水-土相互作用對(duì)淺層地下水硬度升高的影響

王建國，周 衛(wèi)，高順寶，張剛陽

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000)

地下水環(huán)境演化研究是環(huán)境科學(xué)研究的一個(gè)重要內(nèi)容[1]，地下水化學(xué)環(huán)境的演化研究，對(duì)區(qū)域地下水水質(zhì)保護(hù)、地下水資源合理開發(fā)利用都是十分必要的[2]。水-土相互作用是自然界最普遍的地球化學(xué)過程，伴隨著地球的產(chǎn)生和發(fā)展。水-土作用研究作為地下水環(huán)境演化研究的一項(xiàng)專門課題，始于20世紀(jì)60年代末70年代初，它涉及到巖石學(xué)、礦物學(xué)、材料科學(xué)、海洋地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境保護(hù)及自然災(zāi)害防治、核廢料處理等眾多領(lǐng)域，在國際上一直處于地學(xué)的前緣[3]。1981年Stumm W等較系統(tǒng)地提供了定量處理天然水環(huán)境中各種化學(xué)過程的方法[4]。目前，人類活動(dòng)已成為不可忽視的地質(zhì)營力，通過水-土作用參與地下水的演化[5]，在國內(nèi)一直是國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助領(lǐng)域，王焰新在水-巖(土)相互作用國際學(xué)術(shù)會(huì)議三十年上作出了較為詳細(xì)的總結(jié)。然而自然系統(tǒng)是非均質(zhì)且復(fù)雜的，需要運(yùn)用多種學(xué)科的知識(shí)、多種示蹤劑和多種相態(tài)的方法來研究所涉及到的詳細(xì)過程[6]，需要研究人員不斷探索新的方法和理論來解決面臨的環(huán)境地質(zhì)問題。

硬度對(duì)生活及工業(yè)用水影響極大,近年來，我國城市淺層地下水的硬度持續(xù)上升，呈逐年遞增的趨勢(shì)[7]。淺層地下水硬度的鈣鎂離子主要來源于包氣帶上部的腐殖土和亞粘土層中的游離態(tài)鈣鎂，交換態(tài)鈣鎂及化合態(tài)鈣鎂。根據(jù)有關(guān)資料北方土壤中的方解石和白云石等化合態(tài)鈣鎂碳酸鹽化合物含量通常占土壤組成物質(zhì)總質(zhì)量的6%～10%[8]，方解石和白云石2種礦物的溶解動(dòng)力學(xué)存在明顯的差異[9-10]。水-土相互作用過程中，發(fā)生一系列的水文地球化學(xué)作用，將土壤中的Ca、Mg離子帶入到地下水中引起硬度升高[11]，硬度對(duì)生活及工業(yè)用水影響極大。本文通過淋溶試驗(yàn)?zāi)M水-土相互作用過程，研究其對(duì)淺層地下水硬度生成以及硬度升高的機(jī)理，對(duì)控制淺層地下水硬度持續(xù)升高有重要的意義。

1 淋溶試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)使用的水樣采自某礦區(qū)地下水，土樣包括污染土、農(nóng)田土、清潔土。其中污染土、農(nóng)田土分別采自某污染河流旁、某區(qū)農(nóng)田、清潔土作為對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)前對(duì)水樣水質(zhì)和土壤水溶鹽進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表1。

表1 水樣主要指標(biāo)和土壤水溶鹽分析結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

圖1 淋溶試驗(yàn)裝置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 淋溶液總硬度的變化特征

由不同時(shí)間淋濾液化學(xué)分析資料可得出硬度變化歷時(shí)曲線(圖2)。按曲線的波動(dòng)特征，均可劃分為三個(gè)階段。試驗(yàn)初期(0.5d內(nèi))，淋濾液的硬度曲線表現(xiàn)為急劇上升，三種土樣的淋濾液在0.5d時(shí)均達(dá)到最高值，其中污染土，農(nóng)田土淋濾液的總硬度分別達(dá)到964.34mg/L和955.58mg/L，高于清潔土淋濾液的總硬度最高值。可見，水-土相互作用的前期總硬度與土壤中鈣鎂易溶鹽(組成見表1) 有密切的關(guān)系。在第二階段(0.5～2d內(nèi))，淋濾液總硬度表現(xiàn)為急劇下降，說明因水流不斷交替使原有的硬度組分不斷被帶走，此階段內(nèi)可溶鹽的溶解已經(jīng)基本結(jié)束，溶液中的硬度沒有新的增加，所以硬度曲線呈急劇下降的趨勢(shì)。在第三階段(2～11d)，三種淋濾液的總硬度均顯示了緩慢升高的態(tài)勢(shì)，但污染土淋濾液的總硬度最高，農(nóng)田土的總硬度次之，清潔土最低。

圖2 淋濾液總硬度歷時(shí)曲線

2.2 影響淋濾液總硬度生成的因素

2.2.1 可溶鹽與硬度生成的關(guān)系

氯化物：據(jù)可溶鹽分析，氯在污染土中的含量為最高，農(nóng)田土中次之，清潔土中最低。在淋溶試驗(yàn)中，氯化物的溶解與淋溶試驗(yàn)初期的硬度生成關(guān)系密切，由于鈣鎂易溶鹽的溶解，Cl-濃度快速升高，而在初期以后的整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，Cl-對(duì)硬度的生成不起支配作用(圖3 )。

圖3 淋濾液中Cl-歷時(shí)曲線

圖4 淋濾液中歷時(shí)曲線

2.2.2 K+、Na+陽離子與硬度生成的關(guān)系

在淋溶試驗(yàn)的初、中期，K++Na+在污染土和農(nóng)田土的淋濾液中變化不大，K+、Na+濃度歷時(shí)曲線見圖5。鉀鈉鹽類的溶解作用表現(xiàn)不明顯；而在清潔土的淋濾液中有所增加，主要是在清潔土中含量要高(表1)。在淋溶試驗(yàn)的后期，三種淋濾液中的都是隨著硬度的緩慢升高而降低，與硬度的升高關(guān)系密切。

2.2.3 TDS與硬度生成的關(guān)系

在三種淋濾液中，TDS隨時(shí)間的變化與總硬度的變化一致，TDS濃度歷時(shí)曲線見圖6。

在淋溶試驗(yàn)初期，水樣流經(jīng)土樣，溶解大量的可溶鹽，大量的離子被帶入到淋濾液中，TDS迅速升高；在中期，可溶鹽被帶走，淋濾液中離子減少，TDS迅速下降；在后期，淋濾液中TDS和總硬度都是緩慢增加，主要是的淋濾液中TDS含量高，加速了Ca、Mg難溶鹽的溶解，總硬度升高。

圖5 淋濾液中K++Na+歷時(shí)曲線

圖6 淋濾液中TDS歷時(shí)曲線

3 地下水硬度升高的機(jī)理

構(gòu)成淺層地下水硬度的鈣鎂元素通常以化合態(tài)的鈣鎂和交換態(tài)和游離態(tài)的鈣鎂離子三種形態(tài)存在于地質(zhì)環(huán)境中，并在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)水流經(jīng)包氣帶土壤時(shí)，發(fā)生一系列的水文地球化學(xué)作用。

3.1 易溶鹽溶解作用

土壤中含有很高的的鈣鎂易溶鹽(表1)，成為地下水硬度升高最直接的物質(zhì)來源。前期淋濾液的總硬度增加，便是土柱可溶鹽中的鈣鎂離子通過溶解作用迅速進(jìn)入淋濾液中的結(jié)果，即：

式中：Ci為連續(xù)取樣監(jiān)測得到的所研究組分的濃度，mg/L；Vi為每次取樣的體積，mL；I為取樣總次數(shù)；V為淋溶樣的總體積，mL；C0為淋溶液中研究組分的濃度，mg/L；Δm是某種可溶鹽溶解進(jìn)入淋溶液的質(zhì)量，mg。到淋溶試驗(yàn)的第二階段，土壤中可溶鹽被消耗，即Δm=0，則標(biāo)志著可溶鹽的徹底溶解或達(dá)到了溶解平衡狀態(tài)，淋濾液的總硬度迅速降低。

3.2 陽離子交換作用

土壤顆粒表面帶有負(fù)電荷，能夠吸附陽離子。交換態(tài)鈣鎂吸附在土壤膠體上，一般難溶于水，但在適宜條件下可被置換進(jìn)入地下水，是地下水硬度升高潛在的物質(zhì)來源。一定條件下，土壤顆粒將吸附地下水中某些陽離子，而將其原來吸附的部分陽離子轉(zhuǎn)為地下水中的組分，在水樣與土柱作用的過程中發(fā)生陽離子交換作用[13-14]。

由于地下水中的Na++K+含量高，對(duì)土壤中的交換態(tài)鈣鎂置換能力越強(qiáng)，能將土壤或含水層中吸附的Ca2+，Mg2+離子置換出來，從而造成地下水硬度的增高。

3.3 鹽效應(yīng)

在難溶鹽溶解的過程中，溶解度受其他離子濃度的影響。溶液中的離子濃度度增大，增大了離子間的靜電作用，使離子受到牽制從而活動(dòng)性有所降低，因而在單位時(shí)間內(nèi)離子與沉淀表面碰撞次數(shù)減少，使沉淀過程變慢，于是難溶鹽的溶解過程超過沉淀過程，平衡向溶解的方向移動(dòng)，當(dāng)建立起新的平衡時(shí)，難溶鹽的溶解度就增大了，這個(gè)過程叫做鹽效應(yīng)[15]。在地下水樣中，離子總濃度1983mg/L，在淋溶的過程中，離子強(qiáng)度大，促進(jìn)化合態(tài)鈣鎂的溶解度增大，使總硬度升高。

4 結(jié)論

1)在試驗(yàn)條件下，水-土相互作用會(huì)導(dǎo)致淋濾液硬度升高，前期升高加快，后期升高緩慢，其中污染土，農(nóng)田土淋濾液總硬度升幅較大。

2)淋濾液中可溶鹽、K+、Na+陽離子和TDS與硬度生成有密切的關(guān)系。

3)在水-土相互作用過程中發(fā)生溶解作用、陽離子交換作用和鹽效應(yīng)，導(dǎo)致游離態(tài)鈣鎂，交換態(tài)鈣鎂及化合態(tài)鈣鎂進(jìn)入地下水，引起地下水總硬度大幅升高。

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