环境科学与工程前沿2012
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环境水文地球化学研究若干进展 王焰新
提纲
• 引言 • 饮水型砷中毒水文地球化学研究进展 • 大同盆地高砷地下水研究进展
引言
• 水文地质学是以地质学理论为基础，研 究地下水系统结构、组成及性质的时空 变化规律和地下水赋存、分布、循环规 律的一门学科。由于地下水是人类赖以 生存的主要供水水源，水文地质学伴随 人类社会的进步而不断演进，是地球科 学中的“常青藤”学科。
国家需求分析
淡水供给 气候变化与温室气体减排 生态环境变化调控 水污染控制与水环境修复 地质灾害防治：绝大多数地质灾害（如滑坡、泥石流、地
面沉降等）的发生与地下水密切相关。 CO2捕获与封存（CCS,CO2 capture and sequestration） 地热资源的开发 石油资源勘探。不仅石油储层动力学与水文地质过程相似，
要研究地下水的赋存 、分布、循环规 律，必须综合运用地质学多门分支学科的 知识和方法，这些学科包括：地层学、构 造地质学、地球化学、地球物理学、地热 学、地质微生物学、石油地质学、土壤物 理学以及地貌学与第四纪地质学等。由于 地下水是一种地下流体，地下水科学也必 然与流体力学、水力学、计算数学以及水 资源工程等学科紧密相关。
Tsang & Wang, 2004
Scope of Aquatic Chemistry
Aquatic chemistry is concerned with the chemical reactions and processes affecting the distribution and circulation of chemical species in natural waters.(definition)
地下水是地球系统中最活跃的因子，参与 了地球系统中物质迁移、富集和重新生成， 地貌景观的发展和以及生物圈的形成。
地下水作为地壳中最活跃的地质营力，参 与了各种成岩、成矿作用。对于地下水地质 作用的深刻认识，有助于丰富成岩、成矿作 用理论，为金属、油气资源的勘查提供新的 科学依据
多学科交叉是水文地质学与生俱来的禀赋
学科发展总态势
近二十年来，水文地质学不断从饱水带地下水的 研究，扩大到饱水带、包气带和深部地下水，即 地下水圈的研究。其总体发展趋势是越来越强调 多学科交叉，越来越重视运用信息技术和模拟技 术进行数据的获取、发布、存储、分析和可视化， 越来越需要基于大规模野外现场观测、试验和高 精度的室内测试、模拟来监测和预测多种时间空 间尺度下的水动力场、水化学场、温度场和应力 场的变化过程。
Baidu Nhomakorabea
关键科学问题3 耦合模拟方法
• 属于国家目标且被广为重视的许多问题经常涉及水文地质 过程与其它过程（如化学和岩石力学过程）的耦合的影响。 例如，所谓的THM耦合过程，它综合考虑了热（T）、水 文地质（H）和岩石力学（M）的影响，这对存储于断裂 岩石中的核废物的安全性评估非常重要(Stephansson et al., 1996; Tsang et al., 2003)。比如，要求建立核废料储存室的 地下开挖将会引起储存室周围地区发生力学变形，并使局 部渗透性发生变化。核废物的衰变释放的热能会诱发岩石 中的热-力学效应，从而引起岩石中的裂隙闭合，降低裂 隙的渗透性。
• 建立一个概念模型时，需要估计、追踪数据本身及其解译、分析过程存 在的不确定性。需要了解这些不确定性是如何影响场地的安全的。经常 的情形是，由于数据的不完善，候选（替代）概念模型可很好地满足所 有可得到的数据。确定候选（替代）模型及其相关的不确定性的方法还 需深入的研究。
Tsang & Wang, 2004
• 取得场地丰富的数据之后，我们可建立场地概念模型，包括地质结构、 特征参数、边界条件以及发生在场地内的物理-化学过程类型。另外， 其它的“状态”变量（如压力水头分布和含盐量分布）也需确定。这些 可能随着时间变化；例如，场地处于水力学非稳定态，是瞬变的。我们 需要证实该概念模型内在的一致性，使得区域中的状态变量分布与边界 条件和地质结构相一致。
The objectives include the development of a theoretical basis for the chemical behavior of ocean waters, estuaries, rivers, lakes, groundwaters, and soil water systems, as well as the description of processes involved in water technology. (objectives)
(2)界面上或穿过界面的流动和溶质运移研究。这类研究包括地层界面、裂 隙-多孔介质界面或裂隙表面，以及饱水带和非饱和带之间的毛细水带。 在较大尺度上研究界面时，大气、地表水和地下水之间的相互作用也需 进行研究。
(3)胶体、气体或微生物影响下的水文地球化学过程。在关键带发生的四个 相互影响的主要过程（生物活动、风化作用、流体输运和近地表构造活 动），都不可能忽视胶体的作用和影响。近地表低温环境中胶体的地球 化学也是纳米科学的重要研究课题（Hochella，2002）。核素和砷等许 多有害组分在地下水系统中的迁移富集明显受胶体的控制。在气体和微 生物的影响下，地下水系统中的水-岩相互作用、污染物的地球化学行 为会发生许多重要变化。如何精细、定量地刻画地下水系统中的胶体、 气体或微生物类型、特征及其对水文地球化学过程的影响，对水文地质 研究提出了严峻挑战。
Tsang & Wang, 2004
关键科学问题2 场地评价方法
• 为了正确描述一个场地，我们不能仅仅使用某一两种方法。我们需要一 套方法，不仅能识别不同的特征，而且能相互验证，以促进我们对场地 的了解程度。使用的方法包括地表地质学和地球物理测量、钻井记录和 监测、钻孔横剖面地球物理成像和X射线断层照相术、瞬时压力测试以 及包括各种同位素在内的示踪剂迁移试验。所有的数据可输入地理信息 系统（GIS）以便于使场地的结构可视化。
而且石油生产会产生大量的废物，这些废物常常又被注入 地下，对于地下水流动系统影响很大。
关键科学问题
地下水系统中的物理-化学过程研究
(1)地层的非均质性如何用水文地质参数来刻画。含水介质一般是非均质的， 而且存在于不同的空间尺度上：从小范围的渗透性变化，到中等规模的 地层中裂隙分布的变化，再到大规模的断层、断裂带以及地层层位变化。 通常情况下，不能确切地获取研究区域详细的非均质性信息。
提纲
• 引言 • 饮水型砷中毒水文地球化学研究进展 • 大同盆地高砷地下水研究进展
引言
• 水文地质学是以地质学理论为基础，研 究地下水系统结构、组成及性质的时空 变化规律和地下水赋存、分布、循环规 律的一门学科。由于地下水是人类赖以 生存的主要供水水源，水文地质学伴随 人类社会的进步而不断演进，是地球科 学中的“常青藤”学科。
国家需求分析
淡水供给 气候变化与温室气体减排 生态环境变化调控 水污染控制与水环境修复 地质灾害防治：绝大多数地质灾害（如滑坡、泥石流、地
面沉降等）的发生与地下水密切相关。 CO2捕获与封存（CCS,CO2 capture and sequestration） 地热资源的开发 石油资源勘探。不仅石油储层动力学与水文地质过程相似，
要研究地下水的赋存 、分布、循环规 律，必须综合运用地质学多门分支学科的 知识和方法，这些学科包括：地层学、构 造地质学、地球化学、地球物理学、地热 学、地质微生物学、石油地质学、土壤物 理学以及地貌学与第四纪地质学等。由于 地下水是一种地下流体，地下水科学也必 然与流体力学、水力学、计算数学以及水 资源工程等学科紧密相关。
Tsang & Wang, 2004
Scope of Aquatic Chemistry
Aquatic chemistry is concerned with the chemical reactions and processes affecting the distribution and circulation of chemical species in natural waters.(definition)
地下水是地球系统中最活跃的因子，参与 了地球系统中物质迁移、富集和重新生成， 地貌景观的发展和以及生物圈的形成。
地下水作为地壳中最活跃的地质营力，参 与了各种成岩、成矿作用。对于地下水地质 作用的深刻认识，有助于丰富成岩、成矿作 用理论，为金属、油气资源的勘查提供新的 科学依据
多学科交叉是水文地质学与生俱来的禀赋
学科发展总态势
近二十年来，水文地质学不断从饱水带地下水的 研究，扩大到饱水带、包气带和深部地下水，即 地下水圈的研究。其总体发展趋势是越来越强调 多学科交叉，越来越重视运用信息技术和模拟技 术进行数据的获取、发布、存储、分析和可视化， 越来越需要基于大规模野外现场观测、试验和高 精度的室内测试、模拟来监测和预测多种时间空 间尺度下的水动力场、水化学场、温度场和应力 场的变化过程。
Baidu Nhomakorabea
关键科学问题3 耦合模拟方法
• 属于国家目标且被广为重视的许多问题经常涉及水文地质 过程与其它过程（如化学和岩石力学过程）的耦合的影响。 例如，所谓的THM耦合过程，它综合考虑了热（T）、水 文地质（H）和岩石力学（M）的影响，这对存储于断裂 岩石中的核废物的安全性评估非常重要(Stephansson et al., 1996; Tsang et al., 2003)。比如，要求建立核废料储存室的 地下开挖将会引起储存室周围地区发生力学变形，并使局 部渗透性发生变化。核废物的衰变释放的热能会诱发岩石 中的热-力学效应，从而引起岩石中的裂隙闭合，降低裂 隙的渗透性。
• 建立一个概念模型时，需要估计、追踪数据本身及其解译、分析过程存 在的不确定性。需要了解这些不确定性是如何影响场地的安全的。经常 的情形是，由于数据的不完善，候选（替代）概念模型可很好地满足所 有可得到的数据。确定候选（替代）模型及其相关的不确定性的方法还 需深入的研究。
Tsang & Wang, 2004
• 取得场地丰富的数据之后，我们可建立场地概念模型，包括地质结构、 特征参数、边界条件以及发生在场地内的物理-化学过程类型。另外， 其它的“状态”变量（如压力水头分布和含盐量分布）也需确定。这些 可能随着时间变化；例如，场地处于水力学非稳定态，是瞬变的。我们 需要证实该概念模型内在的一致性，使得区域中的状态变量分布与边界 条件和地质结构相一致。
The objectives include the development of a theoretical basis for the chemical behavior of ocean waters, estuaries, rivers, lakes, groundwaters, and soil water systems, as well as the description of processes involved in water technology. (objectives)
(2)界面上或穿过界面的流动和溶质运移研究。这类研究包括地层界面、裂 隙-多孔介质界面或裂隙表面，以及饱水带和非饱和带之间的毛细水带。 在较大尺度上研究界面时，大气、地表水和地下水之间的相互作用也需 进行研究。
(3)胶体、气体或微生物影响下的水文地球化学过程。在关键带发生的四个 相互影响的主要过程（生物活动、风化作用、流体输运和近地表构造活 动），都不可能忽视胶体的作用和影响。近地表低温环境中胶体的地球 化学也是纳米科学的重要研究课题（Hochella，2002）。核素和砷等许 多有害组分在地下水系统中的迁移富集明显受胶体的控制。在气体和微 生物的影响下，地下水系统中的水-岩相互作用、污染物的地球化学行 为会发生许多重要变化。如何精细、定量地刻画地下水系统中的胶体、 气体或微生物类型、特征及其对水文地球化学过程的影响，对水文地质 研究提出了严峻挑战。
Tsang & Wang, 2004
关键科学问题2 场地评价方法
• 为了正确描述一个场地，我们不能仅仅使用某一两种方法。我们需要一 套方法，不仅能识别不同的特征，而且能相互验证，以促进我们对场地 的了解程度。使用的方法包括地表地质学和地球物理测量、钻井记录和 监测、钻孔横剖面地球物理成像和X射线断层照相术、瞬时压力测试以 及包括各种同位素在内的示踪剂迁移试验。所有的数据可输入地理信息 系统（GIS）以便于使场地的结构可视化。
而且石油生产会产生大量的废物，这些废物常常又被注入 地下，对于地下水流动系统影响很大。
关键科学问题
地下水系统中的物理-化学过程研究
(1)地层的非均质性如何用水文地质参数来刻画。含水介质一般是非均质的， 而且存在于不同的空间尺度上：从小范围的渗透性变化，到中等规模的 地层中裂隙分布的变化，再到大规模的断层、断裂带以及地层层位变化。 通常情况下，不能确切地获取研究区域详细的非均质性信息。