利用淋溶实验研究某污染场地土壤对地下水水质的影响

缪泽 宋炜 周瑞静 倪宝锋

摘 要：开展地下水污染调查、保护地下水环境已成为当务之急，对保障城市安全供水具有十分重要的意义。以某污染场地为研究对象，通过观察模拟不同水源形成的地表径流经不同深度土壤淋溶后的水质变化情况，研究不同土层对地下水水质的影响。结果表明土壤中存在大量的钙离子、镁离子以及硝酸盐氮等污染物，同时发现包气带土层对污染物的截留能力比表土层要强，表土层对淋溶液水质的影响比包气带土层要大。实例证明，将淋溶实验作为一种调查手段，在地下水污染调查工作的污染溯源阶段能够发挥一定的作用。

关键词：淋溶实验;包气带;含水层;地下水污染;硝酸盐氮

A leaching experiment for impact of soil on groundwater quality in contaminated site

MIAO Ze， SONG Wei， ZHOU Ruijing， NI Baofeng

（Beijing Institute of Engineering Geology， Beijing 100048， China）

Abstract： It is of great significance to carry out groundwater pollution investigation to protect groundwater environment and ensure safe water supply of cities. In this paper， the effect of different soil layers on groundwater quality is studied by carrying out leaching experiments to simulate the changes of water quality after surface runoff from different water sources is leached by soil at different depths. The results show that there are a large number of pollutants such as calcium ions， magnesium ions and nitrate nitrogen in the soil; the interception capacity of the soil layer to pollutants in the aeration zone is stronger than that of the topsoil; and the influence of the topsoil on the water quality of the leaching solution is greater than that of the soil layer in the aeration zone. The example demonstrates that the leaching experiment， as an investigation means， can play a role at the pollution traceability stage of groundwater pollution investigation.

Keywords： leaching experiment; aeration zone; aquifers; groundwater pollution; nitrate nitrogen

当前，地下水污染问题受到全社会的关注。北京作为国际上为数不多的以地下水作为主要供水水源的超大城市，地下水是北京的“生命之水”（王丽亚，2014）。随着经济和社会的发展，特别是进入21世纪以来，城市化进程的加快和区域经济的快速发展，加重了局部水资源的负荷，加剧了城市地下水的污染（郭高轩，2012;任永强，2021）。开展地下水污染调查、保护地下水环境已成为当务之急，对保障城市安全供水具有十分重要的意义。土壤作为和地下水直接接触的载体，在地下水污染的过程中起到了十分重要的作用。随着工业的快速发展，许多场地的土壤中存在着不同组分、不同程度的污染，使得土壤环境处于多组分共存的状态（贾三满等，2021;马学利，2021）。降雨在形成地表径流的过程中，携带了从大气和地面冲刷而来的各类物质，其中含有大量污染物且浓度可观。包气带是地表径流进入地下含水层的必经之路，地表径流进入包气带后形成多组分多相共存的体系，不同物质和组分间相互作用，可发生一系列复杂的化学、生化及物理过程，其中包括氧化-还原反应、沉淀-溶解反应、离子交换、水解、降解、配位以及淋溶作用。淋溶作用是指土壤物质中可溶性或悬浮性化合物，例如易溶盐、黏粒、有机质、碳酸盐和铁铝氧化物等，在渗漏水的作用下由土壤上部向下部迁移，或发生侧向迁移的过程，土壤中普遍存在这一过程（黄爽，2019）。

多年来，许多学者开展了淋溶实验研究。如：徐仁扣等（2007）利用淋溶实验研究了水杨酸对酸性土壤铝迁移的影响;刘莉等（2007）通过室内模拟酸雨土柱淋溶实验，研究了酸雨作用下三峡库区4种典型土壤盐基离子的释放特点和释放机制;冯志刚等（2012）通过模拟干热、湿热与干冷3种气候条件，以饱和CO2水作为淋溶液，对黔中岩溶区3条碳酸盐岩风化壳岩-土界面的岩粉层试样进行了淋溶实验，对淋出液的pH值以及主要造岩元素的浓度进行了动态分析;商放泽等（2012）采用田间小区试验，研究了不同施氮水平（142.5、285和427.5 kg·hm-2）對夏玉米种植期间0～500 cm包气带土壤中氮素淋溶累积的影响;张斯宇等（2018）通过淋溶实验确定了淋溶条件下土壤中重金属的累积释放特征。这些成果主要利用淋溶实验对土壤中的某项元素在不同淋溶条件下的迁移、累积和释放规律进行了研究。在地下水污染调查领域，利用淋溶实验的研究实例并不多见。本文通过在北京市某污染场地开展淋溶实验，模拟不同水源形成的地表径流经不同深度土壤淋溶后的水质变化情况，研究不同土层对地下水水质的影响，为该场地地下水污染调查工作提供一些思路。

1  材料和方法

1.1  实验材料

研究场地位于北京市西南某近郊区，场地东西长约600 m，南北宽约350 m，总面积约0.21 km2。场地第四系地下水水质存在大面积超标现象，主要超标指标为总硬度、溶解性总固体和硝酸盐氮。不同水样分别采自不同水源，土样采集是利用场地勘察孔，每孔采集表层土、包气带土2类土样，并分别混合。样品采集信息见表1，水样主要理化性质见表2，土样主要理化性质见表3。

1.2  实验方法

根据水、土要素，设计2个实验系列：一是制造表层土和包气带土2种土柱环境，研究表层和包气带不同深度土的淋溶结果，确定土层对地下水质的影响;二是以井水、雨水、河水和污水为淋溶液，研究不同水源和不同土层的作用结果。

实验共分为3个阶段：第一阶段，将不同土样放置土柱内并进行夯实，另外将井水、雨水、河水和污水4 种淋溶液的原样取好封存并检测，查明4种淋溶液的水质指标状况;第二阶段，采用井水、雨水、河水和污水淋溶（或浸泡），使淋溶液充分浸润土柱;第三阶段，按照方案时间段取水样封存并检测，查明淋溶液淋溶后的水质状况。

实验柱体外包材料为PVC管，直径15 cm，土柱高80 cm，在柱顶部连续淋入淋溶液，在柱底部接取淋出液。淋滤的速度控制在2 mL·min-1左右，为防止土柱中发生管流或指状流，入渗水流为活塞式。实验在室温下开展，采样时间为实验开始后：2 d，4 d，6 d，8 d，10 d，12 d，14 d，16 d，18 d，20 d，共计采样10次。淋溶试验共设计8组，每组淋溶试验设计20 d，同一種淋溶试剂2种土层处理同时开展，淋溶试验总天数为80 d。淋溶实验装置见图1。

2  结果与分析

根据多年监测，该场地地下水超标指标主要包括总硬度、溶解性总固体及硝酸盐氮，因此仅对这3项指标淋出液进行分析。

2.1  淋滤液中总硬度浓度变化的分析

由图2可知，不同土柱条件下淋出液中总硬度浓度整体上随淋溶时间延长呈现先升高后降低的趋势。淋溶2 d后的淋出液中总硬度明显升高，其中井水淋出液总硬度浓度分别升高了3.5%（包气带）、29.5%（表层土），雨水淋出液总硬度浓度分别升高了159.4%（包气带）、171%（表层土），河水淋出液分别升高了19.7%（包气带）、155.6%（表层土），污水淋出液分别升高了67.6%（包气带土）、125.2%（表层土），说明在淋滤土柱的过程中，淋滤溶液中的Ca2+、Mg2+未被土体吸附，而土柱中的Ca2+、Mg2+在淋滤过程中被大量淋滤或置换进入淋出液。除2组污水淋出液外，其余6组4 d后的淋出液中总硬度均远低于2 d淋出液，且随着淋溶时间的延长，各组淋出液总硬度逐渐降低，并趋于稳定。2组污水淋出液中总硬度在第6天达到峰值，并随淋溶时间延长逐渐降低，最终趋于稳定，这与污水中Na+、K+含量较高有关，易破坏土壤中难溶盐—碳酸钙、碳酸镁的电离平衡，通过阳离子交换吸附作用将土壤胶体所吸附的Ca2+、Mg2+置换出来，使它们进入水汇总，而Na+、K+却被土壤所吸附，所以Na+、K+含量较高的污水淋出液中总硬度的峰值较其他淋出液延后。8组淋出液中总硬度在不同实验日期均有较小的波动，这是因为土体中有机物质不断分解产生CO2，使CaCO3、MgCO3形成新的易溶盐，但随着淋滤液不断淋滤，最终趋于稳定。

另外，通过实验可以看出，包气带土和表层土对不同土层、不同淋溶液总硬度影响效果不同。淋溶液经过包气带土层后总硬度升高幅度小于经表层土，同时淋溶液经过表层土后总硬度的降低趋势也要慢于经包气带土，说明表层土中Ca2+、Mg2+较多，对淋溶液的影响效果较表层土较大。该场地地表黏性土厚度较薄，极易接受大气降水补给。由实验可知，经地表渗入地下含水层的过程中不断对表层土和包气带土层进行淋溶，尤其是地表污水中Na+、K+浓度较高，通过交换作用使得地层中的Ca2+、Mg2+不断进入地下水，是造成该场地总硬度整体超标的重要原因之一。

2.2  淋滤液中溶解性总固体浓度变化的分析

由图3可知，淋出液中溶解性总固体变化趋势与总硬度变化趋势相近，随着淋溶时间的增加，淋溶液中溶解性总固体呈现先升高、后降低的趋势。淋滤初始阶段，8组滤出液中溶解性总固体明显升高，其中井水淋出液分别升高了13%（包气带）、67%（表层土），雨水淋出液分别升高了70%（包气带）、186%（表层土），河水淋出液分别升高了10%（包气带）、153%（表层土），污水淋出液分别升高了33%（包气带土）、113%（表层土），这是由于土层被淋溶液完全浸没，淋溶液与土层发生一定水岩作用，将土层中含有的部分离子解析出来，并随淋滤液下渗运动，造成初始阶段淋出液中溶解性总固体含量升高。随着淋溶液的不断注入，土层中离子逐渐析出，最终达到平衡。达到平衡的过程与土层含水量有关，淋滤初期淋溶液与土层土壤发生水岩作用，溶解性总固体含量显著提升，说明淋溶液刚进入土层时水岩作用很强烈，随着淋溶液的持续淋滤，淋出液中溶解性总固体浓度逐渐降低，部分淋出液中溶解性总固体浓度低于淋溶前浓度，表明解析达到临界值后土层本身对淋溶液中溶解性总固体具有一定的吸附作用。而且不同土层对4种淋溶液中溶解性总固体的影响效果不同，4种淋溶液经过包气带土层后溶解性总固体升高幅度要远小于表层土，说明包气带中可溶解于水中的各种离子、分子、化合物等物质要低于表层土，对淋溶液的影响效果较表层土要小。

2.3  淋滤液中硝酸盐氮浓度变化的分析

有关氮素在土壤中的淋溶累积，国内外学者开展了大量的研究（Cookson et al.，2000;Torstensson et al.，2000;张丽娟等，2007;郭建华等，2008）。童川（2019）在《模拟不同降雨条件下壤土淋溶特征和细菌多样性变化研究》一文中指出，硝酸盐氮是土壤氮素流失的主要形式。土壤中硝酸盐氮的分布特征在一定程度上能表征地下水硝酸盐污染的潜力（Jabro et al.，1991），而且水量和溶质运移深度之间关系密切，Sharma等（1996）甚至发现硝酸盐氮下移与水分移动相当一致。

由图4可知，随着淋溶时间的延长，淋溶液中硝酸盐氮浓度呈现先升高、后降低的趋势。实验初期阶段，4种淋出液中硝酸盐氮的浓度均在2 d时达到峰值，且与淋溶前相比硝酸盐氮浓度增加显著，其中雨水（表层土）中硝酸盐氮浓度为淋溶前浓度的123倍，但是当淋溶水量继续增加时这种影响逐渐减弱，淋出液中硝酸盐氮浓度呈现下降趋势，最终淋出液中硝酸盐氮浓度接近甚至低于淋溶前硝酸盐氮浓度，说明土层中含有大量的氮素，且主要以硝酸盐氮形式存在，而淋溶液下渗时会溶出土层中的硝酸盐氮，随着淋溶液的不断淋滤，土层中硝酸盐氮含量逐渐降低。同总硬度和溶解性总固体类似，4种淋溶液经过包气带土层后硝酸盐氮升高幅度要远小于表层土，说明包气带中硝酸盐氮含量要低于表层土，对淋溶液的影响效果较表层土要小。

淋出液中硝酸盐氮浓度变化特征说明该场地表层土和包气带中均含有大量的氮素，且淋出液中硝酸盐氮浓度远高于4种淋溶液淋溶前硝酸盐氮浓度，地表水入渗过程中会将表层和包气带土中的硝酸盐氮淋滤至地下水中，对地下水产生持续的污染。可见，表层和包气带土壤中的氮素是地下水的硝酸盐氮污染的来源之一。

3  结论

1）从淋溶液角度看，总硬度、溶解性总固体、硝酸盐氮等指标经过淋溶后，其浓度都会先升高、后降低，并且降低速度由快到慢，最终趋势趋于平缓。分析其原因，总硬度的浓度变化主要是因为土体中的Ca2+、Mg2+含量较高，在淋滤过程中被大量淋滤或置换进入淋出液;溶解性总固体的浓度变化主要是由于土体中的可溶性物质与淋溶液发生一定的水岩作用而导致的;硝酸盐氮的浓度变化主要原因为土体中存在大量的氮素，以硝酸盐氮的形式被淋滤至淋出液中。

2）从土层角度看，不同土层对淋溶液的去污截留能力不同，包气带土层由于其自身颗粒粒径较表土层颗粒粒径要小，密度较大，所以对污染物的截留能力要强。表土層自身污染物浓度较包气带土层要高，对淋溶液水质的影响比包气带土层要大。但二者均对淋溶液具有一定的去污截留能力。

3）通过分析不同淋溶液经过不同土层后，总硬度、溶解性总固体和硝酸盐氮发生的变化，可以判定土壤中存在大量的Ca2+、Mg2+以及硝酸盐氮等污染物。

综上所述，笔者利用淋溶实验研究了不同类型的地表径流经某场地土壤后的水质变化情况，分析了地表径流在不同土层中发生的一系列物理化学反应，揭露了土壤自身存在大量的污染物质，判定这是造成该场地地下水污染的重要原因之一。可以看出，将淋溶实验作为一种调查手段应用于地下水污染溯源阶段，能够查明土壤自身污染情况和土壤组分在地下水污染过程中的作用，进而为开展地下水污染调查工作提供重要参考。

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