馮起才，張成軍，李本富

( 黑龍江省第六地質(zhì)勘查院，黑龍江 佳木斯市 154000 )

0 引言

地下水是重要的水資源組成部分，但是由于地下結(jié)構(gòu)具有不同的含水層，其水位、水質(zhì)以及各種水文地質(zhì)參數(shù)均不相同，對于厚大的第四系砂礫石孔隙含水層，其上部、中部及底部，或局部夾黏土透鏡體的含水層上部和下部，由于含水介質(zhì)的不同，水質(zhì)以及各種水文地質(zhì)參數(shù)均不相同，如何獲得厚大第四系砂礫石孔隙含水層各層位地下水的水質(zhì)情況，且經(jīng)濟(jì)環(huán)保，是本研究的重點方向[1-2]。

李穎智等人[3]提出了區(qū)域地下水污染調(diào)查取樣點布設(shè)量化分配方法，基于層次分析法構(gòu)建量化分配模型，以背景控制因素和潛在污染因素建立分配因子組合，運用指數(shù)標(biāo)度量化定性因子、標(biāo)度函數(shù)計算定量因子，通過矩陣運算獲取每個分配單元的樣品預(yù)分配數(shù)量；在單元內(nèi)，按照分段控制、條件優(yōu)選的方法提高取樣點針對性和代表性，利用構(gòu)建的分配方法，以拉薩河流域地下水水質(zhì)調(diào)查為案例進(jìn)行了取樣點布設(shè)分配應(yīng)用，確定了各單元樣品分配數(shù)量。張潔[4]提出了基于模糊邏輯法的葫蘆島市地下水水質(zhì)狀況評價，選取葫蘆島市12個地下水采樣點，取樣36份并對主要水質(zhì)指標(biāo)濃度進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果、采用模糊邏輯分析工具計算各樣點處的地下水水質(zhì)狀況指數(shù)。結(jié)果表明，基于模糊邏輯法的地下水水質(zhì)評價方法具有操作簡單、精細(xì)化程度高等優(yōu)點，具有較高的推廣價值。但是以上兩種抽水取樣法對地下水的流動狀態(tài)改變非常大，導(dǎo)致水層水質(zhì)的檢驗精準(zhǔn)度較差，因此本文設(shè)計一種大井小泵法的地下水分層取樣方法。通過建造監(jiān)測井，進(jìn)行分層抽樣采集，完成采樣后需要對水樣進(jìn)行相關(guān)性分析，為了掌握該地區(qū)總體水質(zhì)變化，采用均值化進(jìn)行處理，并通過分層抽樣的方法來研究地下水質(zhì)的特征，完成地下水分層取樣。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)取樣法相比，本文設(shè)計的大井小泵法的地下水分層取樣得到的樣品檢測值最接近標(biāo)準(zhǔn)樣品，解決了傳統(tǒng)方法存在的問題。

1 大井小泵法的地下水分層抽水取樣法的研究

大井小泵法分層抽水取樣首先要建造監(jiān)測井，然后設(shè)計方法進(jìn)行分層抽樣采集。人類對地下水的影響存在垂向差異性，對淺部地下水影響最大，對深部影響較小，對具有隔水性質(zhì)的黏土層下部的地下水影響更小，農(nóng)藥、化肥及垃圾等對地下水的影響范圍、影響深度、影響程度等研究都具有重要意義，分層取樣是這些研究的最基本方法。對采集的樣品進(jìn)行檢驗分析，主要分析項目包括氨氮、砷、鐵、錳及主要陰陽離子。本文的技術(shù)路線見圖1。

在該技術(shù)路線的基礎(chǔ)上，對本文大井小泵法的地下水分層抽水取樣法進(jìn)行設(shè)計。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technical route

1.1 監(jiān)測井建井

為了更好地獲得地下水水質(zhì)的三維分布情況，便于大井小泵法分層抽水取樣，對取樣地的前期環(huán)境進(jìn)行評估，采用巢式監(jiān)測井技術(shù)做進(jìn)一步的調(diào)查[5]。監(jiān)測井的橫向結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 監(jiān)測井橫向結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of lateral structure of the monitoring well

監(jiān)測井自上而下共設(shè)置4個采樣層，第一采樣層設(shè)置在非飽和區(qū)，第二采樣層位于含水層地下水水位以下的38 cm處，第三層采樣層位于含水層中部的圓礫和卵石層中，第四層采樣層位于含水層底板以上10 cm處。本文的采樣位置位于第四層采樣層，厚大第四系砂礫石孔隙含水層各層位地下水流動狀態(tài)基本上為層流，地下水流向垂直于等勢線，只有在人為大量開采地下水時，形成降落漏斗，地下水流動狀態(tài)出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，或由于水泵抽水改變了地下水等勢線的分布，在水泵周圍出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，導(dǎo)致水質(zhì)分析的誤差較大。

巢式監(jiān)測井是在一個鉆孔中分別將多根不同長度的監(jiān)測管下至選定的監(jiān)測層位，通過分層填礫和止水，再進(jìn)行單井分層抽水，使不同的監(jiān)測井在同一個鉆孔中完成，最終達(dá)到分層采樣和監(jiān)測的目的[6-7]。監(jiān)測井的縱向結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。圖3中的監(jiān)測井為舉例示范，具體的采樣深度需要根據(jù)實際的場地水質(zhì)狀況進(jìn)行調(diào)整。

圖3 監(jiān)測井縱向結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of longitudinal structure of the monitoring well

1.2 采集并分析水樣

在采集水樣的過程中，首先要選取抽水取樣試驗孔，分層取樣孔過濾器位置要與小泵量分層抽水取樣位置對應(yīng)，過濾器長度為2 m，采用內(nèi)管徑為75 mm的中空螺旋鉆，進(jìn)入已經(jīng)建立好的監(jiān)測井中。為了確保采集到的水樣具有周邊含水層代表性，在取樣前需要進(jìn)行洗井工作，以防止因井體中地下水長期處于頂空狀態(tài)而發(fā)生變化[8-9]。為使采集到的地下水樣品更具代表性，采用美國環(huán)保署推薦的慢速洗井技術(shù)。采樣時，對pH、電導(dǎo)率、溶解氧、水溫、氧化還原電位、濁度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，待抽出的地下水各項現(xiàn)場水質(zhì)參數(shù)趨于穩(wěn)定后，利用小泵量水泵(2 m3/h)進(jìn)行地下水樣品的采集。

完成采樣后需要對水樣進(jìn)行相關(guān)性分析，為了掌握該地區(qū)總體水質(zhì)變化，采用均值化進(jìn)行處理，相關(guān)公式見式(1)：

(1)

(2)

(3)

式(3)中，n為樣本數(shù)，n-2表示指標(biāo)的自由度，當(dāng)存在：

t=t0.05(n-2)

(4)

若t<0.05，則否定原有假設(shè)，否則不足以在這個檢驗中否定相關(guān)系數(shù)為0的原假設(shè)[14-15]。至此完成大井小泵法的地下水分層取樣研究。

2 實驗

為了驗證本文設(shè)計的大井小泵法的地下水分層取樣的有效性，需要設(shè)計對比實驗，對抽取得到的地下水樣品進(jìn)行檢測分析，根據(jù)其中的成分組成，判斷不同取樣方法的準(zhǔn)確性。

2.1 實驗準(zhǔn)備

選擇一片水層厚度大且含水層單位涌水量大的區(qū)域，依托某水源地勘察項目選取該項目7個抽水試驗井中的4個進(jìn)行“大井小泵法”抽水取樣，4個抽水試驗井編號分別為XZK1、XZK2、XZK3、XZK4，各井情況見表1。

各井單位涌水量大小關(guān)系為XZK3>XZK4>XZK2>XZK1，XZK4號孔含水層具有二元結(jié)構(gòu)，其他孔含水層為厚大含水層，對選擇的4個實驗井分別采用文獻(xiàn) [3]、文獻(xiàn) [4] 兩種傳統(tǒng)方法和本文方法分別抽水取樣并編號，文獻(xiàn) [3] 方法的取樣泵量為180 m3/h，文獻(xiàn) [4] 方法的取樣泵量為20 m3/h，本文方法的取樣泵量為2 m3/h?，F(xiàn)場實驗見圖4。

表1 抽水取樣試驗井情況Table 1 Parameters of pump sampling test well

圖4 現(xiàn)場實驗圖

參考某水源地勘察項目各水源井水質(zhì)特征，選取實驗項目氨氮、總鐵、錳3項對抽取的水樣按照地下水水質(zhì)檢測方法及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水質(zhì)分析，并與各個實驗井中經(jīng)過嚴(yán)格分層取樣得到的標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行對比，并分析實驗結(jié)果。

2.2 氨氮檢測結(jié)果比較與分析

在氨氮檢測中，三種方法抽取的樣品檢測結(jié)果見表2。

以嚴(yán)格分層取樣得到的樣品的氨氮檢測結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)，對比三種取樣方法得到的樣品氨氮檢測值，經(jīng)過計算可以得知，文獻(xiàn) [3] 樣品在4個實驗井中抽取的樣品氨氮檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣品平均相差0.17 mg/L，文獻(xiàn) [4] 樣品在4個實驗井中抽取的樣品氨氮檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣品平均相差0.09 mg/L，本文方法抽取的樣品在4個實驗井中抽取的樣品氨氮檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣品平均相差0.04 mg/L。

表2 氨氮檢測對比結(jié)果Table 2 Comparison result of ammonia and nitrogen test

2.3 總鐵檢測結(jié)果比較與分析

在總鐵檢測中，三種方法抽取的樣品檢測結(jié)果見表3。

以嚴(yán)格分層取樣得到的樣品的總鐵檢測結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)，對比三種取樣方法得到的樣品總鐵檢測值，經(jīng)過計算可以得知，文獻(xiàn) [3] 樣品在4個實驗井中抽取的樣品總鐵檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣品平均相差3.12 mg/L，文獻(xiàn) [4] 樣品在4個實驗井中抽取的樣品總鐵檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣品平均相差1.34 mg/L，本文方法抽取的樣品在4個實驗井中抽取的樣品總鐵檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣品平均相差0.44 mg/L。

表3 總鐵檢測對比結(jié)果Table 3 Comparison result of total iron detection

2.4 錳含量檢測結(jié)果比較與分析

在錳檢測中，三種方法抽取的樣品檢測結(jié)果見表4。

以嚴(yán)格分層取樣得到的樣品的錳含量檢測結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)，對比三種取樣方法得到的樣品錳檢測值，經(jīng)過計算可以得知，文獻(xiàn)[3]樣品在4個實驗井中抽取的樣品錳檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣品平均相差0.23 mg/L，文獻(xiàn)[4]樣品在4個實驗井中抽取的樣品錳檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣品平均相差0.14 mg/L，本文方法抽取的樣品在4個實驗井中抽取的樣品錳檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣品平均相差0.08 mg/L。

表4 錳含量檢測對比結(jié)果Table 4 Comparison result of manganese content detection

2.5 結(jié)論

通過上述的三種檢測實驗可以明顯地看出，使用本文設(shè)計的大井小泵法的地下水分層抽水取樣法得到的樣品檢測值最接近標(biāo)準(zhǔn)樣品，通過分析三種方法的水泵泵量可知，隨著取樣水泵泵量的增大，樣品分析項目含量的偏差越大。在氨氮檢測中，本文方法得到樣品的誤差比前兩種方法分別減少0.13 mg/L、0.05 mg/L；在總鐵檢測中，本文方法得到樣品的誤差比前兩種方法分別減少2.68 mg/L、0.9 mg/L；在錳含量檢測中，本文方法得到樣品的誤差比前兩種方法分別減少0.15 mg/L、0.06 mg/L，驗證了本文設(shè)計的方法取樣樣品檢測含量數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。

3 結(jié)語

通過上述的三種檢測實驗可以明顯的看出，使用本文設(shè)計的大井小泵法的地下水分層抽水取樣法得到的樣品檢測值最接近標(biāo)準(zhǔn)樣品，通過分析三種方法的水泵泵量可知，隨著取樣水泵泵量的增大，樣品分析項目含量的偏差越大，在氨氮檢測中，本文方法得到樣品的誤差比前兩種方法分別減少0.13 mg/L、0.05 mg/L；在總鐵檢測中，本文方法得到樣品的誤差比前兩種方法分別減少2.68 mg/L、0.9 mg/L；在錳含量檢測中，本文方法得到樣品的誤差比前兩種方法分別減少0.15 mg/L、0.06 mg/L，驗證了本文設(shè)計的方法取樣樣品檢測含量數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。

綜上，本文設(shè)計的大井小泵法的地下水分層取樣得到的樣品檢測值最接近標(biāo)準(zhǔn)樣品，提高了檢驗精準(zhǔn)度，對污染源和治理地下水污染提供了有效依據(jù)。