1.1 aIntroduction This book is abou

1.1 aIntroduction
This book is about water in the pore spaces of the subsurface. Most of that water flows quite slowly and is usually hidden from view, but it occasionally makes a spectacular display in a geyser, cave, or large spring. Prehistoric man probably only knew of ground- water by seeing it at these prominent features. People tended to settle near springs and eventually they learned to dig wells and find water where it was not so apparent on the surface.
In the early part of the first millennium B.C., Persians built elaborate tunnel systems called qanats for extracting groundwater in the dry mountain basins of present-day Iran (Figure 1.1). Qanat tunnels were hand-dug, just large enough to fit the person doing the digging. Along the length of a qanat, which can be several kilometers, many vertical shafts were dug to remove excavated material and to provide ventilation and access for repairs. The main qanat tunnel sloped gently down to an outlet at a village. From there, canals would distribute water to fields for irrigation. These amazing structures allowed Persian farmers to succeed despite long dry periods when there was no surface water to be had. Many qanats are still in use in Iran, Oman, and Syria (Lightfoot, 2000).
From ancient times until the 1900s, the main focus of groundwater science has been finding and developing groundwater resources. Groundwater is still a key resource and it always will be. In some places, it is the only source of fresh water (Nantucket Island, Massachusetts and parts of Saharan Africa, for example).
In the past century, engineering and environmental aspects of groundwater have also become important. With more irrigation, industry, and larger engineered projects came the need for industrial-size water supplies and the need to understand how groundwater affects structures like tunnels, dams, and deep excavations.
Environmental chemistry and contamination issues have come to the forefront of groundwater science just in the past several decades. Subsurface contamination became more widespread as nations industrialized, using and disposing of more petroleum-based fuels and metals. Duringthechemicalrevolutioninthemid-1900s, the use
Of thousands of petroleum distillates and synthetic chemicals bloomed. Before the 1960s there were few regulations governing the storage and disposal of industrial wastes, fuels, and chemicals. Unregulated releases silently took their toll beneath thousands of sites in the U.S. and other industrialized nations. Chemicals migrated deep into the subsurface, dissolving into passing groundwater. The contaminated groundwater often flowed far, transporting dis- solved contaminants to distant wells or surface waters. Subsurface contamination went largely undetected until the environmental movement sparked investigations of sites in the 1970s and 1980s.
The Love Canal site in Niagara Falls is a notorious U.S. waste site uncovered dur- ing this era, and serves as a good introduction to the environmental side of groundwater science. Love Canal was dug in the 1890s, part of a shipping/hydropower canal that never was completed. From 1942 to 1953, Hooker Chemical Company dumped an estimated 22,000 tons of chemical wastes, drummed and uncontained, into the canal excavation (EPA, 2001). The wastes contained hundreds of different organic chemicals, including dioxin, PCBs, and pesticides. The wastes were covered with soil, the site was sold, and a school and residential neighborhood were built on and around the former canal (Figure 1.2).
In 1975–1976, heavy precipitation raised the water table and eroded the soil cover, exposing chemicals and contaminated waters at the surface. Liquid wastes and contam- inated groundwater also seeped underground through permeable sands and a fractured clay layer, migrating laterally to basements and sewer lines. Contamination from the site spread far into streams where these storm sewer lines discharged. Thankfully, the liquid wastes, which are denser than water, were unable to penetrate the soft clay under the canal and migrate into the more permeable Lockport dolomite aquifer. This was not the case at several other chemical landfill sites in Niagara Falls.
The scope of the contamination and health risks became known and publicized in 1978, the year President Carter declared the Love Canal site a federal emergency. Eventually, the school was closed and about 950 families were evacuated from the immediate 10- block neighborhood (EPA, 2001). Cleaning up and containing the wastes at Love Canal has cost plenty. The parent com- pany of Hooker Chemical Co. reimbursed the federal government 139 million dollars for clean-up costs, which were only part of the total costs at this site (EPA, 2001). Residents have sued for property and health damages, claiming a variety of ailments including birth defects and miscarriages. Remediation at the site includes a perimeter drain system to intercept groundwater and liquid wastes in the sands and fractured clay, an on-site water treatment plant that handles about 3 million gallons per year, a 40 acre clay and syn- thetic membrane cap over the wastes to limit infiltration, and removal of contaminated sediments from sewer lines and nearby creeks. The remediation efforts have dramatically improved environmenta lconditions in the neighborhood. Now hundreds of the abandoned homes have been rehabilitated and are occupied.
The past several decades up through the present have been a time of scientific rev- olution in the groundwater field. Great strides have been made in our understanding of physical and chemical processes affecting groundwater, both at the small scale of environ- mental and engineering problems and at the large scale of geologic processes like faulting, sedimentation, and petroleum formation. Like all sciences, there is still plenty to discover and learn. Groundwater science bridges a number of traditional disciplines including geology, physics, chemistry, biology, environmental science, soil science, mathematics, and civil engineering.
Because groundwater processes are hidden and difficult to measure, all studies involve a good deal of uncertainty and inference. This mystery and complexity help to make groundwater science fascinating and challenging.
This book provides an overview of the current “state of the art” in groundwater science, aimed at the college textbook level. In general, the book covers physical aspects first and then concludes with chemistry and contamination issues. We begin in this chapter with large-scale physical processes, looking at how groundwater relates to other reservoirs of water on earth, and man’s use of these waters.
1.2 Global Water Reservoirs and Fluxes
Water exists in virtually every accessible environment on or near the earth’s surface. It’s in blood, trees, air, glaciers, streams, lakes, oceans, rocks, and soil. The total amount of water on the planet is about 1.4×109km3, and its distribution among the main reservoirs is listed in Table 1.1 (Maidment, 1993). Of the fresh water reservoirs, glacial ice and groundwater are by far the largest. Groundwater and surface water are the two reservoirs most used by humans because of their accessibility. Fresh groundwater is about 100 times more plentiful than fresh surface water, but we use more surface water because it is soeasy to find and use. Much of the total groundwater volume is deep in the crust and too saline for most uses.
Fueled by energy from solar radiation, water changes phase and cycles continuously among these reservoirs in the hydrologic cycle (Figure 1.3). Solar energy drives evapora- tion, transpiration, atmospheric circulation, and precipitation. Gravity pulls precipitation down to earth and pulls surface water and groundwater down to lower elevations and ulti- mately back to the ocean reservoir. Evaporation and transpiration are difficult to separately, so their combined effects are usually lumped together and called evapotran- spiration.
Over land areas, average precipitation exceeds average evapotranspiration. The oppo- site is true over the oceans. On average, more atmospheric water moves from the ocean areas to the land areas than vice versa, creating a net flux of atmospheric water from ocean areas to land areas. The flux of surface water and groundwater from the land back to the oceans maintains a balance so that the volumes in each reservoir remain roughly constant over time. The hydrologic cycle represents only global averages; the actual fluxes in smaller regions and smaller time frames deviate significantly from the average. Deserts, for example, are continental areas where evaporation exceeds precipitation. On the other hand, at a cold, rainy coastline like the northwest Pacific, precipitation exceeds evaporation.
In a given region, the fluxes are distributed irregularly in time due to specific storm events or seasonal variations such as monsoons. With these transient fluxes, the reservoir volumes fluctuate; groundwater and surface water levels rise and fall, glaciers grow and shrink, and sea level rises and falls slightly.
The residence time is the average amount of time that a water molecule resides in a particular reservoir before transferring to another reservoir. The residence time Tris calculated as the volume of a reservoir V [length3or L3] divided by the total flux in or out of the reservoir Q [length3per time or L3/T],
Tr=V Q (1.1)
The atmosphere is a relatively small reservoir with a large flux moving through it, so the average residence time is short, on the order of days. The ocean is an enormous reservoir with an average residence time on the order of thousands of years. The average residence time for groundwater, including very deep and saline waters, is approximately 20,000 years. Actual residence times are quite variable. Shallow fresh groundwater would have much shorter residence times than the average, more like years to hundreds of year

Kết quả (Việt) 1:

1.1 aIntroduction
cuốn sách này là về nước trong không gian lỗ chân lông của các bên dưới bề mặt. Hầu hết trong số đó nước chảy khá chậm và thường được ẩn từ xem, nhưng nó đôi khi làm cho một màn hình ngoạn mục trong một mạch nước phun, hang động, hoặc lớn mùa xuân. Con người tiền sử có lẽ chỉ biết của đất nước bằng cách nhìn thấy nó lúc những tính năng nổi bật. Những người có xu hướng để giải quyết gần springs và cuối cùng họ đã học được để đào giếng và tìm thấy nước nơi mà nó không phải là như vậy rõ ràng trên bề mặt.
trong giai đoạn đầu của Thiên niên kỷ đầu tiên trước công nguyên, người Ba tư xây dựng hệ thống xây dựng đường hầm được gọi là qanat cho chiết xuất nước ngầm trong lưu vực khô núi của ngày nay là Iran (hình 1.1). Qanat đường hầm đã được bàn tay-đào, chỉ đủ lớn để phù hợp với người làm đào. Dọc theo chiều dài của một qanat, mà có thể là vài cây, nhiều dọc trục được đào để loại bỏ các vật liệu khai quật và cung cấp thông gió và truy cập để được sửa chữa. Đường hầm chính qanat thoai thoải, nghiêng nhẹ nhàng xuống một cửa hàng tại một ngôi làng. Từ đó, kênh rạch sẽ phân phối nước để lĩnh vực tưới tiêu. Các tuyệt vời cấu trúc cho phép các nông dân Ba tư để thành công mặc dù lâu khô thời gian khi không có nước bề mặt để có được. Nhiều qanat vẫn sử dụng ở Iran, Oman, và Syria (Lightfoot, 2000).
Từ thời cổ đại cho đến những năm 1900, mục tiêu chính của khoa học nước ngầm đã được tìm kiếm và phát triển tài nguyên nước ngầm. Nước ngầm vẫn còn là một nguồn lực quan trọng và nó sẽ luôn luôn. Ở một số nơi, nó là nguồn duy nhất của nước ngọt (đảo Nantucket, Massachusetts và một phần của vùng Sahara Châu Phi, ví dụ).
trong thế kỷ qua, khía cạnh kỹ thuật và môi trường của nước ngầm cũng đã trở thành quan trọng. Với thêm thủy lợi, ngành công nghiệp, và dự án thiết kế lớn hơn đến sự cần thiết cho nguồn cung cấp nước công nghiệp-kích thước và sự cần thiết phải hiểu làm thế nào nước ngầm ảnh hưởng đến các cấu trúc giống như đường hầm, đập, và sâu khai quật.
vấn đề hóa học và ô nhiễm môi trường đã đến đứng đầu của khoa học nước ngầm chỉ trong nhiều thập kỷ qua. Bên dưới bề mặt ô nhiễm đã trở thành phổ biến rộng rãi như các quốc gia công nghiệp, bằng cách sử dụng và xử lý thêm nhiên liệu dựa trên dầu khí và kim loại. Duringthechemicalrevolutioninthemid-những năm 1900, việc sử dụng
ngàn dầu khí hoàng và tổng hợp hóa chất nở rộ. Trước thập niên 1960 đã có vài quy định áp dụng cho việc lưu trữ và xử lý chất thải công nghiệp, nhiên liệu, và hóa chất. Bản phát hành không được kiểm soát âm thầm nhằn dưới hàng ngàn các trang web tại Mỹ và các quốc gia công nghiệp khác. Hóa chất di chuyển sâu vào dưới bề mặt, hòa tan vào đi qua nước ngầm. Nước ngầm bị ô nhiễm thường chảy đến nay, vận chuyển dis - giải quyết chất gây ô nhiễm để xa giếng hoặc nước bề mặt. Ô nhiễm bên dưới bề mặt đi không bị phát hiện chủ yếu cho đến khi phong trào môi trường gây ra điều tra của các trang web trong thập niên 1970 và 1980.
Trang web Love Canal ở Thác Niagara là một trang web chất thải nổi tiếng của Hoa Kỳ phát hiện dur-ing thời kỳ này, và phục vụ như là một giới thiệu tốt về mặt môi trường khoa học nước ngầm. Love Canal được đào trong những năm 1890, là một phần của một kênh vận chuyển/thủy điện không bao giờ được hoàn thành. Từ năm 1942 đến năm 1953, công ty hóa chất Hooker đổ một ước tính khoảng 22.000 tấn chất thải hóa chất, drummed và uncontained, vào khai quật kênh đào (EPA, 2001). Các chất thải chứa hàng trăm hóa chất hữu cơ khác nhau, bao gồm cả chất độc da cam, PCBs và thuốc trừ sâu. Các chất thải đã được che phủ bằng đất, các trang web đã được bán, và một trường học và khu phố dân cư được xây dựng trên và xung quanh thành phố kênh đào cũ (hình 1,2).
Trong năm 1975–1976, mưa nặng lớn lên bảng nước và bị xói mòn đất bìa, phơi bày hóa chất và các vùng nước bị ô nhiễm tại bề mặt. Chất thải lỏng và contam-inated nước ngầm cũng seeped ngầm thông qua thấm cát và một lớp đất sét nứt nẻ nhiều, di chuyển theo chiều ngang để tầng hầm và hệ thống thoát nước đường. Ô nhiễm từ các trang web lây lan vào các dòng nơi những dòng hệ thống thoát nước cơn bão thải ra. Rất may, là các chất thải lỏng, mà là nặng hơn nước, đã không thể xâm nhập của đất sét mềm theo kênh và di chuyển vào hơn thấm Lockport dolomit aquifer. Điều này không phải là trường hợp tại một số các trang web bãi rác hóa học khác ở Niagara Falls.
Phạm vi của những rủi ro ô nhiễm và sức khỏe đã trở thành được biết đến và công bố công khai vào năm 1978, năm tuyên bố Tổng thống Carter Love Canal trang web một trường hợp khẩn cấp liên bang. Cuối cùng, Các trường học bị đóng cửa và khoảng 950 gia đình được sơ tán từ khu phố 10-khối ngay lập tức (EPA, 2001). Làm sạch lên và có chứa các chất thải tại Love Canal có chi phí rất nhiều. Phụ huynh com-pany của công ty hóa chất Hooker hoàn trả chính phủ liên bang 139 triệu đô la cho chi phí dọn, đã là chỉ là một phần của tổng chi phí tại trang web này (EPA, 2001). Cư dân đã kiện vì bồi thường thiệt hại tài sản và sức khỏe, tuyên bố một loạt các bệnh bao gồm dị tật bẩm sinh và sẩy thai. Khắc phục tại chỗ bao gồm một hệ thống cống vành đai để ngăn chặn nước ngầm và chất lỏng chất thải trong cát và đất sét bị gãy, một nhà máy xử lý nước ngay trong khuôn viên xử lý khoảng 3 triệu lít / năm, một 40 mẫu Anh đất sét và syn - thetic màng nắp trên các chất thải để xâm nhập giới hạn, và loại bỏ các trầm tích bị ô nhiễm từ hệ thống thoát nước đường và gần đó những con lạch. Những nỗ lực khắc phục đã cải thiện đáng kể environmenta lconditions trong khu phố. Bây giờ, hàng trăm những ngôi nhà bị bỏ rơi đã được phục hồi và đang chiếm đóng.
Một vài thập kỷ qua lên thông qua hiện tại đã là một thời gian của rev-olution khoa học trong lĩnh vực nước ngầm. Bước tiến lớn đã được rót vào sự hiểu biết của chúng tôi về thể chất và hóa chất xử lý ảnh hưởng đến nước ngầm, cả hai ở quy mô nhỏ của environ - tâm thần và kỹ thuật các vấn đề và ở quy mô lớn của các quá trình địa chất như hình thành đứt, bồi lắng, và dầu khí. Giống như tất cả khoa học, vẫn còn nhiều chuyện để khám phá và tìm hiểu. Khoa học nước ngầm cầu một số môn truyền thống bao gồm địa chất, vật lý, hóa học, sinh học, khoa học môi trường, khoa học đất, toán học, và kỹ thuật xây dựng.
vì quá trình nước ngầm được ẩn và khó khăn để đo lường, tất cả các nghiên cứu liên quan đến một thỏa thuận tốt về sự không chắc chắn và suy luận. Bí ẩn và phức tạp này giúp để làm cho nước ngầm khoa học hấp dẫn và đầy thử thách.
cuốn sách này cung cấp một tổng quan về hiện tại "hiện đại" trong khoa học nước ngầm, nhằm vào cấp sách giáo khoa Đại học. Nói chung, cuốn sách bao gồm các khía cạnh vật lý đầu tiên và sau đó kết luận với các vấn đề hóa học và ô nhiễm. Chúng tôi bắt đầu trong chương này với quá trình vật lý quy mô lớn, nhìn như thế nào nước ngầm liên quan đến các hồ chứa nước trên trái đất, và sử dụng của người đàn ông của các nước.
Cách 1.2 hồ chứa nước toàn cầu và chất
nước tồn tại trong môi trường hầu như tất cả có thể truy cập vào hoặc gần bề mặt của trái đất. It's trong máu, cây, không khí, sông băng, suối, Hồ, đại dương, đá, và đất. Tổng số nước trên hành tinh là về 2.2 × 109 km 3, và phân phối của nó trong số các hồ chứa chính được liệt kê trong bảng 1.1 (Maidment, 1993). Nước ngọt hồ chứa, băng và nước ngầm là bởi đến nay lớn nhất. Nước ngầm và bề mặt nước là hai hồ chứa được sử dụng bởi con người vì khả năng tiếp cận của họ. Tươi nước ngầm là khoảng 100 lần nhiều phong phú hơn bề mặt nước ngọt, Tuy nhiên, chúng tôi sử dụng thêm bề mặt nước bởi vì nó là soeasy để tìm và sử dụng. Phần lớn phần tất cả nước ngầm là sâu trong vỏ trái đất và quá mặn cho hầu hết sử dụng.
kích thích bởi năng lượng bức xạ mặt trời, nước thay đổi giai đoạn và chu kỳ liên tục giữa các hồ chứa trong chu kỳ hydrologic (con số 1.3). Năng lượng mặt trời năng lượng ổ đĩa evapora-tion, tiếng, lưu thông khí quyển, và mưa. Lực hấp dẫn kéo mưa xuống đất và kéo nước mặt và nước ngầm xuống thấp hơn độ cao và ulti - mately về hồ chứa đại dương. Bay hơi và tiếng là khó khăn để một cách riêng biệt, do đó, hiệu ứng kết hợp của họ thường được gộp lại với nhau và được gọi là evapotran - spiration.
qua các khu vực đất, mưa trung bình vượt quá evapotranspiration trung bình. Nơi oppo là đúng trong các đại dương. Trung bình, nước hơn không khí di chuyển từ các khu vực đại dương đến các khu vực đất hơn ngược lại, việc tạo ra một dòng nước trong khí quyển net từ khu vực đại dương đến các khu vực đất. Dòng nước mặt và nước ngầm từ đất trở lại để các đại dương duy trì một sự cân bằng để cho các khối lượng trong hồ chứa mỗi vẫn còn khoảng liên tục theo thời gian. Chu kỳ hydrologic đại diện cho trung bình chỉ toàn cầu; Các chất thực tế trong khu vực nhỏ hơn và nhỏ hơn các khung thời gian đi chệch đáng kể từ mức trung bình. Sa mạc, ví dụ, là lục địa khu vực nơi bốc hơi vượt quá mưa. Mặt khác, ở một bờ biển lạnh, mưa như Tây Bắc Thái Bình Dương, mưa vượt quá sự bay hơi.
trong một khu vực nhất định, Các chất được phân phối bất thường trong thời gian do sự kiện cụ thể bão hoặc các biến thể theo mùa như gió mùa. Với những chất thoáng qua, khối lượng hồ chứa dao động; nước ngầm và bề mặt mực nước tăng và giảm, sông băng phát triển và co lại, và mực nước biển tăng lên và rơi một chút.
Thời gian cư trú là lượng thời gian mà một phân tử nước nằm trong một hồ chứa đặc biệt trước khi chuyển sang một hồ chứa, Trung bình. Thời gian cư trú Tris tính toán khối lượng của một hồ chứa V [length3or L3] chia cho tuôn ra tất cả vào hoặc ra khỏi hồ chứa Q [length3per thời gian hoặc L3/T],
Tr = V Q (1.1)
Khí quyển là một hồ chứa nước tương đối nhỏ với một dòng lớn di chuyển qua nó, vì vậy thời gian cư trú trung bình là ngắn, trên thứ tự của ngày. Đại Dương là một hồ chứa nước lớn với một thời gian trung bình là cư trú trên thứ tự của hàng ngàn năm. Thời gian trung bình là cư trú cho nước ngầm, bao gồm các vùng biển rất sâu và mặn, là khoảng 20.000 năm. Thời gian thực tế cư trú là khá biến. Nông tươi ngầm sẽ có thời gian cư trú ngắn hơn nhiều hơn mức trung bình, giống như tuổi đến hàng trăm năm