淮北平原河流污染对浅层地下水影响试验研究

李 瑞 陈小凤 刘 猛

一、研究区概况及研究对象的选定

淮北平原浅层地下水为第四至第三系松散岩系地下含水层组埋深0～50m，属潜水～弱承压水，由全新统Q4及上更新统Q3组成，含水层顶板埋深5.5～12.0m，底板埋深 40～50m，则上、下两个韵律层构成：20～25m以浅，含水层厚度8～17m，以粉细砂为主夹亚砂土，下部25～50m，含水层厚度2～8m，岩性粉细砂夹中砂、亚砂土。富水性又分为富水区、中等富水区及弱富水区。富水区主要分布于古河道一带，中等富水区分布于古河道边缘～河漫滩相及古湖口一带，古河间地块，古湖盆中部为弱富水区。

淮北平原河流是地表水主要载体，多有节制闸控制，通常在大汛期间闸门开启泄洪河水产生流动外，常年大部分时间里河水处于静止状态。被污染的河水长期贮存在河道里，不仅直接影响环境，而且也给地下水造成一定影响。

通过对淮北平原主要河流水环境的调查，选择淮北平原中部萧濉新河为研究对象，进行原型观测试验，应用溶质在多孔介质饱和水中的扩散理论，分析平原河流污染对浅层地下水的影响。

二、萧濉新河污染对地下水影响途径

在河流与地下水有水力联系的区域，当地下水位低于河道水位时，河水污染渗入到地下水中造成地下水污染。下列几种情况地下水极易被河水污染：

（1）山区河流进入平原或盆地时，河水在冲击扇顶部渗入地下水造成地下水污染。这在新生代断裂盆地最为明显。

（2）河水通过漏斗或落水洞转地下水，例如南方岩溶区。

（3）河流直接切割石灰岩中或河床砂砾石与灰岩之间没有隔水层，则河水可直接转为地下水，这在北方岩溶区可以见到。

（4）河水位在大部分时间里略高于地下水，污染的河水主要以扩散方式污染地下水。

萧濉新河污染对浅层地下水的影响属于上述第四种情况。

根据三个断面的水位关系和地质构造，河水污染物以不同途径对地下水造成影响：

1.一号断面淮纺闸上游以在单一土壤介质中水平渗透扩散方式

如图1第一号断面地质剖面图所示，第二层为饱和含水层，该层为重粉质壤土或粉质黏土层，含砂礓。底层高程25m，渗透系数为6.29×10-7cm/s。第三层处在河床以下为粉质黏土，渗透系数5.00×10-7cm/s，属很弱透水层。该断面5口井深均在河道水位以下8m处，未穿透第三层黏土隔水层，水样取自均质重粉质壤土饱和水层。由于河道水位与地下水位差很小，渗流流速可以忽略，因此河道污染物在土壤介质中，以水平扩散方式对地下水造成影响。

2.二号断面黄桥闸下游以在两种介质中垂直水平混合渗透扩散方式

如前所述第二号断面所示，第二层粉质黏土层，含砂礓底部高程25m，渗透系数5.06×10-7cm/s，第三层为重砂质壤土底部高程21.05m，渗透系数6.05×10-7cm/s为透水层，第四层为极细砂，渗透系数4.00×10-7cm/s，为透水性较强的含水层。该断面五口井均穿过重砂质壤土进入第四层极细砂含水层，而且水样取自第四层含水带。河道污染物主要以垂直渗透到第四层为主，再在该层饱和水中作水平扩散，同时也与第三层水体掺混，如图2。

3.三号断面以在两种不同土壤介质中垂直穿透弱透水层再作水平扩散方式

第三号断面地质剖面图所示，第二层为粉质黏土层，含砂礓底部高程20.0m，渗透系数 7.68×10-7cm/s，属弱透水层。第三层为细砂层，渗透系数4.12×10-7cm/s，为强透水层，该断面五口井均穿越第二层进入第三层，水样取自该层细砂饱和水。河道污染物应先在河床土壤中垂直穿过弱透水层到第三层极细砂强透水层后，再作水平扩散到地下水中，造成地下水污染。如图3，河床土壤介质对河流污染物质垂直具有明显的渗滤和消减功能。

综上所述，由于地质构造不同，在萧濉新河三个断面上污染的河水向地下水渗透方式也有差异。第一断面淮纺闸上游河床以下重粉质黏土为不透水层，取水井未穿透隔水层，故河水污染物以水平方式向地下水渗透扩散；第二断面黄桥闸下游井深15m，弱透水层进入第四层细砂含水层，故该地下水污染物受河水污染物水平扩散和穿过河床底泥垂直渗透，再在细砂土壤中水平扩散；第三断面符离集闸上游，河床以下为细砂土含水层，井水取自细砂土含水层，故该处地下水污染受河流污染物垂直穿透河床底泥后，再在细砂含水层中水平扩散影响。

三、萧濉新河污染随时间变化关系

有机污染是河道污染的主要成分，氨氮和高锰酸盐指数是有机污染的综合指标。在7月10日～12月18日16组水样检验资料中，河水污染物浓度随时间变化幅度很大，地下水污染物浓度比较稳定。淮北地区7～9月份是汛期，降雨比较频繁，而且分布不均，这可能是造成河水污染物浓度变化幅度较大的直接原因。地下水污染物浓度变化幅度小说明土壤介质对污染物吸附降解作用明显。

四、河流污染在浅层地下水中扩散消减量

野外采集萧濉新河及滨河地带地下水取样历时半年，经历汛前枯水、汛期降雨和汛后蓄水，由于降雨过程中雨量时空分布不均，加之节制闸控制流量的影响，河水污染物浓度变化较大，在河道污染物随河水穿过河道底泥进入地下土壤饱和水的过程中，由于底泥和土壤介质的吸附和复杂的离子交换作用，污染物浓度迅速衰减，使地下水污染物含量大大降低，并且处在比较稳定状态。

计算三个断面河流有机污染物在地下土壤饱水层扩散运移至第一口井时，氨氮浓度消减量占相应河水氨氮浓度分别为：第一断面81%，第二断面99%，第三段面96%；高锰酸盐指数消减量占河水高锰酸盐指数浓度分别为：第一断面86%，第二断面78%，第三断面82%。

五、河流污染与滨河地下水质相关分析

大量地下水水样化验资料显示，重金属、氰化物、挥发酚多环芳烃等有害物质含量多低于Ⅲ类水标准，而且浓度比较稳定，即使有些变化也没有规律，看不出与河水污染物有关联。但在一定范围内可以找出河水有机污染对地下水的影响关系，下面用统计系列资料的相关来分析河水污染对地下水的影响。

从河流污染对地下水影响研究物理过程来看，在河水与地下水存在浓度差和水位差条件下，污染物通过土壤介质在地下含水层中扩散运移，并沿程衰减。不断变化的河道高浓度污染物是源，地下水污染物浓度沿程衰减是流，源和流之间必然相关，但是污染物在土壤含水层中运移有一个时间过程，如果简单地以同一个时间河水与某一处地下水污染物浓度资料系列做相关分析，就没有把污染物运移时间过程考虑进去，这样则不符合实际。为解决这一问题，本项研究采取渐进错位相关分析法，这里三个断面只分析一号井，即河水与一号井地下水16组水质资料按时间顺序水平对齐排列，由河水第一次对地下水第一次测得的资料序列相关得出第一个相关系数；舍去地下水第一次和河水最后一次由河水第一次对地下水第二次资料序列相关，得出第二个相关系数；依次舍去地下水资料序列前诸次，删除河水资料序列后诸次，取中间序列不少于五组资料做相关分析，得出一组系列相关系数值，并从中选取最大的一个作为河水与地下水相关关系，而最大相关系数所处的时段可认为是河水与某处地下水地段污染物传播时间。经过试验得知，第一断面淮纺闸、第二断面黄桥闸和第三断面符离集闸河水氨氮传播到第一口井的时间分别为：21天、49天和42天。第一断面淮纺闸、第二断面黄桥闸和第三断面符离集闸河水高锰酸盐指数传播到第一口井的时间分别为：28天、28天和28天。

若拿萧濉新河水体氨氮浓度、高锰酸盐指数与各断面距水边不同离地下水做相关分析，可以看出大约在20m左右范围内具有较好的相关关系，超出本范围则没有明显的关系，其他原因造成的特例除外。

六、结语

河流污染对地下水构成一定程度的污染，并且严重影响区域生态环境，因此，控制入河排污量，加强河流水环境保护，建立良好的河流生态体系至关重要。同时也要看到河流污染对地下水影响是有限的，而工业点源污染和农业面源污染加之城市生活污水和垃圾存在于地表，这些污染源每逢降水发生，污染物便会很快溶解，随之垂直向地下入渗，而垂直入渗渗径短，对地下水的影响特别明显，因此更要控制工业点源和农业面源污染，保护地下水资源，保障经济社会和生态可持续发展■