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北京地區(qū)不同介質(zhì)的土柱淋濾水質(zhì)試驗(yàn)研究

2016-02-28 02:37郭高軒辛寶東沈媛媛陸海燕南英華
城市地質(zhì) 2016年4期
關(guān)鍵詞:土柱水化學(xué)污水

郭高軒,辛寶東,沈媛媛,陸海燕,許 亮,南英華

(1. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),北京 100195;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

北京地區(qū)不同介質(zhì)的土柱淋濾水質(zhì)試驗(yàn)研究

郭高軒1,2,辛寶東1,沈媛媛1,陸海燕1,許 亮1,南英華1

(1. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),北京 100195;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

為探討沖洪積平原地帶地下水水質(zhì)劣變機(jī)理及過程,開展了不同的水土樣品組合的16組淋濾試驗(yàn),以期揭示不同源水在土柱入滲過程陰陽離子、硬度和TDS的變化規(guī)律以及地下水類型的演化特征。試驗(yàn)結(jié)果表明:淋出液中,陰離子濃度的變幅由大到小依次為HCO3-、NO3-、SO42-、Cl-和F-,陽離子的變幅則依次為Na++K+、Ca2+和Mg2+。淋出液的硬度、TDS和水化學(xué)類型均呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化,先期主要受控于源水,爾后則主要受土柱介質(zhì)的影響。除了以垃圾作為淋濾介質(zhì)的試驗(yàn)外,其他組合的試驗(yàn)都出現(xiàn)了初期TDS和硬度升高的過程,之后與源水趨于一致,揭示了淋濾中浸泡—水巖相互作用—吸附解析—淋洗等復(fù)雜過程。

污染;淋濾試驗(yàn);地下水;地下水類型

0 引言

在過去的30余年里,我國(guó)工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展、人口急劇增長(zhǎng)以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,使得地下水環(huán)境劣變問題愈演愈烈——地下水污染組分日趨復(fù)雜、污染面積不斷擴(kuò)大、深度不斷加深(張新鈺等,2011)。2003年以來實(shí)施的全國(guó)地下水環(huán)境地質(zhì)調(diào)查專項(xiàng)表明,我國(guó)90%的城市地下水不同程度地遭受著有機(jī)和無機(jī)有毒有害物質(zhì)的污染(環(huán)境保護(hù)保部,2011)。因此,如何遏制地下水環(huán)境惡化趨勢(shì),科學(xué)實(shí)施地下水污染防治工程成為地勘、國(guó)土、水務(wù)和環(huán)保等領(lǐng)域的熱點(diǎn)與難點(diǎn)(環(huán)境保護(hù)保部等,2013;文冬光等,2008)。地下水污染具有較強(qiáng)隱蔽性,其不僅與含水介質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)有關(guān),而且與外部污染物的輸入方式、類型和強(qiáng)度密切關(guān)聯(lián),是一個(gè)極其復(fù)雜的過程。污染物的輸入過程中,與上覆含水介質(zhì)(多數(shù)為包氣帶)發(fā)生著一系列復(fù)雜的物理化學(xué)和生物作用,并且這種相互作用處在不斷運(yùn)動(dòng)變化之中(林良俊等,2009),對(duì)地下水環(huán)境造成威脅。

近年來的調(diào)查表明,北京地區(qū)的地下水環(huán)境劣變已經(jīng)對(duì)城市供水安全構(gòu)成了較大的威脅(郭高軒,2012;葉超,2016)。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有人開展了相關(guān)的土柱模擬實(shí)驗(yàn)(張英等,2003;易秀,2005;楊樂巍,2006;何煒等,2007;王薇,2008;梅偉標(biāo)等,2014)。為了解北京地區(qū)不同污染源對(duì)地下水的污染情況、污染機(jī)理和污染過程,此次設(shè)計(jì)了16組土柱淋濾模擬試驗(yàn),以期為地下水污染防控提供科學(xué)支撐。

1 淋濾試驗(yàn)設(shè)計(jì)及采樣

模擬試驗(yàn)采集了北京地區(qū)懷柔、通州、海淀、房山的林地土、垃圾土、農(nóng)田土和污灌農(nóng)田土。采集土樣時(shí),在同一采集地2m×2m范圍內(nèi),以對(duì)角線形式挖取4個(gè)采集坑,剝?nèi)ゲ杉颖韺?0cm的覆蓋層,取土混合,每個(gè)采樣點(diǎn)的采集量約為0.06m3。采集水樣時(shí),用預(yù)采集的水樣淋洗準(zhǔn)備好的容積為25kg的采樣桶3遍以上,開始采樣。所有樣品采集完后,密封送往淋濾實(shí)驗(yàn)室。本次采集密云水庫水、河道污水、普通河水、農(nóng)業(yè)開采井水,共組合成16組試驗(yàn)(圖1、表1)。

圖1 淋濾試驗(yàn)樣品采集點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Samples distribution map of leaching tests

表1 淋濾試驗(yàn)組合類型表Tab.1 Combination types of different leaching tests

試驗(yàn)柱體直徑15cm,土柱高80cm,在柱頂部連續(xù)淋入源水,在柱底部接取淋出液,試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間20天左右,采用專用設(shè)備保障試驗(yàn)室空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo),試驗(yàn)起止時(shí)間嚴(yán)格控制,淋濾樣第一時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試。為防止土柱中發(fā)生管流或指狀流,淋濾的速度控制在35滴/分,整個(gè)淋濾試驗(yàn)持續(xù)近20天,在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所完成。本次淋濾試驗(yàn)將不同水樣和土樣兩兩組合,共設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)16組,采集淋濾液樣品240件,每件樣品測(cè)試無機(jī)指標(biāo)39項(xiàng),有機(jī)指標(biāo)31項(xiàng),試驗(yàn)裝置見圖2。

圖2 淋濾試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Setting drawing of the leaching test

2 結(jié)果與分析

2.1 污染指標(biāo)

酚、氰、汞、砷、鉻、鉛、硒、鋁、鎘、銅、碘等指標(biāo)在源水中和淋出液中僅在極少數(shù)樣品少量檢出,大部樣品未檢出。

鋅在各種源水中的含量為0.01mg/L,其淋出液含量在0.01~0.436mg/L之間,顯示土中的鋅進(jìn)入了淋出液中,其濃度變化規(guī)律在淋濾過程中不明顯。錳各種源水中的含量為0.003~0.076mg/L,其淋出液含量在0.002~0.193mg/L之間,濃度變化規(guī)律在淋濾過程中不明顯。

淋出液氨的含量為0.02~0.2mg/L之間,與源水含量差別不大。其中通州三皇莊污水氨含量12mg/L,但淋出液中含量也較低,水中的氨受巖石吸附或發(fā)生了硝化反應(yīng)。

亞硝酸鹽含量在0.001~8mg/L之間,總體上由污水、污染土(農(nóng)用土、污灌土、垃圾土)組成的試驗(yàn)淋出液含量較高,相對(duì)應(yīng)的硝酸鹽含量也較高,如懷柔地區(qū)水庫水與林地土組合模擬試驗(yàn)(試驗(yàn)1)淋出液的亞硝酸鹽含量為0.001mg/L,污水與林地土組合(試驗(yàn)2)為0.1mg/L。亞硝酸鹽作為三氮轉(zhuǎn)化過程的中間物質(zhì),顯然受到總氮的影響(周啟星等,2004;王焰新,2007)。

2.2 陰離子指標(biāo)變化

典型試驗(yàn)的水樣陰離子的對(duì)比結(jié)果見圖3。從圖中可以看出:①垃圾土和污灌土作為填充介質(zhì)的試驗(yàn),其淋出液的組分含量普遍較高,比較源水與淋出液的的濃度,變幅最大的是HCO3-,依次是NO3

-、SO4

2-、Cl-和F-。②無論是哪種填充介質(zhì),源水在對(duì)介質(zhì)充填飽和之后,存在一個(gè)溶解的過程,之后隨著“淋洗”作用的進(jìn)行,離子濃度迅速升高,爾后趨于穩(wěn)定。③淋出液中離子組分含量在淋濾開始后0.5~1天時(shí)間內(nèi),濃度快速升高。在1.5~2天后,濃度基本趨于穩(wěn)定。

圖3 不同試驗(yàn)淋出液陰離子濃度變化圖Fig.3 Changes of ation concentration of leaching liquid different experiments

2.3 陽離子指標(biāo)分析結(jié)果

淋濾液的陽離子的對(duì)比結(jié)果見圖4。從圖中可以看出:①Na+大多數(shù)先降后升,最后趨于與源水一致。②Ca2+和Mg2+則表現(xiàn)為先升后降,最終趨于與源水一致。③陽離子的變幅表現(xiàn)為Na++K+>Ca2+>Na+> Mg2+。

圖4 不同試驗(yàn)淋出液陽離子濃度變化圖Fig.4 Changes of cation concentration of leaching liquid from different experiments

2.4 硬度與溶解性總固體

分析結(jié)果表明:①所有試驗(yàn)均在開始時(shí)出現(xiàn)硬度升高情況,之后下降并趨于穩(wěn)定,反映出鈣鎂成分溶入了溶液中,是離子交換、溶解沉淀、氧化還原、生物降解等因素綜合作用的結(jié)果。②硬度升高的幅度依次為垃圾土>污灌土>林地土。③TDS大多數(shù)表現(xiàn)為淋出液濃度先升高后降低并趨穩(wěn)定,結(jié)果略高于源水。

2.5 淋濾液水化學(xué)類型變化

在Aquifer-chemistry軟件中,分別判定了各組水樣的水化學(xué)類型的變化,結(jié)果表明:①源水通過淋濾后,水化學(xué)類型均發(fā)生了較大變化,淋濾前期變化大,后期變化較小。②有污水(農(nóng)用土、污灌土、垃圾土)和污土參與的試驗(yàn),地下水中的Cl-、NO3-、SO4

2-大多數(shù)達(dá)到了參與舒卡列夫命名的濃度。圖5為通州區(qū)污水灌溉土和污水淋濾的試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)初期,地下水的水化學(xué)類型為Na·Ca-HCO3·Cl型,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃a-NO3·Cl·HCO3·SO4,爾后,NO3-濃度降低,水化學(xué)類型轉(zhuǎn)變?yōu)镃a-HCO3·Cl·SO4,在試驗(yàn)進(jìn)行到3天以后,水化學(xué)類型基本保持穩(wěn)定為Ca·Na-HCO3·Cl,在試驗(yàn)的末期,淋濾液的水化學(xué)類型轉(zhuǎn)變?yōu)镃a·Na-HCO3·Cl。

2.6 淋濾液有機(jī)指標(biāo)分析

本次試驗(yàn)共測(cè)試31項(xiàng)有機(jī)指標(biāo),淋出液中有機(jī)物僅檢出1,2-二氯乙烷、一氯二溴甲烷、溴仿和鄰二氯苯,含量均低于1ug/L。由于試驗(yàn)條件的限制及有機(jī)物的不穩(wěn)定性,試驗(yàn)結(jié)果未能反映出水-土相互作用過程中有機(jī)物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

圖5 典型淋濾試驗(yàn)淋出液硬度和水化學(xué)類型變化圖Fig.5 Changes of hydrochemistry type and hardness of the typical leaching experiment

3 結(jié)語

通過不同的試驗(yàn)組合,經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析得到如下初步認(rèn)識(shí):

(1)所有的淋濾試驗(yàn),淋出液的水化學(xué)類型均發(fā)生了復(fù)雜的變化。淋濾前期大于后期,污水、垃圾、污灌土參與的試驗(yàn)變化大于井水、水庫水、河水及林地土、農(nóng)田土參與的試驗(yàn)。

(2)淋出液較源水,各組分濃度均發(fā)生較大的變化。陰離子濃度的變幅由大到小依次為HCO3-、NO3

-、SO4

2-、Cl-和F-,陽離子的變幅則依次為Na++K+、Ca2+和Mg2+。淋出液的硬度、TDS均呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。先期主要受控于源水,均有上升的趨勢(shì),之后逐漸下降則主要受土柱介質(zhì)的影響,揭示了淋濾中浸泡—水巖相互作用—吸附解析—淋洗等復(fù)雜過程。

(3)用污水作源水和以垃圾、污土作為介質(zhì)的淋濾試驗(yàn),淋出液Cl-的含量均參與了水化學(xué)類型的命名,顯示了Cl-對(duì)外來人為輸入良好的指示作用,而且淋出液的水質(zhì)往往達(dá)到較差和極差級(jí)別。

(4)“污染因素”(污水、垃圾、污土)的存在是造成地下水污染的主要因素,其間歇性輸入(如污灌、農(nóng)藥)是造成淺部水質(zhì)劣變的主要原因。“好水”(井水、水庫水、河水)的連續(xù)輸入對(duì)于淺部地下水的“淋洗”作用會(huì)使得水質(zhì)逐漸向好轉(zhuǎn)變。

本次淋濾試驗(yàn)沒有定量測(cè)定不同基質(zhì)中的化學(xué)組分(如垃圾土和污灌土化學(xué)組分),這是一大遺憾,無法定量區(qū)分同一類型的基質(zhì)在不同組成化學(xué)含量情形下地下水的物理化學(xué)變化。此外,受試驗(yàn)條件限制,此次淋出液中的有機(jī)物測(cè)試受到較大影響,試驗(yàn)效果不是很好。這些將是以后進(jìn)一步研究中將要注意彌補(bǔ)的地方。

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Leaching Experiment on Water Quality of Different Soil Columns in Beijing Area

GUO Gaoxuan1,2, XIN Baodong1, SHEN Yuanyuan1, LU Haiyan1, XU Liang1, NAN Yinghua1
(1. Hydrogeology and Engineering Geology Team of Beijing, Beijing 100195; 2. College of Earth Science, University of Chinese Academy Science, Beijing 100049)

In order to illustrate the evolution mechanism and process of regional groundwater quality in the city within the alluvial plain area, a total of 16 different sets leaching test of soil/water samples were carried out in Beijing area. The transformation characteristics of different sources of water anions and cations, variation of hardness and TDS as well as the type of groundwater in the soil column infiltration process were revealed. By comparing the concentration of source water and leaching solution, three main results were presented as followed: In the leaching solution, the change range of anion concentration is HCO3-, followed by NO3-, SO42-, Cl-and F-. The amplitude of the cation is in the order of Na++K+, Ca2+and Mg2+. The hardness, TDS and hydrochemistry types of leachate showed a regular change. In early stage, the quality of leaching solution is mainly controlled by the source water, and then is mainly affected by the soil column media. Excepting the experiment using waste as leaching media, the initial TDS and hardness increase process appeared in the all other experiment combinations, and then it was consistent with the source water, which revealed the complex processes such as the leaching, water-rock interaction, adsorption analysis and so on.

Pollution; Leaching test; Groundwater; Groundwater type

X523

A

1007-1903(2016)04-0029-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.005

基金課題:北京市平原區(qū)地下水污染調(diào)查(PXM2009-158305-074498)和北京市科技計(jì)劃重大項(xiàng)目(D07050601510000)聯(lián)合資助。

郭高軒(1979- ),男,博士,高工,主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)方面的工作。

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