数电课件1第六章

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1、第六章 放射性物质在岩石、土壤和地下水的行为,个人介绍,姓名：位楠楠 联系方式： 邮箱： 办公地点：核技术学院316室,环境监测与评价,核设施辐射环境影响评价框图,水循环,目录,岩石,1、地质作用与岩石的形成,侵入型岩浆岩,喷出型岩浆岩,岩浆,沉积、固结,沉积岩,变质岩,高温高压变质,高温高压变质,风、流水等外力的侵蚀、搬运、堆积,接触岩浆后重融、再生,冷却凝固,岩石风化碎屑,除原生放射性核素外还有某些宇生放射性核素（14C、3H等）及重元素自发裂变或诱发产生的95Zr、137Cs等天然裂变产物核素。,天然放射性核素,大气核试验,核设施放射性流出物,铀矿冶废矿石及尾矿堆场,高放射性废物地址处置

2、库,土壤是由固体、液体和气体三相共同组成的多相体系，其相对含量因时因地而异。 土壤固相：包括土壤矿物质和土壤有机质。 土壤液相：指土壤中水分及其水溶物。 土壤气相：典型土壤约有30%的体积是充满空气的孔隙。所以土壤具有疏松的结构。,土壤,次生矿物 化学风化，化学组成和结晶构造都有所改变,在土壤形成过程中，原生矿物以不同的数量与次生矿物混合成为土壤矿物质。,土壤中的空气,土壤是一个多孔体系，在水分不饱和的情况下，孔隙中充满空气。土壤空气主要来自大气，其次来自土壤中的生物化学过程。 土壤空气是不连续的，它存在于被土壤固体隔开的土壤孔隙中，其组成在不同位置是有差异的。,土壤空气与大气组成有较大的差别

3、,（1）土壤空气是一个不连续的体系 。 （2）CO2含量一般远比在大气中高，氧的含量则低于大气。造成这种差别的原因是土壤中植物根系的呼吸作用、微生物活动中有机物的降解及合成时消耗其中的O2，放出CO2。 （3）土壤空气一般比大气含有较高的水量。土壤含水量适宜时，相对湿度接近100%。 （4）除此之外，由于土壤空气经常被水汽所饱和，在通气不良情况下，厌氧细菌活动产生的少量还原性气体如CH4、H2S、H2也积累在土壤空气中。,土壤水分 土壤水实际上是土壤中各种成分和污染物土壤溶液。因此土壤水分既是植物养分的主要来源，也是进入土壤的各种污染物向其他环境圈层迁移媒介。 （1）吸着水 （2）膜状水 （3

4、）毛管水 （4）重力水,吸着水 定义：固相土粒靠其表面的分子引力和静电引力从大气和土壤空气中吸附气态水，附着于土粒表面成单分子或多分子层，称为吸湿水。 特点：水分子呈定向紧密排列、密度1.22.4g/cm3、无溶解能力、不能以液态水自由移动，也不能被植物吸收。 最大吸湿量：吸湿水达到最大值，此时的土壤吸湿水量就叫做最大吸湿量。,No water remains attached to soil particles,膜状水 定义：吸湿水达到最大后，土粒还有剩余的引力吸附液态水，在吸湿水的外围形成一层水膜，这种水分称为膜状水。 特点：较易移动，对植物有效。 最大分子持水量：当膜状水达到最大厚度时的

5、土壤含水量称为最大分子持水量。,毛管水 定义：靠毛管力保持在土壤孔隙中的水分称为土壤毛管水。 特点：可以在土壤毛管中上下左右移动、具有溶解养分的能力、作物可以吸收利用。毛管水的数量主要取决于土壤质地、腐殖质含量和土壤结构状况。 田间持水量：管悬着水达到最大时的土壤含水量称为田间持水量。田间持水量的变化范围：砂土为：160-220g/kg；壤土为：220-300 g/kg；粘土为：280-350 g/kg。,重力水 定义：土壤重力水是指土壤水分含量超过田间持水量之后，过量的水分不能被毛管吸持，而在重力的作用下沿着大孔隙向下渗漏成为多余的水。 饱和持水量：土壤所有孔隙都充满水分时的含水量称为土壤全

6、蓄水量或饱和持水量。,Pore Spaces are filled with water,腐殖质层：有机物质的聚集层。 淋溶层：由于淋溶作用而使物质迁移和损失的土层。 淀积层：是淋溶层迁移和损失的物质聚集的土层。 母质层：未受成土作用影响的土层,土壤垂直剖面的分层现象,天然放射性核素,大气核试验,核设施放射性流出物,放射性废物近地表处置库,地下水,包气带的分层,土壤水带：接近地表，植物根系发育，微生物活动较频繁 毛细水带：包气带底部由地下水面支持的毛细水构成毛细水带 中间带：包气带厚度较大时，在土壤水带与毛细水带之间还存在中间带,重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动

7、毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用,hc,毛细水,重力水,- 强结合水： 排列致密，密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 完全不能移动，具有固体的特性 温度略高于100C时可蒸发 - 弱结合水： 受电场引力作用，为粘滞水膜 外力作用下可以移动 不因重力而流动，有粘滞性,粘土 颗粒,引力,d,水分子,阳离子,强结合水,弱结合水,自由水,结合水：受颗粒表面电场作用力吸 引而包围在颗粒四周，不传递静水 压力，不能任意流动的水。,重力水按其埋藏条件分为：上层滞水、潜水、承水压三类,上层滞水,承压水,潜水,14:29,114-27,潜水,包气带水,承压水,

8、14:29,114-28,潜水,指埋藏于地表以下，第一个稳定隔水层之上具有自由水面的饱水带中的重力水。,潜水面特征： 倾斜的曲面 地形 含水层厚度 岩石透水性,14:29,114-29,潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。,14:29,114-30,潜水面的起伏经常与地形一致，只是比地形起伏平缓 一些；潜水面与地表面的形态具有相似性。,14:29,114-31,当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓。,14:29,114-32,当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。,潜水等水位线图是根据所在地区各水文地质点（井、钻孔、试坑和泉等），在大致相同的时间内所测得的潜水面的水位标高编制而成的。,潜水的补给与排泄

9、,大气降水,河流补给潜水,泉,潜水补给河流,分布区与补给区基本一致,受气候因素影响大,流量不稳定,易受污染,14:29,114-35,承压水,埋藏并充满在两个隔水层之间的含水层中的地下水，是一种有压重力水。,承压盆地,14:29,114-36,岩性变化形成承压斜地,断裂构造形成承压斜地,承压斜地,14:29,114-37,承压水,承压水的补给与排泄,大气降水,地表水,潜水,潜水,地表水,泉,承压水的补给区和分布区不一致,补给区远小于分布区,直接受气候影响较小，流量稳定,不易受污染，水质比较好,泉的出露是地形、地质与水文地质条件有机结合的结果， 根据补给泉的含水层类型可将泉划分为: 下降泉上层滞

10、水和潜水补给，流量和水质季节性变化 上升泉承压水补给，流量稳定，水质较好,泉,下降泉(出露潜水含水层中的泉）,侵蚀泉： 地形切割到潜水面 接触泉： 地形切割至隔水底板 溢流泉： 水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉,Company Logo,,上升泉（出露于承压含水层中的泉）,上升泉： 切穿承压含水层的隔水顶板 断层泉： 地下水沿导水断层上升 接触带泉： 岩脉或侵入体与围岩的接触带，常因冷凝收缩而产生隙缝,途径：污染物从污染源进入到地下水中所经过的路径。 分类：间歇入渗型,连续入渗型,越流型,径流型,地下水的污染方式和途径,污染方式： 直接污染：污染物组分与污染源组分一致，化学性质保持不变；

11、间接污染：污染物组分与污染源组分不一致，经过复杂的物理化学或生物反应后的产物。,2006-09-19,间歇入渗型,特点 ： 有毒或有害物质周期性 渗入含水层； 受污染的对象主要是浅层地 下水； 常与大气降雨或灌溉对应； 污染源一般呈固态。,2006-09-19,连续渗入型,特点： 污染方式由上而下； 污染物经包气带连续渗入含水层； 主要污染对象是潜水； 污染源一般呈液态。,越流型,特点：污染物通过越流形式； 人类活动引发越流方向改变； 难于查清越流具体的地点及地质部位。,径流型,特点： 污染物通过径流形式； 污染范围可能不很大； 污染程度往往由于缺乏自然净化作用而显得十分严重。,地下水和地表水

12、的区别,地下水运动的基本规律,多孔介质：指内部含有许多微小孔洞，孔洞之间具有一定程度的连通性的固体介质；在一定条件下，流体可以通过微小孔洞进行流动。,无论是固体骨架，还是空隙空间，微观上讲都不是连续函数。,渗流,地下水在岩石空隙中的运动称为渗流。 发生渗流的区域称为渗流场。 渗流场由固体骨架和岩石空隙中的水两部分组成。 渗流只发生在岩石空隙中。,通道是曲折的，质点运动轨迹弯曲； 流速是缓慢的； 水流仅在空隙中运动，在整个多孔介质中不连续； 通常是非稳定的。,骨架Vs,孔隙VV,骨架Vs,水 Vw,空气 Va,VVVVs,三相草图,Vs,Vv,V,饱和度 S：,土壤中能容纳水的体积和 土壤孔隙体

13、积之比。,孔隙率：,土壤中能容纳水的体积 和土壤总体积之比。,从微观角度研究地下水运动的难度有两个方面：,A）要获得微观角度每一个空间点的水流运动参数，首先必须获得空隙的几何参数（查明每一个空隙与固体颗粒之间的边界位置等）,B）从微观角度来看地下水流在空间上是不连续的。固体颗粒部分是没有水流的，因此从微观角度地下水的运动参数在空间上是不连续的，有很多地方运动参数是零。也就是说描述水流运动的物理量是非连续函数，因此基于连续函数的许多微积分方法无法应用。,用假想的水流来代替真实的水流，几个前提假设,A）假想水流充满整个多孔介质的连续体；所谓的整个多孔介质它包括空隙和固体部分。而不仅仅是空隙了，主要

14、处处有空隙，处处有水流。,B）假想水流（渗流）的阻力与实际水流在空隙中所受到的阻力相同；也就是说，我们假设在这个空隙中的有一点，这一点的假想的水流和实际的水流所受的阻力是相等的。,C）渗流场任意一点的水头H和流速矢量V等运动要素与实际水流在该点周围一个小范围内的平均值相等。,为了把渗流场概化为多孔介质连续体，用连续函数描述，引进典型体元REV的概念。,渗透速度和实际流速,渗透速度是一个假想速度，当流量不变，整个过水断面全部为 假想水流充满时渗流运动的平均流速。 实际流速：实际地下水流在岩石空隙空间中的实际平均流速 u地下水的实际流速，m/d，m/s； 过水断面中除结合水外的空隙所占的总面积，m

15、2； n岩石的空隙度（以小数表示）。 渗透速度与实际速度的关系：,1856年法国水利工程师Darcy在研究城市供水问题时，进行了将水通过填满砂粒管子的实验，希望测得一定流量下所需要消耗的能量。 实验得到了水流速度与管子截面积、入口与出口压头差之间的关系式，该关系式描述的规律称为达西定律。,达西定律,实验发现：流量q与管子截面积A、入口及出口压头H1-H2成正比，与填砂管长度L成反比,实验条件：定水头、定流量、均质砂。此时地下水做一维均匀运动，渗流速度与水力坡度的大小和方向沿流程不变。,1、任意过水断面的总能量 =位能+ 压力能 + 动能,位置 水头,压力 水头,速度 水头,总水头,水头：单位重量水体所具有的能量,2、渗流具有流速小的特点，速度水头可以忽略，则总水头为：,3、过水断面1、2的总水头差,某砾石含水层中，V = 1.65cm/s,4、单位长度上的压头损失（水力坡度）,