包气带土层对氮素污染地下水的防护能力试验研究

刘颖超，邢国章，刘 凯

（1.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2.北京市地质工程勘察院，北京 100048）

0 引言

地下水环境中氮污染问题近年来受到广泛的关注,地下水位以上的包气带土层是阻控、拦截这一污染源的主要屏障，其较好的土质结构可使多数迁移氮素在此地段得到消减［1］。

国内外学者在包气带土层对氮素污染地下水的防护能力研究方面已取得了不少成果。有些学者通过大量的野外试验与调查总结规律，如Fred Magdoff、Addisott、Powlson 等的试验分别表明，降雨量增大，易发生硝酸盐淋失［2］。Bergstrom(1987)在瑞典中部地区进行的试验也进一步表明，排出水中绝大多数氮以形式出现，其余氮素不超过0.1 mg/kg［3］。同时很多学者专家也通过数值模拟的方式来解决问题，根据不同的数学方法并结合实际问题提出了不少求解模型。Bergstrom等提出的模拟土壤氮素动态的SOILN模型［3］，Verecken等提出的模拟有作物生长及土壤水分和氮素运移的SWATNIT 模型等。

国内开展这方面的研究较晚，黄绍敏等采用田间试验、人工渗滤池试验及不同土类的室内试验揭示，土壤中硝态氮含量主要受土壤类型影响,施肥及施肥量是最大的外因［4］，丁洪等发现土壤的硝化、反硝化作用与土壤质地和pH有关，与硝化反硝化菌群数量无关［5］。杨维等研究证明在包气带通气性良好的环境中，硝酸盐氮是氮污染的主要存在形态；在饱水岩层缺氧的还原性环境中，氨氮是污染地下水氮素的主要存在形态［6］。刘长礼、樊国强、贺连娟、等通过试验研究了粘性土层的防污性能[7～9]。阮晓红等研究氮在包气带不同土质层中饱水条件下迁移转化的特征[10]，通过室内土柱实验得出氮对地下水的污染因子是硝酸根,建立了一维饱和土壤层中氮迁移的预测模型。

由于包气带环境复杂，很难得到普遍适用的方法来计算、评价包气带土层截污量。本文通过对北京市典型地区包气带土层取样，采用室内模拟试验的方式来计算包气带土体截污能力，研究包气带土层对氮素污染地下水的防护能力。

1 材料与方法

试验采用柱试验的形式，采用内径为18.6cm，高度为120cm的有机玻璃柱。土样经风干后按实测容重分层装填，为防止优先流等的影响，装填前横向打磨柱体内壁并均匀涂抹凡士林。装填前土柱下方先放滤网并装填厚度约8cm的石英砂，作为承托层，待土柱装填完毕，在上方也放置滤网及厚度约5cm的石英砂。试验采用再生水作为水源，为了真实反映实际情况，水源均取自当地。根据预试验，所取水源7天内氮素成分不会发生明显变化，所以水源使用一般不超过7天。土柱分别命名为Z1、Z2 ，柱体装填高度分别为50cm和100cm。试验供水采用马氏瓶定水位供水，采用由上至下的进水方式，试验装置如图1。试验用土选取北京通州张家湾处粘质粉土和房山南刘庄粉砂。试验用土及试验水源各项指标见表1、表2。

图1 试验装置图

试验期间对每日进、出水量进行监测，根据设计时间间隔在柱体下端取样化验，测试项目为TN及CL-，并定时辅测温度。水样化验采用纳氏试剂分光光度法，检出限为采用对氨基苯磺酸—α萘胺分光光度法，检出限为0.001 mg/l（以亚硝酸计）；NO3-及总氮均采用紫外分光光度法，检出限为0.05mg/l（以硝酸计）；Cl-采用硝酸银滴定法，检出限为0.7 mg/l。

2 结果与讨论

试验使用时段去除率表征污水入渗条件下不同土体对氮素的截留性能。所谓时段去除率即是某一时段内污染水体经过土柱时由于各种物理、化学、生物效应而使进水的污染物组分含量发生了变化，针对某一污染组分，其进入量与排出量的差值与进入量的比值即是这一污染组分的时段去除率。由水源水质波动性大,且试验柱上方均有一定高度的自由水体，因此实际的进水浓度随当日水源浓度递变，数据使用时采用完全混合模型做了适当的处理。

根据再生水淋溶试验的结果，可计算出北京市不同岩性土体对再生水中离子的净化能力，计算公式如下：

式中：η—第i时段的去除率

Qi进—第i时段的进水量。

Ai—第i时段某组分的进水浓度。

Qi出—第i时段的出水量。

Bi—第i时段某组分的出水浓度。

表1 试验用土特性表

表2 试验水源主控指标

图2 Z1土柱时段去除率变化曲线

图3 Z2土柱–N时段去除率变化曲线

图4 Z1土柱–N时段去除率变化曲线

图5 Z2土柱–N时段去除率变化曲线

图6 土柱TN时段去除率变化曲线

图7 土柱TN时段去除率变化曲线

表3 试验柱体稳定阶段各离子去除特征值

结合试验的目的，以稳定阶段土体对污染物的去除来代表土体对污染物的去除能力，稳定时期各参数总结如表3。

总氮变化特征反映了试验中所发生的物理、化学、生物作用，因此其去除率是土体对的综合去除作用的体现，可以使用总氮的去除率曲线来描述土体对再生水的净化能力。从图6～图7可以看出，经过一段试验时间后，土体对氮的去除作用逐渐稳定，稳定后去除率岩性颗粒细大于颗粒粗的，粘质粉土（Z1）去除率在83.3%左右，粉砂（Z2）去除率在29.1%左右。

3 结论

（1）包气带中粘质粉土对氮素污染地下水具有较强的截留和防护能力，粉砂截留和防护能力相对较差。

（2）包气带土层对氮素的去除具有明显的分段性。张家湾粘质粉土柱体在稳定时期的平均去除率分别为：99.3%，50.6%，83.3%，南刘庄粉砂柱体在稳定时期的平均去除率分别为：37.4%，7.3%，29.1%。以总氮的去除率曲线来描述土体对再生水的净化能力，颗粒细小的粘质粉土去除率明显大于颗粒稍大水动力条件较好的粉砂。

（3）包气带地层对氮的去除作用主要受岩性影响，当岩性变粗时截污防护能力进一步降低；同时截污防护能力还受到水质、环境影响，当浓度高、水动力条件好、氧化环境增加时，转化，进一步增加的污染程度。

[1]张 云,张 胜,刘长礼等.包气带土层对氮素污染地下水的防护能力综述与展望[J].农业环境科学学报,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]黄绍敏,皇甫湘荣,宝德俊等.土壤中硝态氮含量的影响因素研究[J].农业环境保护,2001,20(5):351～354.

[5]丁 洪,蔡贵信,王跃思等.华北平原几种主要类型土壤的硝化及反硝化活性[J].农业环境保护,2001,20(6):390～393.

[6]杨 维,郭 毓,王晓华等.氮素在包气带与饱水层迁移转化的实验研究[J].环境科学研究,2008,21(3):69～75.

[7]刘长礼,张 云,叶 浩等.包气带粘性土层的防污性能试验研究及其对地下水脆弱性评价的影响[J].地球学报,2006,27(4):349～354.

[8]樊国强,周长松.包气带粘性土层防污性能研究[J].地下水,2012,34(42):36～39.

[9]贺连娟.氮污染物通过饱和粘性土层垂直渗透时迁移机理研究[D].长春:吉林大学,2009.

[10]阮晓红,王 超,朱 亮.氮在饱和土壤层中迁移转化特征研究[J].河海大学学报,1996 ,24(2):51～55.