淮北平原河流污染對淺層地下水影響試驗研究

李 瑞 陳小鳳 劉 猛

一、研究區(qū)概況及研究對象的選定

淮北平原淺層地下水為第四至第三系松散巖系地下含水層組埋深0～50m，屬潛水～弱承壓水，由全新統(tǒng)Q4及上更新統(tǒng)Q3組成，含水層頂板埋深5.5～12.0m，底板埋深 40～50m，則上、下兩個韻律層構成：20～25m以淺，含水層厚度8～17m，以粉細砂為主夾亞砂土，下部25～50m，含水層厚度2～8m，巖性粉細砂夾中砂、亞砂土。富水性又分為富水區(qū)、中等富水區(qū)及弱富水區(qū)。富水區(qū)主要分布于古河道一帶，中等富水區(qū)分布于古河道邊緣～河漫灘相及古湖口一帶，古河間地塊，古湖盆中部為弱富水區(qū)。

淮北平原河流是地表水主要載體，多有節(jié)制閘控制，通常在大汛期間閘門開啟泄洪河水產(chǎn)生流動外，常年大部分時間里河水處于靜止狀態(tài)。被污染的河水長期貯存在河道里，不僅直接影響環(huán)境，而且也給地下水造成一定影響。

通過對淮北平原主要河流水環(huán)境的調(diào)查，選擇淮北平原中部蕭濉新河為研究對象，進行原型觀測試驗，應用溶質(zhì)在多孔介質(zhì)飽和水中的擴散理論，分析平原河流污染對淺層地下水的影響。

二、蕭濉新河污染對地下水影響途徑

在河流與地下水有水力聯(lián)系的區(qū)域，當?shù)叵滤坏陀诤拥浪粫r，河水污染滲入到地下水中造成地下水污染。下列幾種情況地下水極易被河水污染：

（1）山區(qū)河流進入平原或盆地時，河水在沖擊扇頂部滲入地下水造成地下水污染。這在新生代斷裂盆地最為明顯。

（2）河水通過漏斗或落水洞轉(zhuǎn)地下水，例如南方巖溶區(qū)。

（3）河流直接切割石灰?guī)r中或河床砂礫石與灰?guī)r之間沒有隔水層，則河水可直接轉(zhuǎn)為地下水，這在北方巖溶區(qū)可以見到。

（4）河水位在大部分時間里略高于地下水，污染的河水主要以擴散方式污染地下水。

蕭濉新河污染對淺層地下水的影響屬于上述第四種情況。

根據(jù)三個斷面的水位關系和地質(zhì)構造，河水污染物以不同途徑對地下水造成影響：

1.一號斷面淮紡閘上游以在單一土壤介質(zhì)中水平滲透擴散方式

如圖1第一號斷面地質(zhì)剖面圖所示，第二層為飽和含水層，該層為重粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)黏土層，含砂礓。底層高程25m，滲透系數(shù)為6.29×10-7cm/s。第三層處在河床以下為粉質(zhì)黏土，滲透系數(shù)5.00×10-7cm/s，屬很弱透水層。該斷面5口井深均在河道水位以下8m處，未穿透第三層黏土隔水層，水樣取自均質(zhì)重粉質(zhì)壤土飽和水層。由于河道水位與地下水位差很小，滲流流速可以忽略，因此河道污染物在土壤介質(zhì)中，以水平擴散方式對地下水造成影響。

2.二號斷面黃橋閘下游以在兩種介質(zhì)中垂直水平混合滲透擴散方式

如前所述第二號斷面所示，第二層粉質(zhì)黏土層，含砂礓底部高程25m，滲透系數(shù)5.06×10-7cm/s，第三層為重砂質(zhì)壤土底部高程21.05m，滲透系數(shù)6.05×10-7cm/s為透水層，第四層為極細砂，滲透系數(shù)4.00×10-7cm/s，為透水性較強的含水層。該斷面五口井均穿過重砂質(zhì)壤土進入第四層極細砂含水層，而且水樣取自第四層含水帶。河道污染物主要以垂直滲透到第四層為主，再在該層飽和水中作水平擴散，同時也與第三層水體摻混，如圖2。

3.三號斷面以在兩種不同土壤介質(zhì)中垂直穿透弱透水層再作水平擴散方式

第三號斷面地質(zhì)剖面圖所示，第二層為粉質(zhì)黏土層，含砂礓底部高程20.0m，滲透系數(shù) 7.68×10-7cm/s，屬弱透水層。第三層為細砂層，滲透系數(shù)4.12×10-7cm/s，為強透水層，該斷面五口井均穿越第二層進入第三層，水樣取自該層細砂飽和水。河道污染物應先在河床土壤中垂直穿過弱透水層到第三層極細砂強透水層后，再作水平擴散到地下水中，造成地下水污染。如圖3，河床土壤介質(zhì)對河流污染物質(zhì)垂直具有明顯的滲濾和消減功能。

綜上所述，由于地質(zhì)構造不同，在蕭濉新河三個斷面上污染的河水向地下水滲透方式也有差異。第一斷面淮紡閘上游河床以下重粉質(zhì)黏土為不透水層，取水井未穿透隔水層，故河水污染物以水平方式向地下水滲透擴散；第二斷面黃橋閘下游井深15m，弱透水層進入第四層細砂含水層，故該地下水污染物受河水污染物水平擴散和穿過河床底泥垂直滲透，再在細砂土壤中水平擴散；第三斷面符離集閘上游，河床以下為細砂土含水層，井水取自細砂土含水層，故該處地下水污染受河流污染物垂直穿透河床底泥后，再在細砂含水層中水平擴散影響。

三、蕭濉新河污染隨時間變化關系

有機污染是河道污染的主要成分，氨氮和高錳酸鹽指數(shù)是有機污染的綜合指標。在7月10日～12月18日16組水樣檢驗資料中，河水污染物濃度隨時間變化幅度很大，地下水污染物濃度比較穩(wěn)定?；幢钡貐^(qū)7～9月份是汛期，降雨比較頻繁，而且分布不均，這可能是造成河水污染物濃度變化幅度較大的直接原因。地下水污染物濃度變化幅度小說明土壤介質(zhì)對污染物吸附降解作用明顯。

四、河流污染在淺層地下水中擴散消減量

野外采集蕭濉新河及濱河地帶地下水取樣歷時半年，經(jīng)歷汛前枯水、汛期降雨和汛后蓄水，由于降雨過程中雨量時空分布不均，加之節(jié)制閘控制流量的影響，河水污染物濃度變化較大，在河道污染物隨河水穿過河道底泥進入地下土壤飽和水的過程中，由于底泥和土壤介質(zhì)的吸附和復雜的離子交換作用，污染物濃度迅速衰減，使地下水污染物含量大大降低，并且處在比較穩(wěn)定狀態(tài)。

計算三個斷面河流有機污染物在地下土壤飽水層擴散運移至第一口井時，氨氮濃度消減量占相應河水氨氮濃度分別為：第一斷面81%，第二斷面99%，第三段面96%；高錳酸鹽指數(shù)消減量占河水高錳酸鹽指數(shù)濃度分別為：第一斷面86%，第二斷面78%，第三斷面82%。

五、河流污染與濱河地下水質(zhì)相關分析

大量地下水水樣化驗資料顯示，重金屬、氰化物、揮發(fā)酚多環(huán)芳烴等有害物質(zhì)含量多低于Ⅲ類水標準，而且濃度比較穩(wěn)定，即使有些變化也沒有規(guī)律，看不出與河水污染物有關聯(lián)。但在一定范圍內(nèi)可以找出河水有機污染對地下水的影響關系，下面用統(tǒng)計系列資料的相關來分析河水污染對地下水的影響。

從河流污染對地下水影響研究物理過程來看，在河水與地下水存在濃度差和水位差條件下，污染物通過土壤介質(zhì)在地下含水層中擴散運移，并沿程衰減。不斷變化的河道高濃度污染物是源，地下水污染物濃度沿程衰減是流，源和流之間必然相關，但是污染物在土壤含水層中運移有一個時間過程，如果簡單地以同一個時間河水與某一處地下水污染物濃度資料系列做相關分析，就沒有把污染物運移時間過程考慮進去，這樣則不符合實際。為解決這一問題，本項研究采取漸進錯位相關分析法，這里三個斷面只分析一號井，即河水與一號井地下水16組水質(zhì)資料按時間順序水平對齊排列，由河水第一次對地下水第一次測得的資料序列相關得出第一個相關系數(shù)；舍去地下水第一次和河水最后一次由河水第一次對地下水第二次資料序列相關，得出第二個相關系數(shù)；依次舍去地下水資料序列前諸次，刪除河水資料序列后諸次，取中間序列不少于五組資料做相關分析，得出一組系列相關系數(shù)值，并從中選取最大的一個作為河水與地下水相關關系，而最大相關系數(shù)所處的時段可認為是河水與某處地下水地段污染物傳播時間。經(jīng)過試驗得知，第一斷面淮紡閘、第二斷面黃橋閘和第三斷面符離集閘河水氨氮傳播到第一口井的時間分別為：21天、49天和42天。第一斷面淮紡閘、第二斷面黃橋閘和第三斷面符離集閘河水高錳酸鹽指數(shù)傳播到第一口井的時間分別為：28天、28天和28天。

若拿蕭濉新河水體氨氮濃度、高錳酸鹽指數(shù)與各斷面距水邊不同離地下水做相關分析，可以看出大約在20m左右范圍內(nèi)具有較好的相關關系，超出本范圍則沒有明顯的關系，其他原因造成的特例除外。

六、結(jié)語

河流污染對地下水構成一定程度的污染，并且嚴重影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境，因此，控制入河排污量，加強河流水環(huán)境保護，建立良好的河流生態(tài)體系至關重要。同時也要看到河流污染對地下水影響是有限的，而工業(yè)點源污染和農(nóng)業(yè)面源污染加之城市生活污水和垃圾存在于地表，這些污染源每逢降水發(fā)生，污染物便會很快溶解，隨之垂直向地下入滲，而垂直入滲滲徑短，對地下水的影響特別明顯，因此更要控制工業(yè)點源和農(nóng)業(yè)面源污染，保護地下水資源，保障經(jīng)濟社會和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展■