北京地区不同介质的土柱淋滤水质试验研究

郭高轩，辛宝东，沈媛媛，陆海燕，许 亮，南英华

（1. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2.中国科学院大学地球科学学院，北京 100049）

北京地区不同介质的土柱淋滤水质试验研究

郭高轩1,2，辛宝东1，沈媛媛1，陆海燕1，许 亮1，南英华1

（1. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2.中国科学院大学地球科学学院，北京 100049）

为探讨冲洪积平原地带地下水水质劣变机理及过程，开展了不同的水土样品组合的16组淋滤试验，以期揭示不同源水在土柱入渗过程阴阳离子、硬度和TDS的变化规律以及地下水类型的演化特征。试验结果表明：淋出液中，阴离子浓度的变幅由大到小依次为HCO3-、NO3-、SO42-、Cl-和F-，阳离子的变幅则依次为Na++K+、Ca2+和Mg2+。淋出液的硬度、TDS和水化学类型均呈现出有规律的变化，先期主要受控于源水，尔后则主要受土柱介质的影响。除了以垃圾作为淋滤介质的试验外，其他组合的试验都出现了初期TDS和硬度升高的过程，之后与源水趋于一致，揭示了淋滤中浸泡—水岩相互作用—吸附解析—淋洗等复杂过程。

污染；淋滤试验；地下水；地下水类型

0 引言

在过去的30余年里，我国工农业的快速发展、人口急剧增长以及城镇化进程的加快，使得地下水环境劣变问题愈演愈烈——地下水污染组分日趋复杂、污染面积不断扩大、深度不断加深（张新钰等，2011）。2003年以来实施的全国地下水环境地质调查专项表明，我国90%的城市地下水不同程度地遭受着有机和无机有毒有害物质的污染（环境保护保部，2011）。因此，如何遏制地下水环境恶化趋势，科学实施地下水污染防治工程成为地勘、国土、水务和环保等领域的热点与难点（环境保护保部等，2013；文冬光等，2008）。地下水污染具有较强隐蔽性，其不仅与含水介质的组成与结构有关，而且与外部污染物的输入方式、类型和强度密切关联，是一个极其复杂的过程。污染物的输入过程中，与上覆含水介质（多数为包气带）发生着一系列复杂的物理化学和生物作用，并且这种相互作用处在不断运动变化之中（林良俊等，2009），对地下水环境造成威胁。

近年来的调查表明，北京地区的地下水环境劣变已经对城市供水安全构成了较大的威胁（郭高轩，2012；叶超，2016）。国内已经有人开展了相关的土柱模拟实验（张英等，2003；易秀，2005；杨乐巍，2006；何炜等，2007；王薇，2008；梅伟标等，2014）。为了解北京地区不同污染源对地下水的污染情况、污染机理和污染过程，此次设计了16组土柱淋滤模拟试验，以期为地下水污染防控提供科学支撑。

1 淋滤试验设计及采样

模拟试验采集了北京地区怀柔、通州、海淀、房山的林地土、垃圾土、农田土和污灌农田土。采集土样时，在同一采集地2m×2m范围内，以对角线形式挖取4个采集坑，剥去采集坑表层10cm的覆盖层，取土混合，每个采样点的采集量约为0.06m3。采集水样时，用预采集的水样淋洗准备好的容积为25kg的采样桶3遍以上，开始采样。所有样品采集完后，密封送往淋滤实验室。本次采集密云水库水、河道污水、普通河水、农业开采井水，共组合成16组试验（图1、表1）。

图1 淋滤试验样品采集点分布示意图Fig.1 Samples distribution map of leaching tests

表1 淋滤试验组合类型表Tab.1 Combination types of different leaching tests

试验柱体直径15cm，土柱高80cm，在柱顶部连续淋入源水，在柱底部接取淋出液，试验持续时间20天左右，采用专用设备保障试验室空气质量达标，试验起止时间严格控制，淋滤样第一时间进行了测试。为防止土柱中发生管流或指状流，淋滤的速度控制在35滴/分，整个淋滤试验持续近20天，在中国地质科学院水文地质环境地质研究所完成。本次淋滤试验将不同水样和土样两两组合，共设计实验16组，采集淋滤液样品240件，每件样品测试无机指标39项，有机指标31项，试验装置见图2。

图2 淋滤试验装置图Fig.2 Setting drawing of the leaching test

2 结果与分析

2.1 污染指标

酚、氰、汞、砷、铬、铅、硒、铝、镉、铜、碘等指标在源水中和淋出液中仅在极少数样品少量检出，大部样品未检出。

锌在各种源水中的含量为0.01mg/L，其淋出液含量在0.01～0.436mg/L之间，显示土中的锌进入了淋出液中，其浓度变化规律在淋滤过程中不明显。锰各种源水中的含量为0.003～0.076mg/L，其淋出液含量在0.002～0.193mg/L之间，浓度变化规律在淋滤过程中不明显。

淋出液氨的含量为0.02～0.2mg/L之间，与源水含量差别不大。其中通州三皇庄污水氨含量12mg/L，但淋出液中含量也较低，水中的氨受岩石吸附或发生了硝化反应。

亚硝酸盐含量在0.001～8mg/L之间，总体上由污水、污染土（农用土、污灌土、垃圾土）组成的试验淋出液含量较高，相对应的硝酸盐含量也较高，如怀柔地区水库水与林地土组合模拟试验（试验1）淋出液的亚硝酸盐含量为0.001mg/L，污水与林地土组合（试验2）为0.1mg/L。亚硝酸盐作为三氮转化过程的中间物质，显然受到总氮的影响（周启星等，2004；王焰新，2007）。

2.2 阴离子指标变化

典型试验的水样阴离子的对比结果见图3。从图中可以看出：①垃圾土和污灌土作为填充介质的试验，其淋出液的组分含量普遍较高，比较源水与淋出液的的浓度，变幅最大的是HCO3-，依次是NO3

-、SO4

2-、Cl-和F-。②无论是哪种填充介质，源水在对介质充填饱和之后，存在一个溶解的过程，之后随着“淋洗”作用的进行，离子浓度迅速升高，尔后趋于稳定。③淋出液中离子组分含量在淋滤开始后0.5～1天时间内，浓度快速升高。在1.5～2天后，浓度基本趋于稳定。

图3 不同试验淋出液阴离子浓度变化图Fig.3 Changes of ation concentration of leaching liquid different experiments

2.3 阳离子指标分析结果

淋滤液的阳离子的对比结果见图4。从图中可以看出：①Na+大多数先降后升，最后趋于与源水一致。②Ca2+和Mg2+则表现为先升后降，最终趋于与源水一致。③阳离子的变幅表现为Na++K+＞Ca2+＞Na+＞ Mg2+。

图4 不同试验淋出液阳离子浓度变化图Fig.4 Changes of cation concentration of leaching liquid from different experiments

2.4 硬度与溶解性总固体

分析结果表明：①所有试验均在开始时出现硬度升高情况，之后下降并趋于稳定，反映出钙镁成分溶入了溶液中，是离子交换、溶解沉淀、氧化还原、生物降解等因素综合作用的结果。②硬度升高的幅度依次为垃圾土＞污灌土＞林地土。③TDS大多数表现为淋出液浓度先升高后降低并趋稳定，结果略高于源水。

2.5 淋滤液水化学类型变化

在Aquifer-chemistry软件中，分别判定了各组水样的水化学类型的变化，结果表明：①源水通过淋滤后，水化学类型均发生了较大变化，淋滤前期变化大，后期变化较小。②有污水（农用土、污灌土、垃圾土）和污土参与的试验，地下水中的Cl-、NO3-、SO4

2-大多数达到了参与舒卡列夫命名的浓度。图5为通州区污水灌溉土和污水淋滤的试验结果，试验初期，地下水的水化学类型为Na·Ca-HCO3·Cl型，逐渐转变为Ca-NO3·Cl·HCO3·SO4，尔后，NO3-浓度降低，水化学类型转变为Ca-HCO3·Cl·SO4，在试验进行到3天以后，水化学类型基本保持稳定为Ca·Na-HCO3·Cl，在试验的末期，淋滤液的水化学类型转变为Ca·Na-HCO3·Cl。

2.6 淋滤液有机指标分析

本次试验共测试31项有机指标，淋出液中有机物仅检出1，2-二氯乙烷、一氯二溴甲烷、溴仿和邻二氯苯，含量均低于1ug/L。由于试验条件的限制及有机物的不稳定性，试验结果未能反映出水-土相互作用过程中有机物的迁移转化规律。

图5 典型淋滤试验淋出液硬度和水化学类型变化图Fig.5 Changes of hydrochemistry type and hardness of the typical leaching experiment

3 结语

通过不同的试验组合，经过统计分析得到如下初步认识：

（1）所有的淋滤试验，淋出液的水化学类型均发生了复杂的变化。淋滤前期大于后期，污水、垃圾、污灌土参与的试验变化大于井水、水库水、河水及林地土、农田土参与的试验。

（2）淋出液较源水，各组分浓度均发生较大的变化。阴离子浓度的变幅由大到小依次为HCO3-、NO3

-、SO4

2-、Cl-和F-，阳离子的变幅则依次为Na++K+、Ca2+和Mg2+。淋出液的硬度、TDS均呈现出有规律的变化。先期主要受控于源水，均有上升的趋势，之后逐渐下降则主要受土柱介质的影响，揭示了淋滤中浸泡—水岩相互作用—吸附解析—淋洗等复杂过程。

（3）用污水作源水和以垃圾、污土作为介质的淋滤试验，淋出液Cl-的含量均参与了水化学类型的命名，显示了Cl-对外来人为输入良好的指示作用，而且淋出液的水质往往达到较差和极差级别。

（4）“污染因素”（污水、垃圾、污土）的存在是造成地下水污染的主要因素，其间歇性输入（如污灌、农药）是造成浅部水质劣变的主要原因。“好水”（井水、水库水、河水）的连续输入对于浅部地下水的“淋洗”作用会使得水质逐渐向好转变。

本次淋滤试验没有定量测定不同基质中的化学组分（如垃圾土和污灌土化学组分），这是一大遗憾，无法定量区分同一类型的基质在不同组成化学含量情形下地下水的物理化学变化。此外，受试验条件限制，此次淋出液中的有机物测试受到较大影响，试验效果不是很好。这些将是以后进一步研究中将要注意弥补的地方。

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Leaching Experiment on Water Quality of Different Soil Columns in Beijing Area

GUO Gaoxuan1,2, XIN Baodong1, SHEN Yuanyuan1, LU Haiyan1, XU Liang1, NAN Yinghua1
(1. Hydrogeology and Engineering Geology Team of Beijing, Beijing 100195; 2. College of Earth Science, University of Chinese Academy Science, Beijing 100049)

In order to illustrate the evolution mechanism and process of regional groundwater quality in the city within the alluvial plain area, a total of 16 different sets leaching test of soil/water samples were carried out in Beijing area. The transformation characteristics of different sources of water anions and cations, variation of hardness and TDS as well as the type of groundwater in the soil column infiltration process were revealed. By comparing the concentration of source water and leaching solution, three main results were presented as followed: In the leaching solution, the change range of anion concentration is HCO3-, followed by NO3-, SO42-, Cl-and F-. The amplitude of the cation is in the order of Na++K+, Ca2+and Mg2+. The hardness, TDS and hydrochemistry types of leachate showed a regular change. In early stage, the quality of leaching solution is mainly controlled by the source water, and then is mainly affected by the soil column media. Excepting the experiment using waste as leaching media, the initial TDS and hardness increase process appeared in the all other experiment combinations, and then it was consistent with the source water, which revealed the complex processes such as the leaching, water-rock interaction, adsorption analysis and so on.

Pollution; Leaching test; Groundwater; Groundwater type

X523

A

1007-1903（2016）04-0029-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.005

基金课题：北京市平原区地下水污染调查（PXM2009-158305-074498）和北京市科技计划重大项目（D07050601510000）联合资助。

郭高轩（1979- ），男，博士，高工，主要从事水文地质、环境地质方面的工作。