河道再生水入渗的水岩相互作用机理研究

刘立才，单 悦，黄俊雄，李炳华，杨 勇

(北京市水科学技术研究院，北京 100048)

在我国北方缺水地区，再生水是重要的可利用资源，不仅作为农业灌溉、城市工业和绿化水源，而且用于修复干涸河道，改善河道的生态环境。河道再生水规模利用对地下水环境的影响越来越受到人们关注。早期的阳离子交换吸附研究主要关注灌溉水对土壤和地下水的影响，认为灌溉水中的Na+与土壤中的Ca2+之间发生了阳离子交换吸附，引起土壤板结及地下水中硬度的升高[1]。近期的研究主要关注阳离子交换吸附树脂的应用，多数为树脂对水中Ca2+、Mg2+、重金属的交换吸附，以及对氨酸的吸附研究等[2-4]。土壤等介质对三氮去除净化作用研究很多，但多局限于试验研究或检测评价[5-12]，并没有机理的野外实测验证。本研究以北京市引温济潮工程(将温榆河水处理后引入干涸的潮白河)河道受水区为研究对象，通过室内的河水淋溶土柱试验，探究再生水入渗的吸附、降解等水岩相互作用机理，并利用受水区构建的地下水环境监测网的水质长期实测数据，评价再生水入渗对地下水总硬度和三氮的影响。

1 研究区概况

引温济潮一期工程于2007年底实施，潮白河受水河段北起向阳闸，南至河南村橡胶坝。受水河段长度7 km(图1)。受水区位于潮白河冲积扇向平原区的过渡地段，地层岩性较为复杂，自北而南，由砂砾石与薄层粉质黏土互层逐渐过渡到粉细砂层与厚而连续的粉质黏土互层，层数由少变多。河床底部的地层为细砂与粉质黏土互层。为查明河道入渗对地下水环境影响，在受水区周边构建了地下水环境监测网，监测地下水水位及水质变化，本研究选取15号30 m深的监测井(简称15(30))监测河水入渗对地下水水质的影响(图1)。

图1 潮白河河道受水河段及监测井位置

2 再生水淋溶试验

2.1 试验设计

在河道受水前，为评估再生水入渗可能对地下水产生的影响，在室内开展了河道底部3种典型介质土柱，即砾石含砂、细砂、粉质黏土的三氮迁移和阳离子交换吸附的再生水淋溶试验。淋溶试验柱长130 cm，直径15 cm。在距顶部20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、75 cm、95 cm、105 cm、115 cm处分别设置取样孔。前7天每天进行采样，之后采样间隔逐渐加大，试验历时80 d。试验装置见图2。

图2 试验装置(单位：cm)

在河道受水前实施地下水环境监测，采集了3种典型介质的土样，并进行了室内理化性质测试，测定了介质的阳离子交换吸附容量CEC、总有机碳PTOC、黏土矿物总量百分比和黏粒百分比等参数，见表1。从表1中可以看出，颗粒越细，各参数的数值越高，越有利于再生水中化学组分的吸附降解作用。

表1 3种典型介质的理化性质参数

2.2 阳离子交换吸附特征

河水水质符合典型的再生水水质特征，水中的K+和Na+的质量浓度较高，而Ca2+和Mg2+的质量浓度较低，K+、Na+、Ca2+和Mg2+的质量浓度分别为12～16 mg/L、80～100 mg/L、40～60 mg/L和15～20 mg/L。绘制不同土柱同一时刻的阳离子浓度平均值随土柱深度的变化曲线，见图3。从图3可以看出：①砾石含砂柱自上而下，K+、Na+、Ca2+、Mg2+4种离子质量浓度均变化不大，浓度比较稳定，可见阳离子交换吸附不明显。总硬度也较为稳定。②细砂柱自上而下，K+的质量浓度降低较为显著，Mg2+的质量浓度降低，Na+的质量浓度微升，Ca2+的质量浓度升高显著，阳离子交换主要体现为再生水中K+与土柱中Ca2+的置换，再生水中的Mg2+可能与土中的Ca2+也发生了置换。在0～0.5 m土柱内，出水总硬度变化不大，在0.5～1.0 m土柱内，总硬度随着出水中Ca2+的质量浓度的显著升高而增加。③粉质黏土柱自上而下，K+的质量浓度大幅降低，Ca2+的质量浓度大幅增加，Na+和Mg2+的质量浓度基本不变，表明再生水中的K+在经过土柱时与其中Ca2+发生了显著的阳离子交换吸附。出水中的总硬度明显升高。可见，岩性颗粒越细，CEC值越高，越有利于再生水中的K+与河床底部土层中的Ca2+之间发生阳离子交换吸附，这一结论与表1中介质的理化参数相符合。河道再生水的pH值为7.80，属于弱碱性，对阳离子交换吸附影响不大。

(a) 砾石含砂柱

(b) 细砂柱

(c) 粉质黏土柱

2.3 TN及NO3-N质量浓度变化特征

(a) TN

3 河道再生水入渗过程中地下水水质变化

在潮白河受水前实施河道及周边地下水环境监测，了解河道受水前的地下水背景水质，并在河道受水后持续监测地下水水质变化。以15(30)监测井的水质变化为例，说明再生水入渗过程中，河道底部土层介质与河水之间的阳离子交换吸附作用及其对三氮的净化作用。

3.1 受水前地下水水质

表2 受水前河水和地下水水质情况

3.2 受水后地下水水质

3.2.1 阳离子质量浓度及总硬度变化

自潮白河河道2007年底受水后，对受水区周边的地下水水质持续监测了9年，从15(30) 监测井获得的阳离子质量浓度及总硬度的月均值随时间变化见图5。从图5可以看出，地下水中的Na+的质量浓度在河道受水后快速升高并趋于稳定，由34.7 mg/L快速升高至99 mg/L，接近河水中的Na+的质量浓度；而K+的质量浓度一直很稳定，浓度很低，验证了再生水入渗过程中，河水中的K+与河道底部介质中Ca2+之间发生了阳离子交换吸附作用。地下水中的K+的质量浓度从2016年开始明显上升，由2.55 mg/L升至5 mg/L，乃至在2016年底达到11.6 mg/L，这表明阳离子交换吸附正趋于饱和，需要以后的监测数据进一步佐证。以往研究侧重于认为水中Na+与土壤中的Ca2+之间发生了阳离子交换吸附[1]，而本次的土柱试验及地下水水质实测数据证明阳离子交换吸附主要表现为水中K+置换了土壤中的Ca2+。

图5 地下水阳离子浓度及总硬度随时间变化

地下水中的Ca2+、Mg2+的质量浓度呈降低的趋势，Ca2+浓度明显降低，Mg2+浓度降低趋势较缓，地下水总硬度显著降低，由328 mg/L降至174 mg/L。这是因为再生水总硬度低于地下水背景总硬度，尽管再生水入渗过程中K+与Ca2+之间发生了阳离子交换吸附，在河床底部介质入渗过程中总硬度有一定程度的升高，但仍然低于地下水背景总硬度。即再生水入渗不仅没有引起地下水总硬度升高，反而因入渗水的稀释作用引起地下水总硬度不断降低。由此可见，对于阳离子和总硬度，在再生水入渗过程中，将引起地下水中Na+浓度的升高以及Ca2+、Mg2+浓度和总硬度的降低。

4 结 论

a. 河道再生水在受水区河床向地下水入渗过程中，河水中的K+与河床底部土层中的Ca2+之间发生了显著的阳离子交换吸附，地下水中的K+浓度在受水7年后才开始升高。尽管再生水入渗进入地下水的路径上总硬度升高，但仍低于地下水的背景总硬度，再生水对地下水的总硬度具有物理稀释作用，地下水总硬度持续降低。

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