三泉水库非饱和带多组分溶质迁移转化规律的试验研究

摘要

三泉水库地处山西省著名岩溶大泉古堆泉域的泉口出露区，利用三泉水库渗漏补给以达到生态修复古堆泉，此对策给社会带来了新的生机，与此同时也带来了相应的水质问题。本文选取三泉水库库尾为研究区，采用静态吸附-解吸试验、反应动力学试验以及室内土柱模拟试验相结合的方法，研究了非饱和带多组分溶质的吸附-解析特性，反应动力学规律以及水库入渗条件下多组分溶质在非饱和带土壤中的运移规律，共同揭示了库水渗漏过程中非饱和带多组分溶质的迁移转化过程。主要结论如下： （1）多组分溶质的吸附-解析作用规律及影响 等温吸附-解吸试验结果表明，F-、SO42-在试验过程中发生解吸反应，Fe、Mn、Ca2+、Mg2+、Na+发生吸附反应。选用不同（非）线性等温吸附方程拟合水库表层淤积物对 7 种离子的（非）线性等温吸附方程结果均较好。F-解吸量随着pH值的增大逐渐增大，不同pH条件下，解析曲线趋势一致，快速上升—缓慢上升—趋于稳定。不同温度下 F-在淤积物上的解吸呈快速上升-缓慢平稳的共性规律，40℃是F-解吸的最佳时间。淤积物溶液共存离子中，Fe、Mn和SO42-对F-解吸影响大体趋势呈正相关，Mg2+、Ca2+呈负相关。 （2）非饱和带对多组分溶质的反应动力学规律 不同离子在反应速率的变化上规律相似，大概分为三部分，初始部分比较陡峭，溶液中的离子浓度变化快，第二阶段扩散速率减慢，离子浓度变化速率减缓，随着时间的延长，曲线不再变化，曲线的平缓意味着达到了最终的吸附平衡，此时扩散速率极小。试验的影响因素有pH值和土壤有机质，pH值对阴离子的影响表现的不明显，但对阳离子的影响表现相对明显，pH值越大，相对应阳离子的吸附结合量也越大。土壤有机质能通过表面络合、离子交换和表面沉淀等方式增加土壤对离子的吸附能力。 （3）多组分溶质在非饱和带垂向反应运移规律 水库垂向渗漏过程中，对该地区地下水可能造成威胁的离子包括：COD、Fe、Mn2+及 F-。水库淤积层氧化还原环境的变化最活跃层为 50cm以上地层，在蓄水状态下，该层基本处于还原环境，Eh可低至-400mv，直接影响着变价元素的迁移和转化。较高pH的库水入渗淤积物层，使土壤水的酸碱环境发生变化，pH趋于增大，进而影响土壤的吸附与解吸平衡和碳酸系统平衡等。低矿化的库水渗漏，使淤积物中的可溶盐组分向下部非饱和带地层迁移，F-是相对污染较严重的离子，受到上层高氟水与本层溶出氟的叠加效应，使得土柱最下层 F-含量高达初始溶液的16 倍。从 F-、Fe和TDS等污染因子看，库尾（T1）淤积物的环境负效应要大于库中(T2)。

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