不同类型岩土浸泡水实验分析

张洪英，高宗军，李 伟，时孟杰，牟林凯

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590;2.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)



不同类型岩土浸泡水实验分析

张洪英1，高宗军1，李 伟2，时孟杰1，牟林凯1

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590;2.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

岩土；浸泡；离子；地下水；水文地球化学

地下水作为地球水循环的主要组成部分，其水化学性质的优劣对生态环境保护与人类生活及生存发展都具有极其重要意义。地下水化学成分的来源、化学性质的形成及其演化早已成为人们研究的焦点，因而对于降水和地表水通过包气带向下运移形成地下水过程中的水化学变化的研究日益受到重视[1-2]。降水是植物营养循环以及溶解物质和悬浮微粒转运的载体；降水作为营养元素的携带者和溶剂，吸收大气中的各种化学成分、浮游物以及尘粒，以溶解态或以有机或无机微粒形式输入生态系统，是系统重要的环境输入源，在其动态中起着重要作用[3]。但是，降水转化为地下水后，水化学性质发生了巨大变化，其物质成分的来源及变化机理值得研究。目前，国内外学者开始注重岩溶地区中土地利用方式或污染对地下水水质影响的研究[4]，或对短时间尺度常规的岩溶水文地球化学指标进行了较为深入的研究[5]，而对于降雨期间雨水或地表水通过包气带入渗补给地下水过程中的水化学变化及其机理研究较少。本文拟通过不同浸泡时间不同岩土浸泡水的化学组分的变化，探讨包气带中的淋溶作用所做的贡献。

作者采集了沂源地区11组不同岩土样品(表1)，按岩土性质可分为5类：白云岩、泥灰岩、灰岩、花岗岩、表层土壤。在室内对所取岩土样进行浸泡试验，检测各岩土样浸泡水的常规水质指标，对比分析不同岩土样浸泡水的化学特征，以探索降水或地表水经包气带补给地下水过程中发生的化学组分及性质的变化，对研究该区域地下水演化过程具有重要意义。

表1 取样点位置Tab.1 Sampling point position

图1 研究区地质及采样点分布图Fig.1 Geology and sampling point distributions of study area

1 研究区概况

沂源是沂河的发源地，是典型的北方岩溶低山丘陵区，地形起伏较大。该区毗邻郯庐断裂带，构造作用强烈，构造类型多样，既有断陷、单斜盆地，也有大的褶曲构造(图1)。地层出露较全，既有太古代、元古代、中生代侵入岩体和早期的变质岩分布，也有寒武纪、奥陶纪碳酸盐岩以及页岩、石炭纪、二叠纪、侏罗纪、白垩纪和古近纪砂岩等碎屑岩类沉积地层，在局部低洼地带具有第四纪现代堆积物，因而地下水类型多样，主要有碳酸盐岩岩溶裂隙水、岩浆岩变质岩块状裂隙水及第四系松散沉积物孔隙水。为对应地下水类型，本次在全区分散采集了花岗岩、石灰岩、泥灰岩及第四系土壤样品(图1)。

2 试验目的及方法

浸泡试验也可称作极限淋溶试验，试验过程可视为对岩土样品在饱水条件下进行溶滤作用。本文试验参照《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)中的“易溶盐检测”方法进行。试验中，岩土样品与蒸馏水以1∶5的固液比混合浸泡，之后按照预定时间滤取岩土样浸泡液进行常规水质指标的检测[6-9]。

2.1 试验目的

通过试验，分析沂源不同类型岩土样浸泡液的水化学变化特征，研究降水经过包气带补给地下水时的水化学变化过程。

2.2 试验方法

3 试验结果

对不同岩土样浸泡液检测结果数据进行整理，绘制对比分析图(图2～9)，对试验结果进行分析。

3.1 各岩土样浸泡液水化学特征

由试验检测结果，计算各岩土样浸泡液中各离子毫克当量(meq/L)，绘制不同浸泡时间各岩土样浸泡液的离子组成柱状图。见图2～3。

图2 岩土样5 min浸泡液离子浓度柱状图Fig.2 Ionic concentration histogram of rock and soil soak solution(5 min)

图3 岩土样48 h浸泡液离子浓度柱状图Fig.3 Ionic concentration histogram of rock and soil soak solution(48 h)

3.2 各岩土样浸泡液水化学组分变化特征

对各类岩土样浸泡液进行分析，计算浸泡液水化学组分中各离子的增量

(1)

其中：Vi为浸泡液水化学组分中i离子的增量；i为浸泡液水化学组分中的某一离子；Ci-5为浸泡5 min时浸泡液中i离子的浓度；Ci-48为浸泡48 h时浸泡液中i离子的浓度。

由浸泡液水化学组分中各离子增量的计算结果，绘制各类型岩土样品浸泡液水化学组分中各离子变化特征对比图。

3.2.1 不同类型岩土样浸泡液水化学组分变化特征

以YS-1泥灰岩、YS-2白云岩、YS-8灰岩、YS-9花岗岩、YS-11土壤的浸泡液检测数据为例，对增量进行分析，如图4、图5所示。

图4 不同岩土阳离子对比图Fig.4 Comparison of different rock-soil cation

图5 不同岩土阴离子对比图Fig.5 Comparison of different rock-soil anion

分析认为：土壤层中钾离子少，花岗岩中钾钠含量明显高于其他岩土样，而且Na+在水溶液中是比较稳定的，水中Na+增多是离子交替吸附作用；灰岩中Ca2+主要以碳酸盐形式存在，所以相对其他岩土样含量增加缓慢；Mg2+矿物载体主要是白云岩，白云岩主要由白云石组成，Mg2+含量大，花岗岩主要为SiO2组成，MgO含量很少，花岗岩中Mg2+含量很少，短时间浸泡后白云岩和花岗岩浸泡液中Mg2+就出现且达到峰值，此后降低。

图6 相同岩土阳离子对比图Fig.6 Comparison of same rock-soil cation

图7 相同岩土阴离子对比图Fig.7 Comparison of same rock-soil anion

3.2.2 相同类型岩石对比

对比结构组分有差异的灰岩，如YS-4为鲕粒灰岩，YS-5为瘤状灰岩，YS-6为白云质灰岩，YS-7为竹叶状砾屑灰岩，YS-8厚层灰岩，对经过浸泡之后水化学的变化特征进行分析(图6～7)。

因此，灰岩组分含量的不同引起离子含量发生变化：鲕粒灰岩中鲕粒核心填隙物不同，白云质灰岩中存在白云石的影响，竹叶状碎屑灰岩可能是因砾屑填隙物不同，因组分存在的差异性可能就会导致浸泡之后水中离子含量出现减少情况。

3.2.3 不同土壤层对比

以YS-3、YS-10、YS-11为例对比土壤层，YS-3、YS-10为不同地区的土壤层，YS-11为没有作物种植的土壤层，见图8～9。

因此，在土壤层没有作物种植时，随着浸泡时间增加，离子逐渐淋溶出来，使浸泡液中离子含量不断增加；但在土壤层有作物种植时，因作物生长需要土壤中的养分以及人类施肥的影响，使不同作物生长改变的土壤层成分不同，所以在浸泡中出现离子变化各不相同的情况；同时作物对土壤层中一些离子的吸收及微生物的生长改变了土壤成分，所以出现浸泡过程中部分离子含量减少的情况。

图8 相同土层阳离子对比图Fig.8 Comparison of same soil cation

图9 相同土层阴离子对比图Fig.9 Comparison of same soil anion

4 结论

总之，浸泡试验结果说明，在天然降水补给地下水过程中，降水通过对包气带的淋溶作用，使包气带岩土中的大量物质转入水中，水化学性质遂发生了重大变化。由此可认定，地下水的大部分化学组分来源于降水转化为地下水过程中包气带的淋溶作用。

[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]邓为难,伍昌维.煤矸石模拟浸泡和淋溶实验污染物释放特点的研究[J].煤炭技术,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]陈步峰,周广益,曾庆波,等.热带山地次生雨林的水化学特征及其与降雨量关系的研究[J].林业科学研究,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]蒋勇军,袁道先,谢世友,等.岩溶流域土地利用变化对地下水水质的影响:以云南小江流域为例[J].自然资源学报,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]杨平恒,罗鉴银,袁道先,等.降雨条件下岩溶槽谷泉水的水文地球化学特征[J].水利学报,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]孟庆斌,邢立亭,滕朝霞.济南泉域“三水”转化与泉水恢复关系研究[J].山东大学学报(工学版),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]郑顺安,陈春,郑向群,等.模拟降雨条件下22种典型土壤镉的淋溶特征及影响因子分析[J].环境化学,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]杨平恒,旷颖仑,袁文昊,等.降雨条件下典型岩溶流域地下水中的物质运移[J].环境科学,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]陆晴,王玉刚,李彦,等.淋溶条件下土地利用方式对土壤有机碳含量及其理化性质的影响[J].水土保持学报,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]吴代赦,郑宝山,康往东,等.煤矸石的淋溶行为与环境影响的研究:以淮南潘谢矿区为例[J].地球与环境,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]贾红霞,肖昕,张双,等.济宁三矿煤矸石中重金属释放规律的浸泡试验研究[J].洁净煤技术,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,郭保华,宋晓梅.贮灰场粉煤灰中微量元素的浸泡试验研究[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.

(责任编辑：高丽华)

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

中国地质调查局《沂蒙山革命老区1∶5万水文地质调查(121201012000150003)》项目

张洪英(1990—)，女，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事水工环地质方面的研究.E-mial：18765926442@163.com 高宗军(1964—)，男，山东泰安人，教授，博士，主要从事水文地质、环境地质、生态地质等领域研究， 本文通信作者.E-mial： gaozongjun@126.com

P641.3

A

1672-3767(2016)06-0010-07