雨水径流对地下水水质的影响研究

雨水径流对地下水水质的影响研究安庆师范学院本科毕业（学位）论文姓 名：年 级：2010级专 业：环境工程论文题目：雨水径流对地下水水质的影响研究完成日期：2014.5.10指导教师： 安庆师范学院资源环境学院 二一四年五月十日雨水径流对地下水水质的影响研究作者：刘贵明 指导老师：安乐生（安庆师范学院资源环境学院， 安庆 246133）摘要：由于地表雨水携带污染物极易通过包气带污染地下水，为了解雨水径流对地下水的影响情况及程度，本研究在调查分析与实验测定的基础上，对安庆市潜水井受雨水径流的影响情况进行了分析，结果表明，井水中的CODMn、NH3-N质量浓度随着降雨发生逐渐升高，而雨停之后又逐步恢复到雨前初始浓度。在持续性降雨，包气带厚度很浅，且以地下水为饮用水的农村地区，应避免采用分散式潜水井供水，而应积极建设集中式地下水供水水源。关键词：雨水径流；地下水；水质1.引言水是生命的源泉，生命起源于水，生命又在水中进化，是水缔造了地球上的一切生命。然而现今人类却不得不面对水资源紧缺的问题。地球表面71%被水覆盖，但这些几乎都是人类无法直接利用的咸水资源，淡水资源仅占全球总水量的2.53%，然而这其中的冰川、积雪等难以利用的水资源却又占到了淡水总量的74.6%，而人类是能够利用的的淡水资源少之又少，仅占地球上总水量的0.26%。可利用的淡水主要分布在河流、湖泊、大气以及地下水中，然地下水所占淡水资源的比重达到25%，可见地下水在淡水资源平衡中起到至关重要的作用1。近些年来我国社会主义建设愈发迅速，工农业以及生活饮用的需水量日益增大，在这之中，地下水所占的比例越来越大，可见地下水的重要性越来越突出。然而大量的开采使用地下水使得我国的地下水资源面临着两大严峻的问题：（1）地下水开采利用不合理，因此造成了许多地区地下水资源不足，地下水位下降，从而产生相关的环境地质水文问题。（2）地下水源受到污染，是可利用的地下水资源逐渐减少2。根据实际调查我国的水资源总量的1/3和全国供水量的20%都来自地下水，近三十年来，全国有400座城市开采地下水，40%耕地部分或全部依靠地下水来灌溉，我国的地下水供应量已经占到全国供水量的20%，北方缺水地区占到52%，在华北和西北城市更是占到了72%和66%。而又根据中国地质环境监测院公布的消息，我国地下水污染也呈现由点到面、由浅到深、有城市到农村的扩散趋势，污染日益加重。根据检测结果表明，已经有97%的城市地下水受到不同程度污染，40%城市地下水污染趋势加重3。日益加重的地下水资源问题引起了人们的关注，为了保护地下水资源人采取了大量的防治措施，然而人们大多关注的是对地下水的补给，地下水水位的变化以及对各种污染物的排放控制和农用化学品的使用控制等等方面，却少有人关注降水、雨水径流对地下水产生的影响。降雨是地下水补给一种重要的方式，降雨形成的雨水径流会聚集一系列其流经区域的污染物质，然后直接下渗或是流入地表水体使其受到污染，进而对潜水或地下水产生污染。因此本文通过实际研究来介绍雨水径流对地下水产生的影响。2雨水径流与地下水的关系2.1雨水径流的形成 高速的城市化，使得天然流域被开发，植被遭到破坏，土地利用状况改变，自然景观改变。混凝土建筑、道路、商业区、住宅区、停车场等不透水地面大大增加，使得降水渗入地下、蒸发的部分减少，因此地表径流量大大增加。 由于地表径流冲刷下垫面会携带大量的污染物进入受纳水体，导致水体的物理、化学性质发生变化，甚至成为影响水质的主导因素，一些有毒有机物及重金属会对水生生态系统产生严重地影响，并可能产生潜在的二次污染，是典型的面源污染4。2.2雨水径流的污染特点及污染物类型2.2.1雨水径流的污染特点雨水径流污染特点主要有：（1）污染源的时空分布的离散型和不均一性；（2）污染途径的随机性和多样性；（3）污染成分的复杂性和多变性；（4）污染源和污染成分监控、定量计算的困难性；（5）控制策略的系统性。 这些雨水径流污染复杂多变的特性说明了其难以控制和污染快速、严重，即便是在点源污染得到有效控制的发达国家，雨水径流带来的非点源污染也成为了水体污染的主要因素。早在1993年美国环境保护局就已经把城市底边径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源5。2.2.2雨水径流的污染物类型（1）物理性污染物，主要表现为悬浮物。（2）化学性污染物，径流中含有大量化学污染物质包括氨、氮、磷、原油类、有机污染物、无机污染物以及各类重金属等，主要来源自农业生产、工业生产、生活污水等。这些污染质会随径流流入河流、湖泊，最终输入大型河口、海洋，给整个生态环境带来很大危害。（3）生物性污染物，主要是指病源性微生物，可能引起疾病的散播6。2.3降水对地下水的影响 雨水是地下水重要补给来源，降雨到达地面后，一部分以地表径流的方式流出，另一部分入渗地下称之为入渗量，但这部分水量并非全部补给了地下水，而是在入渗过程中被土壤的蒸发和植物的蒸腾作用所消耗，有的附着于土壤颗粒的表面，余下的一部分才真正补给地下水，形成入渗补给量。降水入渗过程，可分为三个阶段：（1）截留阶段，降水初期，一部分雨水被植物截留，一部分降到地面，湿润表层土壤。（2）下渗阶段，随着雨水继续降落，植物截留量达到最大限度，土壤进一步湿润，含水量增加。当表层土壤含水量达到一定限度时，雨水沿孔隙、裂隙向深部下渗。（3）产流阶段，当降雨强度超过下渗速度时，地表开始积水，并沿坡面流动，充填坑洼，汇入沟河，形成地面径流。三个阶段既是相互联系的，同时又是交叉进行的。下渗到土壤内的雨水，受重力作用，由上部逐渐向深部移动，包气带土壤水，只有在大于田间最大持水量估最大毛管持水量时，才能产生重力水补给地下水。实际土壤水分特性曲线反映，除了雨后短时间外，年内绝大多数时间处于亏水状态，土壤水分布总趋势是上小下大，地下水面处达到田间最大持水量。缺水量随埋深增大呈非线性增大，从田间最大持水量到饱和含水量是降水入渗补给的限度，即重力水库容。随埋深加大，重力水库容也增大7。而在地表形成的雨水径流则会随着流经区域聚集沿途的各类污染，最终流向受纳水体，导致受纳水体受到污染。而地下水与地表水体的相互作用是自然界中普遍存在的一种自然现象，也是陆地水文循环的一个重要组成部分。地下水与地表水体相互作用，二者在时空上相互转化，是一个不可分割的整体，在水量交换的同时，水质也发生交换，二者在水力梯度作用下运动，携带的污染物也随之迁移，继而可能造成了地下水的污染8。雨水径流在农村污染主要因为化肥和农药的使用污染、水土流失污染、生活垃圾的污染以及畜禽产业的污染等，而在城市中的污染物会来源自交通工具的碎屑、大气干湿沉降物以及各种人类活动产生的烟尘，各种原油类及交通废气，各种建筑、工业生产中产生的中技术污染物，杀虫剂、多氯联苯、多环芳烃等有机有毒污染物以及下水道溢流、宠物产生的病源性微生物。可见雨水井所能携带的污染物种类之多、范围之广、污染危害之大，当这些污染物通过雨水径流传入地下水中，会对地下水水质产生巨大影响9。3.雨水径流对地下水的影响的实例研究为了定量研究雨水径流水质对地下水是否有影响，以安庆市郊区一口水井采集的水样作为样品，通过测量下雨前后采集的不同水样中的COD含量和氨氮含量，最后通过实验结果分析雨水径流对地下水的影响。3.1测定项目及方法（1）纳氏试剂分光光度法测定氨氮（2）高锰酸钾法测定COD3.2实验材料、实验装置及方法3.2.1实验材料实验样品：安庆市郊区某水井水样实验试剂：纳氏试剂，氨氮标准溶液，酒石酸钾钠溶液，高锰酸钾溶液，1+3硫酸，草酸钠标准溶液3.2.2实验方法3.2.2.1氨氮测定（1）标准曲线 在8个50mL比色管中分别加入0.00mL、0.50mL、1.00mL、2.00mL、4.00mL、6.00mL、8.00mL、10.00mL氨氮标准工作溶液，加水至标线。加入1.00mL酒石酸钾钠溶液，摇匀，再次加入纳氏试剂摇匀。放置十分钟，在波长420nm下，用20mm比色皿，以水参比，测吸光度。以空白校正后的吸光度为纵坐标，仪器对应的氨氮含量作横坐标，绘制标准曲线。（2）样品测定取经过预处理的水样50mL按与标准曲线相同的的步骤测量吸光度。3.2.2.2COD的测定（1）取100mL混匀水样于250mL锥形瓶中。（2）加入5mL（1+3）硫酸，摇匀。（3）加入10.00mL0.01mol/L高锰酸钾溶液，摇匀，立即放入沸水浴中加热30分钟。（4）取下锥形瓶，趁热加入10.00mL0.0100mol/L草酸钠标准溶液，摇匀，立即用0.01mol/L高锰酸钾溶液滴定至显微红色，记录高锰酸钾溶液消耗量。（5）高锰酸钾溶液浓度的标定：将上述已滴定完毕的溶液加热至70，准确加入10.00mL草酸钠标准溶液（0.0100mol/L）再用0.01mol/L高锰酸钾溶液滴定至显微红色。3.3实验结果表3-1 不同时段水样中氨氮含量的浓度实验数据编号样品吸光度空白试验吸光度试样体积(mL)水样氨氮质量浓度（mg/L）雨前第1天0.0270.012500.0062雨中第2天0.0390.013雨中第3天0.0370.012雨后第4天0.0300.0079雨后第5天0.0290.0073雨后第6天0.0270.0062平均值0.0315-0.0088通过表3-1中的数据可以得出该水样氨氮质量浓度总是低于0.02mg/L,根据与地下水质量标准的对比可以得知该水样为类水标准。图3-1 水样中氨氮浓度随降水变化通过表3-1数据绘制出图3-1，根据图可知井水中的氨氮含量随着降水开始骤然提升，下雨一天后井水中的氨氮浓度增长109%，雨中的第二天井水中的氨氮含量略有降低，停雨后井水中的三天内逐步降低到雨前的水平。因为雨水径流会汇聚地表积累的污染物，故降水初期聚集的污染物最多，所以第一天的井水中的氨氮会是最高，而后由于地下水的自净作用，使得污染物同周围介质发生物理、物理化学、化学和生物化学作用，最终使得污染物会从地下水中脱离出来或是变为无害，故雨后地下水中的氨氮含量逐渐降为雨前水平10。由此可以推测雨水径流会对地下水中的氨氮产生一定的影响。表3-2 不同时段水样中COD含量的浓度实验数据编号V1(mL)V2(mL)K高锰酸钾指数(mg/L)雨前第1天2.010.50.95241.143雨中第2天2.310.60.94341.283雨中第3天2.010.40.96151.230雨后第4天2.110.50.95241.219雨后第5天2.110.50.95241.219雨后第6天2.010.50.95241.143平均值-0.95241.206通过表3-2中的数据可以得知谁养的高锰酸钾指数高于1.0mg/L低于2.0mg/L，对比地下水质量标准得出该水样符合类地下水标准。图3-2 水样中COD含量随降水变化同样通过表3-2中的数据绘制图3-2，根据图表得知雨后的第一天井水中的COD含量也是骤然提升，随后降低至稍高水平保持至雨后第三天才降至正常水平，故可以看出地下水对COD的净化能力不如对氨氮的净化能力。降雨后，井水中的COD增长达到12%，可见雨水径流对地下水中的COD也会产生一定影响。综上可以看出雨水径流会对井水中的氨氮含量以及COD产生相当的影响，而氨氮含量和COD是判断水质的重要指标，故此可以推测雨水径流会对地下水水质产生影响。3.4分析讨论安庆市地处长江中下游，结合当地的气候特点分析降水对当地地下水所能造成的影响。长江中下游属于亚热带季风性湿润气候，长江中下游的雨水非常显著，整个春季的降水能占年总降水的32%，且降水在长江三角洲尤其明显，雨量仅略小于夏季峰值。地处于长江下游北岸的安庆降水充沛，年平均降水量1300-1500mm，主要集中在4-8月，占年降水总量的70%以上。采集水样于三月底四月初，正处于雨水充沛时期，而且安庆市化工产业发达，相对污染情况比较严重，此期间雨水会携带一定量的污染物。降雨后雨水会分为两部分，以部分直接渗入土壤，向地下入渗，另一部分形成地表径流汇聚在一起流向低洼处或流进地表受纳水体11。直接渗入土壤的雨水并非全部能补给地下水，一部分会附着于土壤，一部分会在入渗过程中以其他途径消耗，剩余部分才补给地下水，但是在下渗的过程中，雨水会经过包气带。所谓包气带是指地面以下潜水面以上的地带。也称非饱和带，是大气水和地表水同地下水发生联系并进行水分交换的地带，它是岩土颗粒、水、空气三者同时存在的一个复杂系统。包气带具有吸收水分、保持水分和传递水分的能力12。就地下水污染而言也是贮存和传输随入渗水携带的污染物的地质空间，同时也是污染质发生复杂的物理化学、生物化学作用的空间。其作用有：（1）包气带是地下水污染的重要媒介大量事实表明，地下水除了受到直接污染外，包气带是污染地下水的一个重要媒介。含有大量的污染物的废弃物及污水在一般情况下都是通过包气带土体进入地下水中的。其媒介作用表现为：地表污水通过包气带下渗污染地下水。被污染的包气带土体在大气降水或灌溉水的入渗下导致地下水污染。垃圾处理场、废矿及矿渣堆放场中的污染物，由降雨及其他水流拥带经过包气带污染地下水。（2）包气带是地下水不易受到污染的良好保护层携带污染物的污水在通过包气带时，由于特殊的水动力特征和一系列的物理、化学、生物作用，是其中的污染质含量降低或完全去除，包气带对这些含污染值质的水起净化作用，从而入渗水到达地下水面并不污染地下水。水在包气带的入渗是一个复杂的作用过程，具有复杂的物理、化学变化过程的污染物随水进入包气带土体之后，可能产生一系列复杂的物理、物理化学、生物化学作用，有些作用可使污染质被吸附、络合沉降而是污染物的浓度降低，而另一些作用则会导致污染物的浓度增高，迁移速度加快，从而增加地下水的污染13。根据实验数据所得，降雨引发的地表径流入渗对安庆地区的地下水水质产生了一定影响，针对城区地下水污染建议如下：（1）运用生态工程，雨水径流污染的产生是人类对自然水文生态过程作用的结果，是水文生泰系统的失衡过程，通过运用生态工程是水文生态达到良性循环不失为一种好措施。（2）注意对污染物的控制与处理问题，从源头上降低污染产生的可能性。（3）建设人工湿地和湖滨带，通过建设这两种净化系统可以使污染得到有效的控制。（4）建设人工雨水收集系统，集中到人工渗透床，以减少径流。（5）建设非封闭性路面，直接减少了雨水径流的产生14。（6）土壤渗滤技术，通过污染物质经过土壤层时产生的一系列物理、化学、生物作用，得以去除分解15。当前，我国城市基本采用集中式供水，即便北方城市采用地下水为水源，也主要抽取不易受污染的承压水。相对而言，广大农村地区由于经济欠发达，常以分散式简易潜水井供水为主。图3-3显示了全国农村饮用水水源地的水源类型，全国农村饮用水水源地中52.3%的水源类型都是井水，18.3%为湖泊，14.2%为河流，少数来自泉水、水库和水窖。图3-3 全国农村饮用水水源地水源类型通过上图可知地下水在我国广大农村地区仍是主要的饮用水水源，所占比例达到52.3%。农村地区生活污水通常肆意排放，禽畜粪便随处可见，极易通过雨水径流进入地下水，从而污染水源，对农村居民用水安全产生较大的威胁。因此，农村地区居民用水的潜水井周边应加强雨水径流污染的控制。结合当前农村地区面源污染防治的现状，本研究建议如下：（1）严格控制畜禽养殖污染。针对全市畜禽养殖业发展较快、污染日益严重的状况，大力推行生态养殖模式，鼓励对畜禽粪便实行综合利用，做到减量化、无害化、资源化。发展养殖小区，实行人畜分离，引导养殖户向小区聚集。根据环境的承受能力适时控制养殖规模，设立禁养区、限养区和非限养区，对新建、改建养殖设施实施“三同时”和排污许可制度。（2）科学施用农药和化肥。大力推广农作物病虫综合防治技术，建立安全用药制度，推广高效低毒低残留农药，开展以虫治虫、以菌治菌等生物防治示范，采取诱杀等农业防治措施，尽量减少农药使用量。大力推广测土配方施肥及秸秆综合利用技术，增加有机肥施用量，减少化肥用量，提高肥料利用率。结合农业和农村经济结构调整，积极发展生态农业和有机农业，大力建设无公害农产品、绿色食品、有机食品生产基地，加强管理，减轻农业面源污染。（3）加强无害化处理污染物力度。在农村积极推行“一池三改”，加快沼气等可再生能源的推广应用。加快沼气发电、垃圾焚烧发电工程建设，建设必要的污水和垃圾处理设施，因地制宜抓好农村生活污水和垃圾处理，做到达标排放。（4）高度重视农村饮用水源保护。加强城镇和农村人畜饮用水源地规划建设，制定严格保护措施，加强饮用水源保护区管理，切实保障农村人畜饮水安全。（5）优化农村生产生活环境。按照布局合理、设施配套、环境整洁、村貌美观的原则，开展村镇规划，到2020年，基本形成中心村、中心镇群落。房前、屋后和庭院栽花种草，农户基本都能利用沼气和太阳能等洁净能源。加强农田林网建设，绿化村庄，提高林木覆盖率和生态效益16。4结论（1）当降水强度超过下渗速度时，地表开始积水，逐渐汇流，形成地表径流。地表径流会途径大量区域，在流动的过程中会聚集途中区域的各类污染物，之后通过下渗或是污染地表水体再与地下水交流从而将污染质传入地下水，进而影响地下水的水质，产生污染。（2）现今无论农村还是城市对地下水的需求越来越大，但是越来越密集的居民点、工业区产生的污染也变得更加严重，进而导致雨水径流污染的加剧，使得地下水污染随之加剧。通过对雨水径流的污染控制也是对地下水一种很有效的控制方式。（3）现今农村地区供水多为分散式供水，极易受到雨水径流的影响，应积极建设集中式地下水供水源。（4）总结实验中的一些不足以及一些有待于进一步研究的问题：测量项目过少。这次对水样的检测，检测项只有氨氮和COD，不具有全面性，考虑不够周全，结论不够令人信服；有关雨水径流污染的实际调查未做全面，未能体现实际调查中雨水径流污染的影响，以作为实验结果的参照。参考文献1马丛丛.浅析国际淡水资源现状及其保护D.西北民族大学,20092周学志.地下水开发利用的环境问题及防治措施研究J.环境科学丛刊,1991,13(3):1-23罗兰.我国地下水污染现状与防治对策研究J.中国地质大学学报(社会科学版),2008,8(2):63-644吴荣芳.城市雨水径流污染控制技术J.工业安全与环保,2006,32(2):41-425王彦红.城市雨水径流的污染及控制措施研究J.山西建筑,2007,33(31):184-1856赵雪梅.浅谈大气降水对地下水的补给J.地下水, 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easily through the vadose zone groundwater pollution, in order to understand the situation of Rainwater Runoff Impact on groundwater and degree, based on the determination of investigation and experiment on the Anqing diving well affected runoff were analyzed, results show that, the water in the ammonia nitrogen concentration, COD content with the occurrence of rainfall gradually increased, but after the rain stops, and gradually recovered to the initial concentration of rain. In the persistent rain vadose zone thickness is shallow and the groundwater for drinking water in rural area, should avoid using distributed submersible well water, but should actively promote the construction of centralized water supply source.Keywords: runoff ;groundwater ;water quality致 谢本次论文的完成是在老师的指导和帮助下完成的，在实验的过程中遇到了许多的困难和问题，但是最终我还是如期完成了，这与安乐生老师的指导是分不开的，所以我首先要感谢的就是安老师，没有他的支持与帮助论文是无法完成的。另外，通过编写论文的工作进一步假期啊过了我的文字操作能力，对今后的学习与工作一定会有很大的帮助，而且通过实验也加强了我的实际操作能力，让我在理论联系实际实践方面取得了不小的进步。再次感谢安乐生老师的支持与帮助以及学院的支持。今后的学习之路还很长，我一定会以这次论文实践为新的起点继续努力!15