人工回灌过程中的胶体效应及其对地下水中微量元素迁移归宿的影响研究

The trace elements' transformation during the groundwater artificial recharge process is an important factor, which could influence the stability and safety of the groundwater quality. In recent years, some researches have indicated that the natural colloids appeared underground could co-transport with trace elements and other pollutants, which plays an important role for groundwater quality as a potential threat. So, this study plan to reveal the mechanism of the natural colloids and trace elements co-transport and interaction under the artificial recharge condition, using a test site in Boxing, Shandong province. First of all, the temporal variation characteristics of the natural colloids (size distribution/chemical composition) and trace elements will be analyzed during the recharge process. And based on that, the factors that could affect the natural colloids' deposition, release, and transportation under the artificial condition will be analyzed, such as dynamic conditions (recharge mode/recharge flow), water chemical conditions (water chemical type/ionic strength/pH/TOC), and so on. In addition, according to the target elements in the groundwater, we will discuss the elements and the natural colloids' co-transport and synergy mechanism based on some necessary laboratory experiments and field work. Meanwhile, combined with the aquifer structure, permeability, trace elements and the natural colloids migration and its sphere of influence will be simulated and forecasted. All of that will play a serious role in the groundwater environment protection, and provide some useful information for the artificial recharge projects.

人工回灌条件下地下水中微量元素的迁移归宿是影响地下水环境质量安全稳定性的重要因素。近年来发现，地下环境中的天然胶体充当了许多微量元素及无机组分的吸附剂和主要的迁移载体，其在物质传递过程中起着重要作用，从而对地下水环境质量构成潜在威胁。本次研究以山东省博兴县地下暗渠人工回灌试验场地为研究区，分别从宏观和微观尺度上，研究回灌条件下地下水中天然胶体(粒径分布/化学组成)和微量元素的时空变化特征，分析回灌过程中水动力条件(回灌模式/回灌流量)和水化学条件(水化学类型/离子强度/pH值/TOC)对天然胶体释放、沉积、迁移等作用的影响，探讨回灌条件下天然胶体对地下水中微量元素的协同作用机制，与此同时结合天然胶体对含水层结构、渗透性时空变化的影响，预测回灌过程中地下水中微量元素-胶体共迁移的影响范围和影响程度，为保障回灌条件下地下水环境质量安全提供科学依据。

本次研究综合运用水文地质调查、室内实验、数值模拟等研究方法，结合宏观-微观技术手段，主要开展了场地地下水中主要胶体类型识别、天然胶体理化特征表征、“天然胶体-微量元素” 理化特征表征、天然胶体在含水层中的迁移规律及其影响因素、 “天然胶体-微量元素” 共迁移机制及其影响因素等研究。针对场地地下水中的主要胶体类型-腐殖酸胶体、二氧化硅胶体，分析了回灌过程中不同水化学条件和水动力条件对天然胶体、“天然胶体-Fe”迁移、沉积等作用的影响。腐殖酸胶体、二氧化硅胶体在含水层中都具有良好的迁移性，二氧化硅胶体较腐殖酸胶体表现为更好的稳定性。随着pH的降低、离子强度的增大、二价离子含量的增高、回灌流速的降低，两者的迁移能力均呈现下降趋势。腐殖酸胶体和二氧化硅胶体在迁移过程的作用机制主要受控于沉积过程，含水层中水化学条件、水动力条件的变化均会促使胶体释放的发生，这一结果对于地下水回灌过程中胶体的二次迁移有明显影响。而在pH影响条件下，这一沉积过程多不可逆。在胶体-Fe共存条件下，腐殖酸胶体通过增加介质表面的吸附位点促进介质对Fe的吸附，而二氧化硅胶体则充当竞争吸附剂吸附到介质上，阻碍介质对Fe的吸附。在胶体-Fe共迁移过程中，二氧化硅胶体通过占据介质表面的吸附位点从而促进Fe的迁移，HA胶体则通过吸附在固相介质表面增加介质的吸附位点阻碍Fe的迁移。二氧化硅胶体-Fe共迁移条件下，流出液中同时出现直径较小未与二氧化硅胶体吸附的Fe、结合态“Fe-二氧化硅胶体”。随着IS增大和流速减小，Fe在含水层中的迁移能力变弱。腐殖酸胶体-Fe共迁移条件下，二价阳离子条件下腐殖酸胶体对Fe迁移的阻碍作用最明显，可使Fe的沉积速率系数增大至3.2×10-3s-1，流出液中的Fe均为直径较小未与HA结合的Fe元素。本次研究探讨了不同胶体及“胶体-微量元素”在含水层中的迁移机制，并获取了相关迁移参数，可为人工回灌的安全开展及保障回灌条件下地下水环境质量安全提供相应的科学理论和依据。