李炳華,郝仲勇, 黃俊雄, 張家銘

(1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院非常規(guī)水資源開發(fā)利用與節(jié)水工程研究中心，北京 100048；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083)

地下水是北京市水資源的重要組成部分，占全市飲用水供水總量近70%。作為地下水的重要補(bǔ)給來(lái)源之一，地表水在入滲補(bǔ)給地下水的過(guò)程中，所攜帶的無(wú)機(jī)污染組分及部分有毒有害的有機(jī)污染物也會(huì)同時(shí)進(jìn)入地下水[1-2]，對(duì)地下水安全造成極大威脅。歷年資料表明，北京市的諸多污染河流已對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)產(chǎn)生了負(fù)面影響。北運(yùn)河流域(北京段)作為典型污染河流，是北京市地表水環(huán)境質(zhì)量最差的水系，附近地下水已遭受不同程度污染。

目前，在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用的地下水污染修復(fù)技術(shù)有水力截獲技術(shù)、原位生物處理法和滲透反應(yīng)墻技術(shù)等[3-4]。其中，水力截獲技術(shù)是通過(guò)設(shè)置一系列抽(注)水井，形成人工流場(chǎng)，最大限度地抽取受污染地下水，以達(dá)到抑制污染羽擴(kuò)散并修復(fù)受污染含水層的目的[5]。該技術(shù)實(shí)施過(guò)程簡(jiǎn)單，見效快且顯著，適用于常規(guī)和應(yīng)急修復(fù)[6]。本文選取北運(yùn)河流域土溝段作為試驗(yàn)區(qū)，通過(guò)開展不同深度含水層的水力截獲試驗(yàn)，探討水力截獲技術(shù)在傍河場(chǎng)地的實(shí)際應(yīng)用效果，以期為北運(yùn)河流域地下水污染防控提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

北運(yùn)河水系共有溫榆河、清河等13條一級(jí)支流，總長(zhǎng)度達(dá)300 km，流域面積4 423 km2，是北京市人口最集中、產(chǎn)業(yè)最聚集、城市化水平最高的流域。但由于其承擔(dān)著中心城區(qū)90%的排水任務(wù)，北運(yùn)河流域地表水污染十分嚴(yán)重[7]。北運(yùn)河流域土溝段位于溫榆河水文地質(zhì)單元內(nèi)。根據(jù)土溝段新建井的巖性資料，靠近溫榆河的地層表現(xiàn)為黏砂與細(xì)砂互層，其中厚度0～10 m、15～30 m、35～40 m和65～75 m為黏砂層，其他均為細(xì)砂層；而遠(yuǎn)離河道的第四系巖性與近河段相比則顯得較為單一，15 m以上為細(xì)砂層，15～25 m為黏砂層，以下為細(xì)砂層(圖1)。土溝段20 m含水層地下水位平均埋深13.53 m，地下水整體流向?yàn)橛晌鞅绷飨驏|南，主要接受大氣降水、農(nóng)田灌溉入滲和河流入滲等補(bǔ)給。

圖1 土溝段地質(zhì)剖面

時(shí)間氯化物硫酸鹽總硬度氨氮溶解性總固體CODMnTOC鉀鈉抽水前58.536.2290.110.35206.41.412.481.4抽水后37.317.6280.31.954721.190.72.6474.4

2 水力截獲試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合研究區(qū)鉆孔資料可知，研究區(qū)巖性主要以細(xì)砂、粉細(xì)砂和粉質(zhì)黏土為主，因此，在垂向上將研究區(qū)概化為4個(gè)含水層和3個(gè)弱透水層，其中第1、3、5、7層為含水層，巖性主要為細(xì)砂、粉細(xì)砂，個(gè)別含水層夾有砂礫石；第2、4、6層為弱透水層，巖性主要為粉質(zhì)黏土。在抽水井實(shí)際成井過(guò)程中，分別在20 m、60 m的開采層位處安裝孔徑為13 mm、高度為5～8 m的濾水管，并在外圍回填4～7 mm的石英砂濾料，管井其余部分則均由黏土顆粒包裹UPVC井管。為保證水力截獲試驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、可靠性，利用土溝段已有監(jiān)測(cè)井進(jìn)行為期10 d的抽水試驗(yàn)，抽水流量為10～40 m3/d，并在抽水前和抽水停止時(shí)分別采集了20 m、60 m層位的地下水樣品。地下水水質(zhì)結(jié)果表明：抽水后的地下水水質(zhì)各指標(biāo)濃度較抽水前的濃度明顯降低。以60 m處含水層抽水試驗(yàn)為例，氨氮、氯化物、硫酸鹽、鉀、鈉等指標(biāo)質(zhì)量濃度都有不同程度的下降，其中氨氮下降幅度最大，達(dá)到81% (表1)。這與地下含水層氧化還原環(huán)境變化，地下水在巖性互層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中運(yùn)移速率慢，滯留時(shí)間長(zhǎng)，其水質(zhì)變化與吸附作用、降解作用、水-巖相互作用以及地下水物理稀釋作用有著極大關(guān)系[8-10]。

根據(jù)土溝段監(jiān)測(cè)井所在的含水層埋藏條件，該區(qū)域試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)可概化為含水層巖性較均勻，厚度較穩(wěn)定，地下水運(yùn)動(dòng)為層流，符合裘布依方程的使用條件。采用承壓水穩(wěn)定流完整井公式計(jì)算滲透系數(shù)：

(1)

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；Q為抽水井涌水量，m3/d；R為抽水影響半徑，m；r為抽水井半徑，m；M為承壓水含水層厚度，m；S為抽水井水位降深值，m。

研究區(qū)埋深在30 m以內(nèi)的淺層地下水基本不被利用，60 m深含水層主要為農(nóng)業(yè)井開采。總體上看，淺層地下水開發(fā)利用程度相對(duì)較小，地下水流動(dòng)緩慢，水力坡度小于1‰。本研究于2016年新建7眼地下水水井，開展水力截獲試驗(yàn)，使淺層地下水具有適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)速度，從而充分利用埋深60 m以內(nèi)的粉質(zhì)黏土層的吸附作用和土著微生物的降解作用等凈化來(lái)自上游受污染的地下水[11-13]。同時(shí)，抽水試驗(yàn)結(jié)果表明：20 m含水層的滲透系數(shù)為7.33 m/d，60 m含水層的滲透系數(shù)為0.54 m/d，而80 m含水層厚度薄且滲透系數(shù)較小。因此，選擇20 m和60 m含水層作為水力截獲的含水層具有一定的可行性和可操作性。為使水力截獲試驗(yàn)滿足既不疏干含水層，又能持續(xù)抽水的條件，其具體方案見表2。

表2 水力截獲試驗(yàn)方案

此次水力截獲試驗(yàn)共持續(xù)69 d，其中20 m含水層水力截獲試驗(yàn)持續(xù)33 d，總抽水量1 489.2 m3；60 m 含水層水力截獲試驗(yàn)持續(xù)36 d，總抽水量1 869.8 m3；地下水位數(shù)據(jù)采集頻率均為12次/h。當(dāng)進(jìn)行20 m含水層水力截獲試驗(yàn)時(shí)，除了監(jiān)測(cè)3眼20 m地下水井外的水位變化外，還對(duì)T1-10地下水井(井深10 m)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)；當(dāng)進(jìn)行60 m含水層水力截獲試驗(yàn)時(shí)，同時(shí)監(jiān)測(cè)1眼20 m地下水井(T1-20)，監(jiān)測(cè)井分布見圖2。各地下水井中均采用Levelogger Edge記錄儀監(jiān)測(cè)地下水動(dòng)態(tài)變化，地下水動(dòng)力場(chǎng)采用Feflow 6.2模擬得出。

圖2 20 m、60 m含水層試驗(yàn)監(jiān)測(cè)井分布

監(jiān)測(cè)的地下水水質(zhì)指標(biāo)分為兩類，第一類為常規(guī)水化學(xué)指標(biāo)，包括13種：pH、鉀、鈉、鈣、鎂、氯離子、硫酸根離子、硝酸鹽氮、氨氮、碳酸氫根離子、總硬度、溶解性總固體、CODMn；第二類為痕量有機(jī)污染物指標(biāo)，包括3種：鄰苯二甲酸酯、壬基酚、多環(huán)芳烴。常規(guī)水化學(xué)指標(biāo)水樣分別于試驗(yàn)前及試驗(yàn)開始后的第5、10、15、20，25、30天順序取樣。其中20 m含水層在停止抽水后的第35、41、46天各取樣1次；60 m含水層在停止抽水后的第6和第11天各取樣1次。而痕量有機(jī)污染物均監(jiān)測(cè)僅有4次，取樣時(shí)間為試驗(yàn)開始前及試驗(yàn)開始后的第5、15、30天。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 含水層水動(dòng)力場(chǎng)變化

試驗(yàn)分別對(duì)20 m含水層3眼地下水井(T1-20、T2-20、T3-20)和60 m含水層4眼地下水井(T1-60、T2-60、T3-60、T4-60)抽水，根據(jù)Feflow軟件模擬結(jié)果，得出近似變化厚度水動(dòng)力場(chǎng)，20 m和60 m含水層抽水后水位等值線見圖3。

(a)20 m含水層

(b)60 m含水層

同時(shí)抽取3眼20 m含水層水井33d后，地下水水位最大降深為2 m，最大影響半徑為80.2 m；而同時(shí)抽取4眼60 m含水層水井36d后，地下水位最大降深為1.54 m，最大影響半徑為150.6 m。地下水動(dòng)力場(chǎng)條件發(fā)生變化，將引起地下含水層環(huán)境變化：首先，包氣帶厚度增加，地層內(nèi)氧化還原條件發(fā)生改變，在原含水層轉(zhuǎn)變?yōu)榘鼩鈳У倪^(guò)程中，原含水層介質(zhì)內(nèi)的有機(jī)質(zhì)可能被氧化，釋放二氧化碳，促進(jìn)碳酸巖鹽的溶解，鈣離子濃度會(huì)有所提升；其次，氧化環(huán)境會(huì)使微生物的硝化作用增強(qiáng)，部分氨氮會(huì)被轉(zhuǎn)化為亞硝氮與硝氮，導(dǎo)致氨氮濃度有所降低[14-16]。

3.2 含水層水質(zhì)變化

3.2.1 鉀、鈉、鈣和鎂離子

20 m含水層中的鉀、鈉和鎂離子質(zhì)量濃度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而鈣離子質(zhì)量濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖4)。T1-20監(jiān)測(cè)井鉀離子質(zhì)量濃度由初始的6.5 mg/L降低至抽水結(jié)束時(shí)的1.6 mg/L；鈉離子質(zhì)量濃度由初始的100.0 mg/L降低至抽水結(jié)束時(shí)的66.0 mg/L；鎂離子質(zhì)量濃度由初始的46.0 mg/L下降至40.0 mg/L；而鈣離子質(zhì)量濃度由初始的62 mg/L上升至抽水結(jié)束時(shí)的101.0 mg/L。抽水結(jié)束后，鉀、鈉和鎂離子質(zhì)量濃度緩慢回升，而鈣離子質(zhì)量濃度呈下降趨勢(shì)。T2-20監(jiān)測(cè)井的數(shù)據(jù)變化與前者相同。20 m含水層鈣離子質(zhì)量濃度上升而鈉離子濃度下降的原因，一方面是由于地下水動(dòng)力場(chǎng)的改變，地層由還原環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸h(huán)境，促使碳酸鹽介質(zhì)溶解進(jìn)入地下水中；另一方面，可能是地下水-包氣帶介質(zhì)發(fā)生陽(yáng)離子交換吸附，地下水中鈉離子、鉀離子和介質(zhì)中的鈣離子相互交換，鈣離子進(jìn)入地下水中，而鈉離子進(jìn)入介質(zhì)中[17-19]。

(a)T1-20

(b)T2-20

(c)T1-60

(d)T2-60

60 m含水層中的鉀、鈣和鎂離子質(zhì)量濃度都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而鈉離子質(zhì)量濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。T1-60 監(jiān)測(cè)井鉀離子質(zhì)量濃度由初始的5.8 mg/L降低至抽水結(jié)束時(shí)的2.0 mg/L；鈣離子質(zhì)量濃度由初始的104.0 mg/L降低至抽水結(jié)束時(shí)的76.0 mg/L；鎂離子質(zhì)量濃度由初始的40.0 mg/L降低至抽水結(jié)束時(shí)的36 mg/L；而鈉離子質(zhì)量濃度由初始的69.0 mg/L上升至抽水結(jié)束時(shí)的82.0 mg/L。抽水結(jié)束后，鉀、鈣、鎂離子質(zhì)量濃度緩慢回升。T2-60監(jiān)測(cè)井相應(yīng)的數(shù)據(jù)變化與其相同，這可能是由于60 m 含水層發(fā)生了與20 m含水層相反的陽(yáng)離子交換吸附所導(dǎo)致的。

3.2.2 氯離子和硫酸鹽

20 m、60 m含水層氯離子和硫酸鹽質(zhì)量濃度均表現(xiàn)出隨抽水時(shí)間而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)(圖5)。其中T2-20監(jiān)測(cè)井氯離子初始質(zhì)量濃度為65.0 mg/L，抽水結(jié)束時(shí)下降為55.0 mg/L；硫酸鹽質(zhì)量濃度下降幅度較大，由初始質(zhì)量濃度的114.0 mg/L，下降至抽水結(jié)束時(shí)的48.0 mg/L，降幅度達(dá)到57.9%；T3-20監(jiān)測(cè)井中相應(yīng)離子濃度變化與前者相同。

(a)T2-20

(b)T3-20

(c)T2-60

(d)T3-60

停止抽水1個(gè)月后，氯離子和硫酸鹽離子質(zhì)量濃度均有所回升。而T2-60監(jiān)測(cè)井在停止抽水6 d后，氯離子和硫酸鹽質(zhì)量濃度仍然下降，11 d后呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；T3-60監(jiān)測(cè)井則在停止抽水11 d后，兩者濃度仍然呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其極可能是由于周邊未受污染的地下水受水力調(diào)控試驗(yàn)的影響，而對(duì)原場(chǎng)地受地下水氯離子和硫酸鹽產(chǎn)生了物理稀釋作用。

3.2.3 痕量有機(jī)污染物

監(jiān)測(cè)了6種酞酸酯類污染物，選取地下水中的特征污染物鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和鄰苯二甲酸(2-乙基己基)酯(DEHP)的變化進(jìn)行分析。20 m和60 m含水層DBP和DEHP質(zhì)量濃度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖6)。20 m含水層的DBP由初始質(zhì)量濃度1 451.7 ng/L 下降至停止抽水時(shí)的883.2 ng/L，DEHP從初始質(zhì)量濃度4 742.1 ng/L下降至停止抽水時(shí)的177.0 ng/L，降幅達(dá)到96.3%。而60 m的含水層DBP和DEHP變化基本一致，DBP由初始質(zhì)量濃度866.4 ng/L下降至停止抽水時(shí)的450.3 ng/L，DEHP從初始質(zhì)量濃度464.1 ng/L下降至停止抽水時(shí)的33.1 ng/L，降幅達(dá)到92.9%。

(a)T1-20

(b)T1-60

對(duì)于多環(huán)芳烴類的特征污染物菲和苯并(K)瑩蒽，在20 m和60 m含水層兩者質(zhì)量濃度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖7)。其中，20 m含水層中菲的質(zhì)量濃度降幅極大，由初始的171.7 ng/L下降至停止抽水時(shí)的15.0 ng/L；60 m含水層的情況也與其相似，菲的濃度由初始的65.7 ng/L下降至停止抽水時(shí)的9.6 ng/L。而酚類的特征污染物——∑壬基酚質(zhì)量濃度也總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖7)。20 m含水層的∑壬基酚由初始質(zhì)量濃度281.7 ng/L下降至停止抽水時(shí)的75.1 ng/L，降幅達(dá)到73.4%。 60 m含水層的∑壬基酚由初始質(zhì)量濃度154.3 ng/L下降至停止抽水時(shí)的50.7 ng/L，降幅達(dá)到67.2%。這主要?dú)w功于粉質(zhì)黏土及土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)特征污染物菲、苯并(K)瑩蒽和∑壬基酚的吸附作用，此外地下水流速的加快，周邊受污染較輕的地下水流入，對(duì)含水層污染物的稀釋也發(fā)揮一定作用。

(a)T1-20

(b)T1-60

4 結(jié) 論

a. 水力截獲試驗(yàn)的地下水動(dòng)力場(chǎng)變化為：20 m含水層水位最大降深為2.0 m，影響半徑為80.2 m；60 m含水層的水位最大降深為1.54 m，影響半徑為150.6 m。

b. 水力截獲試驗(yàn)過(guò)程中20 m和60 m含水層中的氯離子、硫酸鹽、鉀離子和鎂離子質(zhì)量濃度呈現(xiàn)不同程度的下降；但20 m含水層中的鈣離子和60 m含水層中的鈉離子呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，可能與20 m含水層和60 m含水層發(fā)生的陽(yáng)離子交換吸附作用有關(guān)；檢測(cè)的3種痕量有機(jī)污染也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中DEHP下降幅度最大達(dá)到96.3%。試驗(yàn)結(jié)束后，各含水層的地下水水質(zhì)指標(biāo)濃度隨時(shí)間而緩慢回升。

c. 水力截獲試驗(yàn)表明，淺層地下水在加速循環(huán)后，地下水水質(zhì)呈現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。地下水動(dòng)力場(chǎng)的變化對(duì)地下水化學(xué)特征造成了一定影響。陽(yáng)離子交換吸附、稀釋作用、包氣帶的氧化還原條件及黏土礦物的吸附作用是影響研究區(qū)地下水水質(zhì)變化的內(nèi)因。

盡管水力截獲技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到修復(fù)地下水環(huán)境的效果，但根據(jù)本研究試驗(yàn)結(jié)果可知，地下水中的污染物會(huì)在水力截獲試驗(yàn)結(jié)束后出現(xiàn)緩慢抬升的趨勢(shì)。因此，要達(dá)到更好的修復(fù)效果，還需從源頭消除和過(guò)程控制做起，開展河流污水排放口截流和河道減滲處理。