南水北调工程北京段地下水回灌对含水层水质影响

章丽萍,温晓东,张 剑,曲宏斌,杨牧骑,郑凡东

(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083;2.北京市水科学技术研究院,北京 100044)

南水北调工程北京段地下水回灌对含水层水质影响

章丽萍1,温晓东1,张 剑1,曲宏斌1,杨牧骑1,郑凡东2

(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083;2.北京市水科学技术研究院,北京 100044)

采集南水北调北京蓄调池附近地下砂样、地下水水样、丹江口水库水样,通过室内试验模拟含水层方法,分析不同比例的丹江口水库水、地下水与含水层介质混合后的水化学作用,探讨水化学成分随时间的变化规律。结果表明,模拟含水层在可溶盐溶解作用、矿物溶解-沉淀作用、微生物作用、阳离子交换吸附作用等影响下,各项水质指标都发生了变化,但均符合地下水质量Ⅰ类或Ⅱ类标准。

南水北调工程；丹江口；北京地下水；含水层水质；回灌；离子浓度

南水北调中线工程自丹江口至北京,是解决我国北方地区水资源严重短缺,实施我国水资源优化配置的特大型基础设施项目[1-2]。南水北调水部分补给北京的调节池,可有效补给地下水,达到涵养地下水的目的[3]。外源水与北京本地浅层地下水的水化学性质存在一定的差异,地表水回灌地下水过程中,必将影响土壤和地下水环境,使其水化学成分发生变化[4-5]。笔者采集北京蓄调池附近地下砂样、地下水水样、丹江口水库水样,采用室内模拟含水层方法,分析不同比例的丹江口水库水、地下水与含水层介质混合后的水化学作用,探讨各模拟含水层水化学成分随时间的变化规律[6]。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

本试验在室内模拟含水层,采用土柱实验法,取野外含水层介质分别装入有机玻璃柱中,进行浸泡,浸泡水采用北京段地下水(以下简称北京地下水)和丹江口水库水按不同比例混合的水样。实验土柱由有机玻璃制成,共7个,其规格为高70 cm,内径40cm,在土柱下部距离底部2cm处前后两侧设置两个采样孔,一个采样,一个备用。实验装置如图1所示。

图1 模拟含水层实验装置

1.2 水样采集及水质分析

丹江口水库采集地表水水样,北京地区浅层地下水采样点位于南水北调团城湖调蓄池以西。丹江口水库和北京团城湖调蓄池水样水质分析结果见表1。由表1可见,两地水样水质较好,但还是表现出了显著的差异性。丹江口水库水样中除N-N、N-N质量浓度高于北京团城湖附近地下水中质量浓度外,其余常规指标如Na+、Ca2+、Mg2+、N-N、HC、CO32-、Cl-、S等指标质量浓度均低于团城湖附近地下水中的质量浓度。

为开展水岩相互作用试验,在北京团城湖调蓄池附近采集地下砂样,其pH值为7.41,可溶盐质量分数见表2。

从土壤溶质化学过程发生的步骤和时间尺度来看,发生了砂样可溶盐分的溶解、矿物的溶滤、离子交换和吸附反应。

1.3 实验方法

将采集的含水层介质砂样分别装入7个有机玻璃柱中,石英砂铺垫于柱底,进行适度夯实。将丹江口水库水和北京地下水分别按纯丹江口水库水、3∶1、1∶1、1∶2、1∶5、1∶9、纯北京地下水7个比例进行混合,并分别记为丹江口、DB3∶1、DB1∶1、DB1∶2、DB1∶5、DB1∶9、北京地下水,混合后总水量均为16L。排除气泡,达到水与岩土的充分接触,以模拟含水层状态[7-8]。

2 试验结果与分析

2.1 同一时刻不同比例含水层各离子变化规律

将上述7个混合水样分别在7个有机玻璃柱中浸泡20 d,从底部取样进行水质分析,分析结果见图2。

图2 不同比例模拟含水层各离子质量浓度变化规律

由图2可知,各模拟含水层的Ca2+、Mg2+、Na+、HC、S质量浓度随地下水所占比重增大呈上升趋势,这主要是由混合作用引起的;K+质量浓度大致随着地下水所占比例增大而呈降低的态势,主要是因为水中的K+被砂样吸附,且地下水占比较高时,有利于K+的吸附[9];各含水层中的NH4+-N、N-N和N-N质量浓度随着地下水占比的增加变化不明显,但随着浸泡时间的延长,各含水层之间的质量浓度差异越来越小。

2.2 浸泡时间对不同比例含水层各离子浓度影响

再将上述7个混合水样分别在7个有机玻璃柱中浸泡,在浸泡时间分别为5、10、15、22、29、39、54 d时,从底部取样进行水质分析,结果见图3。

由图3可知,Ca2+、Mg2+质量浓度在浸泡初期有明显的上升趋势,且高于两地原水质量浓度,之后的上升幅度比较平缓,趋于稳定;K+质量浓度在不同比例混合水样中浸泡初期有显著的上升,之后逐渐降低,其变化范围在2.5～6.0 mg/L之间;7组不同比例混合水样Na+的变化趋势基本一致,在浸泡的前10天Na+质量浓度升高幅度较大,在第10天到第35天缓慢降低,其变化范围在35.0～70.0 mg/L之间;在实验初期,影响水中K+、Na+离子质量浓度的主要原因是土样中的钾盐和钠盐的溶解,但随时间的延长K+、Na+质量浓度均有逐渐降低的趋势,由此证明影响Ca2+、Mg2+、Na+、K+后期质量浓度变化的主要作用的是阳离子交换作用。S质量浓度高于两地原水,质量浓度变化范围均在68～14 mg/L; Cl-质量浓度均高于两地原水的Cl-质量浓度,浸泡初期升高较快,随时间延长趋于稳定,其变化范围在20～50 mg/L之间;HC的质量浓度总体呈上升趋势,其变化范围在120～250 mg/L之间;pH值的变化较不明显,均在7.5～8.3之间;N-N质量浓度极低,且不稳定,随时间显著降低,质量浓度在0～0.025 mg/L之间;N-N质量浓度均在0～0.025 mg/L之间,并随浸泡时间增加而不断减少;N-N质量浓度保持在2～9 mg/L,并随时间延长而不断降低。

表1 丹江口水库与北京地下水水样水质分析结果

表2 砂样可溶盐质量分数mg/kg

图3 浸泡时间对不同比例含水层各离子质量浓度的影响

3 结 论

a.丹江口水库水中大多数化学组分浓度低于北京地下水,其水质优良,各水质指标均为地表水质量Ⅰ类或Ⅱ类,适合作为饮用水源。

b.室内模拟含水层试验揭示了K+、Na+、Ca2+、、pH的变化趋势,并且各离子浓度最终都趋于稳定,各离子浓度均符合地下水质量标准Ⅰ类或Ⅱ类指标,水质较好。

c.各模拟含水层中,普遍存在K+、Na+与Ca2+、Mg2+的阳离子交换作用,并且在实验后期都趋于稳定,基本达到平衡。

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[9]杜涛.南水北调入京后北京西南地区地下水水质演变的实验模拟研究[D].长春：吉林大学,2002.

Influence of groundwater recharge on aquifer water quality in Beijing section of South-to-North Water Diversion Project

ZHANG Liping1,WEN Xiaodong1,ZHANG Jian1,QU Hongbin1,YANG Muqi1,ZHENG Fandong2
(1.School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing 100083,China; 2.Beijing Water Science and Technology Institute,Beijing 100044,China)

In this study,underground sand specimens near the water-regulating tank in Beijing for the South-to-North Water Diversion Project,groundwater samples,and Danjiangkou Reservoir water samples were collected. Through laboratory simulation of the aquifer,the water hydro-chemical action of mixed reservoir water, groundwater,and aquifer media with different rations were analyzed,and the change in the hydro-chemical composition with time was examined.Experimental results showed that the water quality indices changed due to soluble salt dissolution,mineral dissolution-precipitation,microbiological action,and cation exchange adsorption, but the water quality met the grade I or II standards of the groundwater quality standards of China.

South-to-North Water Diversion;Danjiangkou;Beijing groundwater;aquifer water quality;recharge; ion concentration

X37

A

10046933(2014)04000703

20131116 编辑：徐 娟)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.002

北京市科委项目(8102019)

章丽萍(1977-),女,副教授,硕士生导师,主要从事水污染控制、水资源管理等研究。E-mail：haozimei77@163.com