利用淋溶實驗研究某污染場地土壤對地下水水質的影響

繆澤 宋煒 周瑞靜 倪寶鋒

摘 要：開展地下水污染調查、保護地下水環境已成為當務之急，對保障城市安全供水具有十分重要的意義。以某污染場地為研究對象，通過觀察模擬不同水源形成的地表徑流經不同深度土壤淋溶后的水質變化情況，研究不同土層對地下水水質的影響。結果表明土壤中存在大量的鈣離子、鎂離子以及硝酸鹽氮等污染物，同時發現包氣帶土層對污染物的截留能力比表土層要強，表土層對淋溶液水質的影響比包氣帶土層要大。實例證明，將淋溶實驗作為一種調查手段，在地下水污染調查工作的污染溯源階段能夠發揮一定的作用。

關鍵詞：淋溶實驗;包氣帶;含水層;地下水污染;硝酸鹽氮

A leaching experiment for impact of soil on groundwater quality in contaminated site

MIAO Ze， SONG Wei， ZHOU Ruijing， NI Baofeng

（Beijing Institute of Engineering Geology， Beijing 100048， China）

Abstract： It is of great significance to carry out groundwater pollution investigation to protect groundwater environment and ensure safe water supply of cities. In this paper， the effect of different soil layers on groundwater quality is studied by carrying out leaching experiments to simulate the changes of water quality after surface runoff from different water sources is leached by soil at different depths. The results show that there are a large number of pollutants such as calcium ions， magnesium ions and nitrate nitrogen in the soil; the interception capacity of the soil layer to pollutants in the aeration zone is stronger than that of the topsoil; and the influence of the topsoil on the water quality of the leaching solution is greater than that of the soil layer in the aeration zone. The example demonstrates that the leaching experiment， as an investigation means， can play a role at the pollution traceability stage of groundwater pollution investigation.

Keywords： leaching experiment; aeration zone; aquifers; groundwater pollution; nitrate nitrogen

當前，地下水污染問題受到全社會的關注。北京作為國際上為數不多的以地下水作為主要供水水源的超大城市，地下水是北京的“生命之水”（王麗亞，2014）。隨著經濟和社會的發展，特別是進入21世紀以來，城市化進程的加快和區域經濟的快速發展，加重了局部水資源的負荷，加劇了城市地下水的污染（郭高軒，2012;任永強，2021）。開展地下水污染調查、保護地下水環境已成為當務之急，對保障城市安全供水具有十分重要的意義。土壤作為和地下水直接接觸的載體，在地下水污染的過程中起到了十分重要的作用。隨著工業的快速發展，許多場地的土壤中存在著不同組分、不同程度的污染，使得土壤環境處于多組分共存的狀態（賈三滿等，2021;馬學利，2021）。降雨在形成地表徑流的過程中，攜帶了從大氣和地面沖刷而來的各類物質，其中含有大量污染物且濃度可觀。包氣帶是地表徑流進入地下含水層的必經之路，地表徑流進入包氣帶后形成多組分多相共存的體系，不同物質和組分間相互作用，可發生一系列復雜的化學、生化及物理過程，其中包括氧化-還原反應、沉淀-溶解反應、離子交換、水解、降解、配位以及淋溶作用。淋溶作用是指土壤物質中可溶性或懸浮性化合物，例如易溶鹽、黏粒、有機質、碳酸鹽和鐵鋁氧化物等，在滲漏水的作用下由土壤上部向下部遷移，或發生側向遷移的過程，土壤中普遍存在這一過程（黃爽，2019）。

多年來，許多學者開展了淋溶實驗研究。如：徐仁扣等（2007）利用淋溶實驗研究了水楊酸對酸性土壤鋁遷移的影響;劉莉等（2007）通過室內模擬酸雨土柱淋溶實驗，研究了酸雨作用下三峽庫區4種典型土壤鹽基離子的釋放特點和釋放機制;馮志剛等（2012）通過模擬干熱、濕熱與干冷3種氣候條件，以飽和CO2水作為淋溶液，對黔中巖溶區3條碳酸鹽巖風化殼巖-土界面的巖粉層試樣進行了淋溶實驗，對淋出液的pH值以及主要造巖元素的濃度進行了動態分析;商放澤等（2012）采用田間小區試驗，研究了不同施氮水平（142.5、285和427.5 kg·hm-2）對夏玉米種植期間0～500 cm包氣帶土壤中氮素淋溶累積的影響;張斯宇等（2018）通過淋溶實驗確定了淋溶條件下土壤中重金屬的累積釋放特征。這些成果主要利用淋溶實驗對土壤中的某項元素在不同淋溶條件下的遷移、累積和釋放規律進行了研究。在地下水污染調查領域，利用淋溶實驗的研究實例并不多見。本文通過在北京市某污染場地開展淋溶實驗，模擬不同水源形成的地表徑流經不同深度土壤淋溶后的水質變化情況，研究不同土層對地下水水質的影響，為該場地地下水污染調查工作提供一些思路。

1? 材料和方法

1.1? 實驗材料

研究場地位于北京市西南某近郊區，場地東西長約600 m，南北寬約350 m，總面積約0.21 km2。場地第四系地下水水質存在大面積超標現象，主要超標指標為總硬度、溶解性總固體和硝酸鹽氮。不同水樣分別采自不同水源，土樣采集是利用場地勘察孔，每孔采集表層土、包氣帶土2類土樣，并分別混合。樣品采集信息見表1，水樣主要理化性質見表2，土樣主要理化性質見表3。

1.2? 實驗方法

根據水、土要素，設計2個實驗系列：一是制造表層土和包氣帶土2種土柱環境，研究表層和包氣帶不同深度土的淋溶結果，確定土層對地下水質的影響;二是以井水、雨水、河水和污水為淋溶液，研究不同水源和不同土層的作用結果。

實驗共分為3個階段：第一階段，將不同土樣放置土柱內并進行夯實，另外將井水、雨水、河水和污水4 種淋溶液的原樣取好封存并檢測，查明4種淋溶液的水質指標狀況;第二階段，采用井水、雨水、河水和污水淋溶（或浸泡），使淋溶液充分浸潤土柱;第三階段，按照方案時間段取水樣封存并檢測，查明淋溶液淋溶后的水質狀況。

實驗柱體外包材料為PVC管，直徑15 cm，土柱高80 cm，在柱頂部連續淋入淋溶液，在柱底部接取淋出液。淋濾的速度控制在2 mL·min-1左右，為防止土柱中發生管流或指狀流，入滲水流為活塞式。實驗在室溫下開展，采樣時間為實驗開始后：2 d，4 d，6 d，8 d，10 d，12 d，14 d，16 d，18 d，20 d，共計采樣10次。淋溶試驗共設計8組，每組淋溶試驗設計20 d，同一種淋溶試劑2種土層處理同時開展，淋溶試驗總天數為80 d。淋溶實驗裝置見圖1。

2? 結果與分析

根據多年監測，該場地地下水超標指標主要包括總硬度、溶解性總固體及硝酸鹽氮，因此僅對這3項指標淋出液進行分析。

2.1? 淋濾液中總硬度濃度變化的分析

由圖2可知，不同土柱條件下淋出液中總硬度濃度整體上隨淋溶時間延長呈現先升高后降低的趨勢。淋溶2 d后的淋出液中總硬度明顯升高，其中井水淋出液總硬度濃度分別升高了3.5%（包氣帶）、29.5%（表層土），雨水淋出液總硬度濃度分別升高了159.4%（包氣帶）、171%（表層土），河水淋出液分別升高了19.7%（包氣帶）、155.6%（表層土），污水淋出液分別升高了67.6%（包氣帶土）、125.2%（表層土），說明在淋濾土柱的過程中，淋濾溶液中的Ca2+、Mg2+未被土體吸附，而土柱中的Ca2+、Mg2+在淋濾過程中被大量淋濾或置換進入淋出液。除2組污水淋出液外，其余6組4 d后的淋出液中總硬度均遠低于2 d淋出液，且隨著淋溶時間的延長，各組淋出液總硬度逐漸降低，并趨于穩定。2組污水淋出液中總硬度在第6天達到峰值，并隨淋溶時間延長逐漸降低，最終趨于穩定，這與污水中Na+、K+含量較高有關，易破壞土壤中難溶鹽—碳酸鈣、碳酸鎂的電離平衡，通過陽離子交換吸附作用將土壤膠體所吸附的Ca2+、Mg2+置換出來，使它們進入水匯總，而Na+、K+卻被土壤所吸附，所以Na+、K+含量較高的污水淋出液中總硬度的峰值較其他淋出液延后。8組淋出液中總硬度在不同實驗日期均有較小的波動，這是因為土體中有機物質不斷分解產生CO2，使CaCO3、MgCO3形成新的易溶鹽，但隨著淋濾液不斷淋濾，最終趨于穩定。

另外，通過實驗可以看出，包氣帶土和表層土對不同土層、不同淋溶液總硬度影響效果不同。淋溶液經過包氣帶土層后總硬度升高幅度小于經表層土，同時淋溶液經過表層土后總硬度的降低趨勢也要慢于經包氣帶土，說明表層土中Ca2+、Mg2+較多，對淋溶液的影響效果較表層土較大。該場地地表黏性土厚度較薄，極易接受大氣降水補給。由實驗可知，經地表滲入地下含水層的過程中不斷對表層土和包氣帶土層進行淋溶，尤其是地表污水中Na+、K+濃度較高，通過交換作用使得地層中的Ca2+、Mg2+不斷進入地下水，是造成該場地總硬度整體超標的重要原因之一。

2.2? 淋濾液中溶解性總固體濃度變化的分析

由圖3可知，淋出液中溶解性總固體變化趨勢與總硬度變化趨勢相近，隨著淋溶時間的增加，淋溶液中溶解性總固體呈現先升高、后降低的趨勢。淋濾初始階段，8組濾出液中溶解性總固體明顯升高，其中井水淋出液分別升高了13%（包氣帶）、67%（表層土），雨水淋出液分別升高了70%（包氣帶）、186%（表層土），河水淋出液分別升高了10%（包氣帶）、153%（表層土），污水淋出液分別升高了33%（包氣帶土）、113%（表層土），這是由于土層被淋溶液完全浸沒，淋溶液與土層發生一定水巖作用，將土層中含有的部分離子解析出來，并隨淋濾液下滲運動，造成初始階段淋出液中溶解性總固體含量升高。隨著淋溶液的不斷注入，土層中離子逐漸析出，最終達到平衡。達到平衡的過程與土層含水量有關，淋濾初期淋溶液與土層土壤發生水巖作用，溶解性總固體含量顯著提升，說明淋溶液剛進入土層時水巖作用很強烈，隨著淋溶液的持續淋濾，淋出液中溶解性總固體濃度逐漸降低，部分淋出液中溶解性總固體濃度低于淋溶前濃度，表明解析達到臨界值后土層本身對淋溶液中溶解性總固體具有一定的吸附作用。而且不同土層對4種淋溶液中溶解性總固體的影響效果不同，4種淋溶液經過包氣帶土層后溶解性總固體升高幅度要遠小于表層土，說明包氣帶中可溶解于水中的各種離子、分子、化合物等物質要低于表層土，對淋溶液的影響效果較表層土要小。

2.3? 淋濾液中硝酸鹽氮濃度變化的分析

有關氮素在土壤中的淋溶累積，國內外學者開展了大量的研究（Cookson et al.，2000;Torstensson et al.，2000;張麗娟等，2007;郭建華等，2008）。童川（2019）在《模擬不同降雨條件下壤土淋溶特征和細菌多樣性變化研究》一文中指出，硝酸鹽氮是土壤氮素流失的主要形式。土壤中硝酸鹽氮的分布特征在一定程度上能表征地下水硝酸鹽污染的潛力（Jabro et al.，1991），而且水量和溶質運移深度之間關系密切，Sharma等（1996）甚至發現硝酸鹽氮下移與水分移動相當一致。

由圖4可知，隨著淋溶時間的延長，淋溶液中硝酸鹽氮濃度呈現先升高、后降低的趨勢。實驗初期階段，4種淋出液中硝酸鹽氮的濃度均在2 d時達到峰值，且與淋溶前相比硝酸鹽氮濃度增加顯著，其中雨水（表層土）中硝酸鹽氮濃度為淋溶前濃度的123倍，但是當淋溶水量繼續增加時這種影響逐漸減弱，淋出液中硝酸鹽氮濃度呈現下降趨勢，最終淋出液中硝酸鹽氮濃度接近甚至低于淋溶前硝酸鹽氮濃度，說明土層中含有大量的氮素，且主要以硝酸鹽氮形式存在，而淋溶液下滲時會溶出土層中的硝酸鹽氮，隨著淋溶液的不斷淋濾，土層中硝酸鹽氮含量逐漸降低。同總硬度和溶解性總固體類似，4種淋溶液經過包氣帶土層后硝酸鹽氮升高幅度要遠小于表層土，說明包氣帶中硝酸鹽氮含量要低于表層土，對淋溶液的影響效果較表層土要小。

淋出液中硝酸鹽氮濃度變化特征說明該場地表層土和包氣帶中均含有大量的氮素，且淋出液中硝酸鹽氮濃度遠高于4種淋溶液淋溶前硝酸鹽氮濃度，地表水入滲過程中會將表層和包氣帶土中的硝酸鹽氮淋濾至地下水中，對地下水產生持續的污染。可見，表層和包氣帶土壤中的氮素是地下水的硝酸鹽氮污染的來源之一。

3? 結論

1）從淋溶液角度看，總硬度、溶解性總固體、硝酸鹽氮等指標經過淋溶后，其濃度都會先升高、后降低，并且降低速度由快到慢，最終趨勢趨于平緩。分析其原因，總硬度的濃度變化主要是因為土體中的Ca2+、Mg2+含量較高，在淋濾過程中被大量淋濾或置換進入淋出液;溶解性總固體的濃度變化主要是由于土體中的可溶性物質與淋溶液發生一定的水巖作用而導致的;硝酸鹽氮的濃度變化主要原因為土體中存在大量的氮素，以硝酸鹽氮的形式被淋濾至淋出液中。

2）從土層角度看，不同土層對淋溶液的去污截留能力不同，包氣帶土層由于其自身顆粒粒徑較表土層顆粒粒徑要小，密度較大，所以對污染物的截留能力要強。表土層自身污染物濃度較包氣帶土層要高，對淋溶液水質的影響比包氣帶土層要大。但二者均對淋溶液具有一定的去污截留能力。

3）通過分析不同淋溶液經過不同土層后，總硬度、溶解性總固體和硝酸鹽氮發生的變化，可以判定土壤中存在大量的Ca2+、Mg2+以及硝酸鹽氮等污染物。

綜上所述，筆者利用淋溶實驗研究了不同類型的地表徑流經某場地土壤后的水質變化情況，分析了地表徑流在不同土層中發生的一系列物理化學反應，揭露了土壤自身存在大量的污染物質，判定這是造成該場地地下水污染的重要原因之一。可以看出，將淋溶實驗作為一種調查手段應用于地下水污染溯源階段，能夠查明土壤自身污染情況和土壤組分在地下水污染過程中的作用，進而為開展地下水污染調查工作提供重要參考。

參考文獻

馮志剛，馬強，李石朋，梁連東，王世杰，2012. 模擬不同氣候條件下碳酸鹽巖風化作用的淋溶實驗研究[J].中國巖溶，31（4）：361-376.

郭建華，趙春江，孟志軍，王秀，馬偉，2008. 北方旱作條件下玉米施用氮肥對氮吸收和淋洗的影響[J]. 土壤通報（3）：562-565.

郭高軒，2012. 北京市平原區地下水分層質量評價[J]. 中國地質，39（2）：518-523.

黃爽，2019. 基于 GIS 的全球包氣帶硝酸鹽峰值運移時間模擬分析[D]. 長春：吉林大學.

賈三滿，李歡，黃勇，2021. 北京市土壤地質環境質量區域監測網絡的優化方法探討[J]. 城市地質，16（2）：125-132.

劉莉，李曉紅，周志明，林勇，盧義玉，2007. 模擬酸雨對三峽庫區4種典型土壤酸化及鹽基離子淋溶釋放的影響[J]. 重慶大學學報（自然科學版）（8）：63-69.

馬學利，2021. 北京市土壤地質環境監測工作的實踐與思考[J]. 城市地質，16（1）：32-39.

任永強，2021. 新時代北京地下水可持續發展工作探究[J]. 城市地質，16（2）：168-172.

商放澤，楊培嶺，李云開，任樹梅，劉培斌，賀國平，2012. 不同施氮水平對深層包氣帶土壤氮素淋溶累積的影響[J]. 農業工程學報，28（7）：103-110.

童川，2019. 模擬不同降雨條件下壤土淋溶特征和細菌多樣性變化研究[D]. 合肥工業大學.

王麗亞，2014. 北京市平原區地下水可持續利用模型研究[D]. 中國地質大學（北京）.

徐仁扣，肖雙成，王永，趙安珍，2007. 用土柱淋溶實驗研究水楊酸對酸性土壤鋁遷移的影響[J]. 土壤學報，44（2）：252-257.

張麗娟，巨曉棠，張福鎖，彭正萍，2007. 土壤剖面不同層次標記硝態氮的運移及其后效[J]. 中國農業科學（9）：1964-1972.

張斯宇，何緒文，李焱，房增強，王浩，2018. 鉛鋅礦區土壤重金屬的淋溶試驗研究[J]. 礦業科學學報，3（4）：406-416.

COOKSON W R， ROWARTH J S， CAMERON K C， 2000. The effect of autumn applied 15 N-labelled fertilizer on nitrate leaching in a cultivated soil during winter [J]. Nutrition Cycling in Agroecosystems， 56（2）： 99-107.

JABRO J D， LOTSE E G， SIMMONS K E， 1991. A field study of macropore flow under saturated conditions using a bromide tracer [J]. Journal of Soil and Water Conservation， 46（5）： 376-380.

SHARMA S K， MANCHANDA H R， 1996. Influence of leaching with different amount of water on desalinization and permeability： behavior of chloride and sulphate-dominated saline soils [J]. Agricultural Water Management， 31（3）： 225-235.

TORSTENSSON G， ARONSSON H， 2000. Nitrogen leaching and crop availability in manured catch crop systems in Sweden [J]. Nutrition Cycling in Agroecosystems， 56（2）： 139-152.