南水北調工程北京段地下水回灌對含水層水質影響

章麗萍,溫曉東,張 劍,曲宏斌,楊牧騎,鄭凡東

(1.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京 100083;2.北京市水科學技術研究院,北京 100044)

南水北調工程北京段地下水回灌對含水層水質影響

章麗萍1,溫曉東1,張 劍1,曲宏斌1,楊牧騎1,鄭凡東2

(1.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京 100083;2.北京市水科學技術研究院,北京 100044)

采集南水北調北京蓄調池附近地下砂樣、地下水水樣、丹江口水庫水樣,通過室內試驗模擬含水層方法,分析不同比例的丹江口水庫水、地下水與含水層介質混合后的水化學作用,探討水化學成分隨時間的變化規律。結果表明,模擬含水層在可溶鹽溶解作用、礦物溶解-沉淀作用、微生物作用、陽離子交換吸附作用等影響下,各項水質指標都發生了變化,但均符合地下水質量Ⅰ類或Ⅱ類標準。

南水北調工程；丹江口；北京地下水；含水層水質；回灌；離子濃度

南水北調中線工程自丹江口至北京,是解決我國北方地區水資源嚴重短缺,實施我國水資源優化配置的特大型基礎設施項目[1-2]。南水北調水部分補給北京的調節池,可有效補給地下水,達到涵養地下水的目的[3]。外源水與北京本地淺層地下水的水化學性質存在一定的差異,地表水回灌地下水過程中,必將影響土壤和地下水環境,使其水化學成分發生變化[4-5]。筆者采集北京蓄調池附近地下砂樣、地下水水樣、丹江口水庫水樣,采用室內模擬含水層方法,分析不同比例的丹江口水庫水、地下水與含水層介質混合后的水化學作用,探討各模擬含水層水化學成分隨時間的變化規律[6]。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

本試驗在室內模擬含水層,采用土柱實驗法,取野外含水層介質分別裝入有機玻璃柱中,進行浸泡,浸泡水采用北京段地下水(以下簡稱北京地下水)和丹江口水庫水按不同比例混合的水樣。實驗土柱由有機玻璃制成,共7個,其規格為高70 cm,內徑40cm,在土柱下部距離底部2cm處前后兩側設置兩個采樣孔,一個采樣,一個備用。實驗裝置如圖1所示。

圖1 模擬含水層實驗裝置

1.2 水樣采集及水質分析

丹江口水庫采集地表水水樣,北京地區淺層地下水采樣點位于南水北調團城湖調蓄池以西。丹江口水庫和北京團城湖調蓄池水樣水質分析結果見表1。由表1可見,兩地水樣水質較好,但還是表現出了顯著的差異性。丹江口水庫水樣中除N-N、N-N質量濃度高于北京團城湖附近地下水中質量濃度外,其余常規指標如Na+、Ca2+、Mg2+、N-N、HC、CO32-、Cl-、S等指標質量濃度均低于團城湖附近地下水中的質量濃度。

為開展水巖相互作用試驗,在北京團城湖調蓄池附近采集地下砂樣,其pH值為7.41,可溶鹽質量分數見表2。

從土壤溶質化學過程發生的步驟和時間尺度來看,發生了砂樣可溶鹽分的溶解、礦物的溶濾、離子交換和吸附反應。

1.3 實驗方法

將采集的含水層介質砂樣分別裝入7個有機玻璃柱中,石英砂鋪墊于柱底,進行適度夯實。將丹江口水庫水和北京地下水分別按純丹江口水庫水、3∶1、1∶1、1∶2、1∶5、1∶9、純北京地下水7個比例進行混合,并分別記為丹江口、DB3∶1、DB1∶1、DB1∶2、DB1∶5、DB1∶9、北京地下水,混合后總水量均為16L。排除氣泡,達到水與巖土的充分接觸,以模擬含水層狀態[7-8]。

2 試驗結果與分析

2.1 同一時刻不同比例含水層各離子變化規律

將上述7個混合水樣分別在7個有機玻璃柱中浸泡20 d,從底部取樣進行水質分析,分析結果見圖2。

圖2 不同比例模擬含水層各離子質量濃度變化規律

由圖2可知,各模擬含水層的Ca2+、Mg2+、Na+、HC、S質量濃度隨地下水所占比重增大呈上升趨勢,這主要是由混合作用引起的;K+質量濃度大致隨著地下水所占比例增大而呈降低的態勢,主要是因為水中的K+被砂樣吸附,且地下水占比較高時,有利于K+的吸附[9];各含水層中的NH4+-N、N-N和N-N質量濃度隨著地下水占比的增加變化不明顯,但隨著浸泡時間的延長,各含水層之間的質量濃度差異越來越小。

2.2 浸泡時間對不同比例含水層各離子濃度影響

再將上述7個混合水樣分別在7個有機玻璃柱中浸泡,在浸泡時間分別為5、10、15、22、29、39、54 d時,從底部取樣進行水質分析,結果見圖3。

由圖3可知,Ca2+、Mg2+質量濃度在浸泡初期有明顯的上升趨勢,且高于兩地原水質量濃度,之后的上升幅度比較平緩,趨于穩定;K+質量濃度在不同比例混合水樣中浸泡初期有顯著的上升,之后逐漸降低,其變化范圍在2.5～6.0 mg/L之間;7組不同比例混合水樣Na+的變化趨勢基本一致,在浸泡的前10天Na+質量濃度升高幅度較大,在第10天到第35天緩慢降低,其變化范圍在35.0～70.0 mg/L之間;在實驗初期,影響水中K+、Na+離子質量濃度的主要原因是土樣中的鉀鹽和鈉鹽的溶解,但隨時間的延長K+、Na+質量濃度均有逐漸降低的趨勢,由此證明影響Ca2+、Mg2+、Na+、K+后期質量濃度變化的主要作用的是陽離子交換作用。S質量濃度高于兩地原水,質量濃度變化范圍均在68～14 mg/L; Cl-質量濃度均高于兩地原水的Cl-質量濃度,浸泡初期升高較快,隨時間延長趨于穩定,其變化范圍在20～50 mg/L之間;HC的質量濃度總體呈上升趨勢,其變化范圍在120～250 mg/L之間;pH值的變化較不明顯,均在7.5～8.3之間;N-N質量濃度極低,且不穩定,隨時間顯著降低,質量濃度在0～0.025 mg/L之間;N-N質量濃度均在0～0.025 mg/L之間,并隨浸泡時間增加而不斷減少;N-N質量濃度保持在2～9 mg/L,并隨時間延長而不斷降低。

表1 丹江口水庫與北京地下水水樣水質分析結果

表2 砂樣可溶鹽質量分數mg/kg

圖3 浸泡時間對不同比例含水層各離子質量濃度的影響

3 結 論

a.丹江口水庫水中大多數化學組分濃度低于北京地下水,其水質優良,各水質指標均為地表水質量Ⅰ類或Ⅱ類,適合作為飲用水源。

b.室內模擬含水層試驗揭示了K+、Na+、Ca2+、、pH的變化趨勢,并且各離子濃度最終都趨于穩定,各離子濃度均符合地下水質量標準Ⅰ類或Ⅱ類指標,水質較好。

c.各模擬含水層中,普遍存在K+、Na+與Ca2+、Mg2+的陽離子交換作用,并且在實驗后期都趨于穩定,基本達到平衡。

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Influence of groundwater recharge on aquifer water quality in Beijing section of South-to-North Water Diversion Project

ZHANG Liping1,WEN Xiaodong1,ZHANG Jian1,QU Hongbin1,YANG Muqi1,ZHENG Fandong2
(1.School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing 100083,China; 2.Beijing Water Science and Technology Institute,Beijing 100044,China)

In this study,underground sand specimens near the water-regulating tank in Beijing for the South-to-North Water Diversion Project,groundwater samples,and Danjiangkou Reservoir water samples were collected. Through laboratory simulation of the aquifer,the water hydro-chemical action of mixed reservoir water, groundwater,and aquifer media with different rations were analyzed,and the change in the hydro-chemical composition with time was examined.Experimental results showed that the water quality indices changed due to soluble salt dissolution,mineral dissolution-precipitation,microbiological action,and cation exchange adsorption, but the water quality met the grade I or II standards of the groundwater quality standards of China.

South-to-North Water Diversion;Danjiangkou;Beijing groundwater;aquifer water quality;recharge; ion concentration

X37

A

10046933(2014)04000703

20131116 編輯：徐 娟)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.002

北京市科委項目(8102019)

章麗萍(1977-),女,副教授,碩士生導師,主要從事水污染控制、水資源管理等研究。E-mail：haozimei77@163.com