章麗萍,溫曉東,張 劍,曲宏斌,楊牧騎,鄭凡東

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院,北京 100044)

南水北調(diào)工程北京段地下水回灌對(duì)含水層水質(zhì)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(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院,北京 100044)

采集南水北調(diào)北京蓄調(diào)池附近地下砂樣、地下水水樣、丹江口水庫(kù)水樣,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M含水層方法,分析不同比例的丹江口水庫(kù)水、地下水與含水層介質(zhì)混合后的水化學(xué)作用,探討水化學(xué)成分隨時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)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(yáng)離子交換吸附作用等影響下,各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)都發(fā)生了變化,但均符合地下水質(zhì)量Ⅰ類或Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

南水北調(diào)工程；丹江口；北京地下水；含水層水質(zhì)；回灌；離子濃度

南水北調(diào)中線工程自丹江口至北京,是解決我國(guó)北方地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺,實(shí)施我國(guó)水資源優(yōu)化配置的特大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目[1-2]。南水北調(diào)水部分補(bǔ)給北京的調(diào)節(jié)池,可有效補(bǔ)給地下水,達(dá)到涵養(yǎng)地下水的目的[3]。外源水與北京本地淺層地下水的水化學(xué)性質(zhì)存在一定的差異,地表水回灌地下水過(guò)程中,必將影響土壤和地下水環(huán)境,使其水化學(xué)成分發(fā)生變化[4-5]。筆者采集北京蓄調(diào)池附近地下砂樣、地下水水樣、丹江口水庫(kù)水樣,采用室內(nèi)模擬含水層方法,分析不同比例的丹江口水庫(kù)水、地下水與含水層介質(zhì)混合后的水化學(xué)作用,探討各模擬含水層水化學(xué)成分隨時(shí)間的變化規(guī)律[6]。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)在室內(nèi)模擬含水層,采用土柱實(shí)驗(yàn)法,取野外含水層介質(zhì)分別裝入有機(jī)玻璃柱中,進(jìn)行浸泡,浸泡水采用北京段地下水(以下簡(jiǎn)稱北京地下水)和丹江口水庫(kù)水按不同比例混合的水樣。實(shí)驗(yàn)土柱由有機(jī)玻璃制成,共7個(gè),其規(guī)格為高70 cm,內(nèi)徑40cm,在土柱下部距離底部2cm處前后兩側(cè)設(shè)置兩個(gè)采樣孔,一個(gè)采樣,一個(gè)備用。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 模擬含水層實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 水樣采集及水質(zhì)分析

丹江口水庫(kù)采集地表水水樣,北京地區(qū)淺層地下水采樣點(diǎn)位于南水北調(diào)團(tuán)城湖調(diào)蓄池以西。丹江口水庫(kù)和北京團(tuán)城湖調(diào)蓄池水樣水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),兩地水樣水質(zhì)較好,但還是表現(xiàn)出了顯著的差異性。丹江口水庫(kù)水樣中除N-N、N-N質(zhì)量濃度高于北京團(tuán)城湖附近地下水中質(zhì)量濃度外,其余常規(guī)指標(biāo)如Na+、Ca2+、Mg2+、N-N、HC、CO32-、Cl-、S等指標(biāo)質(zhì)量濃度均低于團(tuán)城湖附近地下水中的質(zhì)量濃度。

為開(kāi)展水巖相互作用試驗(yàn),在北京團(tuán)城湖調(diào)蓄池附近采集地下砂樣,其pH值為7.41,可溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2。

從土壤溶質(zhì)化學(xué)過(guò)程發(fā)生的步驟和時(shí)間尺度來(lái)看,發(fā)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(yīng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將采集的含水層介質(zhì)砂樣分別裝入7個(gè)有機(jī)玻璃柱中,石英砂鋪墊于柱底,進(jìn)行適度夯實(shí)。將丹江口水庫(kù)水和北京地下水分別按純丹江口水庫(kù)水、3∶1、1∶1、1∶2、1∶5、1∶9、純北京地下水7個(gè)比例進(jìn)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(dá)到水與巖土的充分接觸,以模擬含水層狀態(tài)[7-8]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 同一時(shí)刻不同比例含水層各離子變化規(guī)律

將上述7個(gè)混合水樣分別在7個(gè)有機(jī)玻璃柱中浸泡20 d,從底部取樣進(jìn)行水質(zhì)分析,分析結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同比例模擬含水層各離子質(zhì)量濃度變化規(guī)律

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

2.2 浸泡時(shí)間對(duì)不同比例含水層各離子濃度影響

再將上述7個(gè)混合水樣分別在7個(gè)有機(jī)玻璃柱中浸泡,在浸泡時(shí)間分別為5、10、15、22、29、39、54 d時(shí),從底部取樣進(jìn)行水質(zhì)分析,結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知,Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度在浸泡初期有明顯的上升趨勢(shì),且高于兩地原水質(zhì)量濃度,之后的上升幅度比較平緩,趨于穩(wěn)定;K+質(zhì)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(shì)基本一致,在浸泡的前10天Na+質(zhì)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(shí)驗(yàn)初期,影響水中K+、Na+離子質(zhì)量濃度的主要原因是土樣中的鉀鹽和鈉鹽的溶解,但隨時(shí)間的延長(zhǎng)K+、Na+質(zhì)量濃度均有逐漸降低的趨勢(shì),由此證明影響Ca2+、Mg2+、Na+、K+后期質(zhì)量濃度變化的主要作用的是陽(yáng)離子交換作用。S質(zhì)量濃度高于兩地原水,質(zhì)量濃度變化范圍均在68～14 mg/L; Cl-質(zhì)量濃度均高于兩地原水的Cl-質(zhì)量濃度,浸泡初期升高較快,隨時(shí)間延長(zhǎng)趨于穩(wěn)定,其變化范圍在20～50 mg/L之間;HC的質(zhì)量濃度總體呈上升趨勢(shì),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(zhì)量濃度極低,且不穩(wěn)定,隨時(shí)間顯著降低,質(zhì)量濃度在0～0.025 mg/L之間;N-N質(zhì)量濃度均在0～0.025 mg/L之間,并隨浸泡時(shí)間增加而不斷減少;N-N質(zhì)量濃度保持在2～9 mg/L,并隨時(shí)間延長(zhǎng)而不斷降低。

表1 丹江口水庫(kù)與北京地下水水樣水質(zhì)分析結(jié)果

表2 砂樣可溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)mg/kg

圖3 浸泡時(shí)間對(duì)不同比例含水層各離子質(zhì)量濃度的影響

3 結(jié) 論

a.丹江口水庫(kù)水中大多數(shù)化學(xué)組分濃度低于北京地下水,其水質(zhì)優(yōu)良,各水質(zhì)指標(biāo)均為地表水質(zhì)量Ⅰ類或Ⅱ類,適合作為飲用水源。

b.室內(nèi)模擬含水層試驗(yàn)揭示了K+、Na+、Ca2+、、pH的變化趨勢(shì),并且各離子濃度最終都趨于穩(wěn)定,各離子濃度均符合地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類或Ⅱ類指標(biāo),水質(zhì)較好。

c.各模擬含水層中,普遍存在K+、Na+與Ca2+、Mg2+的陽(yáng)離子交換作用,并且在實(shí)驗(yàn)后期都趨于穩(wěn)定,基本達(dá)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(xiàng)目(8102019)

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