内 容 简 介

本书全面介绍了地下水水质现状和预测评价中溶质运移的基本理论和方法。在地下水水质现状评价方

面，着重介绍了环境质量变异理论及其评价方法。在溶质运移的基本理论方面，除介绍对流－弥散理论外，还介

绍了分子动力学和水文地球化学理论。本书在介绍溶质运移模型时，除综合了国内外已发表的各种确定性数

学模型外，较突出地介绍了特征有限元法和数学－化学耦合模型的数值解法。本书用较大篇幅介绍随机水质模

型，尤其是时间序列方法和灰色预测方法，还用一定篇幅介绍了水文地球化学预测方法。这些方法的适用条

件不同，具有一定的互补性。本书在介绍各种方法时尽可能做到理论与实际结合，因此本书不仅可作为高等

院校环境地质课程的试用教材，而且可供广大环境地质工作人员参考。

目录

绪言

第一章 地下水水质现状评价

第一节 地下水水质现状评价的理论基础

一、环境与生态平衡

二、环境物质的人为释放和自然分异

三、环境质量变异指数系统

四、环境质量变异指数临界值的推断

第二节 地下水水质现状的定性评价

一、地下水污染源的类型

二、地下水污染的影响因素

三、污染地下水的分类方法

第三节 地下水水质现状的定量评价方法

一、地下水质量标准

二、背景值和污染起始值

三、水质单因子评价指数

四、水质综合评价指数（模式）

五、地下水水质现状变异因素与水质综合指数的定量关系

六、地下水水质现状变异指数及其临界值的确定

七、地下水水质现状评价实例简介

第四节 地下水水质现状图系与评价报告

一、地下水水质现状图系

二、地下水水质现状评价报告

第二章 地下水溶质运移的基本理论

第一节 溶质运移的地下水动力学原理

一、多孔介质的基本特性

二、多孔介质中地下水的渗透

三、水动力弥散

四、多孔介质中溶质运移的概念性模型

第二节 溶质运移的水文地球化学原理

一、溶解与沉淀作用

二、酸碱作用

三、离子交换与吸附作用

四、氧化－还原作用

五、盐效应

六、配位作用

七、放射性衰变作用

八、降解作用

九、挥发作用

第三节 溶质运移的基本微分方程及其定解条件

一、溶液中一种组分的质量守恒与对流－扩散方程

二、水动力弥散方程

三、水动力弥散系数

四、水动力弥散方程的扩充

五、水动力弥散方程的定解条件

第四节 溶质运移的分子动力学理论

一、关于溶液结构和溶质微粒的理论

二、关于岩石孔隙空间微分带性的理论

第三章 地下水溶质运移模型的解析解法

第一节 对流－扩散方程的基本解及其叠加

一、点源问题的基本解

二、瞬时线源与面源问题的解

三、一维均匀流场中点源问题的解

第二节 一维溶质运移模型的解析解

一、对流－弥散模型

二、分子动力学模型

第三节 二维溶质运移模型的解析解

一、示踪剂瞬时注入时的溶质运移

二、示踪剂连续注入时的溶质运移

三、二维流场中的溶质运移

四、层状多孔介质中的溶质运移

第四节 径向溶质运移模型的解析解

一、水动力弥散方程的建立

二、水动力弥散方程的求解

第五节 水动力弥散系数的确定

一、弥散系数的室内测定

二、弥散系数的野外测定

第四章 地下水溶质运移模型的数值解法

第一节 有限差分法

一、导数的差分近似

二、一维溶质运移模型的差分方程

三、二维溶质运移模型的差分方程

四、数值弥散和振荡

五、特征有限差分法

第二节 有限单元法

一、有限元的基本概念

二、有限元法中常用的基函数

三、一维溶质运移模型的有限元法

四、二维溶质运移模型的有限元法

五、三维溶质运移模型的有限元法

第三节 特征有限元法

一、定解问题的Eulerian－Lagrangian分解

二、对流问题的特征线解法

三、弥散问题的有限元解法

四、径向溶质运移问题的特征有限元法

第四节 边界元法简介

一、边界元的基本关系式

二、解二维溶质运移问题的边界元法

第五节 考虑化学反应时溶质运移模型的数值解法

一、概述

二、发生配合和离解反应时溶质运移模型的数值解法

三、发生离子交换反应时溶质运移模型的数值解法

四、三氮运移与转化耦合模型的数值解法

第五章 地下水水质预测评价中的近似计算方法

第一节 近似方法的基本原理

一、方法的假设条件和适用范围

二、方法的基本原理

第二节 水源地径流范围的确定

一、基本思路

二、中立流线位置的推导和计算公式

三、具体方法

第三节 污染物在地下水中推进时间、速度和距离的确定

一、基本思路

二、废水注入钻孔时污染地下水推进速度和推进距离的确定

三、污染物在潜水中推进距离的确定

第四节 开采水中污染物浓度的确定

一、开采水中污染物最大浓度的确定

二、开采水中污染物浓度的变化

第五节 污染地下水运移的图解分析方法

一、方法原理

二、计算实例

第六章 地下水水质预测评价中的随机模型、灰色模型及其预测方法

第一节 建立溶质运移随机模型的依据和数学基础

一、溶质时、空分布的随机性特点

二、溶质运移随机模型的数学基础

第二节 时间序列分析

一 自回归滑动平均（ARMA）模型

二、ARMA模型的特性

三、建模

四、预报

第三节 预测地下水溶质运移的其它概率统计方法

一、母体演变趋势的概率统计方法

二、类比方法

第四节 灰色预测

一、灰色模型的原理和基本概念

二、GM（1.1）模型

三、残差GM（1.1）模型

第七章 地下水水质预测评价中的水文地球化学方法

第一节 理论基础

一、化学平衡

二、能斯特方程与氧化还原临界电位值

三、自由能

四、化学反应速率与化学动力学

第二节 污染组分存在形式的预测

一、概述

二、原理与方法

三、实例研究——铀的存在形式计算

第三节 污染组分沉淀－溶解的预测

一、概述

二、简单污染组分沉淀－溶解的预测方法

三、配合物沉淀－溶解预测

第四节 污染组分被土壤、岩石吸附的预测

一、吸附作用概述

二、污染组分被岩石、土壤吸附的预测

主要参考文献

第一章 地下水水质现状评价

地下水水质现状评价是地下水环境管理（属水资源管理）的一项基础性工作。如果将地下

水看作一个环境因子，那末地下水水质现状评价就不能局限于评价人类活动和自然分异作用

对地下水水质的影响。作为一个环境因子，地下水不但被动地受其它因子影响，而且也能动地

影响其它因子，这是一个问题的两个方面。限于篇幅，本章仅涉及前一个问题。

地下水水质现状评价应建立在环境质量变异理论基础上。这一理论的实质是透过现象看

本质。水质是现象，引起水质变化的内因和外因才是本质。建立在环境质量变异理论基础上的

地下水水质现状评价，先要求得表征地下水水质的指数，然后求得各变异因素对水质的影响分

量（分指数），构成一个变异指数系统，再通过某种组合将该指数系统综合为环境质量变异（总）

指数，最后通过分块标注各影响分量和变异指数，对地下水环境作出区划。

第一节 地下水水质现状评价的理论基础

一、环境与生态平衡

环境是相对于中心事物而言的。与某一中心事物有关的周围事物就是这个中心事物的环

境。在环境科学中，一般认为环境是指围绕着人群的空间及其中可以直接、间接影响人类生活

和发展的各种自然因素总体。

生态系统是由生物群落及其生存环境共同组成的动态平衡系统。显然，生态系统是以生物

群落为主体的，因而除生物群落外的一切非生物部分便构成了其生存环境。

环境科学与生态科学关系密切，因为环境质量归根结蒂取决于生态平衡。环境现状评价主

要包括环境污染评价和生态评价。环境污染评价是说明人类活动所排放的污染物对生态系统，

特别是对人群健康已经造成的或即将造成的危害。生态评价是为了保护生态平衡，合理利用和

开发自然资源而进行的区域范围的自然环境质量评价。其具体做法是选取大气、水、土壤、野生

生物等环境要素，分别确定其质量指数，再按其重要性进行加权，叠加成为总指数值，以进行评

价。无论是环境污染评价，还是生态评价，其着眼点都是生态平衡。

地下水环境质量在整个环境质量中的地位，也许没有大气、土壤等环境要素的质量那么重

要，但是地下水尤其是浅层地下水环境的质量，却往往反映了其它环境要素的质量，而且对我

国北方的许多城市来说，地下水环境与人民生活关系的密切程度是尽人皆知的。

地下水质量恶化对环境的影响往往要经过较长时间才显示出来，而且由于各种净化效应，

地下水环境改变对生态平衡的影响比较迟钝也比较隐蔽，所以单纯从地下水环境来评价生态

环境是不可取的。这就是说，从生态系统平衡的观点来评价环境时，地下水环境仅仅作为环境

要素中的一员，但不是孤立的一员，而是与其它环境要素密切相关的一员。

为了在地下水环境质量评价中避免就事论事，应当将其建立在环境质量变异理论的基础

上。

二、环境物质的人为释放和自然分异

环境质量变异理论是研究人为释放的环境物质的地球化学行为，结合环境条件特点，探索

其造成环境质量变异的方向和程度，进而建立起环境质量变异指数系统，定量评价环境质量及

其与各影响因素的关系，预测环境变化对人类和生物体活动可能造成的影响的一种环境质量

评价理论。这种理论的主要特点是摒弃了就事论事的孤立的方法论，从事物内部的联系中寻找

变化的根据，分清主次，为环境管理和区划提供依据。

在环境质量变异分析中，除了要研究环境物质的人为释放，还应当研究环境物质的自然分

异，这在区域环境质量评价中尤其重要。环境物质的人为释放与环境物质的自然分异相叠加，

构成了物质的环境地球化学旋回，导致了环境条件的变化（环境变异），影响了生态系统的平

衡。

环境物质的人为释放，取决于人类活动的深度和广度。在天然条件下，环境物质的分布虽

然也不是均一的，但总有某种规律可循。人为释放造成了环境物质分布的新的不均一性。以杭

州湾为例，由于第四纪海进活动频繁，地层中埋藏了许多海生生物残骸，这些残骸分解不彻底，

地下水中氨氮含量普遍增高。这条氨氮高含量带沿第四纪海进的路线呈舌状分布。由于人类

活动的影响，该带中出现了一些新的污染点和污染片，使杭州市某些地区的三氮污染呈现出复

杂的情况。再如，在某些金属矿床的开采中，随着矿体采掘殆尽，原有的水文地球化学异常会逐

渐淡化以至消失，但选矿、冶炼等活动又造成了新的污染。这种污染源的转移和变化，完全取决

于人类活动的规律和强度。

人为释放的环境物质种类很多。为了在环境变异分析中作出比较，在获得某种环境物质释

放量之后，常常要进行数值的调整或换算。比较通用的换算方法是等标（效）换算。例如，某工

厂排放的废水中有两种污染物，其含量分别为C1，C2，废水排放量为Q，该两种污染物的国家

排放标准为C01，C02，则该废水的等标排放可计算为（C1/C01十C2/C02）Q。

环境物质的自然分异主要是指人为释放的环境物质在具体环境条件下所发生的一系列物

理、化学和生物变化。这些变化有可能对环境造成危害或潜在的危害，从而降低环境质量。为

了定量评价环境质量，需建立环境质量变异指数系统。

三、环境质量变异指数系统

环境质量变异指数系统是用于表征环境质量变异程度的，或者说，该指数系统是从环境物

质的人为释放出发，根据研究单元环境条件的特性和该物质的地球化学行为，所筛选出来的、

能有效表征环境质量的那些数值。因此，环境质量变异指数系统应由两部分组成：一部分是表

征环境物质人为释放强度和特点的，如污染源类型、等标排放量等；另一部分是表征环境条件

自然分异作用的，如地下水受到保护的条件（土壤、包气带的结构、成分、厚度；地形、地貌条

件）、地下水的开采强度等。