重 金 屬 在 含 水 層 遷 移 實 驗 方 案 設 計

白 靜, 趙勇勝, 秦傳玉

(吉林大學 地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，長春 130021)

0 引 言

進入到地下水中的重金屬很難被生物降解，主要通過一系列的物理化學作用進行遷移轉化，嚴重污染地下水[1-3]，會在地下水流向上形成具有一定濃度梯度的污染物的羽狀體[4-5]，因此了解和掌握重金屬在地下水中的遷移規(guī)律[4-6]，對于污染的風險評估[7-9]以及后續(xù)的修復治理[10-12]至關重要。重金屬在含水層的遷移是污染場地控制與修復課程實驗課的重要實驗項目之一，對于培養(yǎng)環(huán)境工程專業(yè)本科生的專業(yè)素質及能力，具有重要意義[13-15]。重金屬在含水層的遷移實驗采用自主設計的二維有機玻璃槽作為實驗裝置，以硝酸鎘為目標污染物，以蠕動泵控制污染源的泄露速度，分析不同泄露時間下Cd2+在地下水中的濃度分布，研究Cd2+的遷移規(guī)律，同時對比不同地下水流速和泄漏量對Cd2+遷移規(guī)律的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

硝酸鎘，0.25～0.5 mm中砂，10 mL注射器，3號膠塞，0.22 μm水系濾膜，10 mL塑料離心管，濾布，馬氏瓶，止水夾，乳膠管，二維有機玻璃模擬槽，萬分之一天平，蠕動泵，原子吸收分光光度計等。

1.2 實驗方法

實驗在二維有機玻璃模擬槽中進行，模擬槽尺寸(長×寬×高)為400 mm×150 mm×250 mm，模擬槽正面分布有12個取樣口，用于取地下水水樣，在模擬槽的左側下部和右側上部分布進水口和溢流口。在模擬槽內左右兩側鋪放濾布，槽內填裝一定高度的中砂，填裝過程中少量多次裝入并不斷夯實，同時將地下水取樣針埋設在取樣口位置處。槽體左右兩側的進水口和溢流口控制地下水流速分別為0.1、0.5、2.5 m/d，待地下水流速穩(wěn)定后，在圖示位置以一定的流速注入一定濃度的硝酸鎘溶液，以初始注入時間為計時零點，20、40和60 min在全部取樣口分別取水樣，同時在7號和11號取樣口每隔5 min取水樣，分析Cd2+在地下水中的濃度變化.

60 min后切斷污染源，在7號和11號取樣口處每5 min取水樣，分析Cd2+在切斷污染源后的濃度變化趨勢。實驗過程中取得的全部水樣，均過0.22 μm水系濾膜后，以原子吸收測定其吸光度值。實驗裝置示意圖見圖1。

1-污染物溶液，2-蠕動泵，3-止水夾，4-二維模擬槽，5-污染物泄露槽，6-濾布，7-取樣品，8-進水口，9-排水口，10-溢流口，11-取樣口

圖1 重金屬在含水層遷移模擬實驗示意圖

2 結果與討論

2.1 泄露過程中Cd2+的濃度變化

自上而下以模擬槽第3行取樣口連線為橫坐標，左側第1列取樣口連線為縱坐標，不同泄露時間下取樣口處Cd2+的濃度分布見圖2～4。由圖2可以看出：在泄露初始的20 min內，隨著地下水流動，Cd2+濃度不斷擴大，在泄漏點附近形成了Cd2+的污染羽，泄漏點附近Cd2+的濃度不到1 mg/L。以0.2 mg/L的濃度鋒面為例，在泄露第20 min時，縱向上的遷移距離達到15 cm，橫向上的遷移距離為12 cm。這說明，進入到地下水中的Cd2+濃度隨著地下水流動在含水層介質中進行了遷移，對流作用起主導作用，同時在垂向上，由于彌散及分子擴散作用，也形成了一定濃度梯度的Cd2+污染羽。

圖2 20 min時Cd2+在地下水中濃度分布

圖3 40 min時Cd2+在地下水中濃度分布

圖4 60 min時Cd2+在地下水中濃度分布

隨著泄露時間延長，Cd2+的污染羽持續(xù)增大，泄漏點附近Cd2+的濃度逐漸增加，最高達到5.1 mg/L，在泄露第40 min時，0.2 mg/L的濃度鋒面在縱向上的遷移距離達到20 cm，在垂向上遷移距離僅增加了3 cm。

泄露時間達到60 min時，泄漏點附近Cd2+的濃度達到8.95 mg/L，0.2 mg/L的濃度鋒面在縱向上已經遷移出模擬槽，而在垂向上的遷移僅為16 cm。

對比圖2～4中0.2 mg/L Cd2+的濃度鋒面可知：盡管在縱向和垂向上均形成了Cd2+的污染羽，但是縱向的遷移距離始終大于垂向，這表明在該實驗條件下，由于地下水的流動而產生的對流作用是影響Cd2+遷移的主要因素。

2.2 污染源切斷前后7、11號取樣口濃度變化

由圖5可知：在污染源切斷前，7號和11號取樣口處水樣中Cd2+的濃度在前10 min沒有檢出，隨著泄露時間的延長，Cd2+的濃度開始檢出并不斷增加，在第60 min時，7號和11號取樣口處Cd2+的濃度達到最大值，分別為6.5和5.3 mg/L。在前60 min內，7號取樣口處Cd2+的濃度始終高于11號，這是由于7號取樣口所處位置距離泄漏點更近的緣故。

圖5 7和11號取樣口處Cd2+濃度變化

切斷污染源后，7號取樣口處Cd2+的濃度逐漸下降，在切斷污染源20 min后，由于地下水的稀釋作用，濃度降低到2.6 mg/L。11號取樣口處Cd2+的濃度則出現(xiàn)了短暫上升隨后下降的趨勢，這可能是在切斷污染源的5 min內，流經11號取樣口的地下水中攜帶了較高濃度的Cd2+，之后受地下水稀釋作用，Cd2+的濃度開始出現(xiàn)下降趨勢，最終濃度降為3.2 mg/L。由圖5還可知，在切斷污染源后，7號取樣口處Cd2+的濃度小于11號取樣口，這是由于7號取樣口處在地下水水流上游，受地下水稀釋作用更明顯，但隨著時間延續(xù)，兩個取樣點Cd2+的濃度趨于接近。

2.3 地下水流速對Cd2+濃度分布的影響

實驗中對比分析了地下水流速對Cd2+遷移的影響，圖6為地下水流速0.1 m/d時，污染源泄露20 min后，Cd2+在地下水中的濃度分布。以0.2 mg/L濃度鋒面為例，分析地下水流速對Cd2+遷移的影響，由圖可知：縱向上遷移距離不足15 cm，而垂向遷移距離遠遠超過15 cm，這說明地下水流速較小時，對流作用受到影響。

圖6 地下水流速0.1 m/d時Cd2+的濃度分布

圖7給出了地下水流速為2.5 m/d時，地下水中Cd2+的濃度分布，同樣以0.2 mg/L的濃度鋒面為例分析，在泄露60 min后，縱向上已經遷移出模擬槽，而垂向上的遷移距離不足12 cm，對比分析可知，地下水流速增大時，對流作用加強。

圖7 地下水流速2.5 m/d時Cd2+的濃度分布

3 結 論

(1) 硝酸鎘泄露到含水層后，會在縱向和垂向上形成Cd2+的污染羽，隨著泄露時間延長，污染羽的范圍不斷擴大。0.5 m/d的地下水流速時，0.2 mg/L的濃度遷移鋒面在縱向上的遷移距離要大于垂向，這是由于地下水流動導致的，此時對流作用起主導作用。

(2) 切斷污染源后，7號取樣口Cd2+濃度逐漸下降，11號取樣口Cd2+濃度短暫上升后逐漸下降，這主要與距離污染源的位置有關。

(3) 流速較慢時，Cd2+在縱向的遷移速度小于垂向，彌散作用顯著；地下水流速較快，Cd2+在縱向的遷移速度大于垂向，對流作用明顯。

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