第1章土壤和地下水污染的来源和类型
　　学习目标
　　1.识别地表水与地下水的主要用途类别。
　　2.讨论目前的地下水质量和影响地下水质量的因素。
　　3．理解地表水与地下水之间的相互影响作用。
　　4．识别主要的土壤和地下水污染源。
　　5．理解与土壤和地下水污染有关的术语，包括超级基金场地、棕地、《资源保护和恢复法》(Resource Conservation and Recovery Act，RCRA)设施和地下储罐设施。
　　6.定位指定地区的超级基金场地、棕地和（或)RCRA设施。
　　7．掌握土壤和地下水修复的总体概况。
　　8.了解美国和其他相关地区的土壤和地下水污染的来源和类型概况。
　　9.识别全球性土壤和地下水污染和修复的网络资源。
　　本章将介绍被污染的土壤和地下水有关的污染问题（或污染物来源)。我们将最先比较美国地下水与地表水的不同用途。接下来会带领读者了解美国地下水的总体质量及其影响因素（详见第2~3章)。本章将为之后有关此类污染问题的评估（如第5章)，以及处理这些问题的修复技术（第6~12章）等章节奠定基础。虽然本章的重点是美国的环境问题，但也会简要介绍全球视角下的土壤和地下水污染。为了提高对此类环境问题的认识，我们鼓励读者搜索相关文献，以便更好地了解地方、区域、国家或全球范围内重要的土壤和地下水污染问题。本章最后会对土壤和地下水修复的独特挑战和环境修复框架进行论述。
　　1.1水资源利用:地表水与地下水
　　地表水，即地球表面的水，以溪流、湖泊、湿地，以及海湾和海洋的形式出现，还包括水的固体形式（雪和冰)。
　　地下水，即地表下的水，储存在土壤孔隙和岩层裂缝中。在下面的讨论中，我们将主要使用美国的数据来说明地表水和地下水的抽取和使用情况，以及它们的空间和时间趋势。例如，有读者对美国某一特定地区或其他国家的地表水与地下水的使用情况感兴趣，应参考其他可获取的资料。在美国境内，美国环境保护局（United States Environmental Protection Agency，USEPA）和美国地质调查局(United States Geological Survey，USCS)提供大量可靠的数据。
　　在美国，地表水和地下水的提取量分别为2300 亿galW/d和760亿gal d。在水用途的八个类型中，热电、灌溉和公共供水是用量最大的三个类型，分别占49%、31%和11%。其他五个类型的总和不到10%，包括工业（4%)、水产养殖（2%)、采矿(1%)、家庭( 1%）和畜牧业（<1% ) ( USGS，2010;图1.1 )。公共供水指为至少25人提供用水或者至少有15个连接点的公共和私人供水商，同时，公共供水的对象是家庭、商业、工业和公共服务用户。作为公共供水的类型之一，家庭用水包括室内用水（饮水、食物冲洗、洗衣服与厨房用水、冲厕所)和室外用水（浇灌草坪、花园和洗车)。家庭用水可以是自给自足的（如井水或容器中的雨水)或由公共供应商提供。
　　图1.1 美国地表水和地下水的使用情况（据 USGS，2010;单位:106gal/d)
　　由于估算的地表水使用量比地下水使用量高三倍以上，因此，热电、灌溉、公共供水、工业和水产养殖主要使用地表水的情况是非常正常的。然而，就地下水而言，约67%提取的地下水用于灌溉，18%用于公共供水。美国人口中从公共供应商处获得饮用水的比例从1950年的62%稳步上升到2010年的86% ( USGs，2010)。大多数自己提供家庭用水的居民都从地下水源获得供应。一个有趣的事实是，在美国估计有4300万人，即 15%的居民的家庭用水水源是自己提供的。这些自给自足的取水总量为30亿gal/d，约占2005年所有用途估计取水量的1%。几乎所有(98%)的自给取水都来自于地下水（USGs，2009a)。
　　从全球角度来看，美国在抽取地下水方面排名第三。抽取地下水最多的10个国家按照递减次序为印度、中国、美国、巴基斯坦、伊朗、孟加拉国、墨西哥、沙特阿拉伯、印度尼西亚和土耳其。全球地下水开采总量中约有72%发生在这10个国家(Margat and van der Gun，2013)。事实上，地下水的抽取高度集中在有限的几个地区，特别是在亚洲。而南美洲（巴西除外）和非洲的抽取量相对较小，其中只有埃及的抽取量超过了5km3/ a。
　　如果我们进一步研究美国各州的用水情况，它们在空间和时间上都有差异。在美国，可用的地下水资源和在使用的地下水资源在地理分布上并不均匀，就像其他地理面积大的国家一样。例如，美国一半以上的地下水抽取量发生在六个州。在加利福尼亚州、得克萨斯州、内布拉斯加州、阿肯色州和爱达荷州，大部分地下水的抽取是用于灌溉。在佛罗里达州，52%的地下水用途为公共供水，34%用于灌溉（USGS，2010)。图1.2 ( a）展示了取水量*大的25个州的地下水总取水量和使用类别的空间变化，图1.2 (b)显示了1950 ~2010年地表水和地下水取水量与人口的时间变化情况。依靠地下水进行灌溉和公共供水的各州在空间上的变化是很明显的。在时间尺度上，地表水和地下水都随着人口的增加而增加，然后在20世纪80年代后趋于平稳，这主要是由于水资源保护力度的增加。
　　1.2地下水量与地下水质量
　　虽然地下水资源在空间和时间上的分布量很重要，但地下水的质量也同样重要。地下水是一种可再生资源，但可再生性也会受到过度使用和污染的影响。大规模抽取地下水会造成影响严重的水位下降（即地下水位的长期持续下降)，从而进一步造成严重的经济、健康和环境影响。若井变得干涸，必须钻得更深，导致砷、镭、盐和其他随之产生的物质含量升高的风险。过度抽水会导致地表下沉，并使附近的溪流、湖泊和湿地干涸，而这些都是维持自然生态环境平衡所必需的元素。
　　美国地质调查局定期收集家用水井（用于家庭用水的私人水井）的地下水质量数据。在1991 ~2004年期间，从位于主要水文地质环境的30个区域的水井收集的监测数据中( uscs，2009b)，可以得出以下主要结论:
　　约有23%的水井至少有一种污染物的浓度高于最大污染物水平( maximumcontaminant level，MCL)或基于健康的筛选水平( health- based screening level，HBSL)。
　　?这些经常超过人类健康基准的污染物中，主要是自然发生的，包括氡、几种微量元素（砷、铀、锶和锰)、氟化物，以及总的α粒子和β粒子的放射性。来自人类活动的污染物包括硝酸盐和粪便指示菌。
　　某些污染物呈区域性分布，即它们的出现是在某些地方或地区，而不是全国。例如，氡气浓度在位于东北部、阿巴拉契亚山脉中部和南部以及科罗拉多州的结品岩含水层中较高。另外，在农业地区经常发现硝酸盐，而不是在其他用途土地上发现硝酸盐，其浓度高于*大限度的标准。
　　某些污染物的浓度也与地球化学条件有关。例如，除了显示出区域性的分布外，铀的浓度还与溶解氧的浓度相关联。另外，铁和锰的浓度相对较高，基本到处都有，但与溶解氧的浓度成反比。
　　低浓度的人为有机化合物经常被检测到，典型分析检测界限值为0.001 ~0.1 ug/L，但很少出现高于MCL或HBSL的浓度。
　　经常检测到的人为有机化合物是阿特拉津，其降解产物去乙基特拉津和挥发性有机化合物（ volatile organic compounds，vOCs )，如氯仿、甲基叔丁基醚、四氯乙烯( perchloroethylenc，PCE，又称全氯乙烯）和二氯氟甲烷（图1.3)。检测到的化合物种类繁多，包括除草剂、有机溶剂、消毒化学品副产品、汽油碳氢化合物，以及含氧添加剂、制冷剂和熏蒸剂等，反映出可能影响住宅井水质量的各种工业、农业和生活来源。

目录
中文版序1
中文版序2
中文版序3
前言
第1章 土壤和地下水污染的来源和类型 1
1.1 水资源利用: 地表水与地下水 1
1.2 地下水量与地下水质量 4
1.3 影响地下水质量的主要因素 6
1.4 美国的土壤和地下水污染源 7
1.5 全球视角下受污染的土壤和地下水 14
1.6 土壤和地下水污染修复 15
参考文献 17
问题与计算题 18
第2章 地下水污染物归趋和迁移 19
2.1 土壤和地下水中常见污染物 20
2.2 非生物和生物的化学物归趋过程 28
2.3 相态间化学迁移 33
2.4 相态内化学物质的运动 45
参考文献 49
问题与计算题 50
第3章 土壤和地下水水文学 53
3.1 土壤成分和特性 54
3.2 含水层和地下水井的基本概念 60
3.3 地下水运动 66
参考文献 78
问题与计算题 79
第4章 法规、成本和风险评估 81
4.1 土壤和地下水保护法规 82
4.2 污染修复的成本考虑 87
4.3 基于风险的修复 95
参考文献 108
问题与计算题 109
第5章 土壤和地下水污染修复的场地勘查 111
5.1 场地勘察概述 111
5.2 土壤和地质调查 117
5.3 水文地质现场调查 125
5.4 环境样品的采集和分析 133
参考文献 138
问题与计算题 140
第6章 修复技术优选概述 142
6.1 修复技术种类 143
6.2 修复技术筛选 155
6.3 修复技术介绍 161
参考文献 164
问题与计算题 165
第7章 抽出处理系统 168
7.1 传统抽出处理的常规应用 169
7.2 抽出处理系统的设计 174
7.3 抽出处理的限制和改进 183
参考文献 197
问题与计算题 199
第8章 土壤气相抽提和原位曝气 203
8.1 气相抽提的一般应用和局限性 204
8.2 地下空气流动和气态污染物行为 208
8.3 气相抽提和原位曝气系统的设计 222
参考文献 233
问题与计算题 234
第9章 生物修复和环境生物技术 237
9.1 生物修复和生物技术的基本原理 238
9.2 生物修复和生物技术的工艺描述 259
9.3 设计考虑因素和成本效益 272
参考文献 277
问题与计算题 280
第10章 热处理技术 284
10.1 焚烧的热降解 284
10.2 热强化技术 301
10.3 玻璃化处理 311
参考文献 314
问题与计算题 316
第11章 土壤洗涤和淋洗 318
11.1 土壤洗涤和淋洗的基本原理 319
11.2 工艺描述、技术适用性和局限性 328
11.3 设计和成本效益的考虑因素 334
参考文献 339
问题与计算题 341
第12章 可渗透反应墙 342
12.1 反应墙的反应机理与水力学原理 342
12.2 反应墙的工艺描述 350
12.3 设计及施工方面的考虑 353
参考文献 361
问题与计算题 362
第13章 地下水流动与污染物迁移模拟 364
13.1 地下水流动的管控方程 365
13.2 污染物迁移的控制方程 368
13.3 流动和迁移过程的解析解 378
13.4 流动和迁移过程的数值解法 387
参考文献 392
问题与计算题 393
附录A 常用缩略语和缩略词 395
附录B 土壤和地下水修复技术定义 402
附录C 土壤和地下水中常见有机污染物的结构和性质 406
附录D 单位换算系数 411
附录E 部分习题答案 414