冲积层分析论文：县域冲积层污染物运移浅析

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本文作者：张勇1，邢立亭1刘莉2王立艳1作者单位：1济南大学2山东省物化探勘查院

试验方法和手段

在充分收集已有的相关资料并进行野外调查的基础之上，在场区的西南角施工了4眼水文地质钻孔，如图1所示。利用这4眼钻孔进行环境水文地质勘察与试验。主要的野外试验项目包括抽水试验、渗水试验和弥散试验，并在室内设计一组土柱淋滤试验。

1野外抽水试验

2011年9月4日上午9:40开始抽水试验，本次抽水试验以P号孔为抽水主孔，i和h孔为2个观测孔。抽水孔涌水量Q=13m3/h。抽水孔P在抽水前、后的水位标高分别为3475m和27．815m，稳定水位埋深9．60m，水位降深5．66m。观测孔i抽水前、后的水位标高分别为3516m和30．346m，稳定水位埋深7．10m，水位降深17m。观测孔h抽水前、后的水位标高分别为3437m和3367m，稳定水位埋深6．20m，水位降深07m。

2野外渗水试验

为了解场区内地层的渗透性能，获取场区地层的渗透系数，在场区内选择了有代表性的3个地点进行试坑渗水试验，本次试验的地层为场区的表层亚黏土层。本次工作采用单环法［6］:在选定的试验位置挖一个直径约50cm、深30～50cm的圆形试坑，要求坑壁垂直，坑底平整，并要确保试验土层的结构不被扰动。将事先设计好的直径为35．75cm的铁环(铁环面积为1000cm2)放入注水坑内，环外用粘土填实，并确保四周不漏水。在环底铺2～3cm厚，粒径为5～10mm的砾石或碎石作为缓冲层，并在试环中央插上钢尺，以方便控制水头高度。试验开始后，先向量筒内注入2000mL水，安装好注水管和控制流量的夹子，然后向环内注水，当环内水深达到10cm时，开始记录时间、测量注水水量。保持环内水深10cm，波动幅度不大于0．5cm。试验过程中，注水水量精度应达到0．1L，每隔0．5h记录一次注水量，当连续2次量测的注入流量之差不大于最后一次流量的10%时，试验即可结束，并取最后一次的注入流量作为计算值。

3野外弥散试验

研究污染物在地下水中运移时其浓度的时空变化规律。通过试验获得进行地下水环境质量定量评价的弥散参数［7－8］，了解场区内地下水的流动速度以及指示剂在地下水中的流动速度，分析地层对指示剂的弥散效应。并实时地对观测孔内地下水电导率进行测量。选择i号孔作为此次弥散试验工作的投源孔，P孔作为弥散试验工作的观测孔。将示踪剂在投源桶中溶化后，得到的饱和食盐水通过白色塑料管注入i孔，注入深度为8m，同时利用潜水泵抽取P孔内地下水，取水深度也是8m。利用电导率仪观测P孔内地下水中电导率的变化情况，并取地下水水样，试验结束后统一送往实验室进行氯离子的化验。试验正式开始前，先抽取观测孔内地下水，用电导率仪测量该水的电导率，并以此数据作为试验的背景值，方便与后期地下水作对比分析。同时监测投源孔和监测孔内的水位。2011年9月7日上午8:00，试验正式开始，打开投源井中进水管的阀门，同时打开抽水井抽取P孔内地下水，试验开始后每隔10min取一个水样，测量电导率并做好记录工作。13:50停止注盐，之后每隔10min取一个水样，测量水中电导率值，分析观测孔内地下水中电导率的变化情况。为了尽可能地模拟自然状态，试验过程中随时测量投源井和观测井中地下水的水位，控制两者的水位差不超过10cm。此外，试验过程中派专人负责搅拌食盐，以保证从塑料桶中注入投源井内的食盐水为饱和食盐水。

4土柱淋滤试验

为了解污废水在包气带渗流过程中，包气带土壤对主要污染物的吸附、降解等去除作用，本次实验设备采用带侧压观测管的立式有机玻璃土柱［9］。本试验所采取的土样为拟建奶牛场内第四系亚黏土，是地表30cm下去掉耕植层后的原土。该层厚2m左右，为建设工程基础下的第一岩土层;所采取的水样为佳宝乳业济南分厂处理达标后的排放废水，选取主要污染物化学需氧量(COD)和氨氮(NH4－N)做为试验对象。装填前，土样已进行了晒干、打碎、细筛处理。装填时参照天然状态下的土壤含水量对土壤进行处理，采用干堆法，均匀撒入土柱内，且根据土柱尺寸，每次装填的高度在5～10cm之间。在每次装入一定高度的土壤后，利用压实器进行土壤压实，以此来控制土柱内土壤的孔隙率与天然状态下的土壤孔隙率基本相符。入水方式选择从上往下渗水，这种方式类同于地表污染物往土壤中的下渗，可以较正确地反应该条件下污染物在土壤中的迁移情况。根据渗流速度确定取样时间，根据试验要求进行具体项的观察记录。

结果分析

1抽水试验结果

本次抽水试验的主孔P完全揭露含水层，为潜水完整井，抽水过程中涌水量保持在13m3/h，抽水试验过程中测量了i和h2个观测孔的水位变化情况，见图2和图3。采用潜水完整井稳定流公式［10］计算含水层的水文地质参数，见公式(1)。将抽水试验的数据代入上述公式，最后得出每组试验的含水层渗透系数。对于本次抽水试验，抽水井孔P的渗透系数为6．18m/d。

2渗水试验结果

根据试验数据绘制出注入流量与时间(Q－t)的关系曲线，如图4所示。从试验结果可以看出，随着时间的延长，注入流量趋于稳定，从环内渗入地下的水量呈现逐渐减少的趋势。第1、2和3组试验最终的稳定入渗量分别为240、2000和2400mL/h。根据渗透系数的计算公式，K=V/I，当环内水柱高度小于或者等于10cm时，可以认为水头梯度I≈1，这时渗透系数K=V=Q/A，其中，V=K•I，K为渗透系数;I为水力坡度。根据野外实测的数据，计算得出垂向渗透系数如表1所示。其中，第1、2和3组试验计算得出的地层垂向渗透系数分别为6．67×10－5、5．56×10－4和6．67×10－4cm/s。由于第2组和第3组的渗水试验点已经受到工程建设的扰动，导致其渗透系数值相对偏大，故仅供参考。本次取第1组试验值k=6．67×10－5cm/s。

3弥散试验结果

野外所取水样中Cl－含量在国土资源部济南矿产资源监督检测中心检测。根据检测结果，作出地下水中电导率和Cl－随时间的变化曲线，如图5所示。根据试验结果，利用公式(2)计算地下水中弥散系数。根据试验的检测数据，计算得出弥散系数，见表2。从计算结果可以看出，第1组试验数据计算得出弥散系数较大，为98m2/d，主要原因是试验过程中观测井内抽水量过大，导致投源井和观测井水头差较大，使得地下水流速过大，最终计算的弥散系数偏大。第2组试验过程更接近自然状态，本次取用第2组的试验值DL=10．37m2/d。

4土柱淋滤试验结果

通过对所取水样的分析检测，可以得出污水经过土壤吸附和降解等去除作用后渗出水中的化学需氧量(COD)和NH4－N的质量浓度随时间的变化趋势图，如图6所示。试验结果表明:1)从试验开始至连续观测96h，污废水中的COD值明显下降。此后，渗出污废水中的COD值基本维持在4．48～5．41mg/L之间，去除率约在75%左右。对COD的去除作用主要是氧化分解。2)从试验开始至连续观测96h，污废水中的NH4－N的质量浓度也明显下降。然而NH4－N的质量浓度在0．1mg/L维持了144h左右之后，又恢复到一个比较高的水平。对NH4－N的去除作用应该主要是阳离子的吸附，因为硝化作用在短时间内效果不明显。3)考虑到少量污废水的无组织排放(跑、冒、滴、漏)，主要污染物在包气带中总体上应是不饱和状态，从工程长期运转角度看，拟建工程场地包气带土层对污废水中COD应会保持一定的去除作用，但其去除率应小于试验的去除率。同时应考虑到污废水的COD质量浓度是影响去除率的重要因素，当COD质量浓度很高时，去除率会明显降低。4)从工程长期运转角度看，拟建工程场地包气带土层对污废水中NH4－N的吸附降解等去除作用有限。对NH4－N的去除主要是地下水缓慢流动过程中，土壤中的硝化细菌产生的硝化作用使NH4－N转化为NO－3。