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深.水|不同浓度污水对地下水环境的影响

作者:哈建强    文章来源:环境生态网

1 前言  

由于我国总体水资源不足,随着国民经济的快速发展和人民生活水平的提高,灌溉用水不断被工业和城市生活用水所挤占,农业生产缺水日趋严重,特别是我国北方地区,由于水资源的开发利用几乎达到了临界状态,农业灌溉用水的不足只能是通过节水灌溉、污水灌溉甚至严重超采地下水来弥补。

我国污水灌溉的发展大体可划分为3个阶段:1957年以前为自发灌溉时期。自古以来,我国就有利用废水灌溉的习惯,自20世纪40年代起,在北京附近开始利用工业与生活废污水进行农田灌溉;1957~1972年为初步发展时期。1957年当时建工部联合农业部、卫生部把污水灌溉列入国家科研计划,从此开始兴建污水灌溉工程,污水灌溉得到了初步发展;1972年至今为迅速发展时期。尽管1972年在石家庄召开了全国污水灌溉会议,制定了“积极慎重”的发展方针,并制定了污水灌溉暂行水质标准,但由于自20世纪80年代中后期,随着我国北方地区水资源短缺的加剧和我国南方地区乡镇企业的迅猛发展,使得我国污水灌溉面积得到迅速扩大。据统计,我国1999年污水排放量达401亿m3,污水灌溉面积从1963年的4.1万hm2发展到1998年的361.8万hm2,占全国灌溉总面积的7.3%,特别是20世纪70年代末至90年代中期,污水灌溉面积由33.33万hm2猛增到333.33万hm2。从地域分布上,我国污水灌溉的农田主要集中在北方水资源严重短缺的海、辽、黄、淮四大流域,约占全国污水灌溉面积的85%。大型污水灌溉主要分布在我国北方大中城市的近郊区,如北京污水灌溉区、天津武宝宁污水灌溉区、辽宁沈抚污水灌溉区、山西整明污水灌溉区和新疆石河子污水灌溉区。从污水农业利用特点来看,这些地区属于水、肥并重的污水灌溉区。此外,秦岭、淮河以南和青藏高原以东为我国污水灌溉中的重肥污水污水灌溉区。沧州市污水灌溉主要是邻近山东德州市的吴桥县。

污水的资源化利用产生的环境问题反映出我国的污水灌溉前污水缺少必要的预处理措施,灌溉污水的污染物含量不满足灌溉水质的要求。近年来有许多污水灌溉地区的土壤及地下水环境因灌溉污水污染物浓度过高而造成污染。本文通过不同浓度的污水入渗试验,研究灌溉污水浓度对入渗氯的运移特性及地下水环境的影响。

2 污水浓度对土壤氯离子运移特性的影响

图1表示清水(0mg一Cl/L)与污水浓度分别为低浓度(250mg一Cl/L)、中浓度(500mg一Cl/L)、高浓度(1000mg一Cl/L)的污水入渗结束及再分布过程中氯离子的分布。土壤的初始氯离子含量为马氏瓶供给地下水达到稳定后的土体土壤的氯离子含量。可以看出,马氏瓶供给地下水达到稳定后的土体土壤的氯离子含量分布为自上而下降低,上层土壤的氯离子含量比较高,下层接近地下含水层 25cm 范围内的土壤没有检测到氯离子,含量接近于零。由此可见,氯离子在土壤中的移动性非常强,是一种吸附性非常弱的阴离子。

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2

 

图1 不同浓度污水入渗结束及再分布过程土壤中氯离子的分布  

清水(Omg一Cl/L)入渗结束,表层 20cm 以内的土壤的氯离子含量明显降低,小于土壤初始氯离子含量,中间土层的氯离子含量比较高,大于土壤初始氯离子含量下层,接近地下含水层 40cm 范围的土壤的氯离子含量与土壤初始氯离子含量接近。说明氯离子在土壤中移动性很强,随着入渗水分的不断向下运动,上层土壤中的氯离子易被入渗的清水淋洗到下层土层。清水入渗结束再分布24小时,上层土壤的氯离子含量继续减少,且减幅较大,下层土壤中的氯离子含量增加,且增幅较大,氯离子浓度剖面下移距离较大,可见在再分布24小时过程中,土体中的氯离子随着水分运动向下层土壤迁移。再分布5天和10天时,上层土壤的氯离子含量仍有所降低,下层土壤中的氯离子含量增加,但二者的变幅都比较小,氯离子浓度剖面下移距离也比较小。这是因为再分布24小时时,土壤含水量基本处于稳定状态,再分布5天、10天土壤中氯离子含量的变化主要是由于水分缓慢的再分布运动和氯离子的浓度梯度的差异引起的,氯离子的扩散起主要作用,土壤中的氯离子含量分布的变化较小。

低浓度(250mg一Cl/L)污水入渗结束,表层 10cm 以内的土壤的氯离子含量降低,小于土壤初始氯离子含量,中间土层的氯离子含量比较高,大于土壤初始氯离子含量。下层接近地下含水层 25cm 范围的土壤的氯离子含量与土壤初始氯离子含量接近。

中浓度(500mg一Cl/L)污水入渗结束,上层 30cm 以内的土壤的氯离子含量接近于土壤初始氯离子含量,中间土层的氯离子含量比较高,大于土壤初始氯离子含量,下层接近地下含水层 15cm 范围的土壤的氯离子含量与土壤初始氯离子含量接近。

高浓度(l000mg一Cl/L)污水入渗结束,上层 20cm 以内的土壤的氯离子含量大于土壤初始氯离子含量,中间土层20-30cm的土壤的氯离子含量接近土壤初始氯离子含量,中间土层30 -90cm 范围内的土壤的氯离子含量大于土壤初始氯离子含量,下层接近地下含水层 10cm 范围的土壤的氯离子含量与土壤初始氯离子含量相近。可见入渗污水的浓度越大,入渗结束后土壤氯离子的浓度剖面距地下含水层的距离就越短,对地下水环境的威胁就越大。

入渗结束时清水(0mg一Cl/L)和污水浓度分别为低浓度(250mg一CI/L)、中浓度(500mg一Cl/L)、高浓度(1000mg一CI/L)的土表的氯离子浓度值分别为18.748mg-CI/kg、79.937mg一CI/kg、140.616mg一CI/kg、402.803mg一CL/kg。入渗污水氯离子浓度与土表的氯离子浓度的关系见图2。经分析,在本试验条件下,入渗污水氯离子浓度与入渗完毕土的表层土壤的氯离子浓度之间符合线性关系,对图2试验实测资料进行拟合,得到经验公式:

C= 0.3757c     R2=0.9590

式中:C为污水入渗完毕土表氯离子浓度,mg一Cl/kg;

c为入渗污水氯离子浓度,mg一Cl/kg。

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图2  入渗污水氧离子浓度与入渗结束土表氯离子浓度关系  

再分布24小时,土体内氯离子含量分布均表现为上层土壤的氯离子含量减少,下层土壤的氯离子含量增加,增幅比较大,氯离子浓度剖面下移距离也比较大,土体中的;氯离子随着水分的运动在不断向下迁移。再分布5天和10天时,和清水入渗结束再分布情况相同,上层土壤的氯离子含量仍有所降低,下层土壤中的氯离子含量增加,但二者的变幅都比较小,氯离子浓度剖面下移距离也较小。入渗污水的浓度越大,氯离子浓度剖面下移的距离就越大。

由实测资料以 10cm 为一层分层计算的低浓度(250mg一Cl/L)、中浓度(500mg一Cl/L)、高浓度(l000mg一Cl/L)污水入渗结束及再分布过程的土壤的氯离子的含量(不含土壤初始氯离子)分布见表1到表4。可以看出,低浓度(250mg一CI/L)、中浓度(500mg一CI/L)、高浓度(l000mg一CI/L)污水入渗结束后,土体内累积的入渗氯离子含量分别为313.959mg、600.656mg、1229.746mg。氯离子在土壤中不易吸附,也不易转化。入渗污水浓度越大,入渗结束后累积在土壤中的氛离子含量越高。入渗污水的浓度越大,下层土壤相同位置的氯离子含量越大。接近地下含水层的土壤中累积的入渗氯离子的含量就越大。土壤入渗污水的浓度越低,对表层土壤的氯离子的淋洗就越充分,表层土壤的氯离子的含量与土壤初始氯离子含量的差值就越大,表层土壤累积的入渗氯离子含量占总入渗氯离子的比例就越小。再分布24小时、5天和10天,氯离子在土壤中在水分运动和氯离子浓度梯度的作用下从上层土壤向下层土壤运移,上层土壤的入渗的氯离子含量占总入渗氯离子的比例随再分布时间的增长而不断减小。

表1    不同浓度污水入渗结束土体内氯离子的分布  

深度(cm) 低浓度(250mg-CI/L) 中浓度(500mg-CI/L) 高浓度(1000mg-CI/L)
分层含量(mg) 分层比例(%) 累计比例(%) 分层含量(mg) 分层比例(%) 累计比例(%) 分层含量(mg) 分层比例(%) 累计比例(%)
0-10 -125.89 -40.098 -40.098 0.6169 -0.1027 -0.1027 431.355 35.044 35.044
10-20 21.427 6.825 -33.273 10.873 1.810 1.707 105.764 8.593 43.637
20-30 161.042 51.294 18.021 36.498 60.076 7.784 -0.4142 -0.0336 43.601
30-40 126.678 40.349 58.370 40.381 6.723 14.507 22.731 1.847 45.450
40-50 69.752 22.217 80.586 73.438 12.226 26.733 96.685 7.855 53.305
50-60 60.779 19.359 99.945 135.981 22.639 49.372 147.16 11.956 65.260
60-70 0.172 0.0548 100 157.524 26.225 75.597 181.722 14.764 80.024
70-80 0 0 100 113.248 18.854 94.451 171.272 13.915 93.938
80-90 0 0 100 33.331 5.549 100 74.612 6.606 100
90-100 0 0 100 0 0 100 0 0 100
合计 313.959 600.656 1230.89

表2     再分布24小时土体内氯离子的分布  

深度(cm) 低浓度(250mg-CI/L) 中浓度(500mg-CI/L) 高浓度(1000mg-CI/L)
分层含量(mg) 分层比例(%) 累计比例(%) 分层含量(mg) 分层比例(%) 累计比例(%) 分层含量(mg) 分层比例(%) 累计比例(%)
0-10 -182.2 -58.33 -58.33 -28.96 -4.908 -4.908 158.684 13.042 13.042
10-20 -115.25 -36.896 -95.226 -20.025 -3.393 -8.301 54.032 4.441 17.483
20-30 -37.27 -11.932 -107.16 -1.672 -0.283 -8.584 -7.424 -0.610 16.873
30-40 47.915 15.340 -91.82 18.980 3.216 -5.368 42.007 3.453 20.326
40-50 168.233 53.859 -37.96 61.045 10.345 4.977 131.336 10.795 31.12
50-60 211.348 67.661 29.702 110.875 18.789 23.765 180.946 14.872 45.992
60-70 136.883 43.822 73.524 145.598 24.673 48.438 214.712 17.647 63.639
70-80 74.040 23.703 97.228 171.024 28.982 77.420 225.481 18.532 82.182
80-90 8.659 2.772 100 108.459 18.379 95.799 155.081 12.746 94.918
90-100 0 0 100 24.790 4.201 100 61.836 5.082 100
合计 312.36 590.114 1216.69

表3    再分布5天土体内氯离子的分布  

深度(cm) 低浓度(250mg-CI/L) 中浓度(500mg-CI/L) 高浓度(1000mg-CI/L)
分层含量(mg) 分层比例(%) 累计比例(%) 分层含量(mg) 分层比例(%) 累计比例(%) 分层含量(mg) 分层比例(%) 累计比例(%)
0-10 -232.36 -75.684 -75.684 -92.377 -15.806 -15.806 100.43 8.318 8.318
10-20 -159.97 -51.106 -127.79 -81.293 -130909 -29.715 -6.535 -0.541 7.777
20-30 -63.895 -20.812 -148.6 -34.042 -5.825 -35.539 -10.394 -0.861 6.916
30-40 26.050 8.485 -140.12 2.671 0.457 -35.082 52.945 4.385 11.301
40-50 132.085 43.023 -97.10 60.914 10.422 -24.66 149.106 12.350 23.651
50-60 208.11 67.785 -29.31 149.114 25.513 0.853 208.876 17.300 40.951
60-70 193.22 62.935 33.626 212.16 36.3000 37.154 243.598 20.176 61.128
70-80 137.208 44.691 78.317 212.73 36.398 73.551 232.529 19.259 80.387
80-90 51.635 16.819 95.135 121.042 20.710 94.261 159.867 13.241 93.628
90-100 14.936 4.865 100 33.540 5.739 100 76.932 6.372 100
合计 307.014 584.459 1207.35

表4    再分布10天土体内氯离子的分布  

深度(cm) 低浓度(250mg-CI/L) 中浓度(500mg-CI/L) 高浓度(1000mg-CI/L)
分层含量(mg) 分层比例(%) 累计比例(%) 分层含量(mg) 分层比例(%) 累计比例(%) 分层含量(mg) 分层比例(%) 累计比例(%)
0-10 -216.35 -70.831 -70.831 -113.62 -19.512 -19.512 87.825 7.291 7.291
10-20 -182.07 -59.607 -130.44 -96.776 -16.62 -36.132 6.131 0.509 1.800
20-30 -100.12 -32.777 -163.22 -46.685 -8.017 -44.15 -21.467 -1.782 6.0178
30-40 -14.87 -4.869 -168.08 -9.754 -1.675 -45.825 34.700 2.881 8.899
40-50 111.166 36.395 -131.69 57.285 9.838 -35.987 129.408 10.743 19.642
50-60 210.621 68.956 -62.733 149.983 25.757 -10.23 197.355 16.384 36.026
60-70 216.049 70.733 8.000 223.881 38.448 28.218 246.794 20.488 56.514
70-80 182.377 59.709 67.710 236.13 40.552 68.77 148.225 20.607 77.121
80-90 78.908 25.834 93.544 138.483 23.782 92.552 181.603 15.076 92.197
90-100 19.720 6.456 100 43.368 7.448 100 93.992 7.803 100
合计 305.442 582.295 1204.57

图3   表示不同浓度污水入渗结束及再分布过程中土壤内累积入渗氯离子增量随时间的变化情况  

 

经分析,图3中实测资料,不同浓度污水入渗结束及再分布过程土壤中氯离子增量与时间变化规律可用二次多项式拟合为:

y=0.1072x2一1.9348x+314.05     cl=250(mg-CI/L)            R2=0.9994

y=0.2866x2一4.4036x+ 597.97     c 2=500(mg-CI/L)            R2=0.8858

y=0.4228x2一6.48llx+ 1227.55     c 3=1000(mg-CI/L)          R2=0.9123

式中:y为土壤中氯离子增量,mg;x为时间,D;。为入渗污水浓度,mg一CI/L ;下标1、2、3分别代表低浓度污水、中浓度污水、高浓度污水。

3 污水浓度对地下水中氯离子分布的影响

氯离子移动性比较强,马氏瓶供给地下水达到稳定时,下层土壤的氯离子己随毛管水上升运动迁移至中上层土壤,底层 25cm 的土壤未检测到氯离子,地下水未检测到氯离子。清水入渗结束和再分布过程中,地下水中都没有检测到氯离子,本试验条件下 70mm 清水入渗对地下水中的氯离子含量没有影响。

表5表示不同浓度污水入渗结束及再分布过程地下水中氯离子的分布情况。可以看出,在不同浓度污水入渗结束时,地下水中氯离子的含量均没有变化,说明入渗污水中氯离子均未进入地下含水层。再分布24小时,低浓度(250mg一Cl/L)污水入渗的地下水中氯离子含量仍没有变化;中浓度(500mg一cl/L)、高浓度(1OO0mg一cl/L)污水入渗的地下水中氯离子含量有所增加,高浓度(l0O0mg一Cl/L)污水入渗的地下水中氯离子含量的增量较大。再分布5天和10天时,不同浓度污水入渗的地下水中氯离子含量都有所增加,地下水上层水体氯离子含量比下层水体大,入渗污水的浓度越大,地下水中氯离子的平均含量就越大。说明入渗污水的氯离子浓度越高,从底层土壤进入地下水中的氯离子的量就越多,对地下水环境的影响就越大。所以在进行污水灌溉时,一定要对入渗污水中的氯离子浓度进行检测,避免污水中氯离子含量过高对土壤及地下水造成污染。

表5 不同浓度污水入渗结束及再分布过程地下水中氯离子的分布情况  

低浓度 测点位置(cm) 氯离子浓度(mg/L)
初始值 入渗结束 再分布24小时 再分布5天 再分布10天
5 0 0 0 4.254 6.381
10 0 0 0 4.624 4.624
15 0 0 0 2.312 4.624
平均值 0 0 0 3.73 5.210
中浓度 测点位置(cm) 氯离子浓度(mg/L)
初始值 入渗结束 再分布24小时 再分布5天 再分布10天
5 0 0 10.635 12.762 14.889
10 0 0 8.508 10.635 12.762
15 0 0 8.181 8.508 12.762
平均值 0 0 9.1079 10.635 13.471
高浓度 测点位置(cm) 氯离子浓度(mg/L)
初始值 入渗结束 再分布24小时 再分布5天 再分布10天
5 0 0 17.016 17.016 19.413
10 0 0 8.508 10.635 16.184
15 0 0 6.381 12.762 13.872
平均值 0 0 10.635 16.400

4 结语

通过清水与不同浓度污水入渗试验,研究了氯离子的运移特性及其对地下水环境的影响。清水和不同浓度污水入渗,入渗污水浓度越大,土壤氯离子运移距离越大,接近地下含水层的土壤中入渗的氯离子含量越大。清水和不同浓度污水入渗结束,地下水中氛离子的含量均没有变化,但经再分布后,入渗污水浓度越大,地下水中氯离子平均含量的增量越大,且地下水中上层水体氯离子含量比下层水体大。

QR:  深.水|不同浓度污水对地下水环境的影响
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