地面渗水法补给地下水有机物迁移室内试验

刘帅 郑晴阳 王维平 张郑贤 李凤丽 曲士松

摘要：黄河水中，细颗粒悬浮物吸附痕量有机污染物，采用常规水处理技术，效果不佳。利用地面渗水法进行浅层地下水的补给，可以有效改善黄河水水质。利用砂柱试验模拟地面渗水法补给地下水过程中有机污染物的迁移过程，将黄河供水优先控制的阿特拉津作为污染物，黄河水所含黏土矿物中比例最大的蒙脱石作为胶体，进行痕量有机物在饱和稳定流非均匀孔隙介质中的迁移试验，结果表明：胶体蒙脱石对有机污染物阿特拉津在砂卵砾石层的迁移有一定促进作用;采用平衡和非平衡模型对试验结果进行拟合，拟合效果较好，说明该模型可以用来预测分析与胶体有关的有机污染物在饱和稳定流非均匀多孔介质中的迁移。

关键词：地面渗水法;砂柱试验;吸附;胶体;阿特拉津

中图分类号：TV212.5

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 13 79.2019.01.017

黄河流经我国9省（区），接纳了流域内大量工业、生活污水和农业面源污染物¨]。黄河是高含沙河流，一方面黄土高原的水土流失产生了大量泥沙，另一方面泥沙吸附了许多污染物，包括重金属、有机物（可降解的和难降解的）.其中持久性有机污染物的特点是滞留期长、难降解、不易清除。黄河水作为山东省主要供水水源，利用常规水处理技术难以处理水中的痕量有机污染物，水质问题十分突出。山东省引黄灌区普遍采用地面渗水法进行浅层地下水补给，研究通过一维砂柱试验，模拟地面渗水法补给浅层地下水过程中阿特拉津（黄河作为饮用供水的8种优先控制污染物之一[2]）的迁移。在试验的基础上，对此建立数学模型进行分析。

与固体颗粒相比，胶体有较多自由电荷和巨大的比表面积，当与微生物、微量元素、放射性物质接触时，很容易产生吸附效果[3]。在一定条件下，可移动的胶体对强烈吸附的污染物提供了一个相关的迁移路径。移动性强的黏土矿物作为一种载体，能够促进污染物在地下水中的迁移[4]。相关砂柱试验表明，石英砂柱对于屋面雨水径流中的浊度和悬浮物的净化效果明显[5]。关于阿特拉津的试验，大部分在室内进行，有吸附试验、降解试验、土柱试验，其土柱大多为非饱和状态[6]。

济南市玉符河位于济南泉域西部，上游已建成3个MAR工程，将水库调蓄的当地地表水、泵站提升的黄河水放人到玉符河渗漏带，通过河道卵砾石层补给到下伏的岩溶含水层，增加该区域岩溶水量，维持高水位.促进济南泉水喷涌。同时减少岩溶地下水的开采量，进行回灌补源[7]。岩溶含水层防污性能差，一旦污染物进入，很容易扩散，从而造成不利影响。因此，研究污染物在砂卵砾石层中的吸附和迁移规律，对MAR工程的长期运行意义重大。

1 试验研究

1.1 试验材料和设备

试验中所需材料为阿特拉津粉末、黏土矿物蒙脱石粉末、砂卵砾石、甲醇（分析纯）、蒸馏水、食盐。试验所需仪器为蠕动泵（BT100 -2J）、高效液相色谱仪（戴安U-3000）、电导率仪、浊度仪（TL2300）、离心机、振荡器、天平、有机玻璃柱。高效液相色谱仪的色谱条件为Symmetry Shield C18柱对称屏蔽，色谱柱为4.6mmx250 mmx5 μm;流动相甲醇：水为60：40（V/V）;流速为0.8 mL/min;保留时间为7.8 min[8]。

1.2 吸附试验

分别进行阿特拉津等温吸附试验、砂土等温吸附试验和阿特拉津动力学试验，并绘制各自的等温吸附曲线，了解砂和蒙脱石对阿特拉津的吸附情况，为数学模拟的参数确定提供基础。

（1）使用天平称取Sg砂样，放置在250 mL锥形瓶中，每个锥形瓶分别添加20.00 mL浓度为5、10、15、20、30 mg/L的阿特拉津溶液，在恒温（25±1）℃条件下以180 r/min机械震荡24 h后，以4 000 r/min离心分离15 min，用0，45 μm的水系滤膜过滤后，取上清液，用液相色谱仪测定溶液中阿特拉津的浓度。

（2）称取0.2 g蒙脱石粉末进行同上试验。

（3）使用天平准确称取5g砂样和1.5 g蒙脱石粉末，放置在250 mL锥形瓶中，每个锥形瓶分别添加20mL浓度为20 mg/L的阿特拉津溶液，放置在振动器上在（25±1）℃条件下以180 r/min機械振荡2、4、6、8、12、24、25 h后取出，装入50 mL离心管中以4 000 r/mm离心分离15 min.取上清液，过0.45 μm滤膜后，用高效液相色谱仪测定溶液中阿特拉津的浓度。

吸附效果见图1～图3，从吸附量上可以看出，蒙脱石粉末的吸附效果明显优于砂卵砾石的。在动力学试验中，前Sh的吸附量较大.24 h后吸附量趋于平衡。

1.3 砂柱装置准备

试验采用柱长1.50 m、内径0.14 m的有机玻璃柱，向有机玻璃柱中填充前冲洗干净砂卵砾石。首先在底部铺设一层2—3 cm的砾石层、铺设一层锦纶丝网，防止砂层被水流破坏，同时防止进水口与出水口被堵塞，然后填充砂卵砾石至柱高Im处，最后在顶部加入一个2 cm左右的隔板防止砂样流出。通过水管从下往上缓慢注水，排空砂柱内空气，反复注水2～3次，直至砂柱达到饱和。

用蠕动泵恒速供水稳定砂柱，使砂柱出流速度和人流速度一致，注入样品50 L.在样品注入完成后及时向桶中加入蒸馏水。室内砂柱试验条件：砂柱填充的有效长度L为1 m.砂卵砾石的孔隙率θ为46.15%.砂卵砾石的容重p为2.13g/cm，砂卵砾石层的孔隙体积VO为7.1 L，试验过程的稳定流量v为125 mL/mm，砂卵砾石的渗透系数k为14.25 m/d。

填充砂柱的含水层材料具有性质相似的不同尺寸级分：有效粒度（d10）0.2 mm，平均粒度（d50） 1.9 mm，均匀性（ d60/dl0） 25.2。所有砾石的粒径均小于60mm.砾石级配曲线见图4，试验装置见图5。

1.4 砂柱对比试验

（1）首先进行标准试验，向砂卵砾石柱中加入总量为10 L的NaCl溶液，当其浓度达到顶峰时停止供给，在溶液供给结束时恢复供给自来水直至试验结束。由于盐浓度变化快，因此在出水孔处每5 min取一次样，取样总时长为3h.通过电导率仪测定NaCl的浓度变化，并绘制砂柱的标准穿透曲线。

（2）将砂柱冲洗干净后，向砂卵砾石柱中注入总量为50 L浓度为20 mg/L的阿特拉津溶液，在溶液供给结束时恢复供给蒸馏水直至试验结束，每15 min取一次样，通过高效液相色谱仪测定阿特拉津的浓度变化，并绘制污染物阿特拉津在砂柱中正常运移的穿透曲线。

（3）通过大量清水将砂柱冲洗干净后，向砂卵砾石柱中注入总量为50 L的蒙脱石胶体（5 NTU）和浓度为20 mg/L的阿特拉津溶液，在溶液供给结束时恢复供给自来水直至试验结束，每15 min取一次样，并通过高效液相色谱仪测定污染物阿特拉津的浓度变化，绘制污染物阿特拉津在胶体情况下的穿透曲线，并结合数学模型及CXTFIT2.1软件模拟其运移过程[9]，以此预测分析与胶体有关的有机污染物在饱和稳定流非均匀多孔介质中的迁移。

2 数学模型的建立

2.1 平衡CDE模型

将砂柱物理模型概化为一维非均质各相不同性饱和稳定流溶质迁移模型。在稳定流且只考虑吸附作用时，采取平衡对流弥散方程来描述溶质在一维介质中的迁移：

3 结果分析

3.1 示踪剂盐穿透曲线

用穿透曲线来表示出流液相对浓度与时间的关系。通过室内砂柱试验分别得到示踪剂盐的穿透曲线、阿特拉津砂柱穿透曲线和蒙脱石存在时阿特拉津砂柱穿透曲線，并应用CXTFIT2.1软件对试验数据进行拟合。示踪剂盐的穿透曲线基本对称（见图6），没有出现双峰和拖尾现象。

3.2 阿特拉津穿透曲线

用非平衡CDE模型分别拟合有无蒙脱石存在时阿特拉津在砂柱中运移的穿透曲线（见图7、图8）。与盐的穿透曲线对比，阿特拉津的穿透曲线明显不对称，说明阿特拉津在砂柱运移过程为物理和化学的非平衡状态：有蒙脱石存在时的阿特拉津穿透时间明显早于无蒙脱石时阿特拉津的穿透时间，说明蒙脱石促进了阿特拉津在砂柱中的运移。

4 结论

（1）通过稳态条件下示踪剂盐和阿特拉津在饱和非均质砂层中的砂柱试验，得到了反映阿特拉津非平衡运移机制的穿透曲线，并对穿透曲线进行拟合，结果表明：阿特拉津与无机盐对比，砂卵砾石对阿特拉津迁移有一定阻碍作用：没有蒙脱石胶体时，阿特拉津的迁移明显慢于有胶体的，即蒙脱石胶体对有机污染物阿特拉津的迁移有一定促进作用。

（2）采用平衡和非平衡模型对试验结果进行拟合，拟合效果较好，说明该模型可以用来预测分析与胶体有关的有机污染物在饱和稳定流非均匀多孔介质中的迁移。

（3）试验结果表明，玉符河利用黄河水回灌岩溶含水层，黏土矿物胶体可以促进阿特拉津在砂卵砾石层中的迁移，因此应采取预防措施，减少外源性黏土矿物胶体侵入。

参考文献：

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