不同類型巖土浸泡水實(shí)驗(yàn)分析

張洪英，高宗軍，李 偉，時(shí)孟杰，牟林凱

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590;2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

?

不同類型巖土浸泡水實(shí)驗(yàn)分析

張洪英1，高宗軍1，李 偉2，時(shí)孟杰1，牟林凱1

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590;2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

巖土；浸泡；離子；地下水；水文地球化學(xué)

地下水作為地球水循環(huán)的主要組成部分，其水化學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與人類生活及生存發(fā)展都具有極其重要意義。地下水化學(xué)成分的來源、化學(xué)性質(zhì)的形成及其演化早已成為人們研究的焦點(diǎn)，因而對(duì)于降水和地表水通過包氣帶向下運(yùn)移形成地下水過程中的水化學(xué)變化的研究日益受到重視[1-2]。降水是植物營(yíng)養(yǎng)循環(huán)以及溶解物質(zhì)和懸浮微粒轉(zhuǎn)運(yùn)的載體；降水作為營(yíng)養(yǎng)元素的攜帶者和溶劑，吸收大氣中的各種化學(xué)成分、浮游物以及塵粒，以溶解態(tài)或以有機(jī)或無機(jī)微粒形式輸入生態(tài)系統(tǒng)，是系統(tǒng)重要的環(huán)境輸入源，在其動(dòng)態(tài)中起著重要作用[3]。但是，降水轉(zhuǎn)化為地下水后，水化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了巨大變化，其物質(zhì)成分的來源及變化機(jī)理值得研究。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始注重巖溶地區(qū)中土地利用方式或污染對(duì)地下水水質(zhì)影響的研究[4]，或?qū)Χ虝r(shí)間尺度常規(guī)的巖溶水文地球化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了較為深入的研究[5]，而對(duì)于降雨期間雨水或地表水通過包氣帶入滲補(bǔ)給地下水過程中的水化學(xué)變化及其機(jī)理研究較少。本文擬通過不同浸泡時(shí)間不同巖土浸泡水的化學(xué)組分的變化，探討包氣帶中的淋溶作用所做的貢獻(xiàn)。

作者采集了沂源地區(qū)11組不同巖土樣品(表1)，按巖土性質(zhì)可分為5類：白云巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r、花崗巖、表層土壤。在室內(nèi)對(duì)所取巖土樣進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，檢測(cè)各巖土樣浸泡水的常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)，對(duì)比分析不同巖土樣浸泡水的化學(xué)特征，以探索降水或地表水經(jīng)包氣帶補(bǔ)給地下水過程中發(fā)生的化學(xué)組分及性質(zhì)的變化，對(duì)研究該區(qū)域地下水演化過程具有重要意義。

表1 取樣點(diǎn)位置Tab.1 Sampling point position

圖1 研究區(qū)地質(zhì)及采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Geology and sampling point distributions of study area

1 研究區(qū)概況

沂源是沂河的發(fā)源地，是典型的北方巖溶低山丘陵區(qū)，地形起伏較大。該區(qū)毗鄰郯廬斷裂帶，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，構(gòu)造類型多樣，既有斷陷、單斜盆地，也有大的褶曲構(gòu)造(圖1)。地層出露較全，既有太古代、元古代、中生代侵入巖體和早期的變質(zhì)巖分布，也有寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)碳酸鹽巖以及頁巖、石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)和古近紀(jì)砂巖等碎屑巖類沉積地層，在局部低洼地帶具有第四紀(jì)現(xiàn)代堆積物，因而地下水類型多樣，主要有碳酸鹽巖巖溶裂隙水、巖漿巖變質(zhì)巖塊狀裂隙水及第四系松散沉積物孔隙水。為對(duì)應(yīng)地下水類型，本次在全區(qū)分散采集了花崗巖、石灰?guī)r、泥灰?guī)r及第四系土壤樣品(圖1)。

2 試驗(yàn)?zāi)康募胺椒?/h2>

浸泡試驗(yàn)也可稱作極限淋溶試驗(yàn)，試驗(yàn)過程可視為對(duì)巖土樣品在飽水條件下進(jìn)行溶濾作用。本文試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)中的“易溶鹽檢測(cè)”方法進(jìn)行。試驗(yàn)中，巖土樣品與蒸餾水以1∶5的固液比混合浸泡，之后按照預(yù)定時(shí)間濾取巖土樣浸泡液進(jìn)行常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)[6-9]。

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過試驗(yàn)，分析沂源不同類型巖土樣浸泡液的水化學(xué)變化特征，研究降水經(jīng)過包氣帶補(bǔ)給地下水時(shí)的水化學(xué)變化過程。

2.2 試驗(yàn)方法

3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同巖土樣浸泡液檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制對(duì)比分析圖(圖2～9)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 各巖土樣浸泡液水化學(xué)特征

由試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算各巖土樣浸泡液中各離子毫克當(dāng)量(meq/L)，繪制不同浸泡時(shí)間各巖土樣浸泡液的離子組成柱狀圖。見圖2～3。

圖2 巖土樣5 min浸泡液離子濃度柱狀圖Fig.2 Ionic concentration histogram of rock and soil soak solution(5 min)

圖3 巖土樣48 h浸泡液離子濃度柱狀圖Fig.3 Ionic concentration histogram of rock and soil soak solution(48 h)

3.2 各巖土樣浸泡液水化學(xué)組分變化特征

對(duì)各類巖土樣浸泡液進(jìn)行分析，計(jì)算浸泡液水化學(xué)組分中各離子的增量

(1)

其中：Vi為浸泡液水化學(xué)組分中i離子的增量；i為浸泡液水化學(xué)組分中的某一離子；Ci-5為浸泡5 min時(shí)浸泡液中i離子的濃度；Ci-48為浸泡48 h時(shí)浸泡液中i離子的濃度。

由浸泡液水化學(xué)組分中各離子增量的計(jì)算結(jié)果，繪制各類型巖土樣品浸泡液水化學(xué)組分中各離子變化特征對(duì)比圖。

3.2.1 不同類型巖土樣浸泡液水化學(xué)組分變化特征

以YS-1泥灰?guī)r、YS-2白云巖、YS-8灰?guī)r、YS-9花崗巖、YS-11土壤的浸泡液檢測(cè)數(shù)據(jù)為例，對(duì)增量進(jìn)行分析，如圖4、圖5所示。

圖4 不同巖土陽離子對(duì)比圖Fig.4 Comparison of different rock-soil cation

圖5 不同巖土陰離子對(duì)比圖Fig.5 Comparison of different rock-soil anion

分析認(rèn)為：土壤層中鉀離子少，花崗巖中鉀鈉含量明顯高于其他巖土樣，而且Na+在水溶液中是比較穩(wěn)定的，水中Na+增多是離子交替吸附作用；灰?guī)r中Ca2+主要以碳酸鹽形式存在，所以相對(duì)其他巖土樣含量增加緩慢；Mg2+礦物載體主要是白云巖，白云巖主要由白云石組成，Mg2+含量大，花崗巖主要為SiO2組成，MgO含量很少，花崗巖中Mg2+含量很少，短時(shí)間浸泡后白云巖和花崗巖浸泡液中Mg2+就出現(xiàn)且達(dá)到峰值，此后降低。

圖6 相同巖土陽離子對(duì)比圖Fig.6 Comparison of same rock-soil cation

圖7 相同巖土陰離子對(duì)比圖Fig.7 Comparison of same rock-soil anion

3.2.2 相同類型巖石對(duì)比

對(duì)比結(jié)構(gòu)組分有差異的灰?guī)r，如YS-4為鮞?；?guī)r，YS-5為瘤狀灰?guī)r，YS-6為白云質(zhì)灰?guī)r，YS-7為竹葉狀礫屑灰?guī)r，YS-8厚層灰?guī)r，對(duì)經(jīng)過浸泡之后水化學(xué)的變化特征進(jìn)行分析(圖6～7)。

因此，灰?guī)r組分含量的不同引起離子含量發(fā)生變化：鮞?；?guī)r中鮞粒核心填隙物不同，白云質(zhì)灰?guī)r中存在白云石的影響，竹葉狀碎屑灰?guī)r可能是因礫屑填隙物不同，因組分存在的差異性可能就會(huì)導(dǎo)致浸泡之后水中離子含量出現(xiàn)減少情況。

3.2.3 不同土壤層對(duì)比

以YS-3、YS-10、YS-11為例對(duì)比土壤層，YS-3、YS-10為不同地區(qū)的土壤層，YS-11為沒有作物種植的土壤層，見圖8～9。

因此，在土壤層沒有作物種植時(shí)，隨著浸泡時(shí)間增加，離子逐漸淋溶出來，使浸泡液中離子含量不斷增加；但在土壤層有作物種植時(shí)，因作物生長(zhǎng)需要土壤中的養(yǎng)分以及人類施肥的影響，使不同作物生長(zhǎng)改變的土壤層成分不同，所以在浸泡中出現(xiàn)離子變化各不相同的情況；同時(shí)作物對(duì)土壤層中一些離子的吸收及微生物的生長(zhǎng)改變了土壤成分，所以出現(xiàn)浸泡過程中部分離子含量減少的情況。

圖8 相同土層陽離子對(duì)比圖Fig.8 Comparison of same soil cation

圖9 相同土層陰離子對(duì)比圖Fig.9 Comparison of same soil anion

4 結(jié)論

總之，浸泡試驗(yàn)結(jié)果說明，在天然降水補(bǔ)給地下水過程中，降水通過對(duì)包氣帶的淋溶作用，使包氣帶巖土中的大量物質(zhì)轉(zhuǎn)入水中，水化學(xué)性質(zhì)遂發(fā)生了重大變化。由此可認(rèn)定，地下水的大部分化學(xué)組分來源于降水轉(zhuǎn)化為地下水過程中包氣帶的淋溶作用。

[1]LEE B,HAMM S Y,JANG S,et al. Relationship between groundwater and climate change in South Korea[J].Geosciences Journal,2013,18(2):209-218.

[2]鄧為難,伍昌維.煤矸石模擬浸泡和淋溶實(shí)驗(yàn)污染物釋放特點(diǎn)的研究[J].煤炭技術(shù),2013,32(5):142-144. DENG Weinan,WU Changwei.Contamination releasing regularity of coal gangue based on soaking and leaching experiments [J].Coal Technology,2013,32(5):142-144.

[3]陳步峰,周廣益,曾慶波,等.熱帶山地次生雨林的水化學(xué)特征及其與降雨量關(guān)系的研究[J].林業(yè)科學(xué)研究,1993,6(2):117-123. CHEN Bufeng,ZHOU Guangyi,ZENG Qingbo,et al.Hydrochemical characteristics and their regression analysis on the secondary rain forest ecosystem of tropical upland in China[J].Forest Research,1993,6(2):117-123.

[4]蔣勇軍,袁道先,謝世友,等.巖溶流域土地利用變化對(duì)地下水水質(zhì)的影響:以云南小江流域?yàn)槔齕J].自然資源學(xué)報(bào),2004,19(6):707-715. JIANG Yongjun,YUAN Daoxian,XIE Shiyou,et al.Effects of land use change on groundwater quality in karst watershed:A case study in Xiaojiang watershed of Yunnan province[J].Journal of Natural Resources,2004，19(6)：707-715.

[5]楊平恒,羅鑒銀,袁道先,等.降雨條件下巖溶槽谷泉水的水文地球化學(xué)特征[J].水利學(xué)報(bào),2009,40(1):67-74. YANG Pingheng,LUO Jianyin,YUAN Daoxian,et al.Respponse of spring water hydrochemical behaviors to rainfall in karst subterranean river system[J].Journal of Hydraulic Engineering,2009,40(1):67-74.

[6]孟慶斌,邢立亭,滕朝霞.濟(jì)南泉域“三水”轉(zhuǎn)化與泉水恢復(fù)關(guān)系研究[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2008,38(5):82-87. MENG Qingbin,XING Liting,TENG Zhaoxia,et al.The relationship of spring protection and transformation pattern between precipitation groundwater and surface water in the Jinan spring region[J].Journal of Shandong University (Engineering Science),2008,38(5):82-87.

[7]鄭順安,陳春,鄭向群,等.模擬降雨條件下22種典型土壤鎘的淋溶特征及影響因子分析[J].環(huán)境化學(xué),2013,32(5):867-873. ZHENG Shunan,CHEN Chun,ZHENG Xiangqun,et al.Effect of simulated rain on leaching of cadmium from 22 typical soils and key factors identification[J].Environmental Chemistry,2013,32(5):867-873.

[8]楊平恒,曠穎侖,袁文昊,等.降雨條件下典型巖溶流域地下水中的物質(zhì)運(yùn)移[J].環(huán)境科學(xué),2009,30(11):3249-3255. YANG Pingheng,KUANG Yinglun,YUAN Wenhao,et al.Substances transport in an underground river of typical karst watershed during storm events[J].Environmental Science,2009,30(11):3249-3255.

[9]陸晴,王玉剛,李彥,等.淋溶條件下土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳含量及其理化性質(zhì)的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2013,27(3):242-252. LU Qing,WANG Yugang,LI Yan,et al.Effects of land use types on soil organic contents and physical and chemical properties under the leaching conditions[J].Journal of Soil and Water Conservation,2013,27(3):242-252.

[10]吳代赦,鄭寶山,康往東,等.煤矸石的淋溶行為與環(huán)境影響的研究:以淮南潘謝礦區(qū)為例[J].地球與環(huán)境,2004,32(1):55-59. WU Daishe,ZHENG Baoshan,KANG Wangdong,et al.Leaching behavior of coal spoils and environmental impacts[J].Earth and Environment,2004,32(1):55-59.

[11]賈紅霞,肖昕,張雙,等.濟(jì)寧三礦煤矸石中重金屬釋放規(guī)律的浸泡試驗(yàn)研究[J].潔凈煤技術(shù),2009,15(6):97-101. JIA Hongxia,XIAO Xin,ZHANG Shuang,et al.Release rules of heavy metals in different Jining Ⅲ weathering gangue in immersion test[J].Clean Coal Technology,2009,15(6):97-101.

[12]田采霞,郭保華,宋曉梅.貯灰場(chǎng)粉煤灰中微量元素的浸泡試驗(yàn)研究[J].粉煤灰,2007,19(5):21-23. TIAN Caixia,GUO Baohua,SONG Xiaomei.Experimental study of microelements in immersed fly ash in stockpile[J].Coal Ash,2007,19(5):21-23.

(責(zé)任編輯：高麗華)

Analysis of Different Types of Rock-soil in Soaking Experiment

ZHANG Hongying1, GAO Zongjun1, LI Wei2, SHI Mengjie1, MOU Linkai1

(1. College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China;2. Center for Hydrogeology and Environmental Geology, China Geology Survey, Baoding, Hebei 071051, China)

rock-soil; soaking; ions; groundwater; hydrogeochemistry

2016-01-28

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《沂蒙山革命老區(qū)1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查(121201012000150003)》項(xiàng)目

張洪英(1990—)，女，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事水工環(huán)地質(zhì)方面的研究.E-mial：18765926442@163.com 高宗軍(1964—)，男，山東泰安人，教授，博士，主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、生態(tài)地質(zhì)等領(lǐng)域研究， 本文通信作者.E-mial： gaozongjun@126.com

P641.3

A

1672-3767(2016)06-0010-07