物含量成反比，即有机碳含量越低 迁移能力越强。硝基苯在土壤和有机物上的吸附可阻滞污染的迸一步扩散。 ( 4 ) 生物降解作用 在生物酶的催化作用下，有机物经一系列生化反应转化为结构简单的化合物或无机 物，从而使有机物含量降低或完全去除。许多研究表明，在自然环境中，硝基苯可通过 环境微生物的代谢活动得到降解。p i w o n i 等用微环境模拟实验研究快速入渗的废水土地 系统中硝基苯的环境归宿。结果表明，2 0 摄氏度下，2 7 1 u g l 的硝基苯降解率可达 9 9 9 1 9 1 。c h a r d e 等以化工厂附近的土壤中微生物作为接种体，7 2 小时内将1 2 0 m g l 的 硝基苯完全降解1 1 7 1 。 5 第一章绪论 1 2 硝基苯污染的简介 在自然环境中，硝基苯是一种难降解的有机物，属于持久性有机污染物，它可长时 间滞留于环境中，并在水体和土壤等环境中通过食物链向生物体体内转移，给各种生物 的生长产生影响，甚至威胁物种的生存。研究表明，当前水体、土壤等自然环境以及某 些生物体都在不同程度上受到了硝基苯的污染。硝基苯的污染途径如图1 1 所示 图1 1 硝基苯的污染途径 一、硝基苯对土壤的污染 土壤是既是微生物和植物的生长环境，也是营养来源。无疑被硝基苯污染的土壤环 境必然会通过食物链向其他营养级生物体传播。目前对某些地区的土壤检测中还是能够 发现一定量的硝基苯，而且土壤中富集的硝基苯还会通过水循环污染地表水和地下水， 从而造成硝基苯污染范围的扩大。 二、硝基苯对水体的污染 硝基苯在水体及沉积物中的残留和富集近年来已得到各界的广泛关注。研究表明， 硝基苯污染物在一些地下水中检出，且含量在不断增加。普通的水处理过程中，不能够 去除水中的硝基苯。致使这些地下水中硝基苯富集【1 8 】。 6 长安大学颂 二学位论文 1 3 研究区的概况 1 3 1 地形地貌条件 陕西省关中地区地处陕北黄土高原南部和关中河谷平原地区，地理位置：东经 1 0 6 0 1 8 1 1 0 0 3 5 ，北纬3 3 0 3 5 - 3 5 0 5 2 ，渭河流域面积5 5 1 0 4 k m 2 。地形南北高中问低， 西高东低，中间为一由西向东倾斜的地堑式构造盆地，渭河自西向东穿过盆地中部。地 质构造属于华北鄂尔多斯台地的一部分，第四纪以来，台块北部堆积黄沙，南部覆盖了 深厚的风积黄土，其厚度一般在5 0 1 5 0 m 之间，是我国黄土高原的中心部分。关中平 原地势较为平坦，是渭河地堑基础上经黄土沉积和河流冲积形成的平原，海拔3 2 0 6 0 0 m ，南北侧呈不对称性阶梯台地【1 9 1 。 1 3 2 水文地质条件 据资料显裂2 们，自新生代以来，关中盆地内堆积的第四纪松散岩类，渭河及其支流 阶地，含水层为冲积砂、砂砾石夹粉细砂和亚粘土层，厚度5 - - 8 0 m 。在河漫滩及一级 阶地，主要是砂砾石、砂卵石组成，一般厚3 0 - - 6 0 m ；渭河二级阶地，主要是由砂砾石 组成，厚2 0 - - 4 0 m ；三级阶地和支流阶地，主要为亚砂土、亚粘土及粉细砂组成，厚度 一般为l o 4 0 m 。 以主流渭河的漫滩较宽，可达l - - 一3 k m ，滩面平坦，高出河床l 3 m ，标高3 6 0 - - - 3 9 0 m ， 自西向东降低，并可分出高低漫滩，两者之间有断续高约o 5 i m 的小陡坎分布，高漫 滩表面多为薄层亚砂土，局部为亚粘土覆盖，后缘稍低凹，局部有斑状盐渍出现；漫滩 区潜水水位浅。 研究区域属河漫滩，位于渭河中游西安市西北处草滩段，距机场专用高速路收费桥 上游5 0 0 0 m 。该区域含水岩由全新统、上新统、中更新统上部等冲积组成。岩性以砂、 砂砾石、数沙粒卵石为主，夹亚砂土、亚粘土透镜体。 研究区域内潜水主要是第四系松散层孔隙水和孔隙裂隙水，渭河高漫滩及一级阶地 为富水区，水位埋深一般为2 - - 一8 m ，单井涌水量一般为1 0 0 0 - - 一3 0 0 0 t d ；二、三级阶地 及支流阶地，为弱富水区，水位埋深3 - 一3 0 m ，单井涌水量为6 0 - - - - - 2 5 0 t d 。 1 3 3 地下水化学特征 西安地区地下水特征比较复杂，除受控于自然地理，地层岩性、水文地质条件外， 还有人为活动的显著影响，主要表现在含水层水化学类型、矿化度、离子含量等变化较 7 第一章绪论 大，水平径流方向分带规律比较明显。其中，潜水含水层水化学特征主要随补给水的成 分、径流距离长短、人为活动影响程度等的不同而发生变化。既具有自秦岭山前向渭河 河谷的区域性水平分带规律，又显示出西安城郊区呈独特岛状、环带状受人为活动影响 的水化学成分的变异现象，阴离子以h c 0 3 占绝对优势，但城区及北郊等局部地方s 0 4 、 或c l 也有较大比例；阳离子变化较大，除东南山前及塬区多以c a 为主外，其余n a 、 n a m g 多离子组合。故化学类型前者显得简单，后者即北部平原区则相对比较复杂，并 随着揭露潜水含水段的深度不同而变化，一般浅部矿化度较高，达1 - 4 9 l ；随深度增 大而降低。北郊南党村草滩镇及盐张村，出现了三元组合的五元水类型，即s 0 4 、c 1 、 h c 0 3 或c i 、s 0 4 n a m g 型水，矿化度达2 - 4 9 l 。c i 、s 0 4 、n a 分别达7 0 0 、7 0 0 9 0 0 、 6 0 0 - - 9 0 0 m g l ，n o 3 、n o 。2 、总硬度分别达4 0 0 - - 6 0 0 、o 1 o 5 m g l ，5 0 - - 1 0 0 德度。该 地段出于古汉城及西安城区潜水径流下游的交汇地带，地势较低，表层为粘性土加之排 水不畅，经溶解、溶滤、污染、浓缩等多种水化学作用，导致潜水矿化度升高、离子组 分最为复杂。以北关及草滩镇为中心呈环状或岛状分布为c 1 、h c 0 3 ( s 0 4 、c 1 ) 型、或 h c 0 3 、c i s 0 4 ( h c 0 3 、s 0 4 、c 1 ) 型，矿化度、硬度、p h 值等达本区最高，分别为1 5 4 9 l ，6 0 - 9 0 余德度，7 4 - - - - 8 1 。 8 长安大学硕士学位论文 第二章国内外研究现状、存在问题及选题依据 2 1 国内外研究现状 对地下水污染的物质通常可分为两类保守性污染物和非保守性污染物。一般来说， 保守性污染物在土壤及地下水中运移时，化学性质不发生变化，不会发生衰减和吸附等 现象。描述保守性污染物在土壤及地下水中运移方程主要有对流和弥散项。而非保守性 污染物随下渗水体在土壤及地下水中运移过程比保守性污染物要复杂得多，它不仅发生 对流和弥散作用，而且要发生复杂的化学变化和生物反应，使一些污染物降解为无毒无 害的组分，部分污染物由于过滤吸附和沉淀而截留在土壤里，还有一些污染物被植物吸 取或合成到微生物体内，结果使污染物浓度降低当然，非保守性污染物在运移过程中还 可能出现使污染物浓度增加的现象，或从一种污染物转化成另一种污染物。因此，描述 非保守性污染物在土壤中运移方程有对流、弥散、吸附、衰减、反应及植物吸取等项另 外，运移方程中含有水分运动参数，从而使非保守性污染物在土壤中运移方程求解相当 困难和复杂【2 lj 。 非保守性污染物在河流与地下水系统中的迁移转化研究起步于上个世纪中后期。 b o u r g 和b e r t i n 2 2 】、m a c h e r 2 3 1 研究了在河岸边抽水条件下，河床、河岸和含水层对生物、 化学类污染物向地下水源区的迁移的影响；g r i s c h e ke ta l ( 1 9 9 8 ) 2 4 j 、v e r s t r a e t e ne ta l ( 1 9 9 9 ) 【2 5 l 研究了通过过滤、吸附、生物捕食和自然衰减的联合作用，形成了河床和含 水层基质生物污染物的天然过滤；r a s h e e t s 和r a d a r n e r 等( 2 0 0 2 ) 1 2 6 j 深入研究潜在 病原体向供水井的迁移，估算出从河流到生产井的平流迁移时间；a l e x a n d r ac o y n e l 等 ( 2 0 0 7 ) 2 7 】研究了由煤矿开采和金属冶炼形成的地下水c d 和z n 污染物，在地下水向河流 径流过程中的自然衰减；s t e v e nw c h a p m a n 和b e t hl p a r k e r ( 2 0 0 7 ) 2 8 j 分析了河流与 地下水的转化关系对t c e 污染晕自然衰减的影响。 由于我国近年来河流污染严重，关于污染河流对地下水影响方面的研究相对较多， 俞艳荣和李同福( 1 9 9 8 ) 【2 9 】将地表水与地下水相结合，利用污染物运移计算模型，对地 下水污染运移机理、扩散速度等进行了分析计算，揭示了地下水污染的主要影响因素、 污染范围、污染程度等。术洪亮和魏保军等( 1 9 9 9 ) o o 】通过建立莱州湾南岸地区地表水 与地下水污染之运移的数学模型，对研究区地下水及地表水污染特征及污染现状进行调 查、分析，为地下水资源的合理利用开发提供了依据。吴耀国和沈照理等( 1 9 9 9 ) 1 3 l j 9 第：二章国内外研究现状、存在问题及选题依据 从水量和水质两个方面证明了引起河流污染的主要原因是矿坑水的排入，研究了河水与 裂隙水之间的接触关系，发现两者之间不仅存在着联系通道，而且裂隙水的水头明显低 于河水水头，说明河水以渗漏的形式补给裂隙水，引起裂隙水的污染。高宗军和高洪阁 等( 2 0 0 2 ) 3 1 1 泰安市为例，指出污水补给地下水后，地下水化学环境呈厌氧环境，并 沿河道在补给地下水方向呈条带状分布，宽度受水力坡、岩土颗粒大小、污水浓度及补 给时间等因素影响。赵军( 2 0 0 3 ) 1 3 3 1 通过对河流沿岸地下水水质监测，分析河流污染与 地下水污染的相关性，通过对数据样本的统计分析，采用对水质污染物均质t 检验的方 法，说明了小凌河水质中污染物浓度与其沿岸地下水水质的污染物浓度呈显著正相关。 柴宏伟和雷美清( 2 0 0 4 ) 1 3 4 j 通过室内模拟实验研究，初步分析了河流污染对地下水的影 响范围和影响研究；李志萍和陈肖刚等( 2 0 0 6 ，2 0 0 7 ) 3 5 - 3 6 1 选取3 种天然砂土作为渗透 介质进行室内试验研究，研究污染河流中的c f f w i ) 对浅层地下水的影响及污染河流中苯 系物对浅层地下水的影响；李海明和陈鸿汉等( 2 0 0 6 ) 1 3 7 j 在室内土柱模拟或野外实测的 基础上，定性或定量地研究了污染的河水对地下水环境的影响，为沿河地下水环境保护 提供了科学依据。要定量描述污染质在河流地下水系统中迁移转化过程，动力学模 型是关键。值得提出的是，已有学者构建了污染质在河流一含水层系统中迁移转化的数 学模型。王超和王沛芳等( 2 0 0 2 ) 1 3 8 1 在分析野外现场观测资料的基础上，建立了河流污 水饱和