岩溶水系统中污染物的迁移与转化机制

肖　鹏

提要众所周知，由于防污性能差，岩溶含水层比其他含水层更容易受到污染。其污染物可分为水溶性有机和无机污染物。对每一类污染物，其迁移、储存和最终的排出机制都是多样的、复杂的和相互作用的。为此，研究岩溶水中污染物的迁移和转换机制对岩溶水的净化具有重要意义。

关键词：污染物；转换机制；岩溶含水层

中图分类号：F323.213文献标识码：A

一、污染物在岩溶含水层中的迁移转化方式

岩溶水系统是一个包括多种无机物和有机物的复杂水-岩体系，污染物进入岩溶水系统后会发生一系列的变化，通过各种变化，污染物向以下几个方面转化：①分散在水体中，逐渐稀释；②分解和转化为其他物质，并消耗水中的溶解氧，使水质恶化；③沉淀在底泥中；④富营养化。环境条件不同，污染物迁移转化的方式也不尽相同。

污染物在地下水中的迁移转化是一个复杂的物理、化学和微生物分解过程，包括对流弥散、水文地球化学作用，以及生物的分解作用。从宏观上讲，岩溶区污染物的迁移方式仍主要根据其弥散系数、物理、化学和生物等特性而发生变化。其迁移方式主要分为以下几种：①在非均质含水层中，污染物通常按照类似于“手指状”的平面图形沿着水流方向前进；②对于污染物可完全发生在液相以内的反应，或从其他相而进行的溶质迁移，都可使浓度发生变化；③污染物在迁移过程中会产生一系列能改变岩溶水系统中污染物浓度的化学和生物化学反应，这些反应对污染物的迁移转化有重大影响；④污染物被吸附作用和其他化学过程从水体向介质固体部分的传输，可促使被阻滞的污染物前锋面条前进速率；⑤污染物在裂隙介质中的迁移模式，表现为随时间的推移，污染物将更深入地扩散到孔隙基质中去；如果污染物不是连续的，则孔隙基质中的污染物随着水通过裂隙网络的稀释作用，最终将扩散回到裂隙开口处。这种迁移转化取决于污染物在地下水环境中的存在形式、富积状况以及环境的地球化学特征。

对流弥散是污染物在岩溶水系统中占主导地位的迁移方式，是指污染物以溶解态形式在地下水系统中进行的水动力弥散。在岩溶管道中是由机械弥散和分子扩散同时作用引起的；在岩溶裂隙网络中，起主要作用的是机械弥散，分子扩散效果不显著。

二、病原微生物在包气带和含水层中的迁移影响因素

病原微生物在包气带和含水层中的迁移能力除了受其存活期长短影响外，还受到吸附作用和过滤作用的控制。

（一）机械过滤作用。细菌的大小为0.5～5，病毒的大小为0.22～0.25。研究表明，砂和砂砾对细菌以及病毒无效；粉土可过滤掉细菌，但对病毒过滤效果不大。

（二）吸附作用。介质对病原微生物的吸附作用主要受介质条件（如pH值与电导值、土壤组成、饱水和非饱水环境）和病原微生物类型的控制。

pH值与电导值：病毒像细胞一样，它们所带的电荷取决于介质的pH值。当pH值大于7时，土壤中的病毒均带负电，两者产生斥力，几乎不吸附，易于迁移；而在酸性土壤中易吸附而不迁移。由于污水的电导大于雨水的电导，所以当雨水入渗时可使原先吸附在土壤的细菌和病毒解吸，因此雨后常出现地下水病原微生物污染。

土壤组成：土壤组成不同，吸附能力也不同。一般来说，病毒的吸附随土壤粘粒含量增加而增加。一些研究发现，红土（黏土含量占32.5%）截留病毒最有效。铁的氧化物，特别是磁铁矿对病毒有很高的亲和力，磁铁矿和赤铁矿是最有效的病毒吸附剂。

饱水和非饱水流动：一般来说，病原微生物在饱水条件下更易迁移，因为非饱水状态下，水以薄膜的形式存在于土壤颗粒表面或沿空隙壁流动，水中病原微生物更接近于土壤颗粒表面，从而增加土壤对它们的吸附。

病毒类型：病毒的吸附与其种类有关，有些病毒易被吸附，有些不易被吸附。

综上所述说明，由于病原微生物存活期短，且地下水流动缓慢，加上吸附、拮抗作用等，所以地下水病原微生物污染多为范围有限的局部污染。

三、岩溶水系统中典型污染物的迁移转化机制

（一）水溶性污染物。水溶性污染物可以任何浓度完全溶于水中。水溶液中无机化合物包括氨和硝酸盐离子，多数来源于人类和动物的排泄物，可能是最普遍的无机污染物；此外，水溶液中还有其他的无机水溶性离子，如氯化物和硫酸盐，以及一些剧毒物质，如来源于工业废水中的氰化物。还有一些有机物也溶于水，如乙醇、羧基酸，苯酚和一些农业化学物质。

水溶性污染物可随水流动，在岩溶含水层中，地下水通过土壤的分散渗透，经过落水洞和下渗流最终进入管道系统。水溶性污染物的浓度应该由水源在主管道中与其他水体混合而被稀释来确定。由于在暴雨期水体被稀释，硝酸盐或其他一些水溶性污染物浓度应该减小，尽管暴雨期的水体被稀释这种现象被观察到，但在很多情况下观察到的是污染物在暴雨期的脉动现象。有监测资料表明，污染物趋向于在雨水高峰期沿水位曲线上升而达到最高浓度。受暴雨的稀释影响，在管道泉中污染物浓度变化较大；而在裂隙泉中硝酸盐浓度相对稳定，尽管实际中从一个泉到另一个泉硝酸盐浓度会变动很大。

（二）比水轻的非水溶相液体。比水轻的非水溶相的液体（LNAPLs）浮于水的表面，汽油、柴油、家用取暖油以及一些相关的石油烃类是最普遍的例子。汽油是一种由分子量低、相对易挥发的饱和烃组成的复杂混合物，也正是芳香烃、苯、甲苯、乙苯以及二甲苯的比例决定了汽油的毒性。

LNAPLs漂浮于地下水面，这种现象已经引起了一些突出的环境问题。当地下水因受堵而形成水塘时，LNAPL也会集聚在一起并暂时被截获。管道系统通常在水位处形成边槽，因此在管道分支中以及裂缝系统中，LNAPL污染物趋向于向主管道运移。在洪水期，边槽被水充满，具有自由水面的管道就进入管流动态；集聚在边槽内的LNAPL随水流上升而消散并对管道顶板产生压力。管道顶板上的任何洞穴都会对LNAPL的运移构成障碍。如果顶板致密不渗漏，LNAPL就会被迫以活塞式流动绕过障碍物，一阵阵的LNAPL也就不断地沿管道流动。因此，LNAPL泄漏后不会立刻在岩溶泉中出现。相对地，如果顶板上有裂缝，活塞式流动驱使LNAPL沿裂缝向上运动，蒸汽甚至可以上升进入到地表的构造体。发源地的烟雾问题和被LNAPLs污染的覆在管道系统上的其他构造，在LNAPLs初次溢出很久以后可能还会溢出。

（三）比水重的非水溶相液体DNAPLs。比水重的非水溶相液体（DNAPLs）沉于水底，大多是氯化合物或阻燃剂，包括一些分子量小、相对易挥发的化合物。比水重的有机液体向表层岩溶下部的迁移途径有各类裂缝、竖井和竖坑，它们在含水层中可能的储存地点包括洞穴、渗流区的干洞、潜水区的裂缝以及主要的管道系统，在管道系统中，DNAPLs在水位以下集聚并与碎屑沉积混合而占据管道。由于密度的不同，DNAPLs能进入沉积堆的空隙中，在那里它们可以隐藏很长一段时间。

在岩溶地下水盆地边界附近，地下水位一般比较高，水力梯度由地下水盆地边界指向管道系统。到达地下水位的DNAPLs不必沿水力梯度方向随地下水流向管道系统，但可以继续垂直入渗到任何低于局部基准面的储存空间中，也可以沿着完全不同于水力梯度方向的倾斜层面迁移。

（四）病原体。由于缺少土壤的过滤作用，病毒、细菌、寄生虫和一些较大的原生动物很容易在岩溶含水层中迁移，其中粪大肠菌群和粪链球菌传播最广，它们常作为受到污水和动物排泄物污染的指标。最受关注的原生动物是贾第鞭毛虫，它从动物粪便中以包囊形式释放出来，常存在于水体表面，随渗流进入地下水。尽管很久以前就认识到洞穴溪流不能作为饮用水，但事实上许多洞穴溪流和泉水被用来作为家庭水源，有时甚至作为公共水源。由于从下渗流或是由暴雨径流而进入落水洞的补给水缺少过滤作用，包括致病在内的各种微生物很容易进入到地下水系统中。典型微生物的大小从不到微米到几百微米不等，在细粒沉积物范围内。生物体通过水中的悬浮物迁移，还可通过吸附于沉积颗粒或有机物上而迁移。

（作者单位：深圳市创新投资集团）

参考文献：

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