环境岩土工程学概论

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1、第3章地下水污染运移模型水循环地下水的补给、排泄降水入渗、土壤蒸发、地下水蒸发入渗、作物生长、污水灌溉、垃圾淋滤、污水土地处理系统等等都与饱和非饱和水流运动有关。准确地描述及预测饱和—非饱和水流运动规律，求出污染物浓度的时空变化规律，以此来预测地下水污染的瞬时动态与扩展范围，为制定合理有效的地下水污染防治措施，选择最佳治理方案提供科学依据。为寻求定量描述地下水污染运移的规律，我们必须研究污染运移的模型。土是三相多孔介质，溶质在地下水中运移。这是一个复杂的物理化学过程。研究土壤水势能理论和土壤水运动规律建立

2、相关的地下水和污染运动方程(运移模型)。水流模型水质模型耦合3.1饱和—非饱和土层水流运移模型3.1.1非饱和水流基本方程的导出非饱和渗流(理查兹公式)饱气带非饱和渗流的微分方程总土水势总土水势（土壤水分势能）是指土水系统在各种因素综合作用下所具有的总势能。总土水势由基质势、溶质势、压力势、重力势和温度势五部分组成。基质势:土壤基质的吸附力和毛管力所产生的土壤水分自由能变化。以纯自由水的势能为0作为参比，土壤基质势是负值土壤含水量越低，基质势越低，土壤含水量越高，基质势越高。土壤水分完全饱和时，基质势最大

3、,接近0。对基质吸力而言，土颗粒越小，吸力越大。包气带中各处基质势不同,是造成水势能差的原因。基质势对非饱和土壤的水运动有极重要的作用。1、基质势2、渗透势(溶质势)由于溶解在土壤水分中的溶质所引起的土壤水分自由能变化。以纯水的势能为0作为参比，渗透势是负值，大小主要取决于溶质的浓度，浓度越低，渗透势越大，也就是越接近标准状态水的自由能，浓度越高，渗透势越小。渗透势在土壤水分运动中所起的作用很微小，但是它对植物吸收水分有重要影响，如果土壤溶液浓度过高，土水势低于植物根细胞的水势，植物根系就不能吸收水分，甚

4、至引起植物反渗透而导致植物萎蔫。3、压力势由于受到压力作用而产生的自由能变化。压力势是土水系统中任一点承受超过基准压力的静水压力，=gwh，为水容重w和地下水面以下的深度h之积，在包气带（非饱和土壤）中，=0。4、重力势（）重力势是由重力对土壤水作用的结果土壤水由于其所处的位置不同，因重力影响而产生的势能也不同，有此而产生的水势称为重力势。重力势可正可负，它是与参照面相对而言的。参照面以上的土壤水重力势为正值，参照面以下的为负值。通常选择剖面内部或底面边界。由于土壤中不存在半透膜，溶质势可认为是零，在恒温

5、条件下温度势也为零，因此总土水势一般为基质势、压力势、重力势三者之和，通常称为水力势。张力计结构示意图以基质势为因变量的基本方程定义比水容量若研究一维垂直方向流动，方程可简化为3.1.1.2以含水量为因变量的基本方程定义非饱和土壤水的扩散率D()垂直一维流动，方程简化为模型1以基质势—测压水头为因变量模型。＝0＝0以土体含水量～测压水头为因变量模型3.2吸附作用吸附是土壤中固、液相之间物理化学作用的外在表现。它参与了溶质在土壤中的运移过程，对溶质运移有着重要的影响。吸附是指固体从水溶液中吸附某一离子(分子

6、)的作用具有吸附能力的物质称吸附剂，被吸附的物质称之为吸附物。吸附作用可使地下水中的某些元素向固相表面转移，因而阻止元素的迁移。解吸作用可使被吸附的元素从固相表面转移到地下水中继续迁移。吸附和解吸的相间转移的实质是固~液界面上发生的化学平衡问题。粘土(大多数是由胶粒组成的)、有机物，因其单位体积内有较大的表面积，有较强的吸附能力。土壤胶体可以分成三大类：无机胶体、有机胶体和有机～无机复合胶体。离子交换(替)吸附作用可使某些元素发生相的交换。吸附作用对下列物质迁移影响较大：重金属离子中的Ca、Pb、Zn、H

7、g、Ni、Cd、Co、Mn、Fe2+有机物中的NH4+，C6H5OH(甲酚)、氧化苯、石油等。影响离子吸附的因素1.吸附体的种类、被吸附物的种类。2.元素的物理化学性质。主要是离子半径和离子价，对大多数粘土来说，一些一价和二价主要阳离子的选择吸附次序为：二价阳离子的吸附亲合力比一价强。3.吸附能力的大小还决定于吸附物在迁移过程中存在的形式。常量组份的吸附主要呈自由阳离子的形式，如Ca2+、Mg2+，Na+、K+、NH4+等重金属离子常呈络合物的形式，如MeOH+、MeCl+、MeF+、Me-Org+(Me

8、--Cu2+、Pb2+、Zn2+、Na+、Hg+、Mn2+；Org+--有机物)。4.各组份的浓度(浓度大的离子比浓度小的离子易被吸附)、水溶液的pH值、温度等。无论是物理吸附，还是化学吸附以及物理化学吸附，它们的共同特点是在污染物质与固相介质一定的情况下，污染物质的吸附和解吸主要是与污染物在土层中的液相浓度和污染物质被吸附在固相介质上的固相浓度有关。液相浓度和固相浓度关系的数学表示式称为吸附模式，其相应的图示表达称为吸附等温