地下环境要素对人工回灌过程中水岩作用的驱动效应研究

鉴于我国人工回灌技术的发展现状以及所面临的重要挑战，开展地下环境要素对人工回灌过程中水岩作用的驱动效应研究是科学评价人工回灌对地下水水质影响的关键所在。本次研究以上海市宝山顾村人工回灌试验场地为研究实例，按照"野外调查-室内实验-机理分析-数值模拟"的研究思路，采用水文地质学、地球化学和矿物学等多学科综合交叉研究技术和手段，分析人工回灌过程中地下环境要素(温度、氧化还原条件、pH值)的演变规律和特点，探讨人工回灌后地下水中主要无机组分、有机组分以及典型微量元素的来源，揭示人工回灌过程中的水岩相互作用机制以及地下环境要素对水岩作用的驱动效应，确定人工回灌过程对地下水动力场和地下水化学场的影响范围和影响程度，为指导回灌工作的安全实施以及保障地下水环境的安全稳定性提供必要的技术支持。

本次以上海市顾村人工回灌场地为研究区，分析人工回灌过程中地下水环境温度、pH、DO的演化规律以及地下水中主要水化学组分和铁、锰、砷的演化趋势及其影响因素，并开展了不同环境要素条件下铁、锰、砷转化机理实验研究，建立人工回灌过程中多组分溶质的反应迁移数值模型，并对研究区人工回灌过程中多组分溶质的浓度进行模拟预测。主要得到以下结论：1. 人工回灌过程中地下环境要素演化: 人工回灌过程中，由于回灌水的注入使回灌目标含水层的pH、溶解氧、水化学组分等环境生态因子发生变化，改变了原始地下水中微生物的生存环境，使原始地下水中的微生物无法适应生存环境的改变而逐渐消亡和淘汰，进而降低了生物群落结构的丰富程度和多样性以及优势群种在群落中的作用和地位，并且在人工回灌过程中，距离回灌井越远，回灌目标含水层中的地下水环境生态因子受回灌水影响越小，即原始地下水中微生物的生存环境受影响越小。2. 室内静态机理实验结果表明：随着温度的升高、溶解氧含量的增加和微生物的存在，均会促进介质中含Fe和含Mn矿物的溶出，地下水中Fe、Mn存在浓度超标的风险（生活饮用水卫生标准）。而对于As的变化趋势则与Fe和Mn相反。这是由于地下水环境温度越高、氧化性越强，未灭菌条件下含Fe矿物溶出的Fe较多，形成的Fe(OH)3较多，所以对溶液中As3+和As5+的吸附也增加。根据《生活饮用水卫生标准》，As的限值为10 μg/L，而由实验结果可以看出，As浓度达到稳定时，人工回灌过程中地下水As浓度均未超过限值。3. 场地野外回灌实验结果表明：回灌开始前后的地下水中Fe 的存在形式均以Fe(OH)3为主，由于回灌水的注入使回灌目的含水层地下水环境的氧化还原电位迅速升高，地下水中二价铁被迅速氧化成为三价铁。回灌过程中前192 h的地下水中Mn 的存在形式主要以MnOOH为主、192h后的地下水中Mn 的存在形式主要以MnO2为主。人工回灌过程中，受回灌目的含水层介质含Fe、Mn矿物溶出作用的影响，地下水总Fe含量可达2mg/L，而总Mn含量可达0.5mg/L，远超出《生活饮用水卫生标准》。4. 数值模拟结果显示：本次分别对回灌持续时间为1年、2年和3年时氯离子、总铁和总锰的运移进行了模拟，结果表明，随着回灌时间的增加，回灌影响的范围持续增加，但是该场地影响的最大距离不超过180m。