地下水采樣方法比對研究

李文攀，朱 擎，嵇曉燕，劉廷良，孫宗光

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

地下水采樣方法比對研究

李文攀，朱 擎，嵇曉燕，劉廷良，孫宗光

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

選取3種地下水采樣方法開展方法比對研究。通過系統(tǒng)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，指出了3種方法所采水樣在基本水質(zhì)參數(shù)、無機離子、金屬、揮發(fā)性有機物以及感官類指標等項目監(jiān)測上的顯著差異，指出了各種方法的適用性并分析原因。結(jié)果表明：與貝勒管法、潛水泵法相比，低流速法有效地解決了采樣操作過程中易產(chǎn)生的曝氣問題；對井內(nèi)水體擾動較小，降低了水樣濁度；減小了井內(nèi)水位的大幅度泄降，避免了不同層位間污染物的遷移及周邊水和井內(nèi)滯水的交叉污染；節(jié)約了場地操作時間和后期污水處理所需花費。因此，低流速法在采取代表性水質(zhì)樣品方面更具方法優(yōu)勢。

地下水采樣；低流速法；曝氣；濁度；代表性

隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展，地下水正受到城市化、工業(yè)化等活動的污染威脅，特別是一些大中城市、特殊工礦企業(yè)、化工園區(qū)的淺層地下水，情況更加突出。據(jù)統(tǒng)計，全國有400多個城市開采利用地下水，在華北和西北城市供水中地下水所占的比例分別高達72%和66%[1]。其中，大部分地下水水源遭受到了不同程度的污染，嚴重威脅人民群眾身體健康。

地下水采樣技術(shù)在地下水污染調(diào)查中占有非常重要的地位，方法的選擇對分析測試結(jié)果準確與否有著重要影響。對于監(jiān)測部門來講，如何科學、規(guī)范地采集到代表性的樣品，并獲得真實、準確的數(shù)據(jù)尤為重要。針對不同類型監(jiān)測井、不同類型地下水污染，必須選擇正確合理的采樣方法。本文選取貝勒管、潛水泵和低流速氣囊泵等3種方法對某區(qū)域環(huán)境監(jiān)測井開展洗井采樣，系統(tǒng)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，并就方法優(yōu)缺點與適用性進行了對比研究。

1 實驗部分

1.1 實驗方法

在地下水采樣過程中，要根據(jù)監(jiān)測目的嚴格遵守操作規(guī)范，選取適當?shù)牟蓸臃椒ê驮O備。不同的采樣方法所采得的水樣差異顯著，主要表現(xiàn)在所采水樣是否來源于目標含水層、受到干擾或污染程度的多少等均對后期分析結(jié)果具有重要的影響。

貝勒管采樣器操作簡單、應用廣泛。其底部有一個止回閥，操作時通過繩索將采樣器放入監(jiān)測井中，閥門打開，水樣流入腔體并穿膛而出，到達預定深度后緩慢上提，閥門關(guān)閉，即采得預定深度的水樣。

潛水泵也是較為常用的地下水采樣方法。取樣時，水樣自泵體周圍連續(xù)不斷地在負壓作用下進入潛水泵，并通過管體注入取樣瓶。該方法具有揚程高、吸水量大等優(yōu)點，且小型泵體野外操作較為輕便，適合采取淺層地下水水樣。

低流速氣囊泵是以小流量的抽水速率實施洗井和采樣。采樣鋼筒內(nèi)置一個機電系統(tǒng)可控制擠壓運動的氣囊，通過兩端止回閥的關(guān)開配合汲取水樣。操作過程中，緩慢地將設備沉置于目標采水層，并通過自身集成的監(jiān)測設備可實時監(jiān)控多項參數(shù)(pH、溶解氧、水溫、濁度、電導率和氧化還原電位等)，以參數(shù)穩(wěn)定作為洗井完成或水動力狀態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)[2]，進而繼續(xù)開始采樣操作。

1.2 監(jiān)測井的選取

本次實驗選取某試點省標準環(huán)境監(jiān)測井CN-2為研究對象。CN-2監(jiān)測井位于某市級公路干線旁，西側(cè)為農(nóng)田示范區(qū)，東側(cè)為小城鎮(zhèn)居住區(qū)，北側(cè)4 km處有一家石化煉油企業(yè)，因此農(nóng)業(yè)面源、生活源及石化工業(yè)源為該區(qū)域地下水主要潛在污染源。

CN-2監(jiān)測井井深為22.1 m，井管直徑為110 mm，篩管2.5 m，設置在16.4～19.0 m深處，水位高于井篩頂部，屬中性滲透性含水層。該監(jiān)測井成井于2010年2月，屬淺層承壓孔隙水。井管為不銹鋼管材，具有較高的強度和抗腐蝕性。過濾層濾料為化學性質(zhì)穩(wěn)定、尺寸均勻的球形石英砂顆粒。

1.3 洗井采樣

地下水采樣是為了采集緊鄰監(jiān)測井周邊目標含水層的新鮮代表性水樣，即采樣前要以適當?shù)牧魉俪槿〉叵滤?，置換監(jiān)測井中的滯留水，保證所取地下水水樣的代表性。就方法而言，不同的設備和方法有不盡相同的操作程序，洗井采樣也會產(chǎn)生差異性效果。目前，常用洗井采樣方式有常規(guī)的井柱水體積置換法和低流速的微洗井采樣法[3-4]。需要指出的是，為避免因采樣順序?qū)е滤伤畼拥谋O(jiān)測結(jié)果受到影響，不同采樣方法的采樣時間間隔均為2 d，每次采取5份平行水樣，以保證水質(zhì)樣品的代表性與準確性。

作為常規(guī)法的典型代表，貝勒管(Bailer)式和潛水泵式被廣泛地應用于我國地下水水質(zhì)采樣。貝勒管洗井采樣時，將貝勒管放置于井管底部，沉置和提拉過程均緩慢進行，盡量避免因活塞現(xiàn)象導致的水體擾動，造成氣提或曝氣作用。置換完成大約4倍井柱水體積后，溶解氧與氧化還原電位達到較為穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)將貝勒管放置于井篩中段以采取代表性水樣。潛水泵洗井采樣時，因CN-2水位高于井篩故將泵體放置于井篩中間位置，以3.0 L/min抽水速率抽取4倍井柱水體積，盡量減小水面下降幅度。洗井結(jié)束后，在不對井內(nèi)做任何擾動或改變位置的情形下，維持原有抽水速率，直接以樣品瓶接取水樣。因本次實驗目標監(jiān)測項目中包括揮發(fā)性有機物，故每種方式的洗井采樣均為同一種設備。

低流速氣囊泵采樣時，緩慢將泵體放置于篩管中部，盡量避免井內(nèi)水體擾動，控制抽水速率0.5 L/min。期間，每隔2 min測量井中水位，未發(fā)現(xiàn)明顯泄降，直至pH、溶解氧、電導率和氧化還原電位等參數(shù)達到穩(wěn)定區(qū)間，表明洗井過程結(jié)束，之后開始樣品采集。國外學者研究表明，抽水速率大小與指示參數(shù)穩(wěn)定所需時間有關(guān)[5]。根據(jù)實際需要，低流速法可調(diào)整抽水速率，一般為0.1～0.5 L/min，適當?shù)某樗俾士纱蟠蠊?jié)約洗井采樣時間，降低不必要的人力與資源浪費。但在實際操作中，流量控制與當?shù)厮牡刭|(zhì)特征關(guān)系密切[6]。例如，篩管位于粗砂組成的含水層時，也可適當調(diào)整流量至1.0 L/min完成采樣[7]。

1.4 樣品保存運輸

水樣裝瓶順序按照待測物的揮發(fā)性敏感度的順序安排，分別為揮發(fā)性有機物、金屬、陰陽離子，并依據(jù)測試項目要求分別添加保護劑固定，所有樣品均低溫密閉保存運輸至實驗室分析測試。需要指出的是，本次實驗中低流速法所采樣品較為清澈；貝勒管所采樣品濁度較高，可見少量懸浮固體；潛水泵所采樣品略有渾濁；為避免樣品可能發(fā)生的氧化沉淀等化學作用，現(xiàn)場對渾濁樣品進行了過濾操作。

1.5 分析測試

為保證監(jiān)測結(jié)果的準確性與精確性，所有監(jiān)測項目均采用國標或行標方法進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)果對比

為更全面地開展方法對比，實驗選取了用以表征水樣質(zhì)量狀況基本特征的部分水質(zhì)基本參數(shù)和理化指標。需要說明的是，所有水質(zhì)基本參數(shù)和理化指標的監(jiān)測結(jié)果均進行了均值處理，即所列監(jiān)測結(jié)果為5份水樣的算術(shù)平均值，避免了因偶然誤差引入所導致的結(jié)果差異無法通過統(tǒng)計學進行判別。

本次實驗采用3種不同的洗井采樣方法，所采得水樣的水質(zhì)基本參數(shù)和感官類指標有明顯區(qū)別(表1)。

表1 3種采樣方法所采水樣測得的基本參數(shù)

由表1可以看出：3種方法所采水樣的pH較為接近，最大相對誤差為3.6%，無顯著差異。貝勒管所采得的水樣溶解氧為3.48 mg/L，明顯高于另外2種方法所得結(jié)果，分別比潛水泵和低流速氣囊泵高出22.2倍和19.5倍。在天然水體中，電導率數(shù)值一般較為穩(wěn)定，波動幅度較小，從表1可以看出，3種方法所得水樣的電導率呈現(xiàn)小幅度遞減趨勢，相鄰方法間相對誤差分別為16.4%與6.9%，最大相對誤差為24.4%。在水質(zhì)基本參數(shù)中，濁度的方法差異較為明顯，其中貝勒管所采樣品的濁度最高為47 NTU，潛水泵適中為11.6 NTU，低流速氣囊泵最低為2.8 NTU，3種方法中的最大值比最小值高出15.8倍。但是，經(jīng)過濾操作后，前兩者的水樣濁度特別是貝勒管所采水樣有了明顯降低，重新監(jiān)測后的3種水樣的濁度已接近或達到地下水Ⅲ類標準限值，且在低濃度值范圍內(nèi)相對誤差可控。

在肉眼可見物等感官類指標的觀測上，貝勒管所采水樣可看到液面漂有少量浮油油花和浮塵，潛水泵和低流速氣囊泵所采水樣未見明顯漂浮物質(zhì)。此外，本次實驗還分別統(tǒng)計了采樣全程序所需時間，貝勒管所需時間為53 min，潛水泵、低流速氣囊泵用時均在30 min左右，方法差異很明顯。需要指出的，潛水泵和低流速氣囊泵屬半自動設備，選擇流量控制以盡可能不擾動井內(nèi)水環(huán)境為前提，避免因引入過多誤差而導致的實驗結(jié)果失真。

在統(tǒng)籌考慮監(jiān)測井周邊風險源和參評項目代表性的基礎上，選定的參評理化特征指標有金屬類物質(zhì)、無機離子、典型揮發(fā)性有機物等3類，具體包括鐵、錳、砷、鉻(六價)、氨氮、氟化物、甲醛和三氯甲烷(表2)。

表2 3種采樣方法所采水樣測得的目標項目質(zhì)量濃度 mg/L

結(jié)果對比表明：對于部分金屬類物質(zhì)監(jiān)測，3種不同采樣方法差異顯著。以鐵為例，貝勒管、潛水泵和低流速氣囊泵所測得的監(jiān)測結(jié)果分別為2.92、0.7、0.58 mg/L，貝勒管法所采水樣的測試結(jié)果最高，分別高出潛水泵法和低流速氣囊泵法2.22倍和4.0倍，潛水泵和低流速氣囊泵法所得結(jié)果較為接近。對于錳的監(jiān)測同樣可以看出，貝勒管所測結(jié)果最高，低流速氣囊泵所測結(jié)果最低，貝勒管和低流速氣囊泵最大相對誤差達52.6%。

對于部分無機離子監(jiān)測，3種采樣方法有所差異。貝勒管所采水樣的氨氮質(zhì)量濃度為0.49 mg/L，較另外2種方法分別高出0.05 mg/L和0.12 mg/L，方法間相對誤差分別為10.2%和24.5%。對于氟化物而言，潛水泵所采水樣濃度最高(0.24 mg/L)，氣囊泵所得結(jié)果居中，貝勒管所采水樣的氟化物質(zhì)量濃度最低(0.19 mg/L)?？偟膩砜?，3種方法對2種無機離子的分析測試結(jié)果影響有所差異，濃度遞變趨勢不一致，但在低濃度區(qū)間方法差異不明顯。

對于揮發(fā)性有機物的監(jiān)測，3種采樣方法差異顯著。以甲醛為例，低流速氣囊泵法所采水樣的濃度最高，與潛水泵法的相對誤差達200%，而貝勒管法甚至未檢出甲醛。從三氯甲烷的測試結(jié)果來看，低流速氣囊泵方法所采水樣的三氯甲烷質(zhì)量濃度最高(0.007 5 mg/L)，其他2種方法的測試結(jié)果均為未檢出?？梢钥闯?，針對揮發(fā)性有機物的水樣采取，3種方法所得監(jiān)測結(jié)果迥異，并呈現(xiàn)了明顯的規(guī)律性。

2.2 原因分析

由于自身結(jié)構(gòu)和工作原理存在差異，不同的采樣設備在同等條件下進行采樣會產(chǎn)生不一樣的監(jiān)測結(jié)果。在使用貝勒管采樣時，由于受采樣器具的上下往復運動沖擊，對井內(nèi)水體擾動性較大，使井水濁度大幅增加。而這種高濁度會使大量原本吸附于周邊地層膠質(zhì)顆粒上的金屬物質(zhì)進入水體，從而導致重金屬監(jiān)測結(jié)果偏高，其真實濃度實際上是監(jiān)測井周邊含水巖層吸附和地下水水體的共同貢獻，無法真實代表地下水目標含水層自身含有的金屬濃度。因此，貝勒管采樣法會導致金屬類離子濃度明顯偏高，這在本實驗中的鐵、錳監(jiān)測結(jié)果上有著直觀表現(xiàn)。

另外，在貝勒管往復提拉過程中，井中滯水受采樣器推壓作用影響，運動軌跡與采樣器往往呈現(xiàn)反向運動，會產(chǎn)生垂直于層流方向的分速度，出現(xiàn)弧度擺動，使其在垂直方向出現(xiàn)不同程度的混合。特別是當提拉過于激烈時，流場中還會產(chǎn)生許多小漩渦，導致層流被破壞，繼而產(chǎn)生湍流效果。這也是影響水樣代表性，使分析測試結(jié)果出現(xiàn)偏差的一個重要原因。此外，貝勒管采樣易受井內(nèi)液面漂浮物的污染，其水樣容易受到因前期成井施工作業(yè)或維護不善而引入的外來污染的影響；提拉作用會導致曝氣發(fā)生，使空氣中的部分氧氣浸入井水中，使井內(nèi)原本的還原性環(huán)境部分氧化，進而導致貝勒管法的現(xiàn)場溶解氧測試結(jié)果明顯偏高。

當使用潛水泵進行采樣時，由于抽水速率相對過大，導致水位發(fā)生了較大幅度泄降，井水水面被拉下來，誘發(fā)了垂直方向上水流交叉，導致采樣區(qū)與非采樣區(qū)的水產(chǎn)生混合，形成了一定的混合或稀釋效果。垂直水流致使?jié)岫扔兴撸菍е聦嶒炛袧撍盟伤畼拥慕饘匐x子高于真實值的主要原因之一。另外，潛水泵工作是靠液體離心作用抽水，往往導致?lián)]發(fā)性氣體發(fā)生逸散，致使甲醛監(jiān)測結(jié)果偏低，甚至未檢出三氯甲烷物質(zhì)。

低流速氣囊泵以0.5 L/min可控的低速率進行洗井采樣，使抽水速率和補水速率達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，有效地避免了井內(nèi)水位的大幅度泄降，不會造成水中氣體因壓力驟降而散失，因此低流速氣囊泵所采水樣的甲醛和三氯甲烷測試結(jié)果更趨于真值。因采樣時設備固定，對井內(nèi)水體擾動較小，降低了水樣濁度，最大程度地減弱了土壤應力，避免周邊地層土壤上所吸附的金屬等微小顆粒進入井內(nèi)水體，防止井內(nèi)滯水存在垂直梯度上的混勻，從而減弱了不同層位間污染物的遷移及周邊水和井內(nèi)滯水的交叉污染，能夠更準確地采得目標層位的水質(zhì)樣品[8]。

可以看出，低流速法在洗井采樣時間節(jié)約環(huán)節(jié)上也更具優(yōu)勢，且大大降低了二次廢水產(chǎn)生、管理、處置的成本；微洗井采樣方法降低了采水操作對監(jiān)測井與含水層的沖擊，減少細砂深入濾料或井篩的可能，進而增加了監(jiān)測井的使用壽命；手工操作導致的人為誤差引入、過濾體積、過濾膜本身(品牌種類、表面積、吸附-滲出作用)等影響，同樣會使污染物分析結(jié)果產(chǎn)生偏差[9]。

3 結(jié)論

通過開展貝勒管、潛水泵和低流速氣囊泵等3種地下水采樣方法對比，得出結(jié)論：貝勒管法存在曝氣、濁度增加、湍流混合和易受表層水體污染等不足，方法缺陷會影響后期污染物分析，易導致部分金屬、揮發(fā)性有機物數(shù)據(jù)結(jié)果失真；潛水泵采樣往往造成井內(nèi)水位泄降過大、濁度一定程度升高，若結(jié)合實際條件適當調(diào)整抽水速率，可基本滿足常規(guī)理化指標的監(jiān)測采樣；低流速采樣法適宜采取含有金屬類物質(zhì)和揮發(fā)性有機物的水樣，該方法有效地解決了操作過程中的曝氣現(xiàn)象，對井內(nèi)水體擾動較小，降低了水樣濁度，避免了井內(nèi)水位的大幅度泄降，減弱了不同層位間污染物的遷移及周邊水和井內(nèi)滯水的交叉污染，所采水樣更能準確地代表目標層位水質(zhì)，特別是在應用于痕量或微量理化、有機指標的監(jiān)測中更為科學、合理。

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Comparative Study of Sampling Methods in Ground Water

LI Wenpan, ZHU Qing, JI Xiaoyan, LIU Tingliang, SUN Zongguang

The State Key Laboratory of Environmental Monitoring Quality Control，China Environmental Monitoring Center，Beijing 100012, China

In this paper, three kinds of groundwater sampling are comparatively analyzed. Through systematically analyzes of the monitoring data, the significant differences in basic parameters, ions, metals, VOCs and, Sensory indexes of water sampling from the three methods are presented, and proposed the applicability of different methods. The results indicate that, the low-flow sampling,as compared to traditional methods, can effectively solve aeration in the sampling process, reduce the sample turbidity with small disturbance, minimize drawdown of the water table，avoid cross contamination resulting from mixing of different formation water with stagnant water in the well, save field time and eliminate sewage treatment costs associated with well purging and sampling. The Low-Flow sampling method is more advantage in taking representative samples.

groundwater sampling; low-flow sampling; aeration; turbidity; representative

2015-08-27;

2016-01-08

全國地下水基礎環(huán)境狀況調(diào)查評估項目(14413045)

李文攀(1983-)，男，北京人，碩士，工程師。

朱 擎

X830.1

A

1002-6002(2016)04- 0104- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.19