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《環境監測管理與技術雜志》2016年第6期

摘要：

將非洗井法采樣篩管部位取樣的可行性和洗井前后樣品代表性作對比，當監測井中地下水流量為0.1L/min～0.5L/min時，用微擾動采樣器在非洗井情況下采樣。洗井前后常規無機離子濃度和5種物理指標的研究對比結果顯示，在非洗井情況下用微擾動地下水采樣器在篩管部位取樣的樣品與洗井之后的樣品十分接近。6口監測井水中無機離子含量單方向方差分析結果顯示，p值＞0.05(顯著性)，驗證概率F＜Fcrit，表明在95%的置信度上可總結為無機化學參數在洗井前后無顯著性差異。

關鍵詞：

無機離子；物理指標；監測井；微擾動采樣；地下水

地下水樣品采集與監測是反應地下水環境的重要方法，樣品采集的科學性、代表性直接影響地下水水質狀況分析。收集到具有代表性的樣品與監測過程中觀測到的真實地下水情況能更加準確的定義地下水環境系統，這是地下水各項研究工作十分重要的基礎。國內外在過去的幾十年中正在不斷討論、研究獲得能準確反映含水層的地下水樣品的方法。Pennino[1]已經表示幾乎不可能獲得100%完全保真的地下水樣品，指出大多數情況下的樣品偏差與不可預測的采集工作有關而不是實驗室分析技術產生的。由此可見，標準的采樣方法對于樣品偏差的重要性。

1材料與方法

1.1微擾動采樣器

微擾動采樣器的功能：①自定義采樣器開啟關閉時間；②可下放深度達100m；③可根據采樣需要改變采樣器的容積大小；④可在井篩部位慢速自更新。將采樣器下放至篩管部位，可自定義停留時間，采樣器完成一次自更新后關閉采樣孔，提出采樣器完成采樣。采樣器具體內部構造見圖1。

1.2研究區域概況

研究區域地下水監測井深度為地面以下20m深，處于第三層含水層，該層以砂質粉土為主，局部夾有砂質粉土、粘質粉土和粉質粘土。該區域地下水流向為西北流向東南，井中水流量在0.1L/min～0.3L/min范圍內。

1.3采樣方式

監測井、觀測井、抽水井，通常均由井管及井篩兩部分組成。井管是連接井篩和地面的通道，由于地下水處于運動狀態[2]，理想情況下目標含水層的地下水通過井篩自由進出井中，篩管部位的水均保持流動并具有水流同樣的物化特性。地下水會在井管中上升至一定高度，隨著篩管上部井管水的長時間積累，水質將會發生一些特定的化學變化。這些變化歸因于許多因素，如大氣對于井水面的干擾，井管材料對地下水的污染，表層水的滲入等[3]。另外，還有一些潛在的微生物生態學的變化，這些變化會進一步影響水化學。因此，長時間存在于井管里的水被稱之為上層滯水。許多采樣指導里介紹的傳統預采樣步驟是先洗井，將井管中上層滯水抽出，保證管中全部為新鮮的目標含水層水，可取管中任意位置的水樣，從而使采樣過程中的相對誤差減小。目前，有些采樣令人信服的論證邏輯證明洗井采樣是有必要的，且這些技術占有主導地位。然而相關設計實驗很少有數據去證明這個觀點[4]，許多文獻中對于什么是最好的洗井方式和如何確定洗井工作完成一直沒有解釋清楚。不少作者認為指出特定的洗井次數與洗井量不適用于所有的井。他們認為洗井次數與頻率應考慮到建井處的水文地質條件,這就使代表性樣品采樣工作越來越復雜。同時，洗井也有弊端：①會破壞填沙部位，使得井篩周圍的揮發性有機物損失，增加了吸附-解吸附的可能性，還造成了不必要的濁度影響，需要對于樣品過濾操作；②洗井使得多個含水層的水混合，增強了潛在的未被污染地區污染的可能性，進而增加了數據解釋的困難性；③氧化和脫氣形成的水域改變了化學性質，并有可能因為極端的水化學變化影響水化學平衡；④洗井將花費大量時間；⑤處理洗井出來的廢水可能造成污染物的轉移。另外一些研究也表明，利用不同構造的井能在微洗井的情況下取得目標含水層的代表性樣品。野外觀測發現，自然條件下井篩部位的層流水不與上層滯水相混合。如Kearl等[5]觀察井中膠體移動行為，發現將抽水泵置于井篩段內的中間點，用0.1L/min～0.5L/min的流量抽水，水泵附近井段內水流維持水平、層流的現象，這為非洗井條件下采樣提供了理論基礎。G.A.Robbins等研究發現，低流量取水時通過篩管部位的水流對套管內上層滯水有很微弱的干擾和混合作用。研究發現[6-9]，低流量取地下水樣時，受外界干擾十分微弱，水樣來自于目標地層釋放的新鮮水，包含了目標水層中的所有污染物。已有學者證明了這種在篩管部分采用低流量取樣技術可在微洗井條件下實行，然而沒有跟非洗井條件對比。Robin等[10]研究表明，在不洗井的情況下篩管部位的水不斷與地下水更新替換。所以監測井的篩管部位應該安裝在地下水流動區，而地下水流動區可以通過分析水文地質鉆探等特性來確定[11]。這是作為微洗井采樣的一種采樣方法。如果在地下水流量滿足0.1L/min～0.5L/min時，即替代了在低流量抽水條件下的抽水工作，利用特殊采樣器可實現非洗井情況下的取樣，采用非洗井法可節省洗井時間，采樣成本隨之降低。為驗證非洗井法的可行性，我們利用微擾動定時、定深、定量地下水采樣器在洗井與非洗井情況下采樣監測并比對結果。針對常規離子濃度與5種物理指標作單方向方差分析，從而探討洗井對于地下水樣品采集的影響大小和洗井之后樣品的代表性程度。

1.4研究方法

根據前人研究成果，在使用低流量氣囊式采樣設備抽取地下水時，若保證流量在0.5L/min以內，水位不發生連續降低情況且降低量在0.1m以內，可實現地下水的無擾動采樣。這是由于流流低能夠降低水流的擾動；水位不連續降低是保證采樣時篩管內水體保持穩定不會發生大體積混合情況[12]；水位降低量不超過0.1m是保證水壓不會因為驟降而使揮發性氣體散失。基于以上事實，可以無需抽除3～5倍的井管積水，將抽水泵或取樣器置于井篩段內的中間點，用0.1L/min～0.5L/min小流量抽水，將得到井篩中點附近的代表性水樣[13]。當地下水流量在0.1L/min～0.5L/min時，可利用微擾動地下水采樣器取樣。微擾動采樣器的容量為1L，地下水流量為0.1L/min～0.3L/min，在非洗井的情況下，下放微擾動采樣器至篩管部位，提前設定好采樣孔開啟關閉時間（設定停留時間為10min，使地下水在篩孔部位完成置換），下放至井中開始取樣作為非洗井情況下樣品。微擾動采樣器不需抽取水，不需擔心水位降低造成的擾動影響。接著用潛水泵洗井，洗井流量為1L/min，抽出3～4倍管井體積后完成洗井工作，靜置24h后利用貝勒管取樣，重復3次測定電導率、TDS，確保誤差在5%以內后再用微擾動采樣器取樣，作為洗井后的樣品（論文只針對水中常規無極離子質量濃度與5種物理指標的測定結果比對）。

2結果與討論

2.1物理指標測定

將洗井前后樣品進行物理指標測試，并隨著深度進行對比分析。在篩管上部取樣時溫度、TDS、溶解氧、pH、電導率波動較大，可篩管部分洗井前后的數據逐漸趨于穩定并且相互靠攏，說明洗井前后篩骨部位水樣的物理參數影響最小且最穩定。篩管上部洗井前后最大誤差值分別溫度為8.5%、TDS為2.4%、溶解氧79%、pH值為±0.05、電導率為2.2%。篩管部位最大誤差溫度為0.7%、TDS為0.3%、溶解氧為72%、pH值為±0.04、電導率為0.8%。由此可知，洗井前后在篩管部位取樣能得到相對穩定的樣品，洗井前后篩管部位4項物理指標（除溶解氧）的變化率均在標準誤差范圍內。其中溶解氧受到洗井的影響較大，洗井前后誤差值均超過70%，不符合取樣標準。故在測定溶解氧時，建議使用在線監測設備作原位測試。

2.2無機離子測定

選擇不同地點的6口傳統監測井，利用微擾動采樣器對洗井前后篩管部位取樣，完成水質監測并利用單方向方差分析法、等值線作圖分析后進一步驗證篩管部位取樣的代表性。用ANOVA法作假設：（1）零假設為在篩管部位洗井前后取樣，每一口井中的無機離子質量濃度是相等的。另外一種假設是在篩管部位洗井前后取樣，無機離子質量濃度是不相等的。（2）零假設為篩管部位洗井前后取樣，每一口井中的單個無機離子質量濃度是相等的。另外一種假設是在篩管部位洗井前后取樣，每一口井中的單個無機離子濃度是不相等的。洗井前后水質測定結果見表1和表2，單方向方差分析結果見表3（a為均方差，b為檢驗統計量，c為顯著性值，d為F的臨界值）。從洗井與非洗井情況下的水質離子測定結果表明：上述6口監測井p值＞0.05(顯著性)和驗證概率F＜Fcrit，在95%的置信度上可總結為無機化學參數在洗井前后無顯著性差異，由表1和表2可知，洗井前后6口井的無機化學參數幾乎相同，說明洗井與非洗井這2種不同采樣方式下采集的樣品測定結果十分接近，同時也驗證了單方向方法分析法的無明顯統計學差異。圖2為洗井與非洗井采樣法測定的無機化學參數值散點圖。由圖2可見，洗井前后數據相同，數據點基本落在1:1等值線上，表明用2種采樣方法所取得的樣品很相似，可認為無差異。在一般地下水采樣只測試常規離子濃度與電導率等物理指標時，可利用非洗井方法采樣，不僅提高采樣效率，并且還能得到與洗井相比時誤差在5%以內的樣品。

3結語

通過對洗井前后2項物理指標和常規離子濃度的單方向方差分析，表明在地下水流量為0.1L/min～0.5L/min時，利用微擾動采樣器采樣是否進行洗井工作對于篩骨部位常規離子和電導率等物理指標的取樣監測無明顯影響。試驗表明，洗井后溶解氧pH值波動較大，建議在條件允許的情況下在線監測該指標。在無需精確測定地下水水質的情況下，建議選用微擾動采樣器在非洗井情況下采樣，這樣既避免了常規洗井時利用抽水泵洗井對地下水樣品的擾動，也節省了洗井工作所耗費的時間和人力資源，同時提高采樣效率，避免洗井廢水中的污染物轉移。

參考文獻:

[2]王昌益，賀可強.論地下水運動規律及其研究方法[J].青島理工大學學報，2010，2:93-101，117.

[11]張建榮，陳春明，吳珉，等.水文地質調查在污染場地調查中的作用[J].環境監測管理與技術，2016，28（2）：29-32.

作者:喻穎 陸燕勤 楊洋 劉保森 馬志飛 姜永海 李鳴曉 單位:桂林理工大學環境科學與工程學院 中國環境科學研究院 同濟大學 北京師范大學