包气带黏性土层对氮素污染地下水的防污性能试验研究

董　佩, 李　阳, 孙　颖, 谢振华, 刘颖超

(1.北京市水文地质工程地质大队，北京　100195; 2.北京市地质工程勘察院，北京　100048)



包气带黏性土层对氮素污染地下水的防污性能试验研究

董佩1, 李阳2, 孙颖1, 谢振华1, 刘颖超1

(1.北京市水文地质工程地质大队，北京100195; 2.北京市地质工程勘察院，北京100048)

包气带土层是保护地下水的天然屏障，在阻控、拦截氮素污染源的过程中起到了重要作用。通过对北京市典型地区包气带土体进行定水位入渗的土柱淋溶试验，研究土体对于氮素的去除能力和包气带的截污容量。试验中采用了蒸馏水、再生水和河水3种不同的水源。试验结果显示，张家湾包气带土层对氮素污染地下水具有较强的截留和防护能力。对氮素的去除过程具有分段性特征，经历了较稳定和波动下降两个不同的阶段，其中稳定阶段是计算柱体去除能力的关键，提出了考虑滞后区间的时段去除率计算公式。水源对柱体的渗流速度及初期的吸附解析效应有明显影响。土体对氮素的去除作用受环境温度变化的影响，温度15 ℃左右时所达到的稳定阶段对氮素有极强的去除能力。

包气带；氮素；去除率；土柱；防污性能

0　引　言

在我国，作为主要的农作物肥料，氮肥的利用率却只有35%～40%，残留的氮肥再加上土壤中有机矿化产生的氮素经淋洗进入地下水中，形成地下水污染，且这种污染有着长期持续、广泛分布的特点[1-3]。位于地下水位以上的包气带土层是多矿物质及其他营养成分的储存库，是氮素由地表向地下传输物质和能量的过渡带，在阻控、拦截氮素污染源的过程中起到了主要的屏障作用，迁移中的氮素在进入地下水前在包气带中得以消纳[4]。

在地下水环境研究的学术领域，最初侧重于对土壤肥料氮素的作物利用、淋失、运移、残留、滞留、转化及发生条件和各途径流失量方面的研究[6]。此后，为了可以反映土壤中溶质运移原理和作物吸收的特点，许多学者进行了土壤溶质运移方面的模拟研究[7-11]。

由于包气带环境复杂，以上研究均具有一定的局限性，很难得到普遍适用的方法来计算评价包气带截污量。因此有必要针对某一地区典型土采用室内模拟试验的方式来寻求计算该地区包气带土体截污能力的方法[17-18]，为研究区包气带土层对氮素污染地下水的防护能力研究服务。

1　材料与方法

试验土样采自北京市通州区张家湾镇国土资

源部平原区地下水—北京野外基地。该试验场地处潮白河冲洪积扇的中下部，第四系主要为河流冲洪积作用形成，厚度为150 m左右，代表着北京平原区冲洪积扇中下部大部分区域的表层地质环境。包气带岩性以砂质粉土、黏质粉土为主。对黏质粉土土样进行风干后，进行筛分试验测定粒径级配特征，利用比重瓶法测定其干密度。其基本特性如表1所列。

采用土柱试验的形式，在内径为18.6 cm、高度为120 cm的有机玻璃柱内分层装填风干土样，为防止优先流等的影响，装填前横向打磨柱体内壁，并均匀涂抹凡士林。装填前土柱底部填埋约8 cm厚的石英砂，石英砂上铺一张不锈钢丝网，以防止上部砂体漏入下部石英砂中。石英砂作为承托层对上部土体起到支撑作用，同时缓冲试验过程中水流对土柱的影响。石英砂上部装填高度为50 cm的土样。土柱装填完毕后，在土体上方也放置滤网及厚度约5 cm的石英砂，对土柱有压实作用。试验装置如图1所示[19-20]。

图1　试验装置图Fig.1　Apparatus of the experiment

岩性物理性质天然含水率/%天然密度/(g/cm3)干密度/(g/cm3)密度/(g/cm3)饱和度/%孔隙比颗粒组成百分比/%粒径大小/mm0.25～0.0750.075～0.050.05～0.005<0.005黏质粉土26.31.861.472.7860.842.743.343.610.4

表2　试验水源主控指标

注：括号内数据为平均浓度。

为了真实反映实际情况，分别采用蒸馏水、当地的再生水及天然河水作为水源，装填Z1、Z2和Z33个土柱进行试验(下标1是蒸馏水，2是再生水，3是天然河水)，柱体装填厚度为50 cm。蒸馏水试验的目的是为了揭示无污染物输入的情况下(降雨、洁净水灌溉等)，土体本身在饱和渗流的情况下输出污染物的情况。采用由上至下的进水方式由马氏瓶进行定水位供水。根据预试验，所取水源7天内氮素成分不会发生变化，所以污水水源使用一般不超过7天。

图2　Z1土柱各离子出水浓度变化图Fig.2　The curves of effluent concentrations in sand column Z1

2　结果与分析

2.1淋洗效应分析

经一系列水样分析及数据整理, 以各离子出水浓度(单位：mg/L)为纵坐标, 孔隙体积数(累计渗出液体积与柱体孔隙体积的比值)为横坐标, 作出柱体渗出液中各个离子的浓度变化曲线。累计渗出液体积是柱底渗出水的累计, 柱体孔隙体积是一常量, 因此横坐标间接反映了水由上往下渗透的时间过程。

由TN渗漏量变化图(图3)可知，一般初期土柱内氮素很快被淋洗，而后渗漏量缓慢增加，说明柱体淋洗阶段持续时间较短，随后由于柱体内土壤的去除作用而使渗漏减弱。

由图2和图3可以明显地看出，孔隙体积数为1左右时，柱体的淋洗基本结束，因此可以根据此现象计算孔隙体积数为1时的淋出量，对比不同水源初期淋洗效应的差异，也可以据此划分试验阶段。

表3　各柱体单位淋失量

2.2去除分析

图3　Z1、Z2土柱TN渗漏量变化图Fig.3　The curves of TN leakage in sand column Z1 and Z2

污染水体经过砂柱时，由于各种物理、化学、生物效应而使进水的污染物组分含量发生了变化，针对某一污染组分，某一时段内其进入量与排出量的差值与进入量的比值定义为这一污染组分的时段去除率，使用时段去除率表征污水入渗条件下不同土体对氮素的截留性能。试验过程中，土柱上方始终保持一定高度的自由水体，且由表2可知，所用水源水质波动性大，因此实际的进水浓度随当日水源浓度有递变的过程，数据使用时采用完全混合模型做了适当的处理。

图4是经过修正的Cl-进出水浓度关系曲线，从图中可以看出，Cl-进出水浓度在试验过程中变化不大，柱体对Cl-基本无去除能力，说明Cl-作为参考示踪离子是可行的。Cl-进出水浓度对应关系明显，且与渗流的孔隙体积数关系密切，可为计算各氮素的去除率提供参考。以渗流的孔隙体积数为主线，结合Cl-进出水浓度关系，确定进出水的滞后区间，计算各组分时段去除率。计算公式如下：

式中：Ci为第i天的进水浓度；Vi为第i天的进水量;Ci+t为第i+t天的出水浓度；Vi+t为第i+t天的出水量；t为根据渗流速度与Cl-离子进出水浓度确定的滞后区间，每时段不同。

图4　Z2、Z3土柱Cl-进出水浓度关系曲线Fig.4　The curves of influent and effluent concentrations of Cl- in sand column Z2 and Z3

柱体稳定 时长/dNH+4平均去除率/%NH+4单位去除量/ (mg/(d·kg))NO-3平均去除率/%NO-3单位去除量/ (mg/(d·kg))TN平均去除率/%TN单位去除量/(mg/(d·kg))Cl-平均去除率/%Z219299.100.7395.100.50694.603.0364.00Z312499.600.16497.000.30090.700.687-5.00

图6　TN时段去除率与温度变化曲线Fig.6　Changes in period removal rate and temperature of TN

由表4数据可知，张家湾黏质粉土在稳定时期对于氮素有极强的去除能力，且水源对氮素去除率有一定影响，表现为河水水源柱体的去除率要略小于再生水水源柱体，单位去除量受水源浓度影响明显。

3　结　论

通过对北京市张家湾地区广泛分布的黏质粉土进行定水位入渗的土柱淋溶试验，研究土体对于氮素的去除能力和包气带的截污容量，试验中采用了蒸馏水、再生水和河水3种不同的水源，试验结果显示：

(1)张家湾包气带土层对氮素污染地下水具有较强的截流和防护能力。

(2)试验所选入渗水源对柱体的渗流速度有一定的影响，且对初期淋洗量影响尤其明显。

(3)试验土层对氮素的去除过程具有分段性特征，经历了较稳定和波动下降两个不同的阶段。其中稳定阶段是计算柱体去除能力的关键。

(5)环境温度对氮素的去除作用也有显著影响，因此在讨论去除作用时要限定温度条件。试验可知黏质粉土在温度15 ℃左右时微生物活动频繁，微生物代谢产物大分子胞外聚合物堵塞土柱孔隙，造成土柱渗透系数逐渐减小, 水力停留时间增长, 有利于包气带对氮素的降解，此时所达到的稳定阶段对氮素有极强的去除能力，单位去除量与进水浓度关系明显。污水入渗柱体在经历一系列效应后会在一定时期进入稳定期，这一稳定时期即是计算柱体去除能力的关键。

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Experimental Study on the Filtration Capability of Clayey Soils in the Vadose Zone Prevention Nitrogen from Polluting Groundwater

DONG Pei1, LI Yang2, SUN Ying1, XIE Zhenhua1, LIU Yingchao1

(1.BeijingInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeology,Beijing100195,China;2.BeijingInstituteofGeologicalandProspectingEngineering,Beijing100048,China)

The soil of unsaturated zone acts as a natural protector to the groundwater and it plays an important role in blocking the pollutants. Antifouling property in prevention nitrogen from polluting groundwater has been investigated through soil column leaching experiments. Three different sources-distilled water, recycled water and river water are used in the test. It is demonstrated that the soil used in the test has a strong capability in prevention nitrogen from polluting groundwater and the denitrification shows two different stages-stable and vola-tility dropped wherein the stable phase is the critical stage to compute the capacity. This papers presented a formula which considered the interval removal. The water sources have a significant effect on the flow rate and adsorption effects. The capability is affected by temperature changes. The column showed a strong ability to remove nitrogen when the temperature reached about 15 ℃.

vadose zone; nitrogen; removal rate; soil column; antifouling property

2015-06-16；改回日期：2015-12-23；责任编辑：楼亚儿。

董佩，女，博士，1985年出生，水文地质学专业，主要从事包气带土壤水方面的研究。Email: dongpei1985@126.com。

P641

A

1000-8527(2016)03-0688-07