太湖流域某区浅层地下水有机污染包气带防污性能初探

太湖流域某区浅层地下水有机污染包气带防污性能初探何江涛陈鸿汉刘菲刘立才中国地质大学（北京）水资源与环境学院（北京，100083）摘要：污染物从地表进入浅层地下水，必然要经过包气带，包气带的防污性能好坏直接影响着地下水污染程度和状况。本文试图根据太湖流域某地区浅层地下水有机污染调查成果，对该地区浅层地下水包气带的防护性能，及浅层地下水有机污染特征形成原因进行初步探讨。研究结果表明，研究区包气带土层主要为河湖三角洲沉积相的淤泥质粘土，小于0.005mm的粘粒含量可达45.2％~84.6％，各种粘土矿物含量也多在10％以上，从而表现出对污染物的良好吸附能力；研究区包气带土层中有机质的含量大都介于0.7％~3.0％之间，某些黑色泥炭层中有机质的含量甚至高达12.2％，由于土样中有机质的高含量，入渗水中的有机污染组分大部分被吸附阻滞在有机质中，从而表现出良好的防污性能；土壤吸附量测试结果表明，研究区某农药厂排污沟附近，土样对有机污染物的吸附量高达数百甚至上千mg/kg，证实了研究区包气带土层对有机污染物具有很强的吸附阻滞能力，包气带防污性能良好；研究区与北方某城市浅层地下水污染状况及包气带条件对比表明，由于包气带土层岩性、结构、厚度等差异，导致浅层地下水包气带防污性能产生很大差异，而正是由于包气带防污性能的明显差异造成了两地污染程度的巨大差异。关键词：浅层地下水；有机污染；包气带；防污性能。污染物从地表进入浅层地下水，必然要经过包气带，包气带的防污性能好坏直接影响着地下水污染程度和状况。一般来说，浅层地下水包气带的防污性能与包气带的岩性、结构、厚度以及地形坡度等有着密切的联系，有机污染物在进入包气带垂向入渗过程中，主要受挥发、稀释、吸附、化学反应、生物或非生物降解等作用影响，从而产生衰减、转化、去除以及迁移滞后等一些现象。这些作用和现象的产生无不与包气带的岩性、结构、厚度等包气带自身的特征结构密切相关。本文试图根据太湖流域某地区浅层地下水有机污染调查成果，对研究区浅层地下水包气带的防护性能，及浅层地下水有机污染特征形成原因进行初步探讨。1太湖流域某地区浅层地下水有机污染概况太湖流域某区300km2浅层地下水有机污染调查始于2002年12月，共调查水井141个，并根据调查结果，选取了36个井点进行了取样分析（见表1），分析项目包括卤代烃类5种组分：四氯化碳、三氯甲烷、四氯乙烯、三氯乙烯和三溴甲烷，单环芳烃类6种组分：苯、甲苯、乙苯、间对二甲苯、邻二甲苯和异丙苯。从检测情况看，除三溴甲烷外，研究区浅层地下水中各组分的检出率较高，四氯乙烯全部检出，检出率高达100％，但卤代烃的浓度较低，大都为10-1数量级，有检出的单环芳烃各组分的浓度值远大于卤代烃各组分的浓度值，其浓度值全部为100数量级。总体而言，研究区浅层地下水有机污染比较普遍，但污染程度较轻，除苯在个别点处有超出美国EPA饮用水标准外，其余卤代烃和单环芳烃组分均没有超标。此外，从平面分布上看，卤代烃和单环芳烃各组分的浓度高值点大都集中于研究区东南郊区的工业区内，其污染程度在整个城近郊区中也较重，这种空间分布特征与工业区分布具有明显的一致性，说明有机污染物的来源主要为工业企业污水的不合理排放，而研究区密集的河网渠道是地表排污的主要承接水体，由于连同性好，地表污染扩散范围较大，导致浅层地下水污染普遍，但同时由于地表水的稀释作用，导致地下水有机污染物虽然检出率很高，但浓度很低，并且垂向上，浅部地下水的污染程度相对较重，深部地下水较轻。1表1研究区浅层地下水水样有机组分检出情况表有机组分取样点数(个)检出点数(个)检出率昀大值(μg/L)昀大值孔号U.S.EPA饮用水标准(μg/L)[1]三氯甲烷361747.2%13.9110680四氯化碳361644.4%0.641285三氯乙烯361130.6%1.501065四氯乙烯3636100%0.391285三溴甲烷3600///苯362055.6%8.051285甲苯361438.9%7.521321000乙苯361541.7%5.9848700间对二甲苯362261.1%6.9938邻二甲苯361952.8%9.4312710000异丙苯361644.4%6.06130/2研究区包气带防污性能的探讨浅层地下水包气带的岩性和厚度对防污性能影响很大，包气带土壤沉积物中的粘土矿物和有机碳在吸附无机离子组分和有机污染物过程中发挥着非常重要的作用，特别是有机污染物，很容易分配到有机碳中，在一定条件下又能大量被粘土矿物所吸附。包气带土层对污染物的吸附可以阻滞有机污染物向地下水中迁移，且包气带的厚度越大，污染物越难以迁移进入地下水。因此，包气带土层的粘土矿物、有机碳的含量、厚度，在很大程度上制约着研究区浅层地下水受地表污染源的影响程度。文献资料表明[2~9]：研究区包气带土层岩性普遍为上更新统棕黄色粘土，结构致密，坚硬可塑，且粘土层的厚度一般介于8～10米，但在晚更新世末期古地面的地势低洼处，上更新统的硬粘土层中局部夹有湖沼相沉积的泥炭层。调查过程中，某机车车辆厂的洛阳铲土孔取样结果与文献所述相同，覆盖层表层50cm内，为棕褐色粘土，结构致密坚硬，可塑，自上而下铁锰结核含量增加；50cm~130cm为青灰色粘土，结构致密，硬可塑，铁锰结核含量逐渐变低；130cm~173cm粘土颜色突变为棕黄色，为上更新统的硬可塑粘土，结构致密，裂隙内充填有黑褐色的铁锰结核。这种上更新统棕黄色粘土对有机污染物的吸附作用和分配作用很强，可以在很大程度上阻滞有机污染物的下渗迁移，据此我们推测，研究区浅层地下水有机污染普遍但并不严重的特征，很有可能是由包气带防污性能良好所造成，为研究包气带土样的防污性能，在研究区东南城近郊区选取了8个地点采集土样，并在某机车车辆厂和某制药厂附近排污沟边缘进行了垂直剖面取样进行分析。2.1粘粒含量和粘土矿物组成在包气带土层中，粘粒含量和粘土矿物组成对污染物的吸附起着相当重要的作用。研究区上更新统棕黄色粘土在许多文献中又称为古土壤层，是河漫滩沉积和成土交替作用的产物。古土壤层发生了粘化作用，有粘粒生成，粘粒含量较高。文献资料表明[2~9]，古土壤母质层中粒径小于0.001mm的粘粒含量一般小于18%，而古土壤层中粒径小于0.001mm的粘粒含量一般在30%以上，有的层位可达40%。根据在研究区东南城近郊区所取包气带土样的测试结果（表2），土样中的粘粒含量非常高，小于0.005mm的含量处于45.2％~84.6％之间。较高的粘粒含量增加了粘土矿物的比表面积，并由此增大了污染物在矿物质表面的吸附能力。文献资料还表明[2~9]，古土壤层中的粘土矿物主要为伊利石、绿泥石、蒙脱石、高岭石和蛭石等。其中伊利石的含量昀高，其它几种矿物在不同的层段其含量有所不同，上层以蒙脱石和绿泥石为主，下层乃至母岩则以蛭石、高岭石为主。根据X衍射测试试验，对粘土矿物进行了半定量分析。古土壤层粘土的矿物组合，以伊利石和蒙脱石为主，伴有绿泥石和高岭石。粘土矿物的含量较高，伊（利石）蒙（脱石）混层占10～20％，绿（泥石）高（岭石）混层占5～10％，伊利石占15～25％。由于粘土矿物形成时的同晶替代作用，粘土颗粒表面带有永久电荷，具有较强的吸附能力。所以，在非饱水的情况下，研究区浅层地下水的包气带对非离子性有机污染物具有较强的吸附作用，且土层的含水率越低，吸附强度越大。2表2研究区东南城近郊区土样粘粒含量表取样位置土样深度（cm）粒径≤0.05mm粒径≤0.01mm粒径≤0.005mm1号制药厂排污沟附近85-93100.079.572.02号化工供销公司水塘附近18-3698.460.347.03号机车车辆厂附近107-114100.061.945.24号染整厂排污管道泄漏处26-42100.066.349.91号制药厂排污沟附近119-134100.092.384.65号制药厂排污沟南缘21-31100.083.269.61号制药厂排污沟附近97-10199.878.562.43号机车车辆厂附近131-13899.868.452.82.2有机碳的含量除粘土矿物吸附外，分配作用也是非离子性有机化合物在水—沉积物体系中被沉积物吸附的主要机理，其中起主导作用的是沉积物中的有机碳，它以有机相的形式把水中溶解性相对小的非离子性有机物溶解其中，其作用相当于有机溶剂从水中萃取有机化合物。研究发现，在饱水的情况下，不同的有机化合物在有机碳和水之间的具有固定的分配比，并将分配比定义为有机化合物在有机碳和水之间的分配系数，以Koc表示。Koc与土壤或含水层介质的性质无关。当土壤或含水层介质中的有机碳含量foc大于0.1％时，有机污染物在固相和液相之间的分配系数（mL/g）Kd与Koc存在以下关系:Koc=Kd/foc式中：Koc为有机污染物在水和有机碳（含100%的碳）间的分配系数（L/kg）；Kd为有机污染物在固相和液相之间的分配系数（L/kg）；foc为土壤或含水层介质中有机碳的百分含量，无量纲。由于土壤或含水层介质中的有机碳百分含量难以测得，通常人们用有机质含量fom替代foc，二者之间存在以下关系：foc=fom/1.724。Koc通常可以通过实测、根据有机物相关物理化学参数如水溶解度、辛醇—水分配系数Kow进行推算、根据有机物的化学结构进行估算，如分子连接指数、片断常数法等。吸附作用是引起污染物迁移滞后的主要原因，通常用阻滞因子R表示，R=V/Vc式中：R为阻滞因子，无量纲；V为地下水平均线性流速；Vc为浓度为初始浓度一半的溶质峰平均迁移速度。R越大，表明吸附作用对有机污染物产生的阻滞越大，污染物越不容易迁移。多数情况下，有机污染物的吸附符合线性吸附等温方程，此时，R可用下式计算。ococbdb11fKnKnR⋅+=⋅+=ρρ式中：ρb为土壤或含水层介质的容重（g/cm3）；n为土壤或含水层介质的孔隙度，无量纲；Kd为有机污染物在固相和液相之间的分配系数（L/kg）[10]。从上式可以看出，ρb、foc和n为土壤或含水层介质参数，而Koc为有机化合物本身的性能参数。对于同一种有机污染物、不同的土壤或含水层介质而言，ρb、foc和n决定着有机污染物在水中的迁移能力，而对不同的有机污染物在同一种土壤或含水层介质的迁移而言，污染物本身的性能参数Koc则决定其在地下水中的迁移能力。因此，有机物在地下水中的迁移性能通常可以用Koc的大小进行描述，Koc数值越大，含水层介质的阻滞能力越强，有机物的迁移能力越弱。表3列出了部分常见有机化合物的物理性质。表3常见有机化合物物理性质表[10]有机物分子量比重水溶解度（mg/L）KH(atm·m3·mol-1)logKowlogKocKoc(mL/g)迁移性能分级3苯78.110.87418005.48×10-32.111.8978易甲苯92.140.8624906.7×10-32.692.12132较易乙苯106.170.8701878.68×10-33.152.41257较易邻二甲苯106.170.8802135.27×10-33.082.11129较易间二甲苯106.170.8601627.0×10-33.203.201585较难对二甲苯106.170.8602007.1×10-33.152.31204较易三氯甲烷119.381.48093003.2×10-31.951.6444易四氯化碳153.821.6049272.4×10-22.732.62417较易三氯乙烯131.391.46414700.9×10-22.372.03107较易四氯乙烯165.831.6234851.53×10-22.882.42263较易苯并[a]芘252.321.3510.0042.4×10-66.505.95891251很难根据文献资料[2~9]，太湖流域浅层地下水的包气带中的有机质的含量较高，为0.17%~1.87%，有机碳的含量为0.1%~1.09%。研究区1号制药厂排污河道附近的洛阳铲土孔垂直剖面土样、3号机车车辆厂垂直剖面土样以及其它地点的土样测