地下水砷污染研究进展

砷是一种毒性很强的致癌物质,地下水的砷污染严重破坏生态环境,危害人类健康,已成为近年来国内外学者研究的热点问题。本文针对地下水的砷污染问题进行综述,介绍了地下水砷污染研究现状,并简单介绍了地下水中砷的来源。另外,还针对地下水中砷的存在形态及其影响因素等方面作了详细介绍,对砷污染的预防控制和修复治理起到指导作用。     

黄河上游某灌区地下水防污性能评价及预测

以黄河上游某灌区的地下水为研究对象,分别建立灌区潜水的DASLTCU模型和承压水DLCA模型对灌区地下水进行防污性能评价。选取潜水埋深(D)、含水层厚度(A)、地表土层厚度(S)、地表坡度(L)、地表岩性(T)、含水层渗透系数(C)、灌区现状图(U)作为灌区潜水的综合防污性能评价因子;选取承压水埋深(D)、隔水层岩性(L)、隔水层连续性(C)、隔水层厚度(A)作为灌区承压水的防污性能评价因子;应用ARCGIS和MODELFLOW对灌区地下水的综合防污性能进行评价和预测。得出现有灌溉规模下,潜水综合防污性差及较差地区占总面积24%,中等及以上地区占76%,灌区综合防污性总体较好。绘制出灌区潜水的现状防污性能分区图及30年后潜水的综合防污性能预测分区图。     

From Bullets to Boreholes: A Disaggregated Analysis of Domestic Water Cooperation in Drought-prone Regions

Does water shortage incentivize cooperation? Case studies suggests that water scarcity can rarely, if at all, explain violence, instead such shortages rather facilitate cooperative actions around water. Another major argument from qualitative research holds that water scarcity and armed conflict often occur side by side. These insights have rarely been tested empirically across cases on a sub-national level. Earlier quantitative work instead focused on basin or state level interactions. This article fills these gaps by using disaggregated data to analyze the effect of water scarcity on incidences of domestic water cooperation. Using event data covering the Mediterranean area and Northern Africa (1997–2009), this article first shows that water-related actions, cooperative or conflictual, in general are more frequent in water scarce areas. Second, the analysis demonstrates that water cooperation occurs in areas with difficult access to groundwater and with a history of violence. Third, the findings suggest that the relationship between water scarcity and water cooperation is conditional on levels of democracy. The presented results also differ depending on whether state or non-state actors collaborate in domestic water initiatives. Taken together, these findings provide crucial insights to our understanding of environmental peacebuilding and water security.     

δ34S isotope values of dissolved sulfate (SO4 2−) as a tracer for battery acid (H2SO4) contamination in groundwater

The application of sulfur isotope (³⁴S) values of sulfate in groundwater provided the information necessary to evaluate the source, transport and fate of battery acid and associated contaminants at the Gulf Coast Recycling (GCR) facility. The chemical and isotopic composition of groundwater beneath the (GCR) property, a battery recycling facility in east Tampa, Florida, varies more than expected for an area of comparable size. Sulfate (SO₄^2–) values, for example, range from 1.2 to 11,500 mg/L and oxygen and hydrogen isotopes do not attenuate towards the weighted annual mean. Those samples that are high in sulfate generally have a low pH, which immediately indicates battery acid (H₂SO₄) contamination as a potential source for the sulfate. The low pH and high reactivity of the sulfuric acid groundwater cause the formation of hydrogeological microenvironments due to preferential dissolution of carbonate minerals, which in turn causes enhanced recharge and groundwater flow in certain areas; thus, the extreme scatter in the data set. Because of the difficult hydrogeology it is not straightforward to delineate the point-sources of contamination and up to five potential scenarios have to be evaluated: (1) seawater intrusion, (2) upwelling of high-sulfate groundwater, (3) local dissolution of gypsum, (4) an up-gradient contaminant source to the northeast of the GCR property and (5) battery acid contamination.     

Groundwater quality and its suitability for drinking and agricultural use in Chithar River Basin, Tamil Nadu, India

Hydrochemistry of groundwater in Chithar Basin, Tamil Nadu, India was used to assess the quality of groundwater for determining its suitability for drinking and agricultural purposes. Physical and chemical parameters of groundwater such as electrical conductivity, pH, total dissolved solids (TDS), Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^–, HCO₃^–, CO₃^2–, SO₄^2–, NO^–₃, F^–, B^– and SiO₂ were determined. Concentrations of the chemical constituents in groundwater vary spatially and temporarily. Interpretation of analytical data shows that mixed Ca–Mg–Cl, Ca–Cl and Na–Cl are the dominant hydrochemical facies in the study area. Alkali earths (Ca²⁺, Mg²⁺) and strong acids (Cl^–, SO₄^2–) are slightly dominating over alkalis (Na⁺, K⁺) and weak acids (HCO₃^–, CO₃^2–). The abundance of the major ions is as follows: Na⁺ Ca²⁺ Mg²⁺ > K⁺ = Cl^– > HCO₃^–> SO₄^2– > NO₃^– > CO₃^2– . Groundwater in the area is generally hard, fresh to brackish, high to very high saline and low alkaline in nature. High total hardness and TDS in a few places identify the unsuitability of groundwater for drinking and irrigation. Such areas require special care to provide adequate drainage and introduce alternative salt tolerance cropping. Fluoride and boron are within the permissible limits for human consumption and crops as per the international standards.     

Hydrogeochemistry and carbonate saturation model of groundwater, Khanyounis Governorate—Gaza Strip, Palestine

Groundwater is a critical resource in Khanyounis city as it is the main source of water. The aquifer has deteriorated to a high degree, during the last two to three decades, in quality and quantity. More than 90% of the population get their drinking water from brackish water desalination plants. Fifteen domestic wells were sampled in 2002 to probe the hydrogeochemical components that influence the water quality. Na, K, Ca, Mg, Cl, SO₄, NO₃, and HCO₃ were analyzed. The data were statistically treated and plotted on the Piper diagram. A hydrogeochemical numerical model for carbonate minerals was constructed using the PHREEQ package. The results show that the groundwater is polluted with Cl, from seawater, and NO₃, sourced from fertilizers and sewage. The regression analysis shows that there are three groups of elements that are significantly and positively correlated. Na–Cl signature and plot show that seawater intrusion is advancing into the aquifer. The main hydrochemical facies of the aquifer (Na+K–Cl+SO₄), represents 60% of the total wells. Whereas 32.3% of the wells are located in the no pair up and no pair down fields on the Piper diagram. Calcite, dolomite, and aragonite solubility were assessed in terms of the saturation index where they show positive values indicating supersaturation. The hydrogeochemical behavior is rather complicated and is affected by anthropogenic and natural parameters.     

Modeling of complex multi-aquifer systems for groundwater resources evaluation—Swidnica study case (Poland)

An example of groundwater resources evaluation methodology by numerical modeling in the complex, unconsolidated, multi-aquifer system of the Swidnica area (~627 km²) is presented. In this study Groundwater Modeling System (GMS) was used to develop a conceptual model on the basis of data from several hundred boreholes and to calibrate a numerical, multi-aquifer model. A steady state calibration was performed using historical natural groundwater table (quasi-natural simulation) data and abundant pumping test transmissivity data. The calibrated recharge was first spatially distributed based on surface lithology and then adjusted until a good match between calculated and measured heads was obtained. The quasi-natural simulation budget input of ~165,000 m³/day consisted of 40.5% of lateral inflow from the SW fault model boundary, 34.5% of average net recharge from precipitation, 13% of infiltration from the Mietkowskie Lake and 12% of river infiltration. The budget output (the same as input) consisted of ~ 88% of river drainage and ~ 12% of lateral outflow. The final, abstraction-influenced simulation representing the current stationary condition was used to verify the model by cross referencing present well drawdowns with well abstractions and by comparison of the groundwater discharge to the rivers with the field baseflow measurements. In this simulation, the total well abstraction of ~53,000 m³/d resulted in 9% increase in overall water balance up to ~180,000 m³/day, 38% increased river infiltration, 24% reduced river drainage, 17% reduced lateral outflow and ~3 times increased downward leakage to the deepest, productive aquifer. The Swidnica study case shows an example, which analyzes an impact of well abstractions on the decline of groundwater table and river discharges, concluding that reserves of renewable water resources are still available. It shows also, that by setting up a conceptual model within the numerical model environment and by applying a quasi-3D solution, complex multi-aquifer systems can be well and efficiently modeled.

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Resumen Se presenta un ejemplo de metodología de evaluación de recursos de aguas aubterráneas por medio de modelación numérica en el sistema multi-acuífero, complejo, no consolidado del área de Swidnica (~627 km2). Em este estudio se utilizó un sistema de modelamiento de aguas subterráneas (GMS) para desarrollar un modelo conceptual sobre la base de datos de varios cientos de pozos y para calibrar un modelo multi-acuífero numérico. Se llevó a cabo calibración de un estado constante mediante el uso de datos históricos del manto de aguas subterráneas (simulación casi natural) y de abundantes datos de transmisividad de las pruebas de bombeo. En primer lugar se distribuyó la recarga calibrada en base a la litología de superficie y luego se ajustó hasta obtener una buena correlación entre las cimas calculadas y las medidas. El casi natural presupuesto en la simulación de ~165,000 m3/día consistió de 40.5 % de influjo lateral del límite del modelo de la falla SO, 34.5% de recarga neta promedio de precipitación, 13 % de infiltración del lago Mietkowskie y 12% de infiltración de los ríos. El presupuesto de los productos (output) (igual que el input)consistió de ~ 88 % de drenaje de los ríos y ~ 12 % de flujo lateral. La simulación final, influida por la abstracción, que representa la condición estacionaria actual se utilizó para verificar el modelo mediante la verificación cruzada de los conos de abstracción actuales con abstracciones de los pozos y mediante la comparación de la descarga de aguas subterráneas a los ríos con las medidas de flujo de base de terreno. En esta simulación, la abstracción total de los pozos de ~53,000 m3/d dio como resultado un incremento de 9 % en el balance de gua total de hasta ~180,000 m3/día, un incremento de 38 % infiltración de los ríos, una reducción de 24 % del drenaje a los ríos, una reducción de 17 % del eflujo lateral y un incremento de ~3 veces de filtración hacia abajo al acuífero má profundo productivo. El caso de estudio Swidnica muestra un ejemplo que analiza el impacto de las instalaciones de abstraccion de pozos sobre el decrecimiento del mato de aguas subterráneas y descargas de ríos. Sin embargo, la conclusión es que las reservas de recursos aguas renovables están disponibles todavía. También muestra que los sistemas multi-acuíferos complejos se puede modelar eficientemente y satisfactoriamente al establecer un modelo conceptual dentro del ambiente de un modelo numérico y mediante la aplicación de soluciones casi 3D.

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Resumé Un exemple méthodologique dévaluation des ressources en eau souterraine par modélisation numérique dun système aquifère multiple complexe et non-consolidé de la région de Swidnica (~627 km2) est présenté. Le système de modélisation de leau souterraine GMS (Groundwater Modeling System) est utilisé afin de développer un modèle conceptuel basé sur les données provenant de plusieurs centaines de puits, ainsi que pour caler le modèle numérique daquifère multiple. Une calibration en régime permanent a été effectuée en utilisant les données historiques du niveau naturel de la nappe phréatique (simulation quasi-naturelle) et les données de transmissivité provenant de nombreux essais de pompage. La recharge calibrée a été obtenue en utilisant dabord des valeurs spatiallement distribuées en fonction de la lithologie de surface qui ont par la suite été ajustées jusquà ce quune bonne correspondance entre les charges mesurées et simulées soit obtenue. Le bilan des intrants deau pour la simulation quasi-naturelle de ~165,000 m3/j est réparti comme suit: 40.5% provenant dentrée deau latérale le long de la limite sud-ouest du modèle qui représente une faille, 34.5% de recharge moyenne nette provenant des précipitations, 13% dinfiltration provenant du lac Mietkowskie et 12% dinfiltration provenant de rivières. Le bilan des extrants deau qui forme le même volume que les intrants est réparti entre ~88% de drainage par les rivières et ~12% découlement latéral. La simulation finale influencée par le captage qui représente les conditions actuelles a été utilisée afin de vérifier le modèle en comparant le rabattement actuel avec le captage des puits et en comparant lécoulement deau vers les rivières avec les valeurs découlement de base des rivières mesurées sur le terrain. Dans cette simulation, le total deau pompé (~53,000 m3/j) produit une augmentation de 9% dans le bilan deau total qui devient ~180,000 m3/j, une augmentation de 38% dinfiltration par les rivières, une réduction de 24% du drainage par les rivières, une réduction de 17% de lécoulement de sortie latéral et une augmentation denviron 3 fois du drainage vers le bas vers laquifère le plus productif. Létude de cas de Swidnica montre un exemple qui analyse limpact dinstallation de puits de captage sur le déclin de la nappe phréatique et sur la décharge dans les rivières, en concluant par contre, que les réserves en eau renouvelable sont toujours disponibles. Cet exemple montre également quen construisant un modèle conceptuel avec un environnement de modèle numérique et quen appliquant une solution quasi 3D, les systèmes multiaquifères complexes peuvent être bien et efficacement modélisés.

     

Inverse problem in hydrogeology

The state of the groundwater inverse problem is synthesized. Emphasis is placed on aquifer characterization, where modelers have to deal with conceptual model uncertainty (notably spatial and temporal variability), scale dependence, many types of unknown parameters (transmissivity, recharge, boundary conditions, etc.), nonlinearity, and often low sensitivity of state variables (typically heads and concentrations) to aquifer properties. Because of these difficulties, calibration cannot be separated from the modeling process, as it is sometimes done in other fields. Instead, it should be viewed as one step in the process of understanding aquifer behavior. In fact, it is shown that actual parameter estimation methods do not differ from each other in the essence, though they may differ in the computational details. It is argued that there is ample room for improvement in groundwater inversion: development of user-friendly codes, accommodation of variability through geostatistics, incorporation of geological information and different types of data (temperature, occurrence and concentration of isotopes, age, etc.), proper accounting of uncertainty, etc. Despite this, even with existing codes, automatic calibration facilitates enormously the task of modeling. Therefore, it is contended that its use should become standard practice.

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Resumen Se sintetiza el estado del problema inverso en aguas subterráneas. El énfasis se ubica en la caracterización de acuíferos, donde los modeladores tienen que enfrentar la incertidumbre del modelo conceptual (principalmente variabilidad temporal y espacial), dependencia de escala, muchos tipos de parámetros desconocidos (transmisividad, recarga, condiciones limitantes, etc), no linealidad, y frecuentemente baja sensibilidad de variables de estado (típicamente presiones y concentraciones) a las propiedades del acuífero. Debido a estas dificultades, no puede separarse la calibración de los procesos de modelado, como frecuentemente se hace en otros campos. En su lugar, debe de visualizarse como un paso en el proceso de entendimiento del comportamiento del acuífero. En realidad, se muestra que los métodos reales de estimación de parámetros no difieren uno del otro en lo esencial, aunque sí pueden diferir en los detalles computacionales. Se discute que existe amplio espacio para la mejora del problema inverso en aguas subterráneas: desarrollo de códigos amigables al usuario, acomodamiento de variabilidad a través de geoestadística, incorporación de información geológica y diferentes tipos de datos (temperatura, presencia y concentración de isótopos, edad, etc), explicación apropiada de incertidumbre, etc. A pesar de esto, aún con los códigos existentes, la calibración automática facilita enormemente la tarea de modelado. Por lo tanto, se sostiene que su uso debería de convertirse en práctica standard.

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Résumé Létat du problème inverse des eaux souterraines est synthétisé. Laccent est placé sur la caractérisation de laquifère, où les modélisateurs doivent jouer avec lincertitude des modèles conceptuels (notamment la variabilité spatiale et temporelle), les facteurs déchelle, plusieurs inconnues sur différents paramètres (transmissivité, recharge, conditions aux limites, etc.), la non linéarité, et souvent la sensibilité de plusieurs variables détat (charges hydrauliques, concentrations) des propriétés de laquifère. A cause de ces difficultés, le calibrage ne peut être séparé du processus de modélisation, comme cest le cas dans dautres cas de figure. Par ailleurs, il peut être vu comme une des étapes dans le processus de détermination du comportement de laquifère. Il est montré que les méthodes dévaluation des paramètres actuels ne diffèrent pas si ce nest dans les détails des calculs informatiques. Il est montré quil existe une large panoplie de techniques d ‹inversion : codes de calcul utilisables par tout-un-chacun, accommodation de la variabilité via la géostatistique, incorporation dinformations géologiques et de différents types de données (température, occurrence, concentration en isotopes, âge, etc.), détermination de lincertitude. Vu ces développements, la calibration automatique facilite énormément la modélisation. Par ailleurs, il est souhaitable que son utilisation devienne une pratique standardisée.

     

Introductory review of specific factors influencing urban groundwater, an emerging branch of hydrogeology, with reference to Barcelona, Spain

A number of specific factors must be considered when dealing with groundwater in urban areas. Urbanization significantly affects the natural water cycle, both in terms of quantity and quality. In particular, the main contributors to recharge and discharge clearly differ from those in natural systems. Moreover, water can affect underground structures and infrastructure characteristics of cities such as basements, public transport services (trains, underground railways, etc.), and utility conduits. As a result, urban groundwater is emerging as a distinct branch of hydrogeology. The objective of this paper is to review some of the topics that are specific to urban groundwater. These include (1) fluctuations in groundwater levels caused by changes in land and water uses; (2) pollution problems caused by point or non-point sources in urban areas; (3) characterization and quantification of the components contributing to groundwater recharge and discharge; (4) specific characteristics of groundwater flow and solute transport models in urban areas; and (5) integration of data for sustainable urban water management. Some of these issues are illustrated for the particular case of Barcelona, where a comprehensive hydrogeological study has been carried out during the last few years by both the public and the private sectors.

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Resumen Se debe considerar una serie de factores específicos al tratar las aguas subterráneas en áreas urbanas. El proceso de urbanización afecta el ciclo natural del agua de manera significativa tanto en lo que se refiere a cantidad como a calidad. En particular, los contribuyentes principales a la recarga y descarga claramente difieren de aquellos aplicables a los sistemas naturales. Es más, el agua puede afectar los estructuras subterráneas de las ciudades tales como sótanos, servicios de transporte público (trenes, trenes subterráneos) y los servicios básicos. Como resultado de esto, la hidrogeologia urbana está emergiendo como una rama específica de la hidrogeología. El objectivo de este artículo es revisar algunos de los temas que son específicos al agua subterránea urbana. Estos incluyen: 1) Fluctuaciones en los niveles de agua subterránea causados por cambios en los usos de terreno y del agua; 2) Problemas de contaminación causados por fuentes puntuales o no puntuales en áreas urbanas; 3) Caracterización y cuantificación de los componentes que contribuyen a la recarga y descarga de agua subterránea; 4) Características especificas de flujo de agua subterránea y modelos de transporte de solutos en áreas urbanas; y 5) Integración de datos para el manejo sostenible de agua urbana. Algunos de estos puntos se han ilustrados para el caso particular de Barcelona en donde se ha llevado a cabo un estudio hidrogeológico amplio durante los últimos años tanto por el sector privado como el público.

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Résumé Une série de facteurs spécifiques doit être considérée lorsque leau souterraine en région urbaine est étudiée. Lurbanisation affecte significativement le cycle naturel de leau, autant du point de vue quantitatif que qualitatif. Plus particulièrement, les zones de recharge et de décharge diffèrent considérablement des systèmes naturels. Leau souterraine peut affecter les structures souterraines ainsi que les infrastructures municipales telles que les sous-sols, les systèmes de transport publique (trains, métros, ...) et les conduits de service. De ce fait, lhydrogéologie en milieu urbain émerge comme une branche distincte de lhydrogéologie classique. Lobjectif de cet article est de revoir certaines notions qui sont spécifiques à létude de leau souterraine en milieu urbain. Parmi ces notions : 1) les fluctuations de la nappe phréatique causées par des changements dans lutilisation du territoire et de leau, 2) les problèmes de pollution causés par des sources ponctuelles ou diffuses en milieu urbain, 3) la caractérisation et quantification des composants qui contribuent à la recharge et décharge des aquifères, 4) les caractéristiques spécifiques des modèles découlement de leau souterraine et de transport de solutés en milieux urbain, et 5) lintégration des données pour la gestion durable de leau en milieu urbain. Certaines de ces questions sont étudiées pour le cas particulier de la ville de Barcelone où une étude hydrogéologique complète a été menée au cours des dernières années par les secteurs privé et public.

     

Computing residence times for flow towards a pumping well: nomograph solution and validity of the small draw-down approximation

A recent analytical model developed to compute the residence time of fluid flowing in an unconfined aquifer towards a single pumping well is examined. The solution is scaled and presented practically as a nomograph showing the relationship between the residence time, flow length and draw-down. In addition, a similar scaling process is undertaken for the same problem occurring in a confined aquifer so that the error introduced by approximating an unconfined system as a confined system can be understood over a wide range of conditions.

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Resumen Se examina un modelo analítico, recientemente desarrollado, para calcular el tiempo de residencia de un fluido, el cual está fluyendo dentro de un acuífero libre hacia un pozo de bombeo único. La solución después de ser ajustada, se presenta prácticamente como un nomograma, mostrando la relación entre el tiempo de residencia, la longitud del flujo y el abatimiento. Adicionalmente, un proceso similar de ajuste fue realizado para el mismo problema, pero bajo condiciones de acuífero confinado, por tanto el error causado por hacer la aproximación de un sistema libre como si fuera un sistema confinado, puede llegar a ser entendido para un rango amplio de condiciones.

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Résumé On analyse un modèle analytique récent pour calculer le temps de résidence dun fluide pendant son écoulement vers un puits de pompage dans une nappe libre. La solution a été mise-à-léchelle et présenté dune manière pratique, comme une nomogramme qui exprime la relation entre le temps de résidence, la distance de l› écoulement et le rabattement. De plus, on a utilisé un procédé similaire de mise-à-léchelle pour le même problème dans une nappe captive affin que lerreur introduite par lapproximation dune nappe libre par une nappe captive peut être interprétée pour une grande classe de conditions.