繆澤 宋煒 周瑞靜 倪寶鋒

摘 要：開展地下水污染調(diào)查、保護(hù)地下水環(huán)境已成為當(dāng)務(wù)之急，對(duì)保障城市安全供水具有十分重要的意義。以某污染場(chǎng)地為研究對(duì)象，通過觀察模擬不同水源形成的地表徑流經(jīng)不同深度土壤淋溶后的水質(zhì)變化情況，研究不同土層對(duì)地下水水質(zhì)的影響。結(jié)果表明土壤中存在大量的鈣離子、鎂離子以及硝酸鹽氮等污染物，同時(shí)發(fā)現(xiàn)包氣帶土層對(duì)污染物的截留能力比表土層要強(qiáng)，表土層對(duì)淋溶液水質(zhì)的影響比包氣帶土層要大。實(shí)例證明，將淋溶實(shí)驗(yàn)作為一種調(diào)查手段，在地下水污染調(diào)查工作的污染溯源階段能夠發(fā)揮一定的作用。

關(guān)鍵詞：淋溶實(shí)驗(yàn);包氣帶;含水層;地下水污染;硝酸鹽氮

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

當(dāng)前，地下水污染問題受到全社會(huì)的關(guān)注。北京作為國際上為數(shù)不多的以地下水作為主要供水水源的超大城市，地下水是北京的“生命之水”（王麗亞，2014）。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，城市化進(jìn)程的加快和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加重了局部水資源的負(fù)荷，加劇了城市地下水的污染（郭高軒，2012;任永強(qiáng)，2021）。開展地下水污染調(diào)查、保護(hù)地下水環(huán)境已成為當(dāng)務(wù)之急，對(duì)保障城市安全供水具有十分重要的意義。土壤作為和地下水直接接觸的載體，在地下水污染的過程中起到了十分重要的作用。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，許多場(chǎng)地的土壤中存在著不同組分、不同程度的污染，使得土壤環(huán)境處于多組分共存的狀態(tài)（賈三滿等，2021;馬學(xué)利，2021）。降雨在形成地表徑流的過程中，攜帶了從大氣和地面沖刷而來的各類物質(zhì)，其中含有大量污染物且濃度可觀。包氣帶是地表徑流進(jìn)入地下含水層的必經(jīng)之路，地表徑流進(jìn)入包氣帶后形成多組分多相共存的體系，不同物質(zhì)和組分間相互作用，可發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)、生化及物理過程，其中包括氧化-還原反應(yīng)、沉淀-溶解反應(yīng)、離子交換、水解、降解、配位以及淋溶作用。淋溶作用是指土壤物質(zhì)中可溶性或懸浮性化合物，例如易溶鹽、黏粒、有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽和鐵鋁氧化物等，在滲漏水的作用下由土壤上部向下部遷移，或發(fā)生側(cè)向遷移的過程，土壤中普遍存在這一過程（黃爽，2019）。

多年來，許多學(xué)者開展了淋溶實(shí)驗(yàn)研究。如：徐仁扣等（2007）利用淋溶實(shí)驗(yàn)研究了水楊酸對(duì)酸性土壤鋁遷移的影響;劉莉等（2007）通過室內(nèi)模擬酸雨土柱淋溶實(shí)驗(yàn)，研究了酸雨作用下三峽庫區(qū)4種典型土壤鹽基離子的釋放特點(diǎn)和釋放機(jī)制;馮志剛等（2012）通過模擬干熱、濕熱與干冷3種氣候條件，以飽和CO2水作為淋溶液，對(duì)黔中巖溶區(qū)3條碳酸鹽巖風(fēng)化殼巖-土界面的巖粉層試樣進(jìn)行了淋溶實(shí)驗(yàn)，對(duì)淋出液的pH值以及主要造巖元素的濃度進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析;商放澤等（2012）采用田間小區(qū)試驗(yàn)，研究了不同施氮水平（142.5、285和427.5 kg·hm-2）對(duì)夏玉米種植期間0～500 cm包氣帶土壤中氮素淋溶累積的影響;張斯宇等（2018）通過淋溶實(shí)驗(yàn)確定了淋溶條件下土壤中重金屬的累積釋放特征。這些成果主要利用淋溶實(shí)驗(yàn)對(duì)土壤中的某項(xiàng)元素在不同淋溶條件下的遷移、累積和釋放規(guī)律進(jìn)行了研究。在地下水污染調(diào)查領(lǐng)域，利用淋溶實(shí)驗(yàn)的研究實(shí)例并不多見。本文通過在北京市某污染場(chǎng)地開展淋溶實(shí)驗(yàn)，模擬不同水源形成的地表徑流經(jīng)不同深度土壤淋溶后的水質(zhì)變化情況，研究不同土層對(duì)地下水水質(zhì)的影響，為該場(chǎng)地地下水污染調(diào)查工作提供一些思路。

1? 材料和方法

1.1? 實(shí)驗(yàn)材料

研究場(chǎng)地位于北京市西南某近郊區(qū)，場(chǎng)地東西長約600 m，南北寬約350 m，總面積約0.21 km2。場(chǎng)地第四系地下水水質(zhì)存在大面積超標(biāo)現(xiàn)象，主要超標(biāo)指標(biāo)為總硬度、溶解性總固體和硝酸鹽氮。不同水樣分別采自不同水源，土樣采集是利用場(chǎng)地勘察孔，每孔采集表層土、包氣帶土2類土樣，并分別混合。樣品采集信息見表1，水樣主要理化性質(zhì)見表2，土樣主要理化性質(zhì)見表3。

1.2? 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)水、土要素，設(shè)計(jì)2個(gè)實(shí)驗(yàn)系列：一是制造表層土和包氣帶土2種土柱環(huán)境，研究表層和包氣帶不同深度土的淋溶結(jié)果，確定土層對(duì)地下水質(zhì)的影響;二是以井水、雨水、河水和污水為淋溶液，研究不同水源和不同土層的作用結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)共分為3個(gè)階段：第一階段，將不同土樣放置土柱內(nèi)并進(jìn)行夯實(shí)，另外將井水、雨水、河水和污水4 種淋溶液的原樣取好封存并檢測(cè)，查明4種淋溶液的水質(zhì)指標(biāo)狀況;第二階段，采用井水、雨水、河水和污水淋溶（或浸泡），使淋溶液充分浸潤土柱;第三階段，按照方案時(shí)間段取水樣封存并檢測(cè)，查明淋溶液淋溶后的水質(zhì)狀況。

實(shí)驗(yàn)柱體外包材料為PVC管，直徑15 cm，土柱高80 cm，在柱頂部連續(xù)淋入淋溶液，在柱底部接取淋出液。淋濾的速度控制在2 mL·min-1左右，為防止土柱中發(fā)生管流或指狀流，入滲水流為活塞式。實(shí)驗(yàn)在室溫下開展，采樣時(shí)間為實(shí)驗(yàn)開始后：2 d，4 d，6 d，8 d，10 d，12 d，14 d，16 d，18 d，20 d，共計(jì)采樣10次。淋溶試驗(yàn)共設(shè)計(jì)8組，每組淋溶試驗(yàn)設(shè)計(jì)20 d，同一種淋溶試劑2種土層處理同時(shí)開展，淋溶試驗(yàn)總天數(shù)為80 d。淋溶實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

2? 結(jié)果與分析

根據(jù)多年監(jiān)測(cè)，該場(chǎng)地地下水超標(biāo)指標(biāo)主要包括總硬度、溶解性總固體及硝酸鹽氮，因此僅對(duì)這3項(xiàng)指標(biāo)淋出液進(jìn)行分析。

2.1? 淋濾液中總硬度濃度變化的分析

由圖2可知，不同土柱條件下淋出液中總硬度濃度整體上隨淋溶時(shí)間延長呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。淋溶2 d后的淋出液中總硬度明顯升高，其中井水淋出液總硬度濃度分別升高了3.5%（包氣帶）、29.5%（表層土），雨水淋出液總硬度濃度分別升高了159.4%（包氣帶）、171%（表層土），河水淋出液分別升高了19.7%（包氣帶）、155.6%（表層土），污水淋出液分別升高了67.6%（包氣帶土）、125.2%（表層土），說明在淋濾土柱的過程中，淋濾溶液中的Ca2+、Mg2+未被土體吸附，而土柱中的Ca2+、Mg2+在淋濾過程中被大量淋濾或置換進(jìn)入淋出液。除2組污水淋出液外，其余6組4 d后的淋出液中總硬度均遠(yuǎn)低于2 d淋出液，且隨著淋溶時(shí)間的延長，各組淋出液總硬度逐漸降低，并趨于穩(wěn)定。2組污水淋出液中總硬度在第6天達(dá)到峰值，并隨淋溶時(shí)間延長逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定，這與污水中Na+、K+含量較高有關(guān)，易破壞土壤中難溶鹽—碳酸鈣、碳酸鎂的電離平衡，通過陽離子交換吸附作用將土壤膠體所吸附的Ca2+、Mg2+置換出來，使它們進(jìn)入水匯總，而Na+、K+卻被土壤所吸附，所以Na+、K+含量較高的污水淋出液中總硬度的峰值較其他淋出液延后。8組淋出液中總硬度在不同實(shí)驗(yàn)日期均有較小的波動(dòng)，這是因?yàn)橥馏w中有機(jī)物質(zhì)不斷分解產(chǎn)生CO2，使CaCO3、MgCO3形成新的易溶鹽，但隨著淋濾液不斷淋濾，最終趨于穩(wěn)定。

另外，通過實(shí)驗(yàn)可以看出，包氣帶土和表層土對(duì)不同土層、不同淋溶液總硬度影響效果不同。淋溶液經(jīng)過包氣帶土層后總硬度升高幅度小于經(jīng)表層土，同時(shí)淋溶液經(jīng)過表層土后總硬度的降低趨勢(shì)也要慢于經(jīng)包氣帶土，說明表層土中Ca2+、Mg2+較多，對(duì)淋溶液的影響效果較表層土較大。該場(chǎng)地地表黏性土厚度較薄，極易接受大氣降水補(bǔ)給。由實(shí)驗(yàn)可知，經(jīng)地表滲入地下含水層的過程中不斷對(duì)表層土和包氣帶土層進(jìn)行淋溶，尤其是地表污水中Na+、K+濃度較高，通過交換作用使得地層中的Ca2+、Mg2+不斷進(jìn)入地下水，是造成該場(chǎng)地總硬度整體超標(biāo)的重要原因之一。

2.2? 淋濾液中溶解性總固體濃度變化的分析

由圖3可知，淋出液中溶解性總固體變化趨勢(shì)與總硬度變化趨勢(shì)相近，隨著淋溶時(shí)間的增加，淋溶液中溶解性總固體呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)。淋濾初始階段，8組濾出液中溶解性總固體明顯升高，其中井水淋出液分別升高了13%（包氣帶）、67%（表層土），雨水淋出液分別升高了70%（包氣帶）、186%（表層土），河水淋出液分別升高了10%（包氣帶）、153%（表層土），污水淋出液分別升高了33%（包氣帶土）、113%（表層土），這是由于土層被淋溶液完全浸沒，淋溶液與土層發(fā)生一定水巖作用，將土層中含有的部分離子解析出來，并隨淋濾液下滲運(yùn)動(dòng)，造成初始階段淋出液中溶解性總固體含量升高。隨著淋溶液的不斷注入，土層中離子逐漸析出，最終達(dá)到平衡。達(dá)到平衡的過程與土層含水量有關(guān)，淋濾初期淋溶液與土層土壤發(fā)生水巖作用，溶解性總固體含量顯著提升，說明淋溶液剛進(jìn)入土層時(shí)水巖作用很強(qiáng)烈，隨著淋溶液的持續(xù)淋濾，淋出液中溶解性總固體濃度逐漸降低，部分淋出液中溶解性總固體濃度低于淋溶前濃度，表明解析達(dá)到臨界值后土層本身對(duì)淋溶液中溶解性總固體具有一定的吸附作用。而且不同土層對(duì)4種淋溶液中溶解性總固體的影響效果不同，4種淋溶液經(jīng)過包氣帶土層后溶解性總固體升高幅度要遠(yuǎn)小于表層土，說明包氣帶中可溶解于水中的各種離子、分子、化合物等物質(zhì)要低于表層土，對(duì)淋溶液的影響效果較表層土要小。

2.3? 淋濾液中硝酸鹽氮濃度變化的分析

有關(guān)氮素在土壤中的淋溶累積，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究（Cookson et al.，2000;Torstensson et al.，2000;張麗娟等，2007;郭建華等，2008）。童川（2019）在《模擬不同降雨條件下壤土淋溶特征和細(xì)菌多樣性變化研究》一文中指出，硝酸鹽氮是土壤氮素流失的主要形式。土壤中硝酸鹽氮的分布特征在一定程度上能表征地下水硝酸鹽污染的潛力（Jabro et al.，1991），而且水量和溶質(zhì)運(yùn)移深度之間關(guān)系密切，Sharma等（1996）甚至發(fā)現(xiàn)硝酸鹽氮下移與水分移動(dòng)相當(dāng)一致。

由圖4可知，隨著淋溶時(shí)間的延長，淋溶液中硝酸鹽氮濃度呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)初期階段，4種淋出液中硝酸鹽氮的濃度均在2 d時(shí)達(dá)到峰值，且與淋溶前相比硝酸鹽氮濃度增加顯著，其中雨水（表層土）中硝酸鹽氮濃度為淋溶前濃度的123倍，但是當(dāng)淋溶水量繼續(xù)增加時(shí)這種影響逐漸減弱，淋出液中硝酸鹽氮濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最終淋出液中硝酸鹽氮濃度接近甚至低于淋溶前硝酸鹽氮濃度，說明土層中含有大量的氮素，且主要以硝酸鹽氮形式存在，而淋溶液下滲時(shí)會(huì)溶出土層中的硝酸鹽氮，隨著淋溶液的不斷淋濾，土層中硝酸鹽氮含量逐漸降低。同總硬度和溶解性總固體類似，4種淋溶液經(jīng)過包氣帶土層后硝酸鹽氮升高幅度要遠(yuǎn)小于表層土，說明包氣帶中硝酸鹽氮含量要低于表層土，對(duì)淋溶液的影響效果較表層土要小。

淋出液中硝酸鹽氮濃度變化特征說明該場(chǎng)地表層土和包氣帶中均含有大量的氮素，且淋出液中硝酸鹽氮濃度遠(yuǎn)高于4種淋溶液淋溶前硝酸鹽氮濃度，地表水入滲過程中會(huì)將表層和包氣帶土中的硝酸鹽氮淋濾至地下水中，對(duì)地下水產(chǎn)生持續(xù)的污染。可見，表層和包氣帶土壤中的氮素是地下水的硝酸鹽氮污染的來源之一。

3? 結(jié)論

1）從淋溶液角度看，總硬度、溶解性總固體、硝酸鹽氮等指標(biāo)經(jīng)過淋溶后，其濃度都會(huì)先升高、后降低，并且降低速度由快到慢，最終趨勢(shì)趨于平緩。分析其原因，總硬度的濃度變化主要是因?yàn)橥馏w中的Ca2+、Mg2+含量較高，在淋濾過程中被大量淋濾或置換進(jìn)入淋出液;溶解性總固體的濃度變化主要是由于土體中的可溶性物質(zhì)與淋溶液發(fā)生一定的水巖作用而導(dǎo)致的;硝酸鹽氮的濃度變化主要原因?yàn)橥馏w中存在大量的氮素，以硝酸鹽氮的形式被淋濾至淋出液中。

2）從土層角度看，不同土層對(duì)淋溶液的去污截留能力不同，包氣帶土層由于其自身顆粒粒徑較表土層顆粒粒徑要小，密度較大，所以對(duì)污染物的截留能力要強(qiáng)。表土層自身污染物濃度較包氣帶土層要高，對(duì)淋溶液水質(zhì)的影響比包氣帶土層要大。但二者均對(duì)淋溶液具有一定的去污截留能力。

3）通過分析不同淋溶液經(jīng)過不同土層后，總硬度、溶解性總固體和硝酸鹽氮發(fā)生的變化，可以判定土壤中存在大量的Ca2+、Mg2+以及硝酸鹽氮等污染物。

綜上所述，筆者利用淋溶實(shí)驗(yàn)研究了不同類型的地表徑流經(jīng)某場(chǎng)地土壤后的水質(zhì)變化情況，分析了地表徑流在不同土層中發(fā)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，揭露了土壤自身存在大量的污染物質(zhì)，判定這是造成該場(chǎng)地地下水污染的重要原因之一?？梢钥闯?，將淋溶實(shí)驗(yàn)作為一種調(diào)查手段應(yīng)用于地下水污染溯源階段，能夠查明土壤自身污染情況和土壤組分在地下水污染過程中的作用，進(jìn)而為開展地下水污染調(diào)查工作提供重要參考。

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