重 金 属 在 含 水 层 迁 移 实 验 方 案 设 计

白 静, 赵勇胜, 秦传玉

(吉林大学 地下水资源与环境教育部重点实验室，长春 130021)

0 引 言

进入到地下水中的重金属很难被生物降解，主要通过一系列的物理化学作用进行迁移转化，严重污染地下水[1-3]，会在地下水流向上形成具有一定浓度梯度的污染物的羽状体[4-5]，因此了解和掌握重金属在地下水中的迁移规律[4-6]，对于污染的风险评估[7-9]以及后续的修复治理[10-12]至关重要。重金属在含水层的迁移是污染场地控制与修复课程实验课的重要实验项目之一，对于培养环境工程专业本科生的专业素质及能力，具有重要意义[13-15]。重金属在含水层的迁移实验采用自主设计的二维有机玻璃槽作为实验装置，以硝酸镉为目标污染物，以蠕动泵控制污染源的泄露速度，分析不同泄露时间下Cd2+在地下水中的浓度分布，研究Cd2+的迁移规律，同时对比不同地下水流速和泄漏量对Cd2+迁移规律的影响。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

硝酸镉，0.25～0.5 mm中砂，10 mL注射器，3号胶塞，0.22 μm水系滤膜，10 mL塑料离心管，滤布，马氏瓶，止水夹，乳胶管，二维有机玻璃模拟槽，万分之一天平，蠕动泵，原子吸收分光光度计等。

1.2 实验方法

实验在二维有机玻璃模拟槽中进行，模拟槽尺寸(长×宽×高)为400 mm×150 mm×250 mm，模拟槽正面分布有12个取样口，用于取地下水水样，在模拟槽的左侧下部和右侧上部分布进水口和溢流口。在模拟槽内左右两侧铺放滤布，槽内填装一定高度的中砂，填装过程中少量多次装入并不断夯实，同时将地下水取样针埋设在取样口位置处。槽体左右两侧的进水口和溢流口控制地下水流速分别为0.1、0.5、2.5 m/d，待地下水流速稳定后，在图示位置以一定的流速注入一定浓度的硝酸镉溶液，以初始注入时间为计时零点，20、40和60 min在全部取样口分别取水样，同时在7号和11号取样口每隔5 min取水样，分析Cd2+在地下水中的浓度变化.

60 min后切断污染源，在7号和11号取样口处每5 min取水样，分析Cd2+在切断污染源后的浓度变化趋势。实验过程中取得的全部水样，均过0.22 μm水系滤膜后，以原子吸收测定其吸光度值。实验装置示意图见图1。

1-污染物溶液，2-蠕动泵，3-止水夹，4-二维模拟槽，5-污染物泄露槽，6-滤布，7-取样品，8-进水口，9-排水口，10-溢流口，11-取样口

图1 重金属在含水层迁移模拟实验示意图

2 结果与讨论

2.1 泄露过程中Cd2+的浓度变化

自上而下以模拟槽第3行取样口连线为横坐标，左侧第1列取样口连线为纵坐标，不同泄露时间下取样口处Cd2+的浓度分布见图2～4。由图2可以看出：在泄露初始的20 min内，随着地下水流动，Cd2+浓度不断扩大，在泄漏点附近形成了Cd2+的污染羽，泄漏点附近Cd2+的浓度不到1 mg/L。以0.2 mg/L的浓度锋面为例，在泄露第20 min时，纵向上的迁移距离达到15 cm，横向上的迁移距离为12 cm。这说明，进入到地下水中的Cd2+浓度随着地下水流动在含水层介质中进行了迁移，对流作用起主导作用，同时在垂向上，由于弥散及分子扩散作用，也形成了一定浓度梯度的Cd2+污染羽。

图2 20 min时Cd2+在地下水中浓度分布

图3 40 min时Cd2+在地下水中浓度分布

图4 60 min时Cd2+在地下水中浓度分布

随着泄露时间延长，Cd2+的污染羽持续增大，泄漏点附近Cd2+的浓度逐渐增加，最高达到5.1 mg/L，在泄露第40 min时，0.2 mg/L的浓度锋面在纵向上的迁移距离达到20 cm，在垂向上迁移距离仅增加了3 cm。

泄露时间达到60 min时，泄漏点附近Cd2+的浓度达到8.95 mg/L，0.2 mg/L的浓度锋面在纵向上已经迁移出模拟槽，而在垂向上的迁移仅为16 cm。

对比图2～4中0.2 mg/L Cd2+的浓度锋面可知：尽管在纵向和垂向上均形成了Cd2+的污染羽，但是纵向的迁移距离始终大于垂向，这表明在该实验条件下，由于地下水的流动而产生的对流作用是影响Cd2+迁移的主要因素。

2.2 污染源切断前后7、11号取样口浓度变化

由图5可知：在污染源切断前，7号和11号取样口处水样中Cd2+的浓度在前10 min没有检出，随着泄露时间的延长，Cd2+的浓度开始检出并不断增加，在第60 min时，7号和11号取样口处Cd2+的浓度达到最大值，分别为6.5和5.3 mg/L。在前60 min内，7号取样口处Cd2+的浓度始终高于11号，这是由于7号取样口所处位置距离泄漏点更近的缘故。

图5 7和11号取样口处Cd2+浓度变化

切断污染源后，7号取样口处Cd2+的浓度逐渐下降，在切断污染源20 min后，由于地下水的稀释作用，浓度降低到2.6 mg/L。11号取样口处Cd2+的浓度则出现了短暂上升随后下降的趋势，这可能是在切断污染源的5 min内，流经11号取样口的地下水中携带了较高浓度的Cd2+，之后受地下水稀释作用，Cd2+的浓度开始出现下降趋势，最终浓度降为3.2 mg/L。由图5还可知，在切断污染源后，7号取样口处Cd2+的浓度小于11号取样口，这是由于7号取样口处在地下水水流上游，受地下水稀释作用更明显，但随着时间延续，两个取样点Cd2+的浓度趋于接近。

2.3 地下水流速对Cd2+浓度分布的影响

实验中对比分析了地下水流速对Cd2+迁移的影响，图6为地下水流速0.1 m/d时，污染源泄露20 min后，Cd2+在地下水中的浓度分布。以0.2 mg/L浓度锋面为例，分析地下水流速对Cd2+迁移的影响，由图可知：纵向上迁移距离不足15 cm，而垂向迁移距离远远超过15 cm，这说明地下水流速较小时，对流作用受到影响。

图6 地下水流速0.1 m/d时Cd2+的浓度分布

图7给出了地下水流速为2.5 m/d时，地下水中Cd2+的浓度分布，同样以0.2 mg/L的浓度锋面为例分析，在泄露60 min后，纵向上已经迁移出模拟槽，而垂向上的迁移距离不足12 cm，对比分析可知，地下水流速增大时，对流作用加强。

图7 地下水流速2.5 m/d时Cd2+的浓度分布

3 结 论

(1) 硝酸镉泄露到含水层后，会在纵向和垂向上形成Cd2+的污染羽，随着泄露时间延长，污染羽的范围不断扩大。0.5 m/d的地下水流速时，0.2 mg/L的浓度迁移锋面在纵向上的迁移距离要大于垂向，这是由于地下水流动导致的，此时对流作用起主导作用。

(2) 切断污染源后，7号取样口Cd2+浓度逐渐下降，11号取样口Cd2+浓度短暂上升后逐渐下降，这主要与距离污染源的位置有关。

(3) 流速较慢时，Cd2+在纵向的迁移速度小于垂向，弥散作用显著；地下水流速较快，Cd2+在纵向的迁移速度大于垂向，对流作用明显。

参考文献(References)：

[1] 杨 彦,于云江,魏伟伟,等.常州市千层地下水重金属污染地城区城郊居民健康风险评价[J].环境化学,20136,32(2): 202-211.

[2] 姚柏华,唐名富,周洁军,等.广西某铅锌矿区水文地质及地下水重金属污染途径分析[J].矿产与地质, 2015,29(1): 110-113.

[3] 马 闯,杨 军,雷 梅,等.北京市再生水灌溉对地下水的重金属污染风险[J].地理研究,2012,31(12): 2250-2258.

[4] 王照宜,潘伟斌,陈 捷,等.Cr、Ni、Cu 和Cd 在珠三角某区域工业污染场地包气带和潜水层中的迁移规律[J].环境工程学报,2016,10(12): 7326-7332.

[5] 周元祥,岳书仓,周涛发. 安徽铜陵杨山冲尾矿库尾砂重金属元素的迁移规律[J].环境科学研究,2010,23(4):497-503.

[6] 王沛芳, 胡 燕,王 超,等.动水条件下重金属在沉积物-水之间的迁移规律[J].土木建筑与环境工程,2012,34(3): 151-158.

[7] 林曼利,桂和荣,彭位华,等.典型矿区深层地下水重金属含量特征即健康风险评价-以皖北矿区为例[J]. 地球学报,2014,35(5):589-598.

[8] 苏耀明,陈志良,雷国建,等.多金属矿区土壤重金属垂向污染特征即风险评估[J].生态环境学报,2016, 25(1): 130-134.

[9] 贺亚雪,代朝猛,苏益明,等.地下水重金属污染修复技术研究进展[J].水处理技术,2016,42(2): 1-5.

[10] 祁宝川,韩志勇,陈吉祥.PRB修复重金属污染地下水的反应介质研究进展[J].应用化工,2017,46(4): 749-759.

[11] 马会强,吴 束,李 爽. 零价铁渗透性反应墙原位修复含砷地下水的柱实验研究[J].环境工程学报,2017,11(1): 33-40.

[12] 郝大程,周建强,王 闯,等.重金属污染土壤的植物仿生和植物修复比较研究[J].生物技术通报,2017,33(2):66-71.

[13] 邓广涛,崔志恒,赵俊伟,等.改革实践教学管理培养创新能力[J].实验室研究与探索,2013,32(6): 349-352.

[14] 郭亚利,冯辉宗,穆仁龙,等.以实践能力培养为核心的实践教学体系构建与实践[J].实验室研究与探索,2011,30(7): 324-333.

[15] 厉旭云，梅汝焕，叶治国，等.高校实验教学研究的发展及趋势[J].实验室研究与探索,2014,33(3): 131-135.