如何引用地下水分物理

① 地下水的物理性质

地下水的物理性质包括密度与重度、压缩性、黏滞性、表面张力、温度、颜色、透明度、臭、味、导电性和放射性等，这里只介绍与地下水分布与运动有关的物理性质。

1.1.2.1 密度与重度

水的密度(ρ_w)定义为单位体积水的质量，常用单位为g/cm³或kg/m³。水的密度随水的温度、压力和含盐量而发生微小的变化。纯水的密度在0～20℃和大气压力下为0.998～1.000g/cm³，纯水在4℃时密度最大，其值为1.00g/cm³。随着水温升高，水的密度降低。例如当水温为40℃、60℃、80℃和100℃时，水的密度分别为0.99221g/cm³、0.98321g/cm³、0.97180g/cm³和0.95835g/cm³(Matthess，1982)。当压力增大时，水的密度有所升高。例如，当井口处压力为大气压力、水的密度为1000.0kg/m³且井水水温为10℃时，井深500m处水的密度升高至1002.3kg/m³(Fitts，2002)。当水的含盐量升高时，水的密度也会增大。例如，当地下水总溶解固体为1g/L、5g/L、10g/L和100g/L时，其密度分别为1.0007g/cm³、1.0036g/cm³、1.0072g/cm³和1.0720g/cm³(Nonner，2003)。海水的含盐量约为35g/L，其密度为1.025g/cm³;含盐量为325g/L的高浓度卤水的密度可达1.345g/cm³。因此，在研究深层地下水、地下热水和含盐量较高的地下水的分布和运动时，需要考虑水的密度变化。

水的重度(γ，也称为容重)定义为单位体积水所受的重力。重度的单位为kg/(m²·s²)或N/m³。重度与密度的关系如下:

地下水科学概论

式中:g为重力加速度常数，取值为9.81m/s²;ρ_w为水的密度。

1.1.2.2 压缩性

水通常被认为是不可压缩的。但是，在压力升高时，水仍然具有轻微的压缩性，用压缩系数(β)来表征。水的压缩系数是水承受的法向压力变化时其体积(和密度)变化的度量，可以定义为

地下水科学概论

式中:P为水承受的法向压力;V_w为水的体积;其他符号意义同前。水的压缩系数变化通常很小，在水温为0℃时，水的压缩系数为4.9×10^－10m²/N，10℃时为4.7×10^－10m²/N，20℃时为4.5×10^－10m²/N;当压力降低时，水会轻微膨胀。

1.1.2.3 黏滞性

水是只要施加任何切应力都能引起连续变形的物质，这种连续变形就是水的流动。而水阻止任何变形的性质称为水的黏滞性，它是处于运动状态的水阻止其产生切变的性质的度量。设想两平行平板之间的薄层水，当一平板相对于另一平板侧向滑动时，水层产生阻抗这种切向运动的阻抗力，平板滑动越快，阻抗力越大。阻抗力(F)可以表示为

地下水科学概论

式中:A为平板间水层的面积;v为平板间相对滑动速度;z为水层厚度;常数μ称为动力黏滞系数，是表征水的黏滞性的参数，其单位为g/(cm·s)或kg/(m·d)。

水的黏滞性通常随水温的升高而降低。当水温为0℃时，水的动力黏滞系数为154.66kg/(m·d)，20℃时为87.26kg/(m·d)。

另一个表征水的黏滞性的参数是运动黏滞系数(ν)。运动黏滞系数与动力黏滞系数的关系为

地下水科学概论

运动黏滞系数的单位为cm²/s或m²/d。

1.1.2.4 表面张力水分子是极性分子，水分子之间相互吸引。因此，一小簇水具有吸着力使其聚集在一起。雨滴在落下过程中呈球体状，水滴在光滑的表面上呈珠状。在雨滴或水珠的表面(水汽界面)像是有一层弹性薄膜将水包围住，而不让水散开。这种作用实际上是在水汽界面施加的一个张力———表面张力。表面张力作用于与水面平行的所有方向，是单位长度上施加的力，单位为N/m或g/s²。对于给定的水汽界面，表面张力是一个常数。表面张力只随温度而变化，在水温为20℃和大气压力下水的表面张力为71.97×10^－3N/m。

表面张力作用的结果是使水体的自由表面积减小到最小。对于给定体积的水体来说，球状体的表面积最小。表面张力对于研究毛细现象具有重要的意义。

② 给一个现象要用物理化学的化学热力学解决，要求有详细的步骤，字数要多，谁帮帮忙我给分啊！

我上的是化学专业，学四大化学，给你说的就是物理化学上的典型例子。
表面现象里有
液体与固体、液体相比较，它在宏观上突出的特性是没有一定形状，具有流动性。但它具有一定的体积，而且不易压缩，这方面特点比较接近固体。从微观上看，液体内部分子也是密集在一起的，分子间距较小，分子间相互作用力较大。液体分子运动主要表现为在平衡位置附近做微小振动，在很小区域内，液体分子是有规则排列的。但是液体分子区别于固体分子，液体分子没有长期固定的平衡位置，不断移动，造成液体具有流动性。

液体有很多区别于固体和气体的性质，今天只研究液体与气体接触的表面层的性质和液体与固体的接触层的一些性质。

1．液体的表面现象

（1）演示实验：长方形玻璃缸内，润滑机油在水和酒精混合液内，呈圆球形悬浮。

我们知道相同体积的各种形状中，只有球形物体的表面积最小。润滑油在混合液内呈球形，说明液体表面有收缩到最小的趋势。

演示实验：用肥皂水做实验来证明液面有收缩趋势。

①把一根棉线拴在铁丝上（棉线不要拉紧），铁丝环在肥皂水里浸过后，环上出现肥皂水的薄膜，用热针刺破铁丝环上、棉线两侧肥皂水薄膜的任意一部分，造成棉线被另一侧薄膜拉成弧形，棉线被拉紧。

②把一个棉线圈拴在铁丝环上，让环上布满肥皂水的薄膜。如果用热针刺破棉线圈内的那部分薄膜，外边的薄膜会把棉线拉紧呈圆形。

以上实验说明液体表面好像紧张的橡皮膜一样，具有收缩的趋势。

（2）液体表面具有收缩趋势的微观解释

液体与气体接触的表面形成一薄层，叫表面层。由于表面层上方是气体，所以表面层内的液体分子受到周围分子作用力小于液体内部分子，表面层里的分子要比液体内部分子稀疏一些，这样表面层分子间引力比液体内部更大一些。在液体内部分子间引力和斥力处于平衡状态，而表面层内由于分子引力较大，因此表面层有收缩的趋势。

（3）表面张力和表面张力系数

液体表面各个部分之间的相互吸引力，叫表面张力。如同一根弹簧被拉伸后，其中的一圈与另一圈之间有收缩作用一样。

说明表面张力的方向垂直液面分界线，又与液面相切。

表面张力系数是液体表面上单位长度分界线上的表面张力。同一种液体温度升高，表面张力系数减小。不同液体表面张力系数不同，如水银的表面张力系数较大，而水又比酒精的表面张力系数大。

2．浸润和不浸润

（1）演示实验：用实物投影幻灯来观察浸润和不浸润现象。

两块方形洁净的玻璃片上各滴一滴水和一滴水银，观察两种液滴在玻璃片上的状态。

再用洁净的玻璃片分别浸入盛有水和水银的烧杯内，玻璃片从水中取出时其上附着一层水，而玻璃片从水银中取出时玻璃片上不附着水银。

（2）说明浸润和不浸润的定义

液体与固体接触时，液体与固体的接触面扩大而相互附着的现象叫做浸润。如果接触面趋于缩小而不附着，则叫做不浸润。

（3）演示实验：用实物投影幻灯来观察烧杯内水面和另一烧杯内水银面。

由于液体对固体有浸润或不浸润，造成液面在器壁附近上升或下降，液面弯曲，形成凹形或凸形的弯月面。

（4）浸润和不浸润的微观解释

液体与固体接触处形成一个液体薄层，叫做附着层。附着层里的分子既受固体分子的吸引，又受到液体内部分子的吸引。如果受到固体分子的吸引力较弱，附着层的分子就比液体内部稀疏，在附着层里分子间吸引力较大，造成跟固体接触的液体表面有缩小的趋势，形成不浸润。反之，如果附着层分子受固体分子吸引力相当强，附着层分子比液体内部更密集，附着层就出现液体相互推斥的力，造成跟固体接触的液体表面有扩展的趋势，形成浸润。

与学生讨论课本中习题里讲到的缝衣针放在水面上不沉没、布雨伞不漏雨水等现象。

3．毛细现象

（1）演示实验：

用实物投影幻灯来观察几根内径粗细不同的细玻璃管插入一浅水槽中，管内水面高出水槽里水面，而且越细的管，水面上升得越高。

用两侧直径大小不等的U形玻璃管，放入水银后，细管内水银面低于粗管水银面。

（2）毛细现象的定义：

浸润液体在细管里上升的现象和不浸润液体在细管里下降的现象，叫做毛细现象。

（3）毛细现象的解释：

解释浸润液体在毛细管里上升的现象。浸润液体与毛细管内壁接触的附着层有扩展的趋势，造成液体与空气接触面弯曲，呈凹形弯曲，液面与管壁接触的附近的表面张力是沿液面切线方向向上的。表面张力有使液面收缩趋势，造成管内液柱上升。直到表面张力向上的拉引作用与管内升高的液柱重力平衡，管内液体停止上升，液柱稳定在一定的高度，如图所示。细管越细，即管截面积小，那么液柱上升高度就越大。

可用相似的分析方法，解释不浸润液体在毛细管里下降的现象。

（4）举例说明毛细现象的应用：

纸张、棉花脱脂后能够吸水的原因在于其内部有许多细小的孔道，起到毛细管作用。

田间农作物的重要管理措施是锄地松土，防止土地板结，其目的是破坏土壤里的毛细管，使地下水分不会快速引上而蒸发掉。

1．液体与气体接触的表面有收缩的趋势，液面内相邻两部分之间的彼此相互吸引力叫表面张力

③ 地下水的物理性质包括哪些内容地下水的化学成分有哪些

地下水化学不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分。v水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。在自然界水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和化学成分的交换。v物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。v化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。v水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体

④ 地下水资源保护与利用

焦作市地处豫西北，北依太行，南临黄河，总面积6014km²，全区总人口348万，有煤炭、石灰石、铝土及铁矿石等矿产资源，工业以电力、化工、机械和煤炭为主，目前已发展成为以能源化工为主的新兴工业城市。焦作矿区工农业和生活用水，主要依靠地下水。焦作地区的地下水天然补给资源量为10.583m³/s，其中喀斯特水补给量为8.86m³/s，孔隙水补给量为1.723m³/s。

一、地下水资源开发利用现状

焦作市地下水资源由喀斯特水、孔隙水组成，且以喀斯特水为主，喀斯特水资源约占全部地下水资源85%左右。焦作矿区山前地区是九里山泉域喀斯特水的集中排泄区，地下水资源极为丰富。近年来，随着城市及工农业的发展及煤矿区的大量开采，在局部地段出现了小范围的降落漏斗，地下水位呈现明显下降的趋势。尽管如此，降落漏斗范围及漏斗中心水位稳定，多年来地下水位基本上处于动平衡状态，在丰水期、丰水年因地下水位回升，降落漏斗范围缩小乃至消失^［4］。

目前人工开采已成为孔隙水、喀斯特水的主要排泄方式。地下水的开采方式有厂矿自备水源地（井）集中和分散式开采、焦作市自来水公司水源地集中开采、矿井排水和农业零星分散式开采。

1.自备水源地（井）开采地下水状况

1994年全市共有自备井234眼，年开采地下水量6347.86×10⁴m³，平均2.013m³/s。其中全年开采孔隙地下水1939.36×10⁴m³，平均0.615m³/s；喀斯特地下水4408.50×10⁴m³，平均1.4000m³/s。1994与1993年相比减少了5.77%，1993年自备井开采地下水量6736.86×10⁴m³。自备水源井除焦作电厂、中州铝厂、焦作铝厂、热电厂、焦作市水泥厂、化工一厂、造纸厂等厂矿企业属井群开采地下水外，其余多属零星分散式开采，且多以喀斯特水做供水水源。

（1）孔隙水开采量：受气候及人工开采双重因素影响，近年来焦作市区内孔隙水位呈下降趋势，焦作市区南部形成了孔隙水水位下降漏斗，且水质变差。为改善这一状况，自1990年开始对孔隙水的开采进行了限制，自备井开采量有所下降。1992年降至1466×10⁴m³，1993年有所增加，达1765×10⁴m³，1990年自备井开采孔隙水1991×10⁴m³。1994年孔隙水开采量为1989.36×10⁴m³，比1993年增加了173.86×10⁴m³。自备井地下水开采总量年际变化较大，月最大采量为566.092×10⁴m³（7月），月最低开采量为484.562×10⁴m³（12月）。

（2）喀斯特水的开采量：焦作市喀斯特水资源丰富，水质好，是城市工业及居民生活的最佳供水水源。焦作市区各用水大户多开采喀斯特水。1994年自备井共开采喀斯特水4408.50×10⁴m³，占自备井开采地下水总量的70%。1993年自备井开采喀斯特地下水4972.31×10⁴m³，1994年与1993年大致相同。

2.焦作市自来水公司开采地下水状况

焦作市自来水公司现有6座水厂，其中第一水厂、第四水厂开采喀斯特地下水，第二水厂由新东公司（矿井排水）和焦作电厂岗庄自备水源联合供水，第三水厂由焦西公司（矿井排水）和东小庄水源地（开采喀斯特水）联合供水。焦作市自来水公司开采地下水的水源地只有第一水厂、第四水厂、东小庄水源地（岗庄水源地因属焦作电厂自备水源地，未计入其中）共三处。1994年焦作市自来水公司总供水量5425.74×10⁴m³，其中地下水开采量2071.68×10⁴m³，占总供水量的38.2%。

第一水厂位于焦作市中心新华街，利用已报废的2号、3号矿井供水，与1993年的142×10⁴m³相比，增加了160.53×10⁴m³，1994年共开采喀斯特地下水310.53×10⁴m³，全年平均开采量0.0985m³/s。

第四水厂位于焦作市区北部近山前地带，现有开采井22眼。该水厂是焦作市自来水公司以地下水做水源的主要供水水源地，占焦作市自来水公司开采地下水总量的53.68%，占焦作市自来水公司总供水量的20.46%。1994年全年共开采喀斯特水1112×10⁴m³，平均0.3527m³/s。

东小庄水源地位于焦作市区西部东小庄，现有开采井19眼，全年开采喀斯特地下水649.00×10⁴m³，平均0.2058m³/s，比去年增加了15.89%左右。

3.矿井排水及利用

（1）矿井排水：分为焦东矿区和焦西矿区两部分。

焦东矿区的演马庄矿、九里山矿井排水量居各矿之首，多年来矿井排水量一直超过1.0m³/s。相比之下，中马村矿、小马村矿、冯营公司、方庄矿等矿井，矿井水文地质条件相对简单，矿井排水量小。1994年焦东矿区内的7个矿井，年平均排水量总计为3.3778m³/s，与1993年以前相比，略有下降。焦东矿区矿井排水总量季节变化不明显，相对稳定。

1994年焦东矿区内的演马庄矿矿井排水量仍居各矿之首，为1.0847m³/s，该矿近年来发生2次恶性煤层底板突水灾害，矿井排水量比较稳定。九里山矿井排水量平均为0.7903m³/s，该矿由于对煤层底板突水点进行了注浆堵水和工作面煤层底板注浆改造，因此自5月份起矿井排水量有所减小。其他矿如韩王公司、冯营公司、小马村矿、中马村矿等矿井，排水量比较稳定，多年变化不明显。1994年韩王公司矿井平均排水量为0.3840m³/s，冯营公司为0.3098m³/s，小马村矿为0.1248m³/s，中马村矿为0.6535m³/s，位村矿为0.0307m³/s。

焦西矿区的王封公司由于矿井关闭停产，矿井排水量呈下降并逐步稳定趋势，平均排水量1989年为1.50m³/s，1990年为1.26m³/s，1991年为1.02m³/s，1994年为1.0915m³/s。王封公司矿井排水量年内变化比较明显，月最高排水量1.1605m³/s，月最低排水量1.0182m³/s。焦东公司矿井排水量因矿井报废，矿井排水量呈下降至逐步稳定趋势。1991年为0.38m³/s，1992年为0.35m³/s，1994年则降为0.3033m³/s。朱村矿矿井排水量相对较大，并呈逐年增加趋势。1990年为0.80m³/s，1991年增至0.84m³/s，1994年则增至0.9013m³/s。1994年焦西公司矿井排水量是0.5970m³/s，与1993年相比，略有增加。焦西矿区的焦东公司、王封公司已经关闭停止采煤，没有开采新的工作面，整个矿区矿井排水量呈逐年减少并趋于稳定的状况，原煤层底板突水点已经作为供水井水源。1989年平均排水量3.25m³/s，1990年减至3.09m³/s、1991年进一步减至2.85m³/s，1994年略有增加，达2.8931m³/s。

（2）矿井水利用情况：目前，焦作市地下水开采的主要方式是矿井排水及农业灌溉利用，矿井排水量6.2707m³/s，综合利用矿井排水是开发利用地下水的有效途径。焦作市矿井水的利用有3个方面：

一是焦作市自来水公司利用矿井水情况。焦作市自来水公司所属的第五、第六水厂全部以矿井水做供水水源，第二、第三水厂部分利用的矿井水做供水水源。1994年，焦作市自来水公司四座水厂累计用矿井水3363.04×10⁴m³，占焦作市自来水公司总供水量的61.8%。

第二水厂位于焦作市东北部，以焦东公司井排水做供水水源，1993年供水量1456×10⁴m³，1994年供水量1571.66×10⁴m³，较1993年略有增加。由于焦东公司已经关闭，矿井水的利用量一定会受到限制，目前，第二水厂正在建设新的水源地。

第三水厂位于解放西路，主要利用焦西公司矿井排水，1993年供水量1821×10⁴m³，1994年为1288.50×10⁴m³，较1993年相比减少了532.5×10⁴m³。

第五水厂位于焦作市马村区，利用中马村矿矿井水作为供水水源供给马村区居民生活用水。1993年供水量239×10⁴m³，1994年为297.68×10⁴m³，比1993年增加了24.55%。

第六水厂位于焦作市中站区，利用李封公司矿井排水向焦作市中站区供水，1993年总供水131×10⁴m³，1994年为196.2×10⁴m³，较1993年增加了49.79%。

1994年焦作市自来水公司各水厂利用矿井总计达3363.04×10⁴m³，全年平均1.0664m³/s。1993年矿井利用量3570×10⁴m³，1994年较1993年减少了206.96×10⁴m³。

二是焦作煤业集团公司各矿自用矿井水量。焦作煤业集团公司的朱村矿、九里山矿和演马庄矿，生产及生活用水全部或部分依赖矿井水做水源，据1994年调查，各矿利用矿井水量为0.282m³/s。

三是焦作市农业灌溉引用矿井排水。矿井排水除部分被焦作市自来水公司及焦作煤业集团公司各矿及焦作电厂、焦作市化工三厂等厂矿利用外，剩余部分经河渠排出矿外。流出矿外的矿井排水部分做为区内农田灌溉的水源，剩余部分则流出矿区。据河南省焦作市水利局资料，1994年焦东灌区和焦西灌区共利用矿井水1971.0×10⁴m³，平均0.625m³/s。经过综合计算，矿井水利用总量平均为1.973m³/s，占矿井排水总量的31.47%。因而，矿井水资源利用程度较低。

4.焦作市农业开采地下水量

焦作市现有耕地面积16.7万亩，其中井灌面积6.7万亩，据河南省焦作市水利局资料，1994年农作物灌溉7次，灌水定额一般为75m³/亩次，由此算得1994年焦作市区各乡农业开采孔隙水3517.5×10⁴m³，平均1.1154m³/s。加上焦作市修武县境内方庄乡、周庄乡、李万乡和五里源乡孔隙水农灌开采量0.7746m³/s，全区农业共开采浅层地下水平均1.89m³/s。

5.焦作市全区地下水开采总量

综合上述各项，1994年全区工农业生产及生活共开采地下水14379.73×10⁴m³，平均4.56m³/s，其中开采喀斯特水6480.07×10⁴m³，平均2.055m³/s，开采浅层孔隙水7899.66×10⁴m³，平均2.505m³/s，焦作市自来水公司开采喀斯特水2071.68×10⁴m³，平均0.6569m³/s，自备井开采地下水总计6347.86×10⁴m³，平均2.013m³/s，农业灌溉开采浅层孔隙水5960.30×10⁴m³，平均1.89m³/s（表3-18）。

表3-18 1993、1994年地下水排泄量 （单位：1000m³）

二、影响焦作地区地下水资源的主要因素

1.地下水补给量减小和排泄量增大

焦作地区除矿井排水和地下水污染严重影响着地下水资源外，地下水主要接受大气降水入渗和河流渗漏补给。因此，降水量和河流流量的大小是影响地下水资源的直接因素。

降水量的大小直接影响着地下水资源量，降水入渗是焦作地区地下水的主要补给源。自新中国成立以来，随着工农业的快速发展，地下水的开采量愈来愈大，地下水位愈来愈低，地表水资源枯竭，河流断流等，破坏水循环系统比较严重，大气降水量趋于下降趋势。1952～1964年平均降水量为826.1mm，1965～1977年平均降水量为681.56mm，1978～1982年平均降水量为662.55mm，1982～1988年平均降水量为642.4mm，1989年以来降水量一直偏低，影响了地下水资源的补给比较严重。

焦作市地下水位下降表现为4个阶梯，1952～1964年为第一阶梯，地下水位105m，1965～1977年为第二阶梯，地下水位91～98m，1978～1988年为第三阶梯，地下水位85～92m，1982年以来为第四阶梯，地下水位72～89m。主要原因为由于降水量的减小和开采量的增大，其地下水位与降水量和开采量关系见图3-36。

图3-36 地下水位与降水量和开采量关系图

丹河、西石河、山门河、纸坊沟、新河和翁涧河均为流经焦作矿区的河流，由于地表喀斯特发育，河流渗漏量比较大。例如，1994年对丹河480电厂至后陈庄段，取3个断面分枯水期、丰水期两次实测丹河流量，480电厂至后陈庄段河流漏失量平均为1.7338m³/s。近十几年来除丹河渗漏补给地下水外，尽管丹河流量也在逐年减小，新河和翁涧河为排污河，其他河流均已断流，因此，总的来说河流渗漏量也在减小。

焦作矿区所采煤层为石炭系、二叠系煤层，其直接充水水源主要为石炭系薄层灰岩，底部奥陶系灰岩喀斯特水间接充水水源，该层富水性好，补给水量大，严重威胁着煤炭的安全生产。为此对石炭系薄层灰岩进行疏水降压排水，对O₂灰岩采取断层防水煤柱，实施“立足矿井、以防为主、疏堵结合、分类治理”的防治水方针。随着开采深度的增加，石炭系薄层灰岩煤层底板突水频率增高，O₂灰岩水参与发生恶性煤层底板突水，排水量也越来越大，从用水角度来看，O₂灰岩水开采量也与日俱增。例如，1952～1964年O₂灰岩水开采量为1.501m³/s，1965～1977年O₂灰岩水开采量4.964m³/s，1978～1982年O₂灰岩水开采量5.5m³/s，1983以来O₂灰岩水开采量8.463m³/s。据不完全统计，历年来煤层底板突水达1000余次，最大煤层底板突水量达320m³/min。因此，煤层底板突水是造成地下水资源枯竭的另一因素。

2.地下水污染状况

焦作地区河流中，丹河、西石河、山门河和纸坊沟水质好，符合饮用水标准。翁涧河水化学类型

型，总硬度、氯化物超标；新河河水矿化度2782.99mg/L，总硬度1669.63mg/L，Cl^-含量149.21mg/L，均已超过标准。因而，翁涧河和新河有不同程度的污染。据河南省焦作市监测站资料，翁涧河非离子氨、高锰酸钾指数、生物耗氧量、化学耗氧量、六价铬均超标。翁涧河和新河均已成为严重污染的河流，成为地下水污染的源头。

孔隙水污染主要表现在焦作市区以南孔隙水的径流和排泄区，该区岩性细，渗透性差，水位埋深浅，长期蒸发浓缩作用，水中的离子含量特别是Cl^-、K⁺+Na⁺升高，矿化度增加。更为严重的，该区农业采用矿井水及工业生活污水灌溉，致使孔隙水水质恶化。焦作市区南部东王褚至恩村一带及焦作市区东南部仇化庄至焦作市修武杨楼、大高村一带的孔隙水水质类型为

型、

Mg²⁺型和

型，水质最差，本区所检测的18种项目中，超过饮用水标准的项目有总硬度、矿化度、氯化物、硫化物、硝酸盐、氟化物，各污染组分的超标率见表3-19。

表3-19 孔隙水水质状况统计表

根据近几年的监测与研究，喀斯特水水质正在逐渐恶化，且恶化速度也愈来愈快。主要表现在离子Cl^-增加，水质变咸，个别水井水已失去饮用价值。据前人研究，本区喀斯特水Cl^-背景值为26.69mg/L，到1998年喀斯特水Cl^-已达到40～75mg/L，最高为128.73mg/L，2000年至少有三口喀斯特水源井Cl^-含量超过国家饮用水标准（≤250mg/L），最高达1191.22mg/L。焦作地区内某单位喀斯特水自备井1999年Cl^-含量为141.1mg/L，2000年为517.61mg/L，2001年为1258.6mg/L，2002年4月上升至2135mg/L，是国家饮用水标准的8.54倍。喀斯特水Cl^-超标的水源井虽然是个别的，但由于整个焦作地区的喀斯特地下水同属于一个喀斯特水系统，水质如按目前速度继续恶化，整个焦作矿区喀斯特水未来都有被严重污染的危险。造成喀斯特水Cl^-污染的原因为：喀斯特水补给区地表污水的渗漏；孔隙水、矿井排水通过O₂灰岩“天窗”污染喀斯特水；受污染的河水渗漏补给喀斯特水^［21］。

三、地下水保护与利用对策

1.防治水污染，污水资源化

对于没有处理能力的厂、矿、企业，应交纳污水处理费，由城市有关部门统一处理。按照国家产业结构调整政策和淘汰落后生产工艺、技术和装备，重点进行冶金、化工、水泥、电力、采选等重污染行业的结构调整。污水可以被认为“待生资源”，对于污水治理，应本着谁排放谁治理的原则，企业自建小型污水处理厂，处理达标的水可重复利用，以节约水资源。焦作市是以能源、化工为主的重工业城市，污水排放量相当大，并已对地下水造成不同程度的污染，使可利用的水资源量减少。实行污染物排放总量控制制度，从严掌握建设项目的审批，执行限期治理制度，坚持实行“关、停、禁、改、转”的方针。

2.排供环保三位一体

武强教授认为，采用排供环保结合优化管理，不仅考虑了排水系统的疏降效果和安全运营，而且供水系统的供水需求和环境系统的质量保护也同样是优化模型设计的重要约束指标，同时还要充分利用矿井排水，以及将排出的矿井水经过一定水质处理后，全部或部分用来代替矿区正在运行中的不同目的的供水水源^{［27，9，26］}。焦作矿区为了安全生产，大量疏排地下水，矿井排水量为6.2707m³/s，占总开采量10.8134m³/s的58%。而且矿井排水的利用率仅为31.47%。

排供环保三位一体的优化模型除涉及地下水水力技术方面的管理外，同时也牵涉经济评价和环境保护以及产业结构规划等的管理。排供环保三位一体，就是在保证环境质量和矿井安全的前提下，提供给矿井和其周围地区一定数量的水资源，可用于生活、工业和农业等方面的供水。排供环保三位一体结合模型，不仅实现了将保证环境质量的矿井排水和地面抽水用于供水目的，而且通过选择多种供水用户所产生的经济效益最大的目标函数和适当的约束条件，完成了利用一个模型，同时综合制订排水、供水、环保三位一体的具体水资源优化管理方案。该模型已应用于焦作矿区九里山矿^［27］。

3.加强水利价费改革

按照国家发改委改革水价促进节约用水指导意见通知的要求，进行水价调整，否则浪费水的问题不可能根本解决。逐步提高工程水价（自来水价、水利工程供水水价），水资源费（资源水价），水污染处理费（环境水价）。以水为主要的生产原料和生产手段，应制定较高的水价。水利工程水价要逐步到位，水资源费要适时调整。按照不同的行业实行不同的基本水价和不同的阶梯式水价标准，生活用水应有最低保障数量。工业用水要参照国内外先进用水定额定出适应不同地区、不同行业、不同工业产品的用水定额，超定额用水要加价，并责令限期改造设备，降低用水定额。农业水资源费的征收将会使最有潜力的用水大户提高节水意识，促进井灌节水，以水养水^［33］。利用经济杠杆调整用水需求，促进节水工作。调整水价和水资源费，这是节约用水最重要的手段。

4.节约用水

提高重复利用率，节约水源，逐步实现“零”排放。加快工业节水新技术、新工艺和废水资源化的开发研究以及城市节水设施的研究制造；制定行业节水规划和用水标准定额，不断降低耗水量和排水量，提高水的利用率；搞好废水综合利用，实现废水资源化是提高水资源重复利用率的重要措施；通过产品结构、产业结构、企业组织结构和工业布局的调整实现节约用水，达到水资源的供需平衡，也是水污染防治的重点。这是城镇工业节水应该考虑的几个重要方面。

大面积发展适合精耕细作特点的高效节水形式，重点发展喷灌。要因地制宜采用管灌、渠灌、滴灌、喷灌等多种节水措施。搞好地面水灌渠的综合节水措施，发展井渠双灌。推广秸秆还田、覆膜栽培、集雨保水等农艺节水措施。无论是旱作农业，还是灌溉农业都必须采用农艺节水措施，以提高水资源的利用率。农业节水的农艺措施、工程措施要和科学管理结合起来。

节约用水是一项长期的根本措施，关系到社会的可持续发展。以发展农业节水灌溉和工业节水为重点，采取行政、经济、法制、管理等多项措施，千方百计地提高水的利用率和效益。

四、矿井水的水质处理技术

煤矿巷道是煤炭开采的主要场所。巷道中污染物质主要包括废机油、废酸液、煤尘、岩屑颗粒和病源菌以及井下的人工废弃物、粪便等。如果一些老窑积水与巷道相连通时，矿井水易被酸化。如果矿井接受地表水的补给，它们可能还会受到各种农药液和工业废水的污染，工业废水大都含有有机磷、酚、醛等有毒物质。大量涌入巷道的地下水必然会受到这个采煤环境的不同程度的污染。

因此，矿井排水的综合利用必须首先解决水质问题，它是排供环保结合的一个很重要环节。解决这个问题既要在井下巷道的输水过程中，既要根据不同污染类型矿井水和综合利用的不同供水对象，在地面实施矿井水的水质预处理，以便为各供水用户提供符合其具体水质要求的矿井排水资源，又要注意清浊水分流，尽量减轻矿井水的污染程度。矿井水的实用性处理技术和方法主要有以下几类：

1.矿井浑浊水的净化处理

矿井水中所含杂质大致可以划分为3类，即悬浮物、胶体物和溶解物^［5］。矿井浑浊水净化处理的主要去除对象则是悬浮物和胶体物两类，它们是造成矿井水浊度的主要因素。浑浊水的一般常用净化处理流程为：

（1）澄清：澄清是指去除引起水浑浊的悬浮物和胶体物等杂质的过程，一般可划分为3个骤步，即混凝、沉淀和过滤。

（2）消毒：矿井浑浊水经过混凝、沉淀和过滤作用之后，便可着手对其进行消毒处理（消毒处理也可在过滤之前进行）。

矿井浑浊水一般的净化处理流程，如图3-37为其流程示意图。对于某些特殊类型的矿井浑浊水或特殊要求的供水用户，可根据其具体情况分别予以灵活处理，不必完全照搬以上的全部净化处理流程。

图3-37 矿井浑浊水净化处理流程示意图

例如，如果矿井排水的浑浊度较低，又无藻类繁殖时，浑浊度经常在100度以下，投放混凝药剂后可不经过混凝和沉淀作用，直接采用一次性过滤处理，将过滤后的矿井水加氯气消毒，随之经泵站送入供水管网。

再如，如果矿井排水的浑浊度较高，既要设法达到预期的净化目的，又要节约混凝药剂的投放量。可以在混凝、沉淀前采用自然沉淀方法，将原高浑浊度的矿井水中的粒径较大的泥沙颗粒预先沉淀掉一部分，所用构筑物可以是预沉淀池，也可以是沉砂池。最后，再进行混凝，沉淀、过滤和消毒处理。

2.矿井高硬度水的软化处理

水的硬度主要是指溶解于其中的Ca²⁺、Mg²⁺离子含量，溶解于水中的Fe²⁺、Mn²⁺、Sr²⁺离子也是影响水硬度的一个因素。下面介绍3种常用的软化方法：

（1）微生物方法：该种方法包括硫酸盐还原菌去硫法和铁细菌去铁法。

（2）化学方法：化学软化处理包括石灰、石灰乳中和法和石灰、苏打软化法。

（3）物理方法：该种软化处理方法包括蒸馏法、电渗析法和冲淡法3种。

3.矿井酸性水的中和处理

在煤层或其顶、底板中常含有硫化矿物，它们在氧化条件下形成硫酸化合物。矿井水中一旦溶解了这些硫酸化合物，便导致其

离子含量增高，成为酸性矿井水。

矿区酸性水的形成，对于大多数具有较强破坏性的酸性水，是随着煤矿开采时间的延长而逐渐形成的。而有的酸性水是在煤矿开采之前，即在硫化矿床氧化带处就已经富集了酸性水。

酸性水的危害是十分严重的。在俄罗斯布利亚矿区勘探中，由于酸性水的腐蚀作用，在8h内钻杆直径减少1mm，套管局部被腐蚀，在强酸性水分布地段，经12昼夜，套管壁就被腐蚀穿孔。矿井与储集酸性水的老窑、老空区沟通，酸性水便可沿通道进入矿井，因而酸性水就会污染井下生产环境。

对于已经形成的酸性水和受其污染的矿井，应采用石灰石中和法或微生物法加以治理。对于酸性的老窑积水，应设立防水煤柱等工程，使其与矿井系统完全隔离；对于含硫矿层要设法消灭充水充氧的环境，使其封闭并失去形成酸性水的环境。消除酸性矿井水的污染，预防和治理应同步进行。

4.矿井高铁高锰水的处理

当日处理100m³高铁、高锰水时，滤池可采用钢制圆形双级压力滤池，将滤池分成上、下两室，上、下室均采用锰砂作滤料。为了达到充分曝气，尽可能驱散水中游离CO₂，且提高pH值，可采用叶轮式表面曝气装置，曝气池可做成矩形，水在曝气池停留时间约为20分钟。表面曝气双级滤池过滤除铁、锰工艺是一项比较经济且效果良好的技术方法。

除铁方法主要有两种，其一是莲蓬头曝气、石英砂过滤除铁，或者用河砂、卵石、木炭卵石层过滤除铁，其二是用天然锰砂接触氧化除铁，该方法简单经济，效果良好，已被广泛推广利用，这些工艺都能达到预期除铁的目的，使水中铁的含量达到符合国家生活饮用水标准。

20世纪70年代末发展了一种两级过滤处理系统的处理方法，该方法经过曝气、两级过滤，一般水中铁、锰含量均可被控制在国家生活饮用水标准之下。可同时消除水中的铁、锰离子含量，其工艺过程是首先将水充分曝气，然后经第一级滤池除铁，再经第二级滤池除锰。在除锰技术方面，最初采用的是接触氧化法除锰工艺，效果也良好。

⑤ 地下水有哪些主要的物理性质和化学性质

物理性质：温度、颜色、透明度、嗅、味、比重、电导性及放射性
化学性质：地下水的酸碱性、地下水的总矿化度、地下水的硬度

地下水物理性质主要指水温、颜色、透明度、嗅和味。化学性质由溶解和分散于地下水中的气体、离子、分子，胶体物质和悬浮固体的成分，微生物及这些物质的含量所决定。地下水中溶解的化学成分同一般天然水中的化学成分基本相同（见天然水水质）。它不同于地表水的是它含有极小量的溶解氧，而CO2则溶解较多；有一些地下水还含有H2S、CH4和氡。在大多数地下水中，阴离子主要是HCO婣，阳离子主要是Na+、Ca2+和Mg2+。地下水按矿化度分为淡水（矿化度升）、微咸水(1～3克/升)、咸水(3～10克/升)、盐水(10～50克/升)和卤水(>50克/升)。

⑥ 地下水运动特征的分类

为了便于对地下水运动进行研究，可以用不同的标准对地下水运动特征进行分类

表征渗流运动特征的物理量称为渗流的运动要素。主要有渗流量Q，渗流速度v，压强p，水头H等。按照这些运动要素和时间的关系，可把地下水的运动分为稳定运动和非稳定运动。必须指出，地下水不断地得到补给、排泄，严格地说来，运动都是非稳定的。稳定运动只是一种暂时的平衡状态。

根据地下水运动方向（即渗透流速矢量的方向）与空间坐标轴的关系，可把地下水分为一维运动，二维运动和三维运动。

当地下水沿一个方向流动时，把这个方向取作坐标轴，因而地下水的渗透流速只有沿这一坐标轴的方向有分速度，其余坐标轴方向的分速度均为零。这类运动称为地下水的一维运动，如等厚的承压含水层中的地下水运动（图1—7）。一维运动也称单向运动。

图1—7承压水的一维流动

（a）—平面图；（b）—剖面图

如果地下水的渗透流速沿二个坐标轴方向都有分速度，仅仅一个坐标轴方向的分速度为零，则称为地下水的二维运动，如图1—8的渠道向河流渗漏时的地下水运动。此时，河、渠几乎平行，而且很长。垂直渠、河方向发生渗漏，因而沿y轴方向的分速度等于零。直角坐标系的二维运动也称平面流动。因为此时的地下水流动是平行于某一垂直平面或水平平面进行的，计算时只要沿垂直于该平面的方向（图上为y轴方向）取单位宽度即可。单位宽度的渗流量称为单宽流量q。显然，总流量Q等于单宽流量q乘上宽度B，即：

地下水动力学（第二版）

本书的后面部分，如无特别声明，对于平面流动均按单位宽度进行计算。

如果地下水的渗透流速沿空间三个坐标轴的分量均不等于零，则称为地下水的三维运动，多数的地下水运动都是三维运动，也称空间流动，如图1—9河弯处的潜水运动。

地下水运动的维数，和所选取的坐标系有关。例如在轴对称条件下，如选用直角坐标系（x，y，z坐标系），则为三维运动。如选用柱坐标系（r，θ，z坐标系）则变为二维运动（图1—10）。

⑦ 地下水及地下水运动

基坑降水的效果及环境影响程度和地下水的赋存形式、运动规律有直接关系：

（1）地下水与基坑降水

在地壳中，岩土体是由固态相、液态相和气态相的物质组成，固态相主要为硅铝酸盐类矿物组成的颗粒或颗粒集合体，液态主要是水，气态主要为空气。因而将赋存于地面以下岩土体空隙中的水称为广义的地下水（undergroundwater）。地下水可以以重力水、结合水（又可分为强结合水、弱结合水）、毛细水等形式存在于岩土体的颗粒间空隙、颗粒表面，在常压下可以呈静止状态和流动状态（层流和紊流）。地下水对岩土体的物理力学性质影响极大。

岩土层按其透过和给出水的能力划分为含水层和隔水层，能够透过并给出相当数量水的岩土层称为含水层，不能透过并给出水或透过和给出水的数量很少的岩土层称为隔水层。因此，含水层和隔水层的划分是相对的，并不存在截然的界限或绝对的定量标志，以前的划分主要考虑给出水的数量是否满足开采利用的实际需要，当立足于工程降排水的角度时，就发现许多供水工程中认为没有价值的隔水层在降排水工程中有着重要意义。

地下水赋存于岩土体的空隙中，在多数条件下处于径流状态，参与自然界中大气水、地表水、地下水的“三水循环”。地下水动态受气候周期性变化影响明显，也受到地表水体变化的影响和人类活动的影响。按地下水赋存的条件，沿岩石圈深度方向的垂直分布，地下水分为包气带水、潜水和承压水，后两者为饱水带中的地下水，既有重力水又有结合水。

包气带水即包气带中的水，连续地下水面以上，主要以结合水形式存在，靠近潜水面有毛细水，局部还有重力水，特殊的还可以形成上层滞水。潜水是饱水带中第一个具有自由水面的含水层中的水。其基本特点是与大气圈及地表水联系密切，积极参与水循环，埋藏位置相对浅，上无连续隔水层。承压水埋藏于相对隔水层之下，水位具有承压性，并有一定的承压水头。

基坑降排水工程主要发生于松散土体中，与基坑降排水工程关系密切的地下水主要为包气带水，潜水，有时会涉及到承压水。包气带中的水特别是上层滞水，以重力水和结合水形式存在于包气带中，呈岛状、透镜体状分布，易与潜水混淆。两者区别主要有以下三点：首先，上层滞水没有明显的补给、径流和排泄等水文地质单元的基本要素特征；其次，上层滞水没有连续性地下水水位，且变化大，常无规律；最后，上层滞水分布范围小，补给受气候和人类活动的影响很大。由于基坑工程的范围比水文地质单元所指的区域小的多，水文地质中较小涌水量对基坑的作用也可能重大，某一上层滞水对供水工程可能毫无意义，但对基坑工程可能就必须采取降、排水措施，所以在基坑工程中要给予上层滞水足够的重视。包气带中饱水度、持水度大，给水度小的粘性土、淤泥质土中的土壤水对基坑工程的影响也很大，主要以结合水形式存在，包括吸着水和薄膜水。在常压下基本处于停滞状态，钻进后能在钻孔中释出少量的水，形成地下水位，工程中应加以重视。

裂隙水按其分布条件可划分为土体中的裂隙水、风化岩体中的裂隙水、带状裂隙水等。由于带状裂隙水的分布呈条带分布，补给条件好的地段应特别注意。赋存于可溶岩岩体中的岩溶裂隙水和溶洞水统称为岩溶水。规范中指出（中华人民共和国建设部，1999），当遇到基岩、水下及涵洞时的降水工程为特殊性降水工程，并提出应有相宜的措施。

（2）地下水运动

地下水运动总体上可以划分为饱水带重力水的运动和包气带毛细水以至结合水的运动，一般提到的地下水运动均指饱水带重力水运动。地下水在岩土空隙中的运动称为渗流，发生渗流的区域称为渗流场。以水质点有无秩序、混杂与否，渗流分为层流和紊流。又以各运动要素（水位、流速、流向）是否随时间发生变化，渗流划分为稳定流和非稳定流。

由于空隙的形状、大小、连通性等各地层不尽相同，地下水的渗流也不相同，由于无法研究个别水质点的运动规律，就设想水体充满含水层的整个空间来代替空隙内流动的真实水流，并假定任一断面与真实水流通过这一断面的流量、压力和所受阻力均相等。

地下水渗流一般遵从达西定律，即

基坑降水工程的环境效应与评价方法

式中：Q——渗透流量（m³/d）；

ω——过水断面（m²）；

V——渗透流速（m/d），并非实际流速，V=ne·u即等于有效空隙度乘实际流速；

I——水力梯度；

k——渗透系数（m/d）；

dH——沿地下水渗透方向上的水头损失（m）；

dL——与dH相对应的渗透途径长度（m）。

实际上，达西定律只在雷诺数为1～10的层流状态下才适用，但一般天然状态下的地下水运动，或控制抽水量的抽水井周围含水层的地下水运动，大部分属于这部分层流。

渗流常用的另一个微分方程是渗流的连续性方程，见（2.2）式。

基坑降水工程的环境效应与评价方法

式中：v_x，v_y，v_z——坐标轴方向的渗透速度分量；

P——液体密度；

n——孔隙度；

nΔxΔyΔz——液体所占的体积。

连续性方程是研究地下水运动的基本方程，研究地下水运动的各种微分方程都是根据连续性方程和反映能量守恒与转化的定律的方程（如上述达西定律）建立起来的。

基于式（2.1）和（2.2）人们已推导出潜水和承压水运动的基本微分方程。

对于潜水含水层裘布依（Dupuit）提出以下假设：潜水面通常不是水平的，故流速存在垂直分量，裘布依于1863年基于大多数地下水流的潜水面均很小这一事实，假设潜水面上的任意一点的渗透速度方向与潜水面相切，从而可以忽略渗透速度的垂直分量v_z。

潜水二维非稳定流的流动微分方程如（2.3）式：

基坑降水工程的环境效应与评价方法

式中：k_x，k_y——分别为x，y方向上的渗透系数；

ε——垂向补给强度，即单位时间单位面积上的垂向补给量（补给为正、排泄负）；

μ——潜水面下降时为重力给水度，上升时为饱和差，水和固体骨架的弹性贮存变化忽略不计；

ZZ——含水层底板标高函数。

这就是着名的布西涅斯克（Boussinesq）方程（1904）。实际工作中，由于抽水疏干等原因，承压含水层会出现无压状态，即水头值低于隔水顶板标高，这种无压水的流动也可用上式描述。若隔水底板顶面水平，且水头函数h（x，y，t）的基准面取在隔水底板顶面处，则（2.3）式可写为：

基坑降水工程的环境效应与评价方法

承压水二维非稳定运动的微分方程，当承压含水层为均质和各向同性时的方程为：

基坑降水工程的环境效应与评价方法

式中：S_s——贮水系数，无量纲量；

T——导水系数（T=κM）；

M——承压含水层厚度。

⑧ 地下水物理性质的介绍

地下水的物理化学特性及其动态特征。地下水物理性质主要指水温、颜色、透明度、嗅和味。化学性质由溶解和分散于地下水中的气体、离子、分子，胶体物质和悬浮固体的成分，微生物及这些物质的含量所决定。地下水中溶解的化学成分同一般天然水中的化学成分基本相同（见天然水水质）。它不同于地表水的是它含有极小量的溶解氧，而CO2则溶解较多；有一些地下水还含有H2S、CH4和氡。在大多数地下水中，阴离子主要是HCO婣，阳离子主要是Na+、Ca2+和Mg2+。地下水按矿化度分为淡水（矿化度升）、微咸水(1～3克/升)、咸水(3～10克/升)、盐水(10～50克/升)和卤水(>50克/升)。

⑨ 地下水对岩体的物理，化学，力学作用体现在哪几个方面

地下水对岩体的影响分为：物理的、化学的和力学的影响。

(1)岩体的物理作用：
(a)润滑作用：在裂隙面上，水使裂隙面之间的摩擦系数减小。
(b)软化和泥化作用：结构面内某些物质与水结合后变软并成泥，减小了结构面之间的粘聚力和摩擦力。
(c)结合水的强化作用：在非饱和状态下，岩体含水能增强岩体颗粒之间的联系，从而增加岩体的强度。
(2)对岩体的化学作用：
(a)离子交换作用：富含Ca、Mg 离子的地下水在流经富含Na 离子的岩土时，Ca、Mg 离子置换岩土中的 Na 离子， 一方面，由水中 Na 离子富集使天然地下水软化，另一方面，岩土中的 Ca、Mg 离子增加了孔隙度和渗透 性能。
(b)溶解作用和溶蚀作用：大气降雨中的酸性物质在地下水中对岩石中的石灰岩、白云岩、石膏等产生溶蚀 作用，使岩体产生裂隙和溶洞，增加了岩体的渗透性能。
(c)水化作用：水渗透到岩体的矿物结晶格架中，使岩体的结构发生微观及宏观的改变，减小了岩体的内聚 力，膨胀岩体与水结合，使起岩体内部产生膨胀力。
(d)水解作用：当岩土体中的阳离子与水作用，使地下水中的H+ （M++H2O=MgOH+H+）浓度增加，水的酸度增 加，当岩土体中的阴离子与水作用，使地下水中的OH- 浓度增加，水的碱度增加。水解作用一方面改变地 下水的PH 值，另一方面，也使岩土体物质发生改变，从而影响岩土体的力学性质。
(e)氧化还原作用：岩土体与氧气作用发生氧化反应，岩土体的矿物组成发生改变，地下水的化学组成也发 生改变（如硫化铁氧化后生成氧化铁和硫酸），从而影响岩土体的力学性质。

⑩ 地下水物理性质的因素

影响地下水水质的主要因素是土壤、岩石的成分，渗透性和地下水的埋藏深度。地下水存在于土壤和岩石的空隙中，与土壤和岩石长期接触，不同地区的土壤和岩石类型不同，地下水的化学成分的地区差异极大。一般，浅层地下水由于渗过地壳表层的大量降水多次冲刷土壤和岩石，所含盐类贫乏，矿化度低。干旱地区的浅层地下水，通过岩土的毛细管作用强烈蒸发，矿化度增高。埋藏较深的地下水，很少或完全不受气候条件的影响，而岩石的成分对地下水的成分有重要的意义。总的趋势是，地下水的矿化程度随深度加深而加大。