人类活动引起的环境水文地质问题 如何获得国家知识产权局颁发的发明专利证书？如何获得国家发明专...

知识产权有哪些特点？授予发明专利权的三性是什么？~

一、知识产权的特点：时间性、独有性、地域性、官方性。
二、发明专利的三性：新颖性、创造性和实用性。

你如果有发明创造，就可以写成专利文件（申请书、说明书、权力要求书、说明书摘要，这些都可以在国家知识产权局官方网站上下载模板，然后填写），通过自己申请的电子证书提交或者通过专利代理机构提交国家知识产权局受理处，在通过初步审查、实质审查符合专利法规定的，就可以获得国家发明专利授权并发放专利证书。当然，你要缴纳专利申请费、实质审查费等费用。

一、土地的次生盐碱化与沙漠化

不合理的开采地下水，可导致土地的次生盐碱化。如渤海湾沿岸的许多地区，因过量抽取地下水而导致海水入侵，造成了沿岸土地的次生盐碱化；甘肃石羊河下游的民勤盆地，因抽取了深层高矿化地下水浇地，而使大片耕地盐化。

不合理开采地下水造成生态环境恶化的另一个后果是土地的沙漠化。中国的沙漠面积本来就不小（包括沙漠、沙漠化土地面积约153.3×10⁴ km²），而过度的垦荒、毁林和过量开采地下水又导致沙漠化的加剧。以甘肃河西走廊的石羊河流域为例，自20世纪60年代后期开始，由于上游河水被武威盆地大量取用，致使石羊河进入民勤盆地的水量大减，加之盆地内数千眼灌溉机井超量开采地下水，造成盆地内地下水水位普遍下降3～7 m，这使依靠地下水成活的沙枣、梭梭、白刺灌丛等防风固沙植被不断衰亡，草丛退化。在7.24×10⁴ hm²的林地中，植物生长衰败，土地已经沙化的达67.7%，其中成片死亡的达0.87×10⁴ hm²。同时绿洲内部由于植被衰退也引起了沙丘的活化，腾格里沙漠正以每年6～8 m的速度侵蚀绿洲，给几百个村庄的76 000余人饮水和农业生产造成极大的困难。二、环境地质灾害

（一）地面沉降与塌陷

地下水是维持土体应力平衡和稳定状态的一个重要因素，大量抽取地下水，降低了含水层的水头压力，改变了土体结构，必然破坏土体原有的应力平衡和稳定状态，从而导致地面沉降、地裂缝、地面塌陷等环境灾害的发生。

我国的地面沉降，继上海、天津、宁波等滨海城市发生之后，在一些远离海岸的内陆城市，如北京、苏州、无锡、常州、太原、西安、开封以及河北平原的某些灌区，均相继出现不同程度的地面沉降。上海和天津的最大沉降量已分别达到2.37 m（1921～1965年间）和2.70 m（1988年，苏河源等），由于地面沉降，使城市污水和雨水经常积存市区而不能及时排出，洪水和海潮灾害日益加重，一些地面建筑出现开裂和歪斜。天津市的地面沉降，已使海河干流两岸的防洪堤普遍下沉了1～2 m，加上河道淤积河身变浅的影响，海河的排泄能力已由原来的1 200 m³/s下降到400 m³/s；许多河闸也因不均匀沉降而损害，致使市区洪涝灾害加重，目前天津市区以及塘沽、汉沽、大港等滨海地区的地面只高出海平面不足2 m，如果继续沉降，将遭受海水淹没的严重威胁。

地面塌陷是覆盖型岩溶区开采地下水时最严重的环境地质灾害。这是因为在这一地区开采（或疏干）地下水时，由于岩溶洞穴充填物和水体的排出以及松散盖层中潜蚀作用的加剧，破坏了覆盖层的稳定性而导致地面塌陷。据不完全统计，全国各地因开采地下水而引起的地面塌陷已多达800余处。由于岩溶区的地面塌陷灾害常具突发性，因此它比地面沉降灾害更难以预防，危害更为严重。如20世纪80年代初，山东省泰安市区的地面塌陷曾使津沪铁路的行车安全受到严重威胁，以致不得不投入大量资金加以整治。秦皇岛市柳江盆地水源地，开采量为50 000 m³/d，水源地投产半年后，在水源地四周24 km²范围内相继出现地面沉降、地面开裂和总面积达28.32×10⁴ m²的286个地面塌陷坑，使16个村庄的1 700间房舍遭到破坏。地面塌陷已是开采利用覆盖型岩溶区地下水最主要的环境制约因素。

（二）海水入侵

在天然状态下，沿海地区含水层中的淡水和海水保持着某种平衡状态。但是，由于淡水的大量开采破坏了这种平衡，使海水入侵到淡水含水层，使淡水水质恶化。

早在1889年荷兰人吉本（E.W.Ghyben）和1901年德国人赫兹伯格（B.Herzberg）分别独立提出了相同的确定海水入侵的咸—淡水突变界面位置的计算公式，即吉本-赫兹伯格公式。在天然条件下，大陆含水层中的淡水是排入海洋的，咸、淡水体之间的平衡条件使依靠含水层中淡水体保持了比海平面更高的水头压力来维持的，其咸、淡水界面的具体位置，是由含水层排入海中的淡水流量来确定的，一般淡水排泄量越大，界面距海岸线越近。

吉本-赫兹伯格公式是以咸-淡水互不混溶的突变界面为基础，但实际上，咸-淡水界面并非一个突变界面，而是一个变化着的过渡带。只有当过渡带厚度相对于含水层厚度很小可以忽略时，才可视为突变界面。近年来许多学者利用更为先进的溶质运移模型来研究沿海地下水的海水入侵问题。含水层海水入侵的控制方法有：限制地下淡水的开采量、实施人工回灌的注水脊、抽水槽方法和隔水墙措施等。

（三）其他环境负效应

不合理的开发地下水除引起上述明显的环境灾害外，还诱发一些不易被人们察觉而又十分重要的水环境负效应。例如：由于超量开采地下水，区域地下水位的大幅下降已使天津市沿海地区地表水体的覆盖率由20世纪50年代的27.8%，减少到80年代的7.7%，在全区土地沙化和盐碱地扩大的同时，近40年以来的降水量也在波动中持续地减少，空气湿度在持续下降，气温在波动中缓慢上升。如该地区70年代每5年平均升温0.5℃，80年代每5年平均升温0.2～0.3℃。此外，我国西北干旱地区的许多内陆湖泊，如青海湖、博斯腾湖等皆因四周河水及地下水被大量开发引用，而使湖水水位逐年下降，湖泊面积逐年缩小。我国北方地区的岩溶大泉，因泉域内的地下水被过量抽取而面临流量衰减以致断流的威胁，如我国著名的泉城——济南市，由于过量开采岩溶水，致使闻名中外的趵突泉自1974年后开始出现不定期的断流，到降雨量较小的1989年时，该市著名的72泉全部干涸，使以涌泉为核心的风景点黯然失色，给当地旅游业带来了极大损失。

（四）管理与防治措施

因地下水开采所引起的一系列正、负环境地质效应以及由其诱导而产生的环境、生态和社会经济状况变化的原因是十分复杂的。但多数情况下可归结为地下水采补平衡状态的破坏和地下水位升降的结果，因此，从技术管理上看，进行合理的水资源调蓄，优化控制地下水位显然是进行地下水管理的最基本内容。

此外，还要针对各地区的具体情况，开展地下水天然补给的防护和人工补给的利用；抽水地点的优化和抽水量随时空变化的设计；地下水水质保护、废水的改良以及地表水与地下水（包括引进水和资源化水等其他水源）的联合协调开发和利用等工作。

当然，完善的地下水管理，还必须要有健全的管理机构和合理的法律保证，只有这样才能使用水者在从环境、经济、技术上获得最大效益的同时，又使生态、环境地质负效应得到最大限度的控制和改善。

三、水质污染

随着社会经济的发展和人口的增长，废物的排放量也在不断地增加。废气、废水和固体废物的排放已经严重地污染了空气、地表水和地下水资源，使人类生存和发展中必不可少的宝贵水资源变得无法使用。

（一）污染来源与污染途径

土壤和地下水中的污染来源十分广泛，主要有工业废水、生活污水、城市固体废物、采矿及矿渣、农业灌溉的化肥与农药，以及劣质水体等。其中以各种工业废水、生活污水和城市固体废物的污染问题最为严重。污染物质可以是无机物也可以是有机物。特别是人工合成有机物的污染，由于很难降解，所以给污染的治理带来了很大的困难。

进入地下水中的污染物质一般需要通过包气带这个途径。具体的污染原因和途径大致有以下几个方面：

（1）地表污染水体的渗入。未经处理的各种类型的废水排放后，将造成地表水（河、湖）的污染，这些已污染了的地表水渗入地下，进入含水层，从而造成了地下水的污染。目前世界各国工业、生活废水大量排入河流，是造成地表水体和地下水污染的主要原因。

（2）排污系统的泄漏。城市或工厂污水排放管网或储存设施由于事故或破损，常常出现跑、冒、滴、漏现象，造成包气带和地下水的污染。

（3）工业、生活固体废物的填埋。由于不合理的选址，或填埋时防护设施、方法不当，固体废物填埋场地中的废气、淋滤液会对空气、土壤和地下水造成严重的污染。

（4）各种石油、石油化工产品泄漏。石油、石油化工产品及其废物多属于非水相液体（NAPL）污染物，如城市加油站储油罐、石油化学产品储存场地、管网的泄漏等等。

（5）农业灌溉对地下水的污染。不合理的污水灌溉、化肥和农药的使用不当都会导致大面积的非点源（NPS）污染。

（6）天然劣质水体的污染。由于过量开采地下水而导致地下或地表劣质水体侵入目标含水层，使地下水水质恶化。在沿海地区，过量的地下水开采会导致海水入侵。

（7）大气污染物质通过降水渗入地下，造成土壤、地下水的污染，如酸雨和其他有害元素的污染等。

（二）污染质在地下环境中的运移作用及模拟

在地下水污染过程中，污染质往往是通过包气带进入地下含水层的，实际上，污染质污染地下水主要可以分为两个过程：一是污染物质在包气带中以垂向运移为主的过程；另一个是污染质进入含水层后以侧向运移为主的过程。

污染质在含水层中的运移受多种因素的控制，如地下水对流作用、弥散作用以及污染质与含水层介质之间的各种物理、化学和生物化学作用（表9-1）。在不同的环境下（地质条件、水文地质条件等）以及对不同的污染物质，其在含水层中运移的控制因素可以不同。表9-1中所列的各种作用，对给定污染质运移问题并不一定全部作用同时存在，可以是其中的某个或某几个因素起主要控制作用。一般来说，地下水的对流作用普遍存在，而且对污染质的运移具有重要的影响（赵勇胜等，1994）。

目前，根据地下水污染物质在含水层介质中作用的特性把污染质分为两大类型：保守型污染质和非保守型污染质。前者在含水层中运移时，主要作用为对流、弥散。而非保守型污染质在含水层中运移时，要与岩石介质发生各种复杂的物理、化学和生物化学作用。其在含水层中的运移非常复杂，受多种因素的影响。

（三）地下水溶质运移的MOC模型

污染质在含水层中运移的模拟模型发展很快，从一维、二维直到三维流模型，模拟的条件也越来越复杂，从均质各向同性到非均质各向异性，从保守型溶质发展到非保守型溶质等。求解溶质运移模型的方法很多，有解析法、半解析法和数值法。目前以数值法的应用比较普遍，因为它的实际应用功能强，能解决复杂条件下的溶质运移问题。

溶质运移模拟的数值法包括：有限差分法、有限单元法和边界单元法等，每种方法各有所长。虽然目前国内外已经建立了污染质运移模拟的三维流模型，但由于地层参数获取的困难以及数据要求等问题使之在实际应用中受到限制。目前普遍应用的仍是二维流模型。本书主要介绍目前国际上普遍使用、最为流行的溶质运移模型之一：MOC模型。

MOC模型（Method of Characteristic）是由科尼科夫（L.F.Konikow）和布莱特霍夫（J.D.Bredehoft）建立的，后经数次改进，目前已成为美国地质调查局（USGS）普遍使用的专业模型软件，具有很强的实用功能（赵勇胜，1992）。

模型要求地下水运动符合Darcy定律；含水层的孔隙度与渗透系数不随时间而变化；地下水流速场不受流体的密度、黏度和温度的控制；水位和浓度在垂向上的变化可忽略不计。根据平德（Pinder）和布莱特霍夫（Bredehoft，1968）的工作，在非均质各向异性含水层中水流运动的二维流数学方程可以写成：

表9-1 控制地下水中污染质运移的作用

现代水文地质学

式中：T_ij——水动力传导系数，（L²／T）；

h——地下水位，（L）；

S—储水系数；

t——时间，（T）；

W=w（x，y，t）源汇项，（L／T）；

x_i，x_j——坐标，（L）。

包括对流、弥散和化学作用的溶质运移方程其形式如下：

现代水文地质学

其中CR是化学作用项，它可以是：

现代水文地质学

式中：α_ijmn——含水层的弥散度；

V_m，V_n——分别为m和n方向上的速度分量；

｜v｜——速度模；

C——模拟污染质的浓度；

n——有效孔隙度；

C′——模拟污染质的源汇浓度；

W——源汇单位面积上的通量；

V_i——渗流速度；

ρ_b——介质密度；

——固体介质吸附的污染质浓度；

R_k——污染质增加或减少速率；

λ——放射性核素的半衰期。

联合求解方程（9-1）和（9-2）就可得到污染质运移的结果。

（四）地下水污染的控制和恢复治理

地下水的污染具有复杂性、隐蔽性和难以恢复的特点，一旦土壤或地下水遭受了污染，那么，恢复和净化的过程是漫长的，而且其处理技术难度大，治理费用昂贵（Paul E.Flathman et al.，1994）。因此，预防和控制土壤、地下水的污染是非常重要的。

1.污染控制的行政手段

采用行政、法律手段对地下水的污染进行管理和控制是非常重要的，其主要内容是：

（1）建立、健全并严格实施有关水资源保护和防止水资源污染的法律和规定；

（2）按环境负荷对工矿企业的污水排放实行“总量控制”、“浓度控制”以及“负荷控制”。同时，鼓励企业改进生产工艺、提高用水效率、循环用水、减少废水排放量，实行“三废”资源化、无害化；

（3）建立和健全统一的水资源管理和水质监测机构，并赋予它们法律上的权力；

（4）合理进行工业布局，实施地下水水质的区域和局部防护。

2.污染源控制

控制和治理污染来源是地下水污染防治的关键。在实际工作中，地下水的污染来源不可能全面、永久地消除，至少在目前的技术水平和经济条件下无法达到。也就是说，人类在生产活动和生活过程中所排放的废物（废水、固体废物和废气）不可能达到“零排放”。但是，我们可以通过各种先进的技术手段和严格的管理措施，对地下水水污染的污染源进行控制，以避免和减缓地下水的污染。

3.地下水污染的拦截吸附系统

地下水污染的拦截系统包括在地下水面以下开挖的拦截槽，有时在槽内设置管道。地下拦截系统原理与无限长线性排列的抽水井功能相似。这一控制系统可以用于污染渗滤液汇集，也可以用于已污染地下水的污染减缓或消除。

地下水污染的吸附系统（SSS）是指在含水层中能够增加孔隙介质对污染质吸附能力的地带。这些地带可以使污染质的运移性能减少三个数量级，因此可以延缓污染质的运移和降低下游水中污染质的最高浓度。减缓污染质活动性能，有可能有充足的时间使微生物和非微生物降解发生。吸附系统中用来吸附的介质可以是天然物质（如粘土矿物等）也可以是人工材料。一般采用工程措施拦截已经被污染的地下水，使其流经一个狭窄的铺设有吸附介质的通道（funnel and gate方法）。

4.地下水污染的其他控制工程

在某些情况下，还可以采用一些其他的工程手段来控制地下水的污染，如地下板桩、灌浆和泥浆防护墙等。

板桩方法就是采用向地下打板桩的方法来控制地下水流，以防止污染的发生。板桩可以是钢板、木材或水泥板。通过地面重力作用，使板桩进入地下并连接起来形成一个较薄的防渗带。

灌浆法就是把液体、泥浆或乳胶在压力作用下注入地层。流体注入时会发生流动并占据地层空隙，但随着时间的进行，注入的流体就会发生固化，从而导致原地层渗透能力的降低，起到阻止水流通过的作用。灌浆所用的流体一般有泥浆、水泥或者化学液体。当两种或多种化学液体在地下混合时，就会发生反应形成凝胶而固化。常用于灌浆的物质组合有：水泥和水；水泥、岩粉和水；水泥、粘土和水；水泥、粘土、砂和水；沥青；粘土和水；化学物质等。在水泥浆液中添加不同的物质可以改变浆液的某种特性，如添加氯化钙、氢氧化钠、硅酸钠可以加快凝固时间；添加石膏等可延长凝固时间；加入膨润土粉则可以增加浆液的塑性，降低其收缩性；加入粘土、岩粉可以降低成本，但使其强度有所下降。最常见的灌浆方法有两种：一种是分段灌注方法，即钻进到一定深度然后停钻进行灌注，灌注完毕后清理钻孔再继续钻进，然后再灌注、清孔、钻进，如此重复进行，直到灌浆达到预定地层深度为止；另一种方法是先钻进到预定深度，然后选择灌浆层位分层从下往上进行灌注。灌浆防护系统设施首先要考虑的就是浆液的组成。而采用什么样的浆液取决于地层岩性、污染性质、污染时间以及施工建设时间等。灌浆方法用于建筑工业已有一百多年的历史，如用来增加基础承载力或灌注防止地下水渗漏坝等。但这一方法用于地下水污染的控制则是近年来的事。该方法只适用于具有一定孔隙大小的地层，较高的地下水位和地下水流速都不利于这一方法的应用。

泥浆防护墙可以用来防止地下水的污染或用来控制已经污染了的地下水的运动。该方法包括围绕某一地带开挖沟槽，然后充填隔水物质。防护墙既可以设置在废物场地的上游以防止地下水的流入，也可以围绕整个场地布置，以避免已污染的地下水向外流动。

5.地下水污染的恢复治理

已污染了的地下水的恢复和治理是水文地质学一个新的研究领域，也是目前国际上专家学者们研究的热点和前沿。恢复治理技术有：气提、污染土壤气体提取、碳吸附、化学氧化、抽取-处理、微生物处理等。

对于已经遭受污染的含水层的恢复和治理是一个非常复杂和缓慢的过程，需要投入大量的人力、物力和财力。目前，虽然对地下水污染恢复治理的研究比较重视，但由于上述问题的复杂性，使恢复治理的效果有限。如美国和欧洲一些国家在污染地下水恢复治理上投资巨大，但未能取得预期的效果。所以，对已污染的地下水的恢复治理无论在理论上还是在方法技术上都期待着未来的发展和突破。实际上解决地下水污染问题的最佳方式是预防，因为一旦含水层遭受了污染，恢复和治理是非常困难的。