河道再生水入滲的水巖相互作用機理研究

劉立才，單 悅，黃俊雄，李炳華，楊 勇

(北京市水科學技術研究院，北京 100048)

在我國北方缺水地區，再生水是重要的可利用資源，不僅作為農業灌溉、城市工業和綠化水源，而且用于修復干涸河道，改善河道的生態環境。河道再生水規模利用對地下水環境的影響越來越受到人們關注。早期的陽離子交換吸附研究主要關注灌溉水對土壤和地下水的影響，認為灌溉水中的Na+與土壤中的Ca2+之間發生了陽離子交換吸附，引起土壤板結及地下水中硬度的升高[1]。近期的研究主要關注陽離子交換吸附樹脂的應用，多數為樹脂對水中Ca2+、Mg2+、重金屬的交換吸附，以及對氨酸的吸附研究等[2-4]。土壤等介質對三氮去除凈化作用研究很多，但多局限于試驗研究或檢測評價[5-12]，并沒有機理的野外實測驗證。本研究以北京市引溫濟潮工程(將溫榆河水處理后引入干涸的潮白河)河道受水區為研究對象，通過室內的河水淋溶土柱試驗，探究再生水入滲的吸附、降解等水巖相互作用機理，并利用受水區構建的地下水環境監測網的水質長期實測數據，評價再生水入滲對地下水總硬度和三氮的影響。

1 研究區概況

引溫濟潮一期工程于2007年底實施，潮白河受水河段北起向陽閘，南至河南村橡膠壩。受水河段長度7 km(圖1)。受水區位于潮白河沖積扇向平原區的過渡地段，地層巖性較為復雜，自北而南，由砂礫石與薄層粉質黏土互層逐漸過渡到粉細砂層與厚而連續的粉質黏土互層，層數由少變多。河床底部的地層為細砂與粉質黏土互層。為查明河道入滲對地下水環境影響，在受水區周邊構建了地下水環境監測網，監測地下水水位及水質變化，本研究選取15號30 m深的監測井(簡稱15(30))監測河水入滲對地下水水質的影響(圖1)。

圖1 潮白河河道受水河段及監測井位置

2 再生水淋溶試驗

2.1 試驗設計

在河道受水前，為評估再生水入滲可能對地下水產生的影響，在室內開展了河道底部3種典型介質土柱，即礫石含砂、細砂、粉質黏土的三氮遷移和陽離子交換吸附的再生水淋溶試驗。淋溶試驗柱長130 cm，直徑15 cm。在距頂部20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、75 cm、95 cm、105 cm、115 cm處分別設置取樣孔。前7天每天進行采樣，之后采樣間隔逐漸加大，試驗歷時80 d。試驗裝置見圖2。

圖2 試驗裝置(單位：cm)

在河道受水前實施地下水環境監測，采集了3種典型介質的土樣，并進行了室內理化性質測試，測定了介質的陽離子交換吸附容量CEC、總有機碳PTOC、黏土礦物總量百分比和黏粒百分比等參數，見表1。從表1中可以看出，顆粒越細，各參數的數值越高，越有利于再生水中化學組分的吸附降解作用。

表1 3種典型介質的理化性質參數

2.2 陽離子交換吸附特征

河水水質符合典型的再生水水質特征，水中的K+和Na+的質量濃度較高，而Ca2+和Mg2+的質量濃度較低，K+、Na+、Ca2+和Mg2+的質量濃度分別為12～16 mg/L、80～100 mg/L、40～60 mg/L和15～20 mg/L。繪制不同土柱同一時刻的陽離子濃度平均值隨土柱深度的變化曲線，見圖3。從圖3可以看出：①礫石含砂柱自上而下，K+、Na+、Ca2+、Mg2+4種離子質量濃度均變化不大，濃度比較穩定，可見陽離子交換吸附不明顯。總硬度也較為穩定。②細砂柱自上而下，K+的質量濃度降低較為顯著，Mg2+的質量濃度降低，Na+的質量濃度微升，Ca2+的質量濃度升高顯著，陽離子交換主要體現為再生水中K+與土柱中Ca2+的置換，再生水中的Mg2+可能與土中的Ca2+也發生了置換。在0～0.5 m土柱內，出水總硬度變化不大，在0.5～1.0 m土柱內，總硬度隨著出水中Ca2+的質量濃度的顯著升高而增加。③粉質黏土柱自上而下，K+的質量濃度大幅降低，Ca2+的質量濃度大幅增加，Na+和Mg2+的質量濃度基本不變，表明再生水中的K+在經過土柱時與其中Ca2+發生了顯著的陽離子交換吸附。出水中的總硬度明顯升高。可見，巖性顆粒越細，CEC值越高，越有利于再生水中的K+與河床底部土層中的Ca2+之間發生陽離子交換吸附，這一結論與表1中介質的理化參數相符合。河道再生水的pH值為7.80，屬于弱堿性，對陽離子交換吸附影響不大。

(a) 礫石含砂柱

(b) 細砂柱

(c) 粉質黏土柱

2.3 TN及NO3-N質量濃度變化特征

(a) TN

3 河道再生水入滲過程中地下水水質變化

在潮白河受水前實施河道及周邊地下水環境監測，了解河道受水前的地下水背景水質，并在河道受水后持續監測地下水水質變化。以15(30)監測井的水質變化為例，說明再生水入滲過程中，河道底部土層介質與河水之間的陽離子交換吸附作用及其對三氮的凈化作用。

3.1 受水前地下水水質

表2 受水前河水和地下水水質情況

3.2 受水后地下水水質

3.2.1 陽離子質量濃度及總硬度變化

自潮白河河道2007年底受水后，對受水區周邊的地下水水質持續監測了9年，從15(30) 監測井獲得的陽離子質量濃度及總硬度的月均值隨時間變化見圖5。從圖5可以看出，地下水中的Na+的質量濃度在河道受水后快速升高并趨于穩定，由34.7 mg/L快速升高至99 mg/L，接近河水中的Na+的質量濃度；而K+的質量濃度一直很穩定，濃度很低，驗證了再生水入滲過程中，河水中的K+與河道底部介質中Ca2+之間發生了陽離子交換吸附作用。地下水中的K+的質量濃度從2016年開始明顯上升，由2.55 mg/L升至5 mg/L，乃至在2016年底達到11.6 mg/L，這表明陽離子交換吸附正趨于飽和，需要以后的監測數據進一步佐證。以往研究側重于認為水中Na+與土壤中的Ca2+之間發生了陽離子交換吸附[1]，而本次的土柱試驗及地下水水質實測數據證明陽離子交換吸附主要表現為水中K+置換了土壤中的Ca2+。

圖5 地下水陽離子濃度及總硬度隨時間變化

地下水中的Ca2+、Mg2+的質量濃度呈降低的趨勢，Ca2+濃度明顯降低，Mg2+濃度降低趨勢較緩，地下水總硬度顯著降低，由328 mg/L降至174 mg/L。這是因為再生水總硬度低于地下水背景總硬度，盡管再生水入滲過程中K+與Ca2+之間發生了陽離子交換吸附，在河床底部介質入滲過程中總硬度有一定程度的升高，但仍然低于地下水背景總硬度。即再生水入滲不僅沒有引起地下水總硬度升高，反而因入滲水的稀釋作用引起地下水總硬度不斷降低。由此可見，對于陽離子和總硬度，在再生水入滲過程中，將引起地下水中Na+濃度的升高以及Ca2+、Mg2+濃度和總硬度的降低。

4 結 論

a. 河道再生水在受水區河床向地下水入滲過程中，河水中的K+與河床底部土層中的Ca2+之間發生了顯著的陽離子交換吸附，地下水中的K+濃度在受水7年后才開始升高。盡管再生水入滲進入地下水的路徑上總硬度升高，但仍低于地下水的背景總硬度，再生水對地下水的總硬度具有物理稀釋作用，地下水總硬度持續降低。

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