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user: 3. 结果与分析 3.1. 有机物和氨氮迁移转化规律分析 3.1.1. COD迁移转化过程 由图2可知：土柱土壤水的COD变化可分为三个阶段：1) 沉积物中的有机质向土壤水的快速迁移阶段。试验用水COD含量为30 mg/L，14.4 h时，土柱10 cm深处的土壤水COD含量已达到1.7倍C 0 。2)第二阶段，COD快速消耗阶段。Eh值的动态监测表明，10 cm深处20~86 h时段Eh为−200到−300 mv；在25 cm深处，该时段Eh值为0到−136 mv。也就是说，该时段，0~25 cm深度水土系统处于还原环境，这十分有利于有机质分解耗，微生物生长消耗有机物的量大于土壤颗粒相水迁移量的结果。3) 第三阶段为有机质含量基本稳定阶段。1000 h之后的土柱水土系统的COD含量基本趋于稳定，25 cm之上COD含量在1.5倍C 0 上下波动，40 cm深处含量在1倍C 0 附近，55 cm深处在1.06倍C 0 上下波动。 3.1.2. 氨氮迁移转化过程 图3是氨氮的迁移转化特征，具有如下：1) 10 cm深处，试验15.5~39.5 h，可称为氨氮快速转化阶段；随后氨氮含量上下波动，最后稳定在0.35 mg/L，与水库水的氨氮值(0.7 mg/L)一半较接近。2) 25 cm深处，前111.5 h为氨氮的快速转化阶段，之后进入慢速下降阶段，即111.5~613.5 h时段，氨氮由0.592下降至0.16 mg/L，613 h后进入稳定阶段，仅为库水的0.27倍，远低于水库水的氨氮值。3) 40 cm深处，15.5 h时氨氮仅为0.228 mg/L，之后在0.1~0.6 mg/L之间波动，总平均值0.35 mg/L，为0.5倍C 0 。4) 55 cm深处，氨氮起始值最小，0.068 mg/L，随后氨氮总体呈增大–减小–稳定的趋势，氨氮的平衡浓度为0.456 mg/L，小于水库水的氨氮值，是其0.63倍。 图3. 土柱 NH 4 + 历时变化过程 从试验结果可以看出，各采样孔出水氨氮浓度基本都低于地下水和三泉水库水。由此可推测试验过程中土柱内发生的水岩相互作用是氨氮向亚硝态氮的硝化反应，硝化反应引起pH值降低，促进了方解石、白云石的溶解 [ 10 ] 。由于反硝化作用和土壤吸附作用，土柱从一开始氨氮质量浓度呈下降的趋势。由于环境变化，硝化及反硝化作用强度也随淋滤时间波动，氨氮的质量浓度也出现反复波动。整个入渗过程中，氨氮浓度总体上呈现出降低的趋势，稳定氨氮质小于0.5 mg/L，低于地下水III类水的氨氮标准。 3.1.3. 下渗水中有机质和氨氮之间的相关性 根据下渗水中COD和氨氮浓度关系(图4)，可以看出，两者呈线性正相关，相关系数R 2 = 0.6579，可能的原因在于：1) 氮素在沉积物/水界面上的迁移和交换是一个较复杂的生物化学过程 [ 12 ] ，微生物来不及分解的氮素向沉积物中沉积，而沉积物中沉积的氮在微生物的作用下发生矿化，产生大量的氨氮。2) 水土界面含有丰富的有机质和很高的生物密度时，在有机质被生物降解的过程中，会导致氮元素以溶解态进入间隙水中。3) 有机质是影响沉积物释放氨氮的最大因子，丰富的有机物有利于微生物的繁殖，从而分解大量的有机物，引起氨氮的大量释放。该结论与孙洋阳，魏全源，付春平等人 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] 的研究结果一致。 图4. NH 4 + 与有机质的关系图 3.2. 铁和锰的迁移变化规律 铁的运移过程试验结果表明(图5)：5 h时不同深度土壤水总铁的浓度0.1~0.4 mg/L，其中10 cm深处最大。之后铁的浓度变化整体呈逐步升高趋稳趋势，但升值速率和幅度不同，25 cm深处增长最快，其次为10 cm深处，40 cm和55 cm基本一致，增速最慢。781.5 h基本稳定时，10 cm深处为2.66 mg/L，25 cm深处为8.5 mg/L，40 cm和55 cm深处为0.53 mg/L。均大于库水的铁浓度值(0.4 mg/L)。显然这变化规律是由土柱的pH-Eh环境变化决定的，即铁随着pH和Eh的快速减小，使得铁这个最活跃的变价元素，不断由土壤向水迁移。锰(图6)不如铁变化敏感，土壤水中的锰离子浓度变化不明显，但也略有增加，稳定时浓度趋于0.3 mg/L，是初始浓度的2倍。对于在水土环境中最活跃的氧化还原元素铁和锰来说，氧化还原环境向还原环境发展，十分有利于铁锰由岩土向水中迁移。 图5. Fe 2+ 离子含量随淤积层深度变化曲线 图6. Mn 2+ 在不同深度土层浓度变化 3.3. F − 和 N O 3 − -N的迁移变化规律分析 3.3.1. 土柱F − 的迁移变化规律 由图7可知：1) 试验开始测得土柱10 cm、25 cm、40 cm和55 cm深处土壤水F − 浓度分别为4.932 mg/L、2.012 mg/L、2.2 mg/L和1.584 mg/L。即表层土氟化物含量高，而下部显著低的特点。2) 10 cm、40 cm和55 cm深处，F − 浓度的变化趋势一致，可分为两个阶段，即快速上升阶段和趋于稳定的平衡阶段。10 cm深处第一个阶段F − 浓度逐渐上升初始溶液F − 浓度的5倍；第二个阶段，F − 逐渐趋于反应平衡，浓度稳定在5倍C 0 ；40 cm处第一阶段是0~40 h时段，为F − 浓度快速上升阶段，第二阶段为上下波动中的缓慢上升阶段，600 h之后阶段，F − 浓度稳定在10倍C 0 。55 cm深处，该层F − 浓度总变化趋势为持续升高，800 h后F − 浓度达到库水的16倍，显然该结果是受到上层高氟水与本层溶出氟的叠加效应。3) 25 cm深处，F − 浓度变化规律波动较大，为先升后降，再缓降趋于平衡。0~40 h为第一阶段，该阶段为土壤颗粒对土壤水氟化物的吸附阶段；40~90 h时段为快速上升阶段，第三个阶段为90 h后的缓慢下降趋于平衡阶段，25 cm处的F − 浓度趋稳的平衡浓度为4.744 mg/L，为库水的7.5倍。 大量的F − 含量迁移这是由于沉积物中黏粒含量偏低，黏粒具有较小的比表面，不宜吸附F − ，且黏粒含量偏低的土质一般风化度与氧化物含量均较低，造成对F − 的吸附减少。根据测得的土样物理及化学性质可知，三泉水库进水口表层土样属粉沙，粘粒含量不高。 图7. 土柱F − 迁移转化历时曲线 3.3.2. N O 3 − -N的迁移变化规律分析 图8可知：1) 库水入渗到淤积层后，硝酸盐氮浓度变化趋势为：0~40 h快速下降，40~80 h缓慢下将，80 h后趋于稳定。2) 库水入渗后，各淤积层硝酸盐氮起始值不同，淤积层25 cm处最大，为189.65 mg/L，10 cm处最小，为66.788 mg/L，40 cm和55 cm处分别是136 mg/L、144.95 mg/L。但最终各层NO 3 - 浓度趋于0 mg/l。3) 硝酸盐氮净化到“未检出”水平出现的时间不同。第二层和第三层最先达到0 mg/l，其次是第一层，第四层最后出现。 图8. NO 3 − -N值历时变化曲线 3.4. TDS的迁移变化规律分析 TDS代表的是整个环境中可溶性盐的含量，由图9和图10可知：各层TDS的变化总趋势是由大变小，且由差异趋向一致。1) 土柱初始滤出液TDS的垂向分布规律为10 cm处最小，仅442 mg/L；25 cm处最大，为1968 mg/L，为10 cm深度的4.45倍；2) 在10 cm深处时，TDS变化趋势不大，但逐于减小，后最终稳定在365 mg/L左右，是库水的0.57倍。3) 在25 cm深处，土壤水TDS变化可分为两个阶段，即0~40 h快速淋滤阶段，降至552 mg/L，略低于库水的TDS；第二个阶段为缓慢淋溶阶段，1117.5 h时降至375 mg/l。为库水TDS的0.6倍。4) 40 cm深处的TDS演变规律与25 cm深处基本一致，不同的是TDS起始值是1073 mg/L，终值为390 mg/l，略高于第二层。同样小于库水的TDS。5) 55 cm深处时，大致可分为三个阶段。第一阶段为快速衰减阶段，即TDS由1714 mg/L快速下降，至111.5 h时691 mg/L；第二阶段为111.5~613.5 h慢速溶解阶段，TDS由691 mg/L降至438 mg/L；第三阶段为缓慢变化阶段，TDS由438 mg/L最终降至402 mg/L，为库水的0.63倍。显然55 cm深处的TDS的变化是溶质垂向迁移和本层位可溶盐组分淋溶作用的叠加的结果。