包氣帶土層對氮素污染地下水的防護(hù)能力試驗(yàn)研究

劉穎超，邢國章，劉 凱

（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）

0 引言

地下水環(huán)境中氮污染問題近年來受到廣泛的關(guān)注,地下水位以上的包氣帶土層是阻控、攔截這一污染源的主要屏障，其較好的土質(zhì)結(jié)構(gòu)可使多數(shù)遷移氮素在此地段得到消減［1］。

國內(nèi)外學(xué)者在包氣帶土層對氮素污染地下水的防護(hù)能力研究方面已取得了不少成果。有些學(xué)者通過大量的野外試驗(yàn)與調(diào)查總結(jié)規(guī)律，如Fred Magdoff、Addisott、Powlson 等的試驗(yàn)分別表明，降雨量增大，易發(fā)生硝酸鹽淋失［2］。Bergstrom(1987)在瑞典中部地區(qū)進(jìn)行的試驗(yàn)也進(jìn)一步表明，排出水中絕大多數(shù)氮以形式出現(xiàn)，其余氮素不超過0.1 mg/kg［3］。同時很多學(xué)者專家也通過數(shù)值模擬的方式來解決問題，根據(jù)不同的數(shù)學(xué)方法并結(jié)合實(shí)際問題提出了不少求解模型。Bergstrom等提出的模擬土壤氮素動態(tài)的SOILN模型［3］，Verecken等提出的模擬有作物生長及土壤水分和氮素運(yùn)移的SWATNIT 模型等。

國內(nèi)開展這方面的研究較晚，黃紹敏等采用田間試驗(yàn)、人工滲濾池試驗(yàn)及不同土類的室內(nèi)試驗(yàn)揭示，土壤中硝態(tài)氮含量主要受土壤類型影響,施肥及施肥量是最大的外因［4］，丁洪等發(fā)現(xiàn)土壤的硝化、反硝化作用與土壤質(zhì)地和pH有關(guān)，與硝化反硝化菌群數(shù)量無關(guān)［5］。楊維等研究證明在包氣帶通氣性良好的環(huán)境中，硝酸鹽氮是氮污染的主要存在形態(tài)；在飽水巖層缺氧的還原性環(huán)境中，氨氮是污染地下水氮素的主要存在形態(tài)［6］。劉長禮、樊國強(qiáng)、賀連娟、等通過試驗(yàn)研究了粘性土層的防污性能[7～9]。阮曉紅等研究氮在包氣帶不同土質(zhì)層中飽水條件下遷移轉(zhuǎn)化的特征[10]，通過室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)得出氮對地下水的污染因子是硝酸根,建立了一維飽和土壤層中氮遷移的預(yù)測模型。

由于包氣帶環(huán)境復(fù)雜，很難得到普遍適用的方法來計算、評價包氣帶土層截污量。本文通過對北京市典型地區(qū)包氣帶土層取樣，采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)的方式來計算包氣帶土體截污能力，研究包氣帶土層對氮素污染地下水的防護(hù)能力。

1 材料與方法

試驗(yàn)采用柱試驗(yàn)的形式，采用內(nèi)徑為18.6cm，高度為120cm的有機(jī)玻璃柱。土樣經(jīng)風(fēng)干后按實(shí)測容重分層裝填，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。裝填前土柱下方先放濾網(wǎng)并裝填厚度約8cm的石英砂，作為承托層，待土柱裝填完畢，在上方也放置濾網(wǎng)及厚度約5cm的石英砂。試驗(yàn)采用再生水作為水源，為了真實(shí)反映實(shí)際情況，水源均取自當(dāng)?shù)亍８鶕?jù)預(yù)試驗(yàn)，所取水源7天內(nèi)氮素成分不會發(fā)生明顯變化，所以水源使用一般不超過7天。土柱分別命名為Z1、Z2 ，柱體裝填高度分別為50cm和100cm。試驗(yàn)供水采用馬氏瓶定水位供水，采用由上至下的進(jìn)水方式，試驗(yàn)裝置如圖1。試驗(yàn)用土選取北京通州張家灣處粘質(zhì)粉土和房山南劉莊粉砂。試驗(yàn)用土及試驗(yàn)水源各項(xiàng)指標(biāo)見表1、表2。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)期間對每日進(jìn)、出水量進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)設(shè)計時間間隔在柱體下端取樣化驗(yàn)，測試項(xiàng)目為TN及CL-，并定時輔測溫度。水樣化驗(yàn)采用納氏試劑分光光度法，檢出限為采用對氨基苯磺酸—α萘胺分光光度法，檢出限為0.001 mg/l（以亞硝酸計）；NO3-及總氮均采用紫外分光光度法，檢出限為0.05mg/l（以硝酸計）；Cl-采用硝酸銀滴定法，檢出限為0.7 mg/l。

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)使用時段去除率表征污水入滲條件下不同土體對氮素的截留性能。所謂時段去除率即是某一時段內(nèi)污染水體經(jīng)過土柱時由于各種物理、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，針對某一污染組分，其進(jìn)入量與排出量的差值與進(jìn)入量的比值即是這一污染組分的時段去除率。由水源水質(zhì)波動性大,且試驗(yàn)柱上方均有一定高度的自由水體，因此實(shí)際的進(jìn)水濃度隨當(dāng)日水源濃度遞變，數(shù)據(jù)使用時采用完全混合模型做了適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

根據(jù)再生水淋溶試驗(yàn)的結(jié)果，可計算出北京市不同巖性土體對再生水中離子的凈化能力，計算公式如下：

式中：η—第i時段的去除率

Qi進(jìn)—第i時段的進(jìn)水量。

Ai—第i時段某組分的進(jìn)水濃度。

Qi出—第i時段的出水量。

Bi—第i時段某組分的出水濃度。

表1 試驗(yàn)用土特性表

表2 試驗(yàn)水源主控指標(biāo)

圖2 Z1土柱時段去除率變化曲線

圖3 Z2土柱–N時段去除率變化曲線

圖4 Z1土柱–N時段去除率變化曲線

圖5 Z2土柱–N時段去除率變化曲線

圖6 土柱TN時段去除率變化曲線

圖7 土柱TN時段去除率變化曲線

表3 試驗(yàn)柱體穩(wěn)定階段各離子去除特征值

結(jié)合試驗(yàn)的目的，以穩(wěn)定階段土體對污染物的去除來代表土體對污染物的去除能力，穩(wěn)定時期各參數(shù)總結(jié)如表3。

總氮變化特征反映了試驗(yàn)中所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物作用，因此其去除率是土體對的綜合去除作用的體現(xiàn)，可以使用總氮的去除率曲線來描述土體對再生水的凈化能力。從圖6～圖7可以看出，經(jīng)過一段試驗(yàn)時間后，土體對氮的去除作用逐漸穩(wěn)定，穩(wěn)定后去除率巖性顆粒細(xì)大于顆粒粗的，粘質(zhì)粉土（Z1）去除率在83.3%左右，粉砂（Z2）去除率在29.1%左右。

3 結(jié)論

（1）包氣帶中粘質(zhì)粉土對氮素污染地下水具有較強(qiáng)的截留和防護(hù)能力，粉砂截留和防護(hù)能力相對較差。

（2）包氣帶土層對氮素的去除具有明顯的分段性。張家灣粘質(zhì)粉土柱體在穩(wěn)定時期的平均去除率分別為：99.3%，50.6%，83.3%，南劉莊粉砂柱體在穩(wěn)定時期的平均去除率分別為：37.4%，7.3%，29.1%。以總氮的去除率曲線來描述土體對再生水的凈化能力，顆粒細(xì)小的粘質(zhì)粉土去除率明顯大于顆粒稍大水動力條件較好的粉砂。

（3）包氣帶地層對氮的去除作用主要受巖性影響，當(dāng)巖性變粗時截污防護(hù)能力進(jìn)一步降低；同時截污防護(hù)能力還受到水質(zhì)、環(huán)境影響，當(dāng)濃度高、水動力條件好、氧化環(huán)境增加時，轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步增加的污染程度。

[1]張 云,張 勝,劉長禮等.包氣帶土層對氮素污染地下水的防護(hù)能力綜述與展望[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2006,25(增刊):339～346.

[2]Addiscott TM, Powlson DS.J Agric Sci,Camb,1992,118:101～107.

[3]BergstromL.Nitrate Leaching and drainage from annual perennial crops in the-drainage plots and lyzimeters [J].Journal of Environ Quality,1987,(16):11～18.

[4]黃紹敏,皇甫湘榮,寶德俊等.土壤中硝態(tài)氮含量的影響因素研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),2001,20(5):351～354.

[5]丁 洪,蔡貴信,王躍思等.華北平原幾種主要類型土壤的硝化及反硝化活性[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),2001,20(6):390～393.

[6]楊 維,郭 毓,王曉華等.氮素在包氣帶與飽水層遷移轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(3):69～75.

[7]劉長禮,張 云,葉 浩等.包氣帶粘性土層的防污性能試驗(yàn)研究及其對地下水脆弱性評價的影響[J].地球?qū)W報,2006,27(4):349～354.

[8]樊國強(qiáng),周長松.包氣帶粘性土層防污性能研究[J].地下水,2012,34(42):36～39.

[9]賀連娟.氮污染物通過飽和粘性土層垂直滲透時遷移機(jī)理研究[D].長春:吉林大學(xué),2009.

[10]阮曉紅,王 超,朱 亮.氮在飽和土壤層中遷移轉(zhuǎn)化特征研究[J].河海大學(xué)學(xué)報,1996 ,24(2):51～55.