地下水采样方法比对研究

李文攀，朱 擎，嵇晓燕，刘廷良，孙宗光

中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

地下水采样方法比对研究

李文攀，朱 擎，嵇晓燕，刘廷良，孙宗光

中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

选取3种地下水采样方法开展方法比对研究。通过系统分析监测数据，指出了3种方法所采水样在基本水质参数、无机离子、金属、挥发性有机物以及感官类指标等项目监测上的显著差异，指出了各种方法的适用性并分析原因。结果表明：与贝勒管法、潜水泵法相比，低流速法有效地解决了采样操作过程中易产生的曝气问题；对井内水体扰动较小，降低了水样浊度；减小了井内水位的大幅度泄降，避免了不同层位间污染物的迁移及周边水和井内滞水的交叉污染；节约了场地操作时间和后期污水处理所需花费。因此，低流速法在采取代表性水质样品方面更具方法优势。

地下水采样；低流速法；曝气；浊度；代表性

随着我国工业化、城镇化的高速发展，地下水正受到城市化、工业化等活动的污染威胁，特别是一些大中城市、特殊工矿企业、化工园区的浅层地下水，情况更加突出。据统计，全国有400多个城市开采利用地下水，在华北和西北城市供水中地下水所占的比例分别高达72%和66%[1]。其中，大部分地下水水源遭受到了不同程度的污染，严重威胁人民群众身体健康。

地下水采样技术在地下水污染调查中占有非常重要的地位，方法的选择对分析测试结果准确与否有着重要影响。对于监测部门来讲，如何科学、规范地采集到代表性的样品，并获得真实、准确的数据尤为重要。针对不同类型监测井、不同类型地下水污染，必须选择正确合理的采样方法。本文选取贝勒管、潜水泵和低流速气囊泵等3种方法对某区域环境监测井开展洗井采样，系统分析监测数据，并就方法优缺点与适用性进行了对比研究。

1 实验部分

1.1 实验方法

在地下水采样过程中，要根据监测目的严格遵守操作规范，选取适当的采样方法和设备。不同的采样方法所采得的水样差异显著，主要表现在所采水样是否来源于目标含水层、受到干扰或污染程度的多少等均对后期分析结果具有重要的影响。

贝勒管采样器操作简单、应用广泛。其底部有一个止回阀，操作时通过绳索将采样器放入监测井中，阀门打开，水样流入腔体并穿膛而出，到达预定深度后缓慢上提，阀门关闭，即采得预定深度的水样。

潜水泵也是较为常用的地下水采样方法。取样时，水样自泵体周围连续不断地在负压作用下进入潜水泵，并通过管体注入取样瓶。该方法具有扬程高、吸水量大等优点，且小型泵体野外操作较为轻便，适合采取浅层地下水水样。

低流速气囊泵是以小流量的抽水速率实施洗井和采样。采样钢筒内置一个机电系统可控制挤压运动的气囊，通过两端止回阀的关开配合汲取水样。操作过程中，缓慢地将设备沉置于目标采水层，并通过自身集成的监测设备可实时监控多项参数(pH、溶解氧、水温、浊度、电导率和氧化还原电位等)，以参数稳定作为洗井完成或水动力状态稳定的判据[2]，进而继续开始采样操作。

1.2 监测井的选取

本次实验选取某试点省标准环境监测井CN-2为研究对象。CN-2监测井位于某市级公路干线旁，西侧为农田示范区，东侧为小城镇居住区，北侧4 km处有一家石化炼油企业，因此农业面源、生活源及石化工业源为该区域地下水主要潜在污染源。

CN-2监测井井深为22.1 m，井管直径为110 mm，筛管2.5 m，设置在16.4～19.0 m深处，水位高于井筛顶部，属中性渗透性含水层。该监测井成井于2010年2月，属浅层承压孔隙水。井管为不锈钢管材，具有较高的强度和抗腐蚀性。过滤层滤料为化学性质稳定、尺寸均匀的球形石英砂颗粒。

1.3 洗井采样

地下水采样是为了采集紧邻监测井周边目标含水层的新鲜代表性水样，即采样前要以适当的流速抽取地下水，置换监测井中的滞留水，保证所取地下水水样的代表性。就方法而言，不同的设备和方法有不尽相同的操作程序，洗井采样也会产生差异性效果。目前，常用洗井采样方式有常规的井柱水体积置换法和低流速的微洗井采样法[3-4]。需要指出的是，为避免因采样顺序导致所采水样的监测结果受到影响，不同采样方法的采样时间间隔均为2 d，每次采取5份平行水样，以保证水质样品的代表性与准确性。

作为常规法的典型代表，贝勒管(Bailer)式和潜水泵式被广泛地应用于我国地下水水质采样。贝勒管洗井采样时，将贝勒管放置于井管底部，沉置和提拉过程均缓慢进行，尽量避免因活塞现象导致的水体扰动，造成气提或曝气作用。置换完成大约4倍井柱水体积后，溶解氧与氧化还原电位达到较为稳定状态，继续将贝勒管放置于井筛中段以采取代表性水样。潜水泵洗井采样时，因CN-2水位高于井筛故将泵体放置于井筛中间位置，以3.0 L/min抽水速率抽取4倍井柱水体积，尽量减小水面下降幅度。洗井结束后，在不对井内做任何扰动或改变位置的情形下，维持原有抽水速率，直接以样品瓶接取水样。因本次实验目标监测项目中包括挥发性有机物，故每种方式的洗井采样均为同一种设备。

低流速气囊泵采样时，缓慢将泵体放置于筛管中部，尽量避免井内水体扰动，控制抽水速率0.5 L/min。期间，每隔2 min测量井中水位，未发现明显泄降，直至pH、溶解氧、电导率和氧化还原电位等参数达到稳定区间，表明洗井过程结束，之后开始样品采集。国外学者研究表明，抽水速率大小与指示参数稳定所需时间有关[5]。根据实际需要，低流速法可调整抽水速率，一般为0.1～0.5 L/min，适当的抽水速率可大大节约洗井采样时间，降低不必要的人力与资源浪费。但在实际操作中，流量控制与当地水文地质特征关系密切[6]。例如，筛管位于粗砂组成的含水层时，也可适当调整流量至1.0 L/min完成采样[7]。

1.4 样品保存运输

水样装瓶顺序按照待测物的挥发性敏感度的顺序安排，分别为挥发性有机物、金属、阴阳离子，并依据测试项目要求分别添加保护剂固定，所有样品均低温密闭保存运输至实验室分析测试。需要指出的是，本次实验中低流速法所采样品较为清澈；贝勒管所采样品浊度较高，可见少量悬浮固体；潜水泵所采样品略有浑浊；为避免样品可能发生的氧化沉淀等化学作用，现场对浑浊样品进行了过滤操作。

1.5 分析测试

为保证监测结果的准确性与精确性，所有监测项目均采用国标或行标方法进行测试。

2 结果与讨论

2.1 结果对比

为更全面地开展方法对比，实验选取了用以表征水样质量状况基本特征的部分水质基本参数和理化指标。需要说明的是，所有水质基本参数和理化指标的监测结果均进行了均值处理，即所列监测结果为5份水样的算术平均值，避免了因偶然误差引入所导致的结果差异无法通过统计学进行判别。

本次实验采用3种不同的洗井采样方法，所采得水样的水质基本参数和感官类指标有明显区别(表1)。

表1 3种采样方法所采水样测得的基本参数

由表1可以看出：3种方法所采水样的pH较为接近，最大相对误差为3.6%，无显著差异。贝勒管所采得的水样溶解氧为3.48 mg/L，明显高于另外2种方法所得结果，分别比潜水泵和低流速气囊泵高出22.2倍和19.5倍。在天然水体中，电导率数值一般较为稳定，波动幅度较小，从表1可以看出，3种方法所得水样的电导率呈现小幅度递减趋势，相邻方法间相对误差分别为16.4%与6.9%，最大相对误差为24.4%。在水质基本参数中，浊度的方法差异较为明显，其中贝勒管所采样品的浊度最高为47 NTU，潜水泵适中为11.6 NTU，低流速气囊泵最低为2.8 NTU，3种方法中的最大值比最小值高出15.8倍。但是，经过滤操作后，前两者的水样浊度特别是贝勒管所采水样有了明显降低，重新监测后的3种水样的浊度已接近或达到地下水Ⅲ类标准限值，且在低浓度值范围内相对误差可控。

在肉眼可见物等感官类指标的观测上，贝勒管所采水样可看到液面漂有少量浮油油花和浮尘，潜水泵和低流速气囊泵所采水样未见明显漂浮物质。此外，本次实验还分别统计了采样全程序所需时间，贝勒管所需时间为53 min，潜水泵、低流速气囊泵用时均在30 min左右，方法差异很明显。需要指出的，潜水泵和低流速气囊泵属半自动设备，选择流量控制以尽可能不扰动井内水环境为前提，避免因引入过多误差而导致的实验结果失真。

在统筹考虑监测井周边风险源和参评项目代表性的基础上，选定的参评理化特征指标有金属类物质、无机离子、典型挥发性有机物等3类，具体包括铁、锰、砷、铬(六价)、氨氮、氟化物、甲醛和三氯甲烷(表2)。

表2 3种采样方法所采水样测得的目标项目质量浓度 mg/L

结果对比表明：对于部分金属类物质监测，3种不同采样方法差异显著。以铁为例，贝勒管、潜水泵和低流速气囊泵所测得的监测结果分别为2.92、0.7、0.58 mg/L，贝勒管法所采水样的测试结果最高，分别高出潜水泵法和低流速气囊泵法2.22倍和4.0倍，潜水泵和低流速气囊泵法所得结果较为接近。对于锰的监测同样可以看出，贝勒管所测结果最高，低流速气囊泵所测结果最低，贝勒管和低流速气囊泵最大相对误差达52.6%。

对于部分无机离子监测，3种采样方法有所差异。贝勒管所采水样的氨氮质量浓度为0.49 mg/L，较另外2种方法分别高出0.05 mg/L和0.12 mg/L，方法间相对误差分别为10.2%和24.5%。对于氟化物而言，潜水泵所采水样浓度最高(0.24 mg/L)，气囊泵所得结果居中，贝勒管所采水样的氟化物质量浓度最低(0.19 mg/L)。总的来看，3种方法对2种无机离子的分析测试结果影响有所差异，浓度递变趋势不一致，但在低浓度区间方法差异不明显。

对于挥发性有机物的监测，3种采样方法差异显著。以甲醛为例，低流速气囊泵法所采水样的浓度最高，与潜水泵法的相对误差达200%，而贝勒管法甚至未检出甲醛。从三氯甲烷的测试结果来看，低流速气囊泵方法所采水样的三氯甲烷质量浓度最高(0.007 5 mg/L)，其他2种方法的测试结果均为未检出。可以看出，针对挥发性有机物的水样采取，3种方法所得监测结果迥异，并呈现了明显的规律性。

2.2 原因分析

由于自身结构和工作原理存在差异，不同的采样设备在同等条件下进行采样会产生不一样的监测结果。在使用贝勒管采样时，由于受采样器具的上下往复运动冲击，对井内水体扰动性较大，使井水浊度大幅增加。而这种高浊度会使大量原本吸附于周边地层胶质颗粒上的金属物质进入水体，从而导致重金属监测结果偏高，其真实浓度实际上是监测井周边含水岩层吸附和地下水水体的共同贡献，无法真实代表地下水目标含水层自身含有的金属浓度。因此，贝勒管采样法会导致金属类离子浓度明显偏高，这在本实验中的铁、锰监测结果上有着直观表现。

另外，在贝勒管往复提拉过程中，井中滞水受采样器推压作用影响，运动轨迹与采样器往往呈现反向运动，会产生垂直于层流方向的分速度，出现弧度摆动，使其在垂直方向出现不同程度的混合。特别是当提拉过于激烈时，流场中还会产生许多小漩涡，导致层流被破坏，继而产生湍流效果。这也是影响水样代表性，使分析测试结果出现偏差的一个重要原因。此外，贝勒管采样易受井内液面漂浮物的污染，其水样容易受到因前期成井施工作业或维护不善而引入的外来污染的影响；提拉作用会导致曝气发生，使空气中的部分氧气浸入井水中，使井内原本的还原性环境部分氧化，进而导致贝勒管法的现场溶解氧测试结果明显偏高。

当使用潜水泵进行采样时，由于抽水速率相对过大，导致水位发生了较大幅度泄降，井水水面被拉下来，诱发了垂直方向上水流交叉，导致采样区与非采样区的水产生混合，形成了一定的混合或稀释效果。垂直水流致使浊度有所升高，是导致实验中潜水泵所采水样的金属离子高于真实值的主要原因之一。另外，潜水泵工作是靠液体离心作用抽水，往往导致挥发性气体发生逸散，致使甲醛监测结果偏低，甚至未检出三氯甲烷物质。

低流速气囊泵以0.5 L/min可控的低速率进行洗井采样，使抽水速率和补水速率达到稳定平衡状态，有效地避免了井内水位的大幅度泄降，不会造成水中气体因压力骤降而散失，因此低流速气囊泵所采水样的甲醛和三氯甲烷测试结果更趋于真值。因采样时设备固定，对井内水体扰动较小，降低了水样浊度，最大程度地减弱了土壤应力，避免周边地层土壤上所吸附的金属等微小颗粒进入井内水体，防止井内滞水存在垂直梯度上的混匀，从而减弱了不同层位间污染物的迁移及周边水和井内滞水的交叉污染，能够更准确地采得目标层位的水质样品[8]。

可以看出，低流速法在洗井采样时间节约环节上也更具优势，且大大降低了二次废水产生、管理、处置的成本；微洗井采样方法降低了采水操作对监测井与含水层的冲击，减少细砂深入滤料或井筛的可能，进而增加了监测井的使用寿命；手工操作导致的人为误差引入、过滤体积、过滤膜本身(品牌种类、表面积、吸附-渗出作用)等影响，同样会使污染物分析结果产生偏差[9]。

3 结论

通过开展贝勒管、潜水泵和低流速气囊泵等3种地下水采样方法对比，得出结论：贝勒管法存在曝气、浊度增加、湍流混合和易受表层水体污染等不足，方法缺陷会影响后期污染物分析，易导致部分金属、挥发性有机物数据结果失真；潜水泵采样往往造成井内水位泄降过大、浊度一定程度升高，若结合实际条件适当调整抽水速率，可基本满足常规理化指标的监测采样；低流速采样法适宜采取含有金属类物质和挥发性有机物的水样，该方法有效地解决了操作过程中的曝气现象，对井内水体扰动较小，降低了水样浊度，避免了井内水位的大幅度泄降，减弱了不同层位间污染物的迁移及周边水和井内滞水的交叉污染，所采水样更能准确地代表目标层位水质，特别是在应用于痕量或微量理化、有机指标的监测中更为科学、合理。

[1] 中国地质调查局.地下水污染地质调查评价规范：DD2008-01[S].[2012-05-11]. http://www.docin.com/p-400199831.html2008.

[2] 陈家洵. 微洗井采样方法简介[J]. 台湾土壤及地下水环境保护协会简讯，2005(15)：11-24.

[3] 郑继天, 王建增. 国外地下水污染调查取样技术综述[J]. 勘察科学技术, 2005(6): 20-23.

[4] ROBIN M J L, GILLHAM R W. Field evaluation on well purging procedures[J]. Ground Water Monitoring Review, 1987，7(4): 85-93.

[5] PIONKE H B, URBAN J B. Sampling the chemistry of shallow aquifer systems-A case study[J]. Ground Water Monitoring Review, 1987，7(2): 79-88.

[6] PULS R W, BARCELONA M J. Low-flow (minimal drawdown) ground-water sampling procedures:EPA/540/S-95/504[S]. Washington DCUS: EPA Ground Water Issue,1995.

[7] MACFARLANE I D, KOCORNIK J L, BARRANCO F T, et al. The application of slow pumping at a manufactured gas-plant: Ground Water Monitoring and Geophysical Methods[C]. Las Vegas: Water Well Journal Publishing Company, 1992: 413-427.

[8] POWELL R M，PULS R W. Hitting the bull’s-eye in groundwater sampling[J]. Pollution Engineering, 1997, 29(6):50-54.

[9] KENNEDY V C, ZELLWEGER G W, JONES B F. Filter pore size effects on the analysis of Al, Fe, Mn, and Ti in water[J]. Water Resources Research, 1974, 10(4): 785-790.

Comparative Study of Sampling Methods in Ground Water

LI Wenpan, ZHU Qing, JI Xiaoyan, LIU Tingliang, SUN Zongguang

The State Key Laboratory of Environmental Monitoring Quality Control，China Environmental Monitoring Center，Beijing 100012, China

In this paper, three kinds of groundwater sampling are comparatively analyzed. Through systematically analyzes of the monitoring data, the significant differences in basic parameters, ions, metals, VOCs and, Sensory indexes of water sampling from the three methods are presented, and proposed the applicability of different methods. The results indicate that, the low-flow sampling,as compared to traditional methods, can effectively solve aeration in the sampling process, reduce the sample turbidity with small disturbance, minimize drawdown of the water table，avoid cross contamination resulting from mixing of different formation water with stagnant water in the well, save field time and eliminate sewage treatment costs associated with well purging and sampling. The Low-Flow sampling method is more advantage in taking representative samples.

groundwater sampling; low-flow sampling; aeration; turbidity; representative

2015-08-27;

2016-01-08

全国地下水基础环境状况调查评估项目(14413045)

李文攀(1983-)，男，北京人，硕士，工程师。

朱 擎

X830.1

A

1002-6002(2016)04- 0104- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.19