地下水样品代表性探讨范文
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《环境监测管理与技术杂志》2016年第6期
摘要：
将非洗井法采样筛管部位取样的可行性和洗井前后样品代表性作对比，当监测井中地下水流量为0.1L/min～0.5L/min时，用微扰动采样器在非洗井情况下采样。洗井前后常规无机离子浓度和5种物理指标的研究对比结果显示，在非洗井情况下用微扰动地下水采样器在筛管部位取样的样品与洗井之后的样品十分接近。6口监测井水中无机离子含量单方向方差分析结果显示，p值＞0.05(显著性)，验证概率F＜Fcrit，表明在95%的置信度上可总结为无机化学参数在洗井前后无显著性差异。
关键词：
无机离子；物理指标；监测井；微扰动采样；地下水
地下水样品采集与监测是反应地下水环境的重要方法，样品采集的科学性、代表性直接影响地下水水质状况分析。收集到具有代表性的样品与监测过程中观测到的真实地下水情况能更加准确的定义地下水环境系统，这是地下水各项研究工作十分重要的基础。国内外在过去的几十年中正在不断讨论、研究获得能准确反映含水层的地下水样品的方法。Pennino[1]已经表示几乎不可能获得100%完全保真的地下水样品，指出大多数情况下的样品偏差与不可预测的采集工作有关而不是实验室分析技术产生的。由此可见，标准的采样方法对于样品偏差的重要性。
1材料与方法
1.1微扰动采样器
微扰动采样器的功能：①自定义采样器开启关闭时间；②可下放深度达100m；③可根据采样需要改变采样器的容积大小；④可在井筛部位慢速自更新。将采样器下放至筛管部位，可自定义停留时间，采样器完成一次自更新后关闭采样孔，提出采样器完成采样。采样器具体内部构造见图1。
1.2研究区域概况
研究区域地下水监测井深度为地面以下20m深，处于第三层含水层，该层以砂质粉土为主，局部夹有砂质粉土、粘质粉土和粉质粘土。该区域地下水流向为西北流向东南，井中水流量在0.1L/min～0.3L/min范围内。
1.3采样方式
监测井、观测井、抽水井，通常均由井管及井筛两部分组成。井管是连接井筛和地面的通道，由于地下水处于运动状态[2]，理想情况下目标含水层的地下水通过井筛自由进出井中，筛管部位的水均保持流动并具有水流同样的物化特性。地下水会在井管中上升至一定高度，随着筛管上部井管水的长时间积累，水质将会发生一些特定的化学变化。这些变化归因于许多因素，如大气对于井水面的干扰，井管材料对地下水的污染，表层水的渗入等[3]。另外，还有一些潜在的微生物生态学的变化，这些变化会进一步影响水化学。因此，长时间存在于井管里的水被称之为上层滞水。许多采样指导里介绍的传统预采样步骤是先洗井，将井管中上层滞水抽出，保证管中全部为新鲜的目标含水层水，可取管中任意位置的水样，从而使采样过程中的相对误差减小。目前，有些采样令人信服的论证逻辑证明洗井采样是有必要的，且这些技术占有主导地位。然而相关设计实验很少有数据去证明这个观点[4]，许多文献中对于什么是最好的洗井方式和如何确定洗井工作完成一直没有解释清楚。不少作者认为指出特定的洗井次数与洗井量不适用于所有的井。他们认为洗井次数与频率应考虑到建井处的水文地质条件,这就使代表性样品采样工作越来越复杂。同时，洗井也有弊端：①会破坏填沙部位，使得井筛周围的挥发性有机物损失，增加了吸附-解吸附的可能性，还造成了不必要的浊度影响，需要对于样品过滤操作；②洗井使得多个含水层的水混合，增强了潜在的未被污染地区污染的可能性，进而增加了数据解释的困难性；③氧化和脱气形成的水域改变了化学性质，并有可能因为极端的水化学变化影响水化学平衡；④洗井将花费大量时间；⑤处理洗井出来的废水可能造成污染物的转移。另外一些研究也表明，利用不同构造的井能在微洗井的情况下取得目标含水层的代表性样品。野外观测发现，自然条件下井筛部位的层流水不与上层滞水相混合。如Kearl等[5]观察井中胶体移动行为，发现将抽水泵置于井筛段内的中间点，用0.1L/min～0.5L/min的流量抽水，水泵附近井段内水流维持水平、层流的现象，这为非洗井条件下采样提供了理论基础。G.A.Robbins等研究发现，低流量取水时通过筛管部位的水流对套管内上层滞水有很微弱的干扰和混合作用。研究发现[6-9]，低流量取地下水样时，受外界干扰十分微弱，水样来自于目标地层释放的新鲜水，包含了目标水层中的所有污染物。已有学者证明了这种在筛管部分采用低流量取样技术可在微洗井条件下实行，然而没有跟非洗井条件对比。Robin等[10]研究表明，在不洗井的情况下筛管部位的水不断与地下水更新替换。所以监测井的筛管部位应该安装在地下水流动区，而地下水流动区可以通过分析水文地质钻探等特性来确定[11]。这是作为微洗井采样的一种采样方法。如果在地下水流量满足0.1L/min～0.5L/min时，即替代了在低流量抽水条件下的抽水工作，利用特殊采样器可实现非洗井情况下的取样，采用非洗井法可节省洗井时间，采样成本随之降低。为验证非洗井法的可行性，我们利用微扰动定时、定深、定量地下水采样器在洗井与非洗井情况下采样监测并比对结果。针对常规离子浓度与5种物理指标作单方向方差分析，从而探讨洗井对于地下水样品采集的影响大小和洗井之后样品的代表性程度。
1.4研究方法
根据前人研究成果，在使用低流量气囊式采样设备抽取地下水时，若保证流量在0.5L/min以内，水位不发生连续降低情况且降低量在0.1m以内，可实现地下水的无扰动采样。这是由于流流低能够降低水流的扰动；水位不连续降低是保证采样时筛管内水体保持稳定不会发生大体积混合情况[12]；水位降低量不超过0.1m是保证水压不会因为骤降而使挥发性气体散失。基于以上事实，可以无需抽除3～5倍的井管积水，将抽水泵或取样器置于井筛段内的中间点，用0.1L/min～0.5L/min小流量抽水，将得到井筛中点附近的代表性水样[13]。当地下水流量在0.1L/min～0.5L/min时，可利用微扰动地下水采样器取样。微扰动采样器的容量为1L，地下水流量为0.1L/min～0.3L/min，在非洗井的情况下，下放微扰动采样器至筛管部位，提前设定好采样孔开启关闭时间（设定停留时间为10min，使地下水在筛孔部位完成置换），下放至井中开始取样作为非洗井情况下样品。微扰动采样器不需抽取水，不需担心水位降低造成的扰动影响。接着用潜水泵洗井，洗井流量为1L/min，抽出3～4倍管井体积后完成洗井工作，静置24h后利用贝勒管取样，重复3次测定电导率、TDS，确保误差在5%以内后再用微扰动采样器取样，作为洗井后的样品（论文只针对水中常规无极离子质量浓度与5种物理指标的测定结果比对）。
2结果与讨论
2.1物理指标测定
将洗井前后样品进行物理指标测试，并随着深度进行对比分析。在筛管上部取样时温度、TDS、溶解氧、pH、电导率波动较大，可筛管部分洗井前后的数据逐渐趋于稳定并且相互靠拢，说明洗井前后筛骨部位水样的物理参数影响最小且最稳定。筛管上部洗井前后最大误差值分别温度为8.5%、TDS为2.4%、溶解氧79%、pH值为±0.05、电导率为2.2%。筛管部位最大误差温度为0.7%、TDS为0.3%、溶解氧为72%、pH值为±0.04、电导率为0.8%。由此可知，洗井前后在筛管部位取样能得到相对稳定的样品，洗井前后筛管部位4项物理指标（除溶解氧）的变化率均在标准误差范围内。其中溶解氧受到洗井的影响较大，洗井前后误差值均超过70%，不符合取样标准。故在测定溶解氧时，建议使用在线监测设备作原位测试。
2.2无机离子测定
选择不同地点的6口传统监测井，利用微扰动采样器对洗井前后筛管部位取样，完成水质监测并利用单方向方差分析法、等值线作图分析后进一步验证筛管部位取样的代表性。用ANOVA法作假设：（1）零假设为在筛管部位洗井前后取样，每一口井中的无机离子质量浓度是相等的。另外一种假设是在筛管部位洗井前后取样，无机离子质量浓度是不相等的。（2）零假设为筛管部位洗井前后取样，每一口井中的单个无机离子质量浓度是相等的。另外一种假设是在筛管部位洗井前后取样，每一口井中的单个无机离子浓度是不相等的。洗井前后水质测定结果见表1和表2，单方向方差分析结果见表3（a为均方差，b为检验统计量，c为显著性值，d为F的临界值）。从洗井与非洗井情况下的水质离子测定结果表明：上述6口监测井p值＞0.05(显著性)和验证概率F＜Fcrit，在95%的置信度上可总结为无机化学参数在洗井前后无显著性差异，由表1和表2可知，洗井前后6口井的无机化学参数几乎相同，说明洗井与非洗井这2种不同采样方式下采集的样品测定结果十分接近，同时也验证了单方向方法分析法的无明显统计学差异。图2为洗井与非洗井采样法测定的无机化学参数值散点图。由图2可见，洗井前后数据相同，数据点基本落在1:1等值线上，表明用2种采样方法所取得的样品很相似，可认为无差异。在一般地下水采样只测试常规离子浓度与电导率等物理指标时，可利用非洗井方法采样，不仅提高采样效率，并且还能得到与洗井相比时误差在5%以内的样品。
3结语
通过对洗井前后2项物理指标和常规离子浓度的单方向方差分析，表明在地下水流量为0.1L/min～0.5L/min时，利用微扰动采样器采样是否进行洗井工作对于筛骨部位常规离子和电导率等物理指标的取样监测无明显影响。试验表明，洗井后溶解氧pH值波动较大，建议在条件允许的情况下在线监测该指标。在无需精确测定地下水水质的情况下，建议选用微扰动采样器在非洗井情况下采样，这样既避免了常规洗井时利用抽水泵洗井对地下水样品的扰动，也节省了洗井工作所耗费的时间和人力资源，同时提高采样效率，避免洗井废水中的污染物转移。
参考文献:
[2]王昌益，贺可强.论地下水运动规律及其研究方法[J].青岛理工大学学报，2010，2:93-101，117.
[11]张建荣，陈春明，吴珉，等.水文地质调查在污染场地调查中的作用[J].环境监测管理与技术，2016，28（2）：29-32.
作者:喻颖 陆燕勤 杨洋 刘保森 马志飞 姜永海 李鸣晓 单位:桂林理工大学环境科学与工程学院 中国环境科学研究院 同济大学 北京师范大学
