劉穎超，邢國章，劉 凱

（1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195；2.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

0 引言

地下水環(huán)境中氮污染問題近年來受到廣泛的關(guān)注,地下水位以上的包氣帶土層是阻控、攔截這一污染源的主要屏障，其較好的土質(zhì)結(jié)構(gòu)可使多數(shù)遷移氮素在此地段得到消減［1］。

國內(nèi)外學(xué)者在包氣帶土層對氮素污染地下水的防護能力研究方面已取得了不少成果。有些學(xué)者通過大量的野外試驗與調(diào)查總結(jié)規(guī)律，如Fred Magdoff、Addisott、Powlson 等的試驗分別表明，降雨量增大，易發(fā)生硝酸鹽淋失［2］。Bergstrom(1987)在瑞典中部地區(qū)進行的試驗也進一步表明，排出水中絕大多數(shù)氮以形式出現(xiàn)，其余氮素不超過0.1 mg/kg［3］。同時很多學(xué)者專家也通過數(shù)值模擬的方式來解決問題，根據(jù)不同的數(shù)學(xué)方法并結(jié)合實際問題提出了不少求解模型。Bergstrom等提出的模擬土壤氮素動態(tài)的SOILN模型［3］，Verecken等提出的模擬有作物生長及土壤水分和氮素運移的SWATNIT 模型等。

國內(nèi)開展這方面的研究較晚，黃紹敏等采用田間試驗、人工滲濾池試驗及不同土類的室內(nèi)試驗揭示，土壤中硝態(tài)氮含量主要受土壤類型影響,施肥及施肥量是最大的外因［4］，丁洪等發(fā)現(xiàn)土壤的硝化、反硝化作用與土壤質(zhì)地和pH有關(guān)，與硝化反硝化菌群數(shù)量無關(guān)［5］。楊維等研究證明在包氣帶通氣性良好的環(huán)境中，硝酸鹽氮是氮污染的主要存在形態(tài)；在飽水巖層缺氧的還原性環(huán)境中，氨氮是污染地下水氮素的主要存在形態(tài)［6］。劉長禮、樊國強、賀連娟、等通過試驗研究了粘性土層的防污性能[7～9]。阮曉紅等研究氮在包氣帶不同土質(zhì)層中飽水條件下遷移轉(zhuǎn)化的特征[10]，通過室內(nèi)土柱實驗得出氮對地下水的污染因子是硝酸根,建立了一維飽和土壤層中氮遷移的預(yù)測模型。

由于包氣帶環(huán)境復(fù)雜，很難得到普遍適用的方法來計算、評價包氣帶土層截污量。本文通過對北京市典型地區(qū)包氣帶土層取樣，采用室內(nèi)模擬試驗的方式來計算包氣帶土體截污能力，研究包氣帶土層對氮素污染地下水的防護能力。

1 材料與方法

試驗采用柱試驗的形式，采用內(nèi)徑為18.6cm，高度為120cm的有機玻璃柱。土樣經(jīng)風(fēng)干后按實測容重分層裝填，為防止優(yōu)先流等的影響，裝填前橫向打磨柱體內(nèi)壁并均勻涂抹凡士林。裝填前土柱下方先放濾網(wǎng)并裝填厚度約8cm的石英砂，作為承托層，待土柱裝填完畢，在上方也放置濾網(wǎng)及厚度約5cm的石英砂。試驗采用再生水作為水源，為了真實反映實際情況，水源均取自當?shù)?。根?jù)預(yù)試驗，所取水源7天內(nèi)氮素成分不會發(fā)生明顯變化，所以水源使用一般不超過7天。土柱分別命名為Z1、Z2 ，柱體裝填高度分別為50cm和100cm。試驗供水采用馬氏瓶定水位供水，采用由上至下的進水方式，試驗裝置如圖1。試驗用土選取北京通州張家灣處粘質(zhì)粉土和房山南劉莊粉砂。試驗用土及試驗水源各項指標見表1、表2。

圖1 試驗裝置圖

試驗期間對每日進、出水量進行監(jiān)測，根據(jù)設(shè)計時間間隔在柱體下端取樣化驗，測試項目為TN及CL-，并定時輔測溫度。水樣化驗采用納氏試劑分光光度法，檢出限為采用對氨基苯磺酸—α萘胺分光光度法，檢出限為0.001 mg/l（以亞硝酸計）；NO3-及總氮均采用紫外分光光度法，檢出限為0.05mg/l（以硝酸計）；Cl-采用硝酸銀滴定法，檢出限為0.7 mg/l。

2 結(jié)果與討論

試驗使用時段去除率表征污水入滲條件下不同土體對氮素的截留性能。所謂時段去除率即是某一時段內(nèi)污染水體經(jīng)過土柱時由于各種物理、化學(xué)、生物效應(yīng)而使進水的污染物組分含量發(fā)生了變化，針對某一污染組分，其進入量與排出量的差值與進入量的比值即是這一污染組分的時段去除率。由水源水質(zhì)波動性大,且試驗柱上方均有一定高度的自由水體，因此實際的進水濃度隨當日水源濃度遞變，數(shù)據(jù)使用時采用完全混合模型做了適當?shù)奶幚怼?/p>

根據(jù)再生水淋溶試驗的結(jié)果，可計算出北京市不同巖性土體對再生水中離子的凈化能力，計算公式如下：

式中：η—第i時段的去除率

Qi進—第i時段的進水量。

Ai—第i時段某組分的進水濃度。

Qi出—第i時段的出水量。

Bi—第i時段某組分的出水濃度。

表1 試驗用土特性表

表2 試驗水源主控指標

圖2 Z1土柱時段去除率變化曲線

圖3 Z2土柱–N時段去除率變化曲線

圖4 Z1土柱–N時段去除率變化曲線

圖5 Z2土柱–N時段去除率變化曲線

圖6 土柱TN時段去除率變化曲線

圖7 土柱TN時段去除率變化曲線

表3 試驗柱體穩(wěn)定階段各離子去除特征值

結(jié)合試驗的目的，以穩(wěn)定階段土體對污染物的去除來代表土體對污染物的去除能力，穩(wěn)定時期各參數(shù)總結(jié)如表3。

總氮變化特征反映了試驗中所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物作用，因此其去除率是土體對的綜合去除作用的體現(xiàn)，可以使用總氮的去除率曲線來描述土體對再生水的凈化能力。從圖6～圖7可以看出，經(jīng)過一段試驗時間后，土體對氮的去除作用逐漸穩(wěn)定，穩(wěn)定后去除率巖性顆粒細大于顆粒粗的，粘質(zhì)粉土（Z1）去除率在83.3%左右，粉砂（Z2）去除率在29.1%左右。

3 結(jié)論

（1）包氣帶中粘質(zhì)粉土對氮素污染地下水具有較強的截留和防護能力，粉砂截留和防護能力相對較差。

（2）包氣帶土層對氮素的去除具有明顯的分段性。張家灣粘質(zhì)粉土柱體在穩(wěn)定時期的平均去除率分別為：99.3%，50.6%，83.3%，南劉莊粉砂柱體在穩(wěn)定時期的平均去除率分別為：37.4%，7.3%，29.1%。以總氮的去除率曲線來描述土體對再生水的凈化能力，顆粒細小的粘質(zhì)粉土去除率明顯大于顆粒稍大水動力條件較好的粉砂。

（3）包氣帶地層對氮的去除作用主要受巖性影響，當巖性變粗時截污防護能力進一步降低；同時截污防護能力還受到水質(zhì)、環(huán)境影響，當濃度高、水動力條件好、氧化環(huán)境增加時，轉(zhuǎn)化，進一步增加的污染程度。

[1]張 云,張 勝,劉長禮等.包氣帶土層對氮素污染地下水的防護能力綜述與展望[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2006,25(增刊):339～346.

[2]Addiscott TM, Powlson DS.J Agric Sci,Camb,1992,118:101～107.

[3]BergstromL.Nitrate Leaching and drainage from annual perennial crops in the-drainage plots and lyzimeters [J].Journal of Environ Quality,1987,(16):11～18.

[4]黃紹敏,皇甫湘榮,寶德俊等.土壤中硝態(tài)氮含量的影響因素研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護,2001,20(5):351～354.

[5]丁 洪,蔡貴信,王躍思等.華北平原幾種主要類型土壤的硝化及反硝化活性[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護,2001,20(6):390～393.

[6]楊 維,郭 毓,王曉華等.氮素在包氣帶與飽水層遷移轉(zhuǎn)化的實驗研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(3):69～75.

[7]劉長禮,張 云,葉 浩等.包氣帶粘性土層的防污性能試驗研究及其對地下水脆弱性評價的影響[J].地球?qū)W報,2006,27(4):349～354.

[8]樊國強,周長松.包氣帶粘性土層防污性能研究[J].地下水,2012,34(42):36～39.

[9]賀連娟.氮污染物通過飽和粘性土層垂直滲透時遷移機理研究[D].長春:吉林大學(xué),2009.

[10]阮曉紅,王 超,朱 亮.氮在飽和土壤層中遷移轉(zhuǎn)化特征研究[J].河海大學(xué)學(xué)報,1996 ,24(2):51～55.