董　佩, 李　陽, 孫　穎, 謝振華, 劉穎超

(1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京　100195; 2.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京　100048)

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包氣帶黏性土層對(duì)氮素污染地下水的防污性能試驗(yàn)研究

董佩1, 李陽2, 孫穎1, 謝振華1, 劉穎超1

(1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京100195; 2.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100048)

包氣帶土層是保護(hù)地下水的天然屏障，在阻控、攔截氮素污染源的過程中起到了重要作用。通過對(duì)北京市典型地區(qū)包氣帶土體進(jìn)行定水位入滲的土柱淋溶試驗(yàn)，研究土體對(duì)于氮素的去除能力和包氣帶的截污容量。試驗(yàn)中采用了蒸餾水、再生水和河水3種不同的水源。試驗(yàn)結(jié)果顯示，張家灣包氣帶土層對(duì)氮素污染地下水具有較強(qiáng)的截留和防護(hù)能力。對(duì)氮素的去除過程具有分段性特征，經(jīng)歷了較穩(wěn)定和波動(dòng)下降兩個(gè)不同的階段，其中穩(wěn)定階段是計(jì)算柱體去除能力的關(guān)鍵，提出了考慮滯后區(qū)間的時(shí)段去除率計(jì)算公式。水源對(duì)柱體的滲流速度及初期的吸附解析效應(yīng)有明顯影響。土體對(duì)氮素的去除作用受環(huán)境溫度變化的影響，溫度15 ℃左右時(shí)所達(dá)到的穩(wěn)定階段對(duì)氮素有極強(qiáng)的去除能力。

包氣帶；氮素；去除率；土柱；防污性能

0　引　言

在我國，作為主要的農(nóng)作物肥料，氮肥的利用率卻只有35%～40%，殘留的氮肥再加上土壤中有機(jī)礦化產(chǎn)生的氮素經(jīng)淋洗進(jìn)入地下水中，形成地下水污染，且這種污染有著長(zhǎng)期持續(xù)、廣泛分布的特點(diǎn)[1-3]。位于地下水位以上的包氣帶土層是多礦物質(zhì)及其他營養(yǎng)成分的儲(chǔ)存庫，是氮素由地表向地下傳輸物質(zhì)和能量的過渡帶，在阻控、攔截氮素污染源的過程中起到了主要的屏障作用，遷移中的氮素在進(jìn)入地下水前在包氣帶中得以消納[4]。

在地下水環(huán)境研究的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，最初側(cè)重于對(duì)土壤肥料氮素的作物利用、淋失、運(yùn)移、殘留、滯留、轉(zhuǎn)化及發(fā)生條件和各途徑流失量方面的研究[6]。此后，為了可以反映土壤中溶質(zhì)運(yùn)移原理和作物吸收的特點(diǎn)，許多學(xué)者進(jìn)行了土壤溶質(zhì)運(yùn)移方面的模擬研究[7-11]。

由于包氣帶環(huán)境復(fù)雜，以上研究均具有一定的局限性，很難得到普遍適用的方法來計(jì)算評(píng)價(jià)包氣帶截污量。因此有必要針對(duì)某一地區(qū)典型土采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)的方式來尋求計(jì)算該地區(qū)包氣帶土體截污能力的方法[17-18]，為研究區(qū)包氣帶土層對(duì)氮素污染地下水的防護(hù)能力研究服務(wù)。

1　材料與方法

試驗(yàn)土樣采自北京市通州區(qū)張家灣鎮(zhèn)國土資

源部平原區(qū)地下水—北京野外基地。該試驗(yàn)場(chǎng)地處潮白河沖洪積扇的中下部，第四系主要為河流沖洪積作用形成，厚度為150 m左右，代表著北京平原區(qū)沖洪積扇中下部大部分區(qū)域的表層地質(zhì)環(huán)境。包氣帶巖性以砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土為主。對(duì)黏質(zhì)粉土土樣進(jìn)行風(fēng)干后，進(jìn)行篩分試驗(yàn)測(cè)定粒徑級(jí)配特征，利用比重瓶法測(cè)定其干密度。其基本特性如表1所列。

采用土柱試驗(yàn)的形式，在內(nèi)徑為18.6 cm、高度為120 cm的有機(jī)玻璃柱內(nèi)分層裝填風(fēng)干土樣，為防止優(yōu)先流等的影響，裝填前橫向打磨柱體內(nèi)壁，并均勻涂抹凡士林。裝填前土柱底部填埋約8 cm厚的石英砂，石英砂上鋪一張不銹鋼絲網(wǎng)，以防止上部砂體漏入下部石英砂中。石英砂作為承托層對(duì)上部土體起到支撐作用，同時(shí)緩沖試驗(yàn)過程中水流對(duì)土柱的影響。石英砂上部裝填高度為50 cm的土樣。土柱裝填完畢后，在土體上方也放置濾網(wǎng)及厚度約5 cm的石英砂，對(duì)土柱有壓實(shí)作用。試驗(yàn)裝置如圖1所示[19-20]。

圖1　試驗(yàn)裝置圖Fig.1　Apparatus of the experiment

巖性物理性質(zhì)天然含水率/%天然密度/(g/cm3)干密度/(g/cm3)密度/(g/cm3)飽和度/%孔隙比顆粒組成百分比/%粒徑大小/mm0.25～0.0750.075～0.050.05～0.005<0.005黏質(zhì)粉土26.31.861.472.7860.842.743.343.610.4

表2　試驗(yàn)水源主控指標(biāo)

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為平均濃度。

為了真實(shí)反映實(shí)際情況，分別采用蒸餾水、當(dāng)?shù)氐脑偕疤烊缓铀鳛樗?，裝填Z1、Z2和Z33個(gè)土柱進(jìn)行試驗(yàn)(下標(biāo)1是蒸餾水，2是再生水，3是天然河水)，柱體裝填厚度為50 cm。蒸餾水試驗(yàn)的目的是為了揭示無污染物輸入的情況下(降雨、潔凈水灌溉等)，土體本身在飽和滲流的情況下輸出污染物的情況。采用由上至下的進(jìn)水方式由馬氏瓶進(jìn)行定水位供水。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，所取水源7天內(nèi)氮素成分不會(huì)發(fā)生變化，所以污水水源使用一般不超過7天。

圖2　Z1土柱各離子出水濃度變化圖Fig.2　The curves of effluent concentrations in sand column Z1

2　結(jié)果與分析

2.1淋洗效應(yīng)分析

經(jīng)一系列水樣分析及數(shù)據(jù)整理, 以各離子出水濃度(單位：mg/L)為縱坐標(biāo), 孔隙體積數(shù)(累計(jì)滲出液體積與柱體孔隙體積的比值)為橫坐標(biāo), 作出柱體滲出液中各個(gè)離子的濃度變化曲線。累計(jì)滲出液體積是柱底滲出水的累計(jì), 柱體孔隙體積是一常量, 因此橫坐標(biāo)間接反映了水由上往下滲透的時(shí)間過程。

由TN滲漏量變化圖(圖3)可知，一般初期土柱內(nèi)氮素很快被淋洗，而后滲漏量緩慢增加，說明柱體淋洗階段持續(xù)時(shí)間較短，隨后由于柱體內(nèi)土壤的去除作用而使?jié)B漏減弱。

由圖2和圖3可以明顯地看出，孔隙體積數(shù)為1左右時(shí)，柱體的淋洗基本結(jié)束，因此可以根據(jù)此現(xiàn)象計(jì)算孔隙體積數(shù)為1時(shí)的淋出量，對(duì)比不同水源初期淋洗效應(yīng)的差異，也可以據(jù)此劃分試驗(yàn)階段。

表3　各柱體單位淋失量

2.2去除分析

圖3　Z1、Z2土柱TN滲漏量變化圖Fig.3　The curves of TN leakage in sand column Z1 and Z2

污染水體經(jīng)過砂柱時(shí)，由于各種物理、化學(xué)、生物效應(yīng)而使進(jìn)水的污染物組分含量發(fā)生了變化，針對(duì)某一污染組分，某一時(shí)段內(nèi)其進(jìn)入量與排出量的差值與進(jìn)入量的比值定義為這一污染組分的時(shí)段去除率，使用時(shí)段去除率表征污水入滲條件下不同土體對(duì)氮素的截留性能。試驗(yàn)過程中，土柱上方始終保持一定高度的自由水體，且由表2可知，所用水源水質(zhì)波動(dòng)性大，因此實(shí)際的進(jìn)水濃度隨當(dāng)日水源濃度有遞變的過程，數(shù)據(jù)使用時(shí)采用完全混合模型做了適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

圖4是經(jīng)過修正的Cl-進(jìn)出水濃度關(guān)系曲線，從圖中可以看出，Cl-進(jìn)出水濃度在試驗(yàn)過程中變化不大，柱體對(duì)Cl-基本無去除能力，說明Cl-作為參考示蹤離子是可行的。Cl-進(jìn)出水濃度對(duì)應(yīng)關(guān)系明顯，且與滲流的孔隙體積數(shù)關(guān)系密切，可為計(jì)算各氮素的去除率提供參考。以滲流的孔隙體積數(shù)為主線，結(jié)合Cl-進(jìn)出水濃度關(guān)系，確定進(jìn)出水的滯后區(qū)間，計(jì)算各組分時(shí)段去除率。計(jì)算公式如下：

式中：Ci為第i天的進(jìn)水濃度；Vi為第i天的進(jìn)水量;Ci+t為第i+t天的出水濃度；Vi+t為第i+t天的出水量；t為根據(jù)滲流速度與Cl-離子進(jìn)出水濃度確定的滯后區(qū)間，每時(shí)段不同。

圖4　Z2、Z3土柱Cl-進(jìn)出水濃度關(guān)系曲線Fig.4　The curves of influent and effluent concentrations of Cl- in sand column Z2 and Z3

柱體穩(wěn)定 時(shí)長(zhǎng)/dNH+4平均去除率/%NH+4單位去除量/ (mg/(d·kg))NO-3平均去除率/%NO-3單位去除量/ (mg/(d·kg))TN平均去除率/%TN單位去除量/(mg/(d·kg))Cl-平均去除率/%Z219299.100.7395.100.50694.603.0364.00Z312499.600.16497.000.30090.700.687-5.00

圖6　TN時(shí)段去除率與溫度變化曲線Fig.6　Changes in period removal rate and temperature of TN

由表4數(shù)據(jù)可知，張家灣黏質(zhì)粉土在穩(wěn)定時(shí)期對(duì)于氮素有極強(qiáng)的去除能力，且水源對(duì)氮素去除率有一定影響，表現(xiàn)為河水水源柱體的去除率要略小于再生水水源柱體，單位去除量受水源濃度影響明顯。

3　結(jié)　論

通過對(duì)北京市張家灣地區(qū)廣泛分布的黏質(zhì)粉土進(jìn)行定水位入滲的土柱淋溶試驗(yàn)，研究土體對(duì)于氮素的去除能力和包氣帶的截污容量，試驗(yàn)中采用了蒸餾水、再生水和河水3種不同的水源，試驗(yàn)結(jié)果顯示：

(1)張家灣包氣帶土層對(duì)氮素污染地下水具有較強(qiáng)的截流和防護(hù)能力。

(2)試驗(yàn)所選入滲水源對(duì)柱體的滲流速度有一定的影響，且對(duì)初期淋洗量影響尤其明顯。

(3)試驗(yàn)土層對(duì)氮素的去除過程具有分段性特征，經(jīng)歷了較穩(wěn)定和波動(dòng)下降兩個(gè)不同的階段。其中穩(wěn)定階段是計(jì)算柱體去除能力的關(guān)鍵。

(5)環(huán)境溫度對(duì)氮素的去除作用也有顯著影響，因此在討論去除作用時(shí)要限定溫度條件。試驗(yàn)可知黏質(zhì)粉土在溫度15 ℃左右時(shí)微生物活動(dòng)頻繁，微生物代謝產(chǎn)物大分子胞外聚合物堵塞土柱孔隙，造成土柱滲透系數(shù)逐漸減小, 水力停留時(shí)間增長(zhǎng), 有利于包氣帶對(duì)氮素的降解，此時(shí)所達(dá)到的穩(wěn)定階段對(duì)氮素有極強(qiáng)的去除能力，單位去除量與進(jìn)水濃度關(guān)系明顯。污水入滲柱體在經(jīng)歷一系列效應(yīng)后會(huì)在一定時(shí)期進(jìn)入穩(wěn)定期，這一穩(wěn)定時(shí)期即是計(jì)算柱體去除能力的關(guān)鍵。

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Experimental Study on the Filtration Capability of Clayey Soils in the Vadose Zone Prevention Nitrogen from Polluting Groundwater

DONG Pei1, LI Yang2, SUN Ying1, XIE Zhenhua1, LIU Yingchao1

(1.BeijingInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeology,Beijing100195,China;2.BeijingInstituteofGeologicalandProspectingEngineering,Beijing100048,China)

The soil of unsaturated zone acts as a natural protector to the groundwater and it plays an important role in blocking the pollutants. Antifouling property in prevention nitrogen from polluting groundwater has been investigated through soil column leaching experiments. Three different sources-distilled water, recycled water and river water are used in the test. It is demonstrated that the soil used in the test has a strong capability in prevention nitrogen from polluting groundwater and the denitrification shows two different stages-stable and vola-tility dropped wherein the stable phase is the critical stage to compute the capacity. This papers presented a formula which considered the interval removal. The water sources have a significant effect on the flow rate and adsorption effects. The capability is affected by temperature changes. The column showed a strong ability to remove nitrogen when the temperature reached about 15 ℃.

vadose zone; nitrogen; removal rate; soil column; antifouling property

2015-06-16；改回日期：2015-12-23；責(zé)任編輯：樓亞兒。

董佩，女，博士，1985年出生，水文地質(zhì)學(xué)專業(yè)，主要從事包氣帶土壤水方面的研究。Email: dongpei1985@126.com。

P641

A

1000-8527(2016)03-0688-07