北京地區不同介質的土柱淋濾水質試驗研究

郭高軒，辛寶東，沈媛媛，陸海燕，許 亮，南英華

（1. 北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195；2.中國科學院大學地球科學學院，北京 100049）

北京地區不同介質的土柱淋濾水質試驗研究

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. 北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195；2.中國科學院大學地球科學學院，北京 100049）

為探討沖洪積平原地帶地下水水質劣變機理及過程，開展了不同的水土樣品組合的16組淋濾試驗，以期揭示不同源水在土柱入滲過程陰陽離子、硬度和TDS的變化規律以及地下水類型的演化特征。試驗結果表明：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和水化學類型均呈現出有規律的變化，先期主要受控于源水，爾后則主要受土柱介質的影響。除了以垃圾作為淋濾介質的試驗外，其他組合的試驗都出現了初期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—淋洗等復雜過程。

污染；淋濾試驗；地下水；地下水類型

0 引言

在過去的30余年里，我國工農業的快速發展、人口急劇增長以及城鎮化進程的加快，使得地下水環境劣變問題愈演愈烈——地下水污染組分日趨復雜、污染面積不斷擴大、深度不斷加深（張新鈺等，2011）。2003年以來實施的全國地下水環境地質調查專項表明，我國90%的城市地下水不同程度地遭受著有機和無機有毒有害物質的污染（環境保護保部，2011）。因此，如何遏制地下水環境惡化趨勢，科學實施地下水污染防治工程成為地勘、國土、水務和環保等領域的熱點與難點（環境保護保部等，2013；文冬光等，2008）。地下水污染具有較強隱蔽性，其不僅與含水介質的組成與結構有關，而且與外部污染物的輸入方式、類型和強度密切關聯，是一個極其復雜的過程。污染物的輸入過程中，與上覆含水介質（多數為包氣帶）發生著一系列復雜的物理化學和生物作用，并且這種相互作用處在不斷運動變化之中（林良俊等，2009），對地下水環境造成威脅。

近年來的調查表明，北京地區的地下水環境劣變已經對城市供水安全構成了較大的威脅（郭高軒，2012；葉超，2016）。國內已經有人開展了相關的土柱模擬實驗（張英等，2003；易秀，2005；楊樂巍，2006；何煒等，2007；王薇，2008；梅偉標等，2014）。為了解北京地區不同污染源對地下水的污染情況、污染機理和污染過程，此次設計了16組土柱淋濾模擬試驗，以期為地下水污染防控提供科學支撐。

1 淋濾試驗設計及采樣

模擬試驗采集了北京地區懷柔、通州、海淀、房山的林地土、垃圾土、農田土和污灌農田土。采集土樣時，在同一采集地2m×2m范圍內，以對角線形式挖取4個采集坑，剝去采集坑表層10cm的覆蓋層，取土混合，每個采樣點的采集量約為0.06m3。采集水樣時，用預采集的水樣淋洗準備好的容積為25kg的采樣桶3遍以上，開始采樣。所有樣品采集完后，密封送往淋濾實驗室。本次采集密云水庫水、河道污水、普通河水、農業開采井水，共組合成16組試驗（圖1、表1）。

圖1 淋濾試驗樣品采集點分布示意圖Fig.1 Samples distribution map of leaching tests

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

試驗柱體直徑15cm，土柱高80cm，在柱頂部連續淋入源水，在柱底部接取淋出液，試驗持續時間20天左右，采用專用設備保障試驗室空氣質量達標，試驗起止時間嚴格控制，淋濾樣第一時間進行了測試。為防止土柱中發生管流或指狀流，淋濾的速度控制在35滴/分，整個淋濾試驗持續近20天，在中國地質科學院水文地質環境地質研究所完成。本次淋濾試驗將不同水樣和土樣兩兩組合，共設計實驗16組，采集淋濾液樣品240件，每件樣品測試無機指標39項，有機指標31項，試驗裝置見圖2。

圖2 淋濾試驗裝置圖Fig.2 Setting drawing of the leaching test

2 結果與分析

2.1 污染指標

酚、氰、汞、砷、鉻、鉛、硒、鋁、鎘、銅、碘等指標在源水中和淋出液中僅在極少數樣品少量檢出，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，顯示土中的鋅進入了淋出液中，其濃度變化規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生了硝化反應。

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

2.2 陰離子指標變化

典型試驗的水樣陰離子的對比結果見圖3。從圖中可以看出：①垃圾土和污灌土作為填充介質的試驗，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，源水在對介質充填飽和之后，存在一個溶解的過程，之后隨著“淋洗”作用的進行，離子濃度迅速升高，爾后趨于穩定。③淋出液中離子組分含量在淋濾開始后0.5～1天時間內，濃度快速升高。在1.5～2天后，濃度基本趨于穩定。

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

2.3 陽離子指標分析結果

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

圖4 不同試驗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

分析結果表明：①所有試驗均在開始時出現硬度升高情況，之后下降并趨于穩定，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大多數表現為淋出液濃度先升高后降低并趨穩定，結果略高于源水。

2.5 淋濾液水化學類型變化

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

2-大多數達到了參與舒卡列夫命名的濃度。圖5為通州區污水灌溉土和污水淋濾的試驗結果，試驗初期，地下水的水化學類型為Na·Ca-HCO3·Cl型，逐漸轉變為Ca-NO3·Cl·HCO3·SO4，爾后，NO3-濃度降低，水化學類型轉變為Ca-HCO3·Cl·SO4，在試驗進行到3天以后，水化學類型基本保持穩定為Ca·Na-HCO3·Cl，在試驗的末期，淋濾液的水化學類型轉變為Ca·Na-HCO3·Cl。

2.6 淋濾液有機指標分析

本次試驗共測試31項有機指標，淋出液中有機物僅檢出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。由于試驗條件的限制及有機物的不穩定性，試驗結果未能反映出水-土相互作用過程中有機物的遷移轉化規律。

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

3 結語

通過不同的試驗組合，經過統計分析得到如下初步認識：

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

（2）淋出液較源水，各組分濃度均發生較大的變化。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均呈現出有規律的變化。先期主要受控于源水，均有上升的趨勢，之后逐漸下降則主要受土柱介質的影響，揭示了淋濾中浸泡—水巖相互作用—吸附解析—淋洗等復雜過程。

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

（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、農藥）是造成淺部水質劣變的主要原因。“好水”（井水、水庫水、河水）的連續輸入對于淺部地下水的“淋洗”作用會使得水質逐漸向好轉變。

本次淋濾試驗沒有定量測定不同基質中的化學組分（如垃圾土和污灌土化學組分），這是一大遺憾，無法定量區分同一類型的基質在不同組成化學含量情形下地下水的物理化學變化。此外，受試驗條件限制，此次淋出液中的有機物測試受到較大影響，試驗效果不是很好。這些將是以后進一步研究中將要注意彌補的地方。

[1]張新鈺，辛寶東，王曉紅，等. 我國地下水污染研究進展[J]. 地球與環境，2011，39(3)：415～421.

[2]環境保護保部. 全國地下水污染防治規劃[Z]. 2011，1～84.

[3]環境保護保部，國土資源部，水利部和住房城鄉建設部. 華北平原地下水污染防治工作方案[Z]. 2013，1～21.

[4]文冬光，林良俊，孫繼朝，等. 區域性地下水有機污染調查與評價方法[J]. 中國地質，2008, 35(5)：814～819.

[5]林良俊，文冬光，孫繼朝，等. 地下水質量標準存在的問題及修訂建議[J]. 水文地質工程地質，2009(1)：63～64.

[6]郭高軒. 北京市平原區地下水分層質量評價[J]. 中國地質，2012，39(2)：518～823.

[7]葉超. 區域地下水環境監測與未來發展的思考[J].城市地質，2016，11(1)：4～9.

[8]張英，姜斌，黃國強，等. 空氣噴射處理飽和土壤和地下水中有機污染物[J]. 環境污染治理技術與設備，2003，4(4)：70～74.

[9]易秀. 利用土柱淋濾試驗確定黃土類土中鉻砷環境容量初探[J]. 干旱區資源與環境，2005，19(6)：137～141.

[10]楊樂巍. 土壤氣相抽提（SVE）現場試驗研究[D].天津：天津大學，2006.1～88.

[11]何煒，陳鴻漢，劉菲，等. 土壤氣相抽提去除土壤中汽油烴污染物柱試驗研究[J]. 環境污染與防治，2007，29(3)：186～189.

[12]孟凡生，王業耀. 滲透反應格柵修復鉻污染地下水的試驗研究[J]. 地下水，2007，29(4)：96～99.

[13]王薇. 包覆型納米鐵的制備及用于地下水污染修復的實驗研究[D]. 天津：南開大學，2008，1～79.

[14]梅偉標，柯雄，武鑫，等. 洪湖東分蓄洪區黏性土淋濾水質試驗研究[J]. 人民長江，2014，45(9)：85～89.

[15]周啟星，宋玉芳. 污染土壤修復原理與方法[M].北京：科學出版社，2004.

[16]王焰新. 地下水污染與防治[M]. 北京：高等教育出版社，2007：100～150.

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：北京市平原區地下水污染調查（PXM2009-158305-074498）和北京市科技計劃重大項目（D07050601510000）聯合資助。

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