河道再生水入滲的水巖相互作用機(jī)理研究

劉立才，單 悅，黃俊雄，李炳華，楊 勇

(北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048)

在我國(guó)北方缺水地區(qū)，再生水是重要的可利用資源，不僅作為農(nóng)業(yè)灌溉、城市工業(yè)和綠化水源，而且用于修復(fù)干涸河道，改善河道的生態(tài)環(huán)境。河道再生水規(guī)模利用對(duì)地下水環(huán)境的影響越來越受到人們關(guān)注。早期的陽(yáng)離子交換吸附研究主要關(guān)注灌溉水對(duì)土壤和地下水的影響，認(rèn)為灌溉水中的Na+與土壤中的Ca2+之間發(fā)生了陽(yáng)離子交換吸附，引起土壤板結(jié)及地下水中硬度的升高[1]。近期的研究主要關(guān)注陽(yáng)離子交換吸附樹脂的應(yīng)用，多數(shù)為樹脂對(duì)水中Ca2+、Mg2+、重金屬的交換吸附，以及對(duì)氨酸的吸附研究等[2-4]。土壤等介質(zhì)對(duì)三氮去除凈化作用研究很多，但多局限于試驗(yàn)研究或檢測(cè)評(píng)價(jià)[5-12]，并沒有機(jī)理的野外實(shí)測(cè)驗(yàn)證。本研究以北京市引溫濟(jì)潮工程(將溫榆河水處理后引入干涸的潮白河)河道受水區(qū)為研究對(duì)象，通過室內(nèi)的河水淋溶土柱試驗(yàn)，探究再生水入滲的吸附、降解等水巖相互作用機(jī)理，并利用受水區(qū)構(gòu)建的地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)的水質(zhì)長(zhǎng)期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)再生水入滲對(duì)地下水總硬度和三氮的影響。

1 研究區(qū)概況

引溫濟(jì)潮一期工程于2007年底實(shí)施，潮白河受水河段北起向陽(yáng)閘，南至河南村橡膠壩。受水河段長(zhǎng)度7 km(圖1)。受水區(qū)位于潮白河沖積扇向平原區(qū)的過渡地段，地層巖性較為復(fù)雜，自北而南，由砂礫石與薄層粉質(zhì)黏土互層逐漸過渡到粉細(xì)砂層與厚而連續(xù)的粉質(zhì)黏土互層，層數(shù)由少變多。河床底部的地層為細(xì)砂與粉質(zhì)黏土互層。為查明河道入滲對(duì)地下水環(huán)境影響，在受水區(qū)周邊構(gòu)建了地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)地下水水位及水質(zhì)變化，本研究選取15號(hào)30 m深的監(jiān)測(cè)井(簡(jiǎn)稱15(30))監(jiān)測(cè)河水入滲對(duì)地下水水質(zhì)的影響(圖1)。

圖1 潮白河河道受水河段及監(jiān)測(cè)井位置

2 再生水淋溶試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在河道受水前，為評(píng)估再生水入滲可能對(duì)地下水產(chǎn)生的影響，在室內(nèi)開展了河道底部3種典型介質(zhì)土柱，即礫石含砂、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土的三氮遷移和陽(yáng)離子交換吸附的再生水淋溶試驗(yàn)。淋溶試驗(yàn)柱長(zhǎng)130 cm，直徑15 cm。在距頂部20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、75 cm、95 cm、105 cm、115 cm處分別設(shè)置取樣孔。前7天每天進(jìn)行采樣，之后采樣間隔逐漸加大，試驗(yàn)歷時(shí)80 d。試驗(yàn)裝置見圖2。

圖2 試驗(yàn)裝置(單位：cm)

在河道受水前實(shí)施地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)，采集了3種典型介質(zhì)的土樣，并進(jìn)行了室內(nèi)理化性質(zhì)測(cè)試，測(cè)定了介質(zhì)的陽(yáng)離子交換吸附容量CEC、總有機(jī)碳PTOC、黏土礦物總量百分比和黏粒百分比等參數(shù)，見表1。從表1中可以看出，顆粒越細(xì)，各參數(shù)的數(shù)值越高，越有利于再生水中化學(xué)組分的吸附降解作用。

表1 3種典型介質(zhì)的理化性質(zhì)參數(shù)

2.2 陽(yáng)離子交換吸附特征

河水水質(zhì)符合典型的再生水水質(zhì)特征，水中的K+和Na+的質(zhì)量濃度較高，而Ca2+和Mg2+的質(zhì)量濃度較低，K+、Na+、Ca2+和Mg2+的質(zhì)量濃度分別為12～16 mg/L、80～100 mg/L、40～60 mg/L和15～20 mg/L。繪制不同土柱同一時(shí)刻的陽(yáng)離子濃度平均值隨土柱深度的變化曲線，見圖3。從圖3可以看出：①礫石含砂柱自上而下，K+、Na+、Ca2+、Mg2+4種離子質(zhì)量濃度均變化不大，濃度比較穩(wěn)定，可見陽(yáng)離子交換吸附不明顯。總硬度也較為穩(wěn)定。②細(xì)砂柱自上而下，K+的質(zhì)量濃度降低較為顯著，Mg2+的質(zhì)量濃度降低，Na+的質(zhì)量濃度微升，Ca2+的質(zhì)量濃度升高顯著，陽(yáng)離子交換主要體現(xiàn)為再生水中K+與土柱中Ca2+的置換，再生水中的Mg2+可能與土中的Ca2+也發(fā)生了置換。在0～0.5 m土柱內(nèi)，出水總硬度變化不大，在0.5～1.0 m土柱內(nèi)，總硬度隨著出水中Ca2+的質(zhì)量濃度的顯著升高而增加。③粉質(zhì)黏土柱自上而下，K+的質(zhì)量濃度大幅降低，Ca2+的質(zhì)量濃度大幅增加，Na+和Mg2+的質(zhì)量濃度基本不變，表明再生水中的K+在經(jīng)過土柱時(shí)與其中Ca2+發(fā)生了顯著的陽(yáng)離子交換吸附。出水中的總硬度明顯升高。可見，巖性顆粒越細(xì)，CEC值越高，越有利于再生水中的K+與河床底部土層中的Ca2+之間發(fā)生陽(yáng)離子交換吸附，這一結(jié)論與表1中介質(zhì)的理化參數(shù)相符合。河道再生水的pH值為7.80，屬于弱堿性，對(duì)陽(yáng)離子交換吸附影響不大。

(a) 礫石含砂柱

(b) 細(xì)砂柱

(c) 粉質(zhì)黏土柱

2.3 TN及NO3-N質(zhì)量濃度變化特征

(a) TN

3 河道再生水入滲過程中地下水水質(zhì)變化

在潮白河受水前實(shí)施河道及周邊地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)，了解河道受水前的地下水背景水質(zhì)，并在河道受水后持續(xù)監(jiān)測(cè)地下水水質(zhì)變化。以15(30)監(jiān)測(cè)井的水質(zhì)變化為例，說明再生水入滲過程中，河道底部土層介質(zhì)與河水之間的陽(yáng)離子交換吸附作用及其對(duì)三氮的凈化作用。

3.1 受水前地下水水質(zhì)

表2 受水前河水和地下水水質(zhì)情況

3.2 受水后地下水水質(zhì)

3.2.1 陽(yáng)離子質(zhì)量濃度及總硬度變化

自潮白河河道2007年底受水后，對(duì)受水區(qū)周邊的地下水水質(zhì)持續(xù)監(jiān)測(cè)了9年，從15(30) 監(jiān)測(cè)井獲得的陽(yáng)離子質(zhì)量濃度及總硬度的月均值隨時(shí)間變化見圖5。從圖5可以看出，地下水中的Na+的質(zhì)量濃度在河道受水后快速升高并趨于穩(wěn)定，由34.7 mg/L快速升高至99 mg/L，接近河水中的Na+的質(zhì)量濃度；而K+的質(zhì)量濃度一直很穩(wěn)定，濃度很低，驗(yàn)證了再生水入滲過程中，河水中的K+與河道底部介質(zhì)中Ca2+之間發(fā)生了陽(yáng)離子交換吸附作用。地下水中的K+的質(zhì)量濃度從2016年開始明顯上升，由2.55 mg/L升至5 mg/L，乃至在2016年底達(dá)到11.6 mg/L，這表明陽(yáng)離子交換吸附正趨于飽和，需要以后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步佐證。以往研究側(cè)重于認(rèn)為水中Na+與土壤中的Ca2+之間發(fā)生了陽(yáng)離子交換吸附[1]，而本次的土柱試驗(yàn)及地下水水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明陽(yáng)離子交換吸附主要表現(xiàn)為水中K+置換了土壤中的Ca2+。

圖5 地下水陽(yáng)離子濃度及總硬度隨時(shí)間變化

地下水中的Ca2+、Mg2+的質(zhì)量濃度呈降低的趨勢(shì)，Ca2+濃度明顯降低，Mg2+濃度降低趨勢(shì)較緩，地下水總硬度顯著降低，由328 mg/L降至174 mg/L。這是因?yàn)樵偕傆捕鹊陀诘叵滤尘翱傆捕龋M管再生水入滲過程中K+與Ca2+之間發(fā)生了陽(yáng)離子交換吸附，在河床底部介質(zhì)入滲過程中總硬度有一定程度的升高，但仍然低于地下水背景總硬度。即再生水入滲不僅沒有引起地下水總硬度升高，反而因入滲水的稀釋作用引起地下水總硬度不斷降低。由此可見，對(duì)于陽(yáng)離子和總硬度，在再生水入滲過程中，將引起地下水中Na+濃度的升高以及Ca2+、Mg2+濃度和總硬度的降低。

4 結(jié) 論

a. 河道再生水在受水區(qū)河床向地下水入滲過程中，河水中的K+與河床底部土層中的Ca2+之間發(fā)生了顯著的陽(yáng)離子交換吸附，地下水中的K+濃度在受水7年后才開始升高。盡管再生水入滲進(jìn)入地下水的路徑上總硬度升高，但仍低于地下水的背景總硬度，再生水對(duì)地下水的總硬度具有物理稀釋作用，地下水總硬度持續(xù)降低。

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