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本文作者：張勇1，邢立亭1劉莉2王立艷1作者單位：1濟(jì)南大學(xué)2山東省物化探勘查院

試驗(yàn)方法和手段

在充分收集已有的相關(guān)資料并進(jìn)行野外調(diào)查的基礎(chǔ)之上，在場(chǎng)區(qū)的西南角施工了4眼水文地質(zhì)鉆孔，如圖1所示。利用這4眼鉆孔進(jìn)行環(huán)境水文地質(zhì)勘察與試驗(yàn)。主要的野外試驗(yàn)項(xiàng)目包括抽水試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)和彌散試驗(yàn)，并在室內(nèi)設(shè)計(jì)一組土柱淋濾試驗(yàn)。

1野外抽水試驗(yàn)

2011年9月4日上午9:40開(kāi)始抽水試驗(yàn)，本次抽水試驗(yàn)以P號(hào)孔為抽水主孔，i和h孔為2個(gè)觀測(cè)孔。抽水孔涌水量Q=13m3/h。抽水孔P在抽水前、后的水位標(biāo)高分別為3475m和27．815m，穩(wěn)定水位埋深9．60m，水位降深5．66m。觀測(cè)孔i抽水前、后的水位標(biāo)高分別為3516m和30．346m，穩(wěn)定水位埋深7．10m，水位降深17m。觀測(cè)孔h抽水前、后的水位標(biāo)高分別為3437m和3367m，穩(wěn)定水位埋深6．20m，水位降深07m。

2野外滲水試驗(yàn)

為了解場(chǎng)區(qū)內(nèi)地層的滲透性能，獲取場(chǎng)區(qū)地層的滲透系數(shù)，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)選擇了有代表性的3個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行試坑滲水試驗(yàn)，本次試驗(yàn)的地層為場(chǎng)區(qū)的表層亞黏土層。本次工作采用單環(huán)法［6］:在選定的試驗(yàn)位置挖一個(gè)直徑約50cm、深30～50cm的圓形試坑，要求坑壁垂直，坑底平整，并要確保試驗(yàn)土層的結(jié)構(gòu)不被擾動(dòng)。將事先設(shè)計(jì)好的直徑為35．75cm的鐵環(huán)(鐵環(huán)面積為1000cm2)放入注水坑內(nèi)，環(huán)外用粘土填實(shí)，并確保四周不漏水。在環(huán)底鋪2～3cm厚，粒徑為5～10mm的礫石或碎石作為緩沖層，并在試環(huán)中央插上鋼尺，以方便控制水頭高度。試驗(yàn)開(kāi)始后，先向量筒內(nèi)注入2000mL水，安裝好注水管和控制流量的夾子，然后向環(huán)內(nèi)注水，當(dāng)環(huán)內(nèi)水深達(dá)到10cm時(shí)，開(kāi)始記錄時(shí)間、測(cè)量注水水量。保持環(huán)內(nèi)水深10cm，波動(dòng)幅度不大于0．5cm。試驗(yàn)過(guò)程中，注水水量精度應(yīng)達(dá)到0．1L，每隔0．5h記錄一次注水量，當(dāng)連續(xù)2次量測(cè)的注入流量之差不大于最后一次流量的10%時(shí)，試驗(yàn)即可結(jié)束，并取最后一次的注入流量作為計(jì)算值。

3野外彌散試驗(yàn)

研究污染物在地下水中運(yùn)移時(shí)其濃度的時(shí)空變化規(guī)律。通過(guò)試驗(yàn)獲得進(jìn)行地下水環(huán)境質(zhì)量定量評(píng)價(jià)的彌散參數(shù)［7－8］，了解場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水的流動(dòng)速度以及指示劑在地下水中的流動(dòng)速度，分析地層對(duì)指示劑的彌散效應(yīng)。并實(shí)時(shí)地對(duì)觀測(cè)孔內(nèi)地下水電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量。選擇i號(hào)孔作為此次彌散試驗(yàn)工作的投源孔，P孔作為彌散試驗(yàn)工作的觀測(cè)孔。將示蹤劑在投源桶中溶化后，得到的飽和食鹽水通過(guò)白色塑料管注入i孔，注入深度為8m，同時(shí)利用潛水泵抽取P孔內(nèi)地下水，取水深度也是8m。利用電導(dǎo)率儀觀測(cè)P孔內(nèi)地下水中電導(dǎo)率的變化情況，并取地下水水樣，試驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)一送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氯離子的化驗(yàn)。試驗(yàn)正式開(kāi)始前，先抽取觀測(cè)孔內(nèi)地下水，用電導(dǎo)率儀測(cè)量該水的電導(dǎo)率，并以此數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)的背景值，方便與后期地下水作對(duì)比分析。同時(shí)監(jiān)測(cè)投源孔和監(jiān)測(cè)孔內(nèi)的水位。2011年9月7日上午8:00，試驗(yàn)正式開(kāi)始，打開(kāi)投源井中進(jìn)水管的閥門(mén)，同時(shí)打開(kāi)抽水井抽取P孔內(nèi)地下水，試驗(yàn)開(kāi)始后每隔10min取一個(gè)水樣，測(cè)量電導(dǎo)率并做好記錄工作。13:50停止注鹽，之后每隔10min取一個(gè)水樣，測(cè)量水中電導(dǎo)率值，分析觀測(cè)孔內(nèi)地下水中電導(dǎo)率的變化情況。為了盡可能地模擬自然狀態(tài)，試驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)測(cè)量投源井和觀測(cè)井中地下水的水位，控制兩者的水位差不超過(guò)10cm。此外，試驗(yàn)過(guò)程中派專(zhuān)人負(fù)責(zé)攪拌食鹽，以保證從塑料桶中注入投源井內(nèi)的食鹽水為飽和食鹽水。

4土柱淋濾試驗(yàn)

為了解污廢水在包氣帶滲流過(guò)程中，包氣帶土壤對(duì)主要污染物的吸附、降解等去除作用，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用帶側(cè)壓觀測(cè)管的立式有機(jī)玻璃土柱［9］。本試驗(yàn)所采取的土樣為擬建奶牛場(chǎng)內(nèi)第四系亞黏土，是地表30cm下去掉耕植層后的原土。該層厚2m左右，為建設(shè)工程基礎(chǔ)下的第一巖土層;所采取的水樣為佳寶乳業(yè)濟(jì)南分廠處理達(dá)標(biāo)后的排放廢水，選取主要污染物化學(xué)需氧量(COD)和氨氮(NH4－N)做為試驗(yàn)對(duì)象。裝填前，土樣已進(jìn)行了曬干、打碎、細(xì)篩處理。裝填時(shí)參照天然狀態(tài)下的土壤含水量對(duì)土壤進(jìn)行處理，采用干堆法，均勻撒入土柱內(nèi)，且根據(jù)土柱尺寸，每次裝填的高度在5～10cm之間。在每次裝入一定高度的土壤后，利用壓實(shí)器進(jìn)行土壤壓實(shí)，以此來(lái)控制土柱內(nèi)土壤的孔隙率與天然狀態(tài)下的土壤孔隙率基本相符。入水方式選擇從上往下滲水，這種方式類(lèi)同于地表污染物往土壤中的下滲，可以較正確地反應(yīng)該條件下污染物在土壤中的遷移情況。根據(jù)滲流速度確定取樣時(shí)間，根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行具體項(xiàng)的觀察記錄。

結(jié)果分析

1抽水試驗(yàn)結(jié)果

本次抽水試驗(yàn)的主孔P完全揭露含水層，為潛水完整井，抽水過(guò)程中涌水量保持在13m3/h，抽水試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量了i和h2個(gè)觀測(cè)孔的水位變化情況，見(jiàn)圖2和圖3。采用潛水完整井穩(wěn)定流公式［10］計(jì)算含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，見(jiàn)公式(1)。將抽水試驗(yàn)的數(shù)據(jù)代入上述公式，最后得出每組試驗(yàn)的含水層滲透系數(shù)。對(duì)于本次抽水試驗(yàn)，抽水井孔P的滲透系數(shù)為6．18m/d。

2滲水試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出注入流量與時(shí)間(Q－t)的關(guān)系曲線，如圖4所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，注入流量趨于穩(wěn)定，從環(huán)內(nèi)滲入地下的水量呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)。第1、2和3組試驗(yàn)最終的穩(wěn)定入滲量分別為240、2000和2400mL/h。根據(jù)滲透系數(shù)的計(jì)算公式，K=V/I，當(dāng)環(huán)內(nèi)水柱高度小于或者等于10cm時(shí)，可以認(rèn)為水頭梯度I≈1，這時(shí)滲透系數(shù)K=V=Q/A，其中，V=K•I，K為滲透系數(shù);I為水力坡度。根據(jù)野外實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，計(jì)算得出垂向滲透系數(shù)如表1所示。其中，第1、2和3組試驗(yàn)計(jì)算得出的地層垂向滲透系數(shù)分別為6．67×10－5、5．56×10－4和6．67×10－4cm/s。由于第2組和第3組的滲水試驗(yàn)點(diǎn)已經(jīng)受到工程建設(shè)的擾動(dòng)，導(dǎo)致其滲透系數(shù)值相對(duì)偏大，故僅供參考。本次取第1組試驗(yàn)值k=6．67×10－5cm/s。

3彌散試驗(yàn)結(jié)果

野外所取水樣中Cl－含量在國(guó)土資源部濟(jì)南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，作出地下水中電導(dǎo)率和Cl－隨時(shí)間的變化曲線，如圖5所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，利用公式(2)計(jì)算地下水中彌散系數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出彌散系數(shù)，見(jiàn)表2。從計(jì)算結(jié)果可以看出，第1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出彌散系數(shù)較大，為98m2/d，主要原因是試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)井內(nèi)抽水量過(guò)大，導(dǎo)致投源井和觀測(cè)井水頭差較大，使得地下水流速過(guò)大，最終計(jì)算的彌散系數(shù)偏大。第2組試驗(yàn)過(guò)程更接近自然狀態(tài)，本次取用第2組的試驗(yàn)值DL=10．37m2/d。

4土柱淋濾試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)所取水樣的分析檢測(cè)，可以得出污水經(jīng)過(guò)土壤吸附和降解等去除作用后滲出水中的化學(xué)需氧量(COD)和NH4－N的質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖，如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明:1)從試驗(yàn)開(kāi)始至連續(xù)觀測(cè)96h，污廢水中的COD值明顯下降。此后，滲出污廢水中的COD值基本維持在4．48～5．41mg/L之間，去除率約在75%左右。對(duì)COD的去除作用主要是氧化分解。2)從試驗(yàn)開(kāi)始至連續(xù)觀測(cè)96h，污廢水中的NH4－N的質(zhì)量濃度也明顯下降。然而NH4－N的質(zhì)量濃度在0．1mg/L維持了144h左右之后，又恢復(fù)到一個(gè)比較高的水平。對(duì)NH4－N的去除作用應(yīng)該主要是陽(yáng)離子的吸附，因?yàn)橄趸饔迷诙虝r(shí)間內(nèi)效果不明顯。3)考慮到少量污廢水的無(wú)組織排放(跑、冒、滴、漏)，主要污染物在包氣帶中總體上應(yīng)是不飽和狀態(tài)，從工程長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)角度看，擬建工程場(chǎng)地包氣帶土層對(duì)污廢水中COD應(yīng)會(huì)保持一定的去除作用，但其去除率應(yīng)小于試驗(yàn)的去除率。同時(shí)應(yīng)考慮到污廢水的COD質(zhì)量濃度是影響去除率的重要因素，當(dāng)COD質(zhì)量濃度很高時(shí)，去除率會(huì)明顯降低。4)從工程長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)角度看，擬建工程場(chǎng)地包氣帶土層對(duì)污廢水中NH4－N的吸附降解等去除作用有限。對(duì)NH4－N的去除主要是地下水緩慢流動(dòng)過(guò)程中，土壤中的硝化細(xì)菌產(chǎn)生的硝化作用使NH4－N轉(zhuǎn)化為NO－3。