陈初雨，王延亮，孙 春，马 力，李立军，赵彦宁，王怀远，仲伟婉

吉林省地质环境监测总站，吉林 长春 130061

溶质在土壤中运移受多种因素的影响。其运移机理主要有3 种：对流、扩散和水动力弥散。对流是纯力学的结果，扩散是质点热运动的结果，水动力弥散是由于土壤孔隙水的微观流速的变化引起的[1]。此外，溶质运移过程中还要受到物理的、化学的固定、吸附作用以及自身稳定性等作用的影响。

粉煤灰是以煤为燃料的火力发电厂排放的废弃物。目前虽然许多大型电厂都采用了干贮灰技术，但是雨水的淋滤作用仍然会引起渗漏，粉煤灰中F－将会通过包气带向下入渗。F－具有特殊的化学特性，水溶性F－易于迁移，在土壤中的迁移方向和强度取决于土壤的性质等多种环境要素。黎成厚[2]等研究表明，水溶性氟与土壤中小于0.01 mm 土粒质量浓度有较好的负相关关系，这主要是由于粘粒具有较大的比表面积，能吸附更多的F－，使水溶性氟质量浓度降低。

国内外对贮灰场的环境影响也进行过一些研究，其中，李定龙[3]对拟建窑河洼灰场浅层地下水环境质量现状进行了模糊数学评价，模拟了拟建灰场运行5 年后，氟离子的污染范围和程度。结果表明，对周围地下水环境将会产生一定程度的影响，且这种影响不可忽视。白继红[4]在室内模拟了氟离子在粗砂、细砂、粉土和粘土地层的干灰场对地下水影响。结果表明，不同土层对氟离子均有一定的吸附能力，土层渗透系数越小对氟离子的吸附能力越大，即粉土和粘土对氟离子的吸附能力强于细砂和粗砂。张红梅[5]采用垂直土柱易混置换法，得出氟在中粗砂土中的水动力弥散系数和弥散度小于中粗砂与不同比例的高岭土配成的土质，说明粘粒质量浓度越高则弥散强度越大，即粘粒质量浓度越高对氟的吸附性也加大。

为了进一步查明吉林市来发屯灰场土层对氟离子的吸附机理，本文以来发屯灰场为试验场地，分别在灰场内和灰场外钻孔，分析不同深度土层氟离子的质量浓度变化。

1 试验条件

吉林市来发屯灰场位于江北乡来发屯浅山区，贮灰场内赋存着粉煤灰孔隙潜水。据勘探试验资料：粉煤灰渗透系数1.036 8 m/d。天然状态下粉煤灰含水率高，持水性强，多孔隙、低密度，透水性较强。灰场粉煤灰水与其下部花岗岩风化孔隙水组成统一地下水，部分以侧向迳流方式补给南北两侧地下水，部分通过灰场内集水井和主、副坝前降水井抽出后循环使用，部分以蒸发方式排泄。

本次试验分别在灰场内和灰场外钻孔ZK1 和ZK2。其中，ZK1 孔深38 m，粉煤灰层厚25.6 m，下部粉质粘土厚12.4 m；ZK2 孔深8.6 m，杂填土厚2.1 m，粉质粘土混角砾厚3.5 m，角砾厚2.0 m，强风化花岗岩厚1 m。对两钻孔进行定深连续采样，采样间隔为2 m，样品送至吉林大学地质实验室分析，测试项目为氟化物、pH 值、酸碱度（以CaCO3计）、可溶性氟（以F－计）、可溶性总固体（以TPS 计）、固态氟（以∑F 计）。

表1 22个水浸物和固体样品总氟量一览表Table 1 Total f luoride content of 22 water extracts and solid samples

2 试验结果与讨论

2.1 氟离子的垂向分布特征

对钻孔ZK1 和ZK2 的试验结果见表1 和图1至图4，结果表明：

（1）灰场内粉煤灰-粉质粘土可溶性氟质量浓度总体随深度增加浓度递减，固态氟随深度增加浓度递增；灰场外未表现出该特征，对比点可溶性氟和固态氟质量浓度均随深度递减。

图1 钻孔ZK1可溶性氟质量浓度随深度变化Fig.1 Changes curve of Bore ZK1 soluble f luorine mass concentratrion with depth

图2 对比钻孔ZK2可溶性氟质量浓度随深度变化Fig.2 Changes curve of contrast Bore ZK2 soluble f luorine mass concentratrion with depth

图3 钻孔ZK1固态氟质量浓度随深度变化Fig.3 Changes curve of Bore ZK1 solidity f luorine mass concentratrion with depth

图4 对比钻孔ZK2固态氟质量浓度随深度变化Fig.4 Changes curve of contrast Bore ZK2 solidity f luorine mass concentratrion with depth

表2 贮灰场灰层中氟质量浓度垂向分布表Table 2 Vertical distribution of f luorine mass concentratrion of the ash layer in ash storage f ield

（2）在长期抽水条件下，贮灰场内地下水水位变动带为12～16 m，以此为界分为上部包气带（0～12 m）和下部饱水带（16～38 m）。二者可溶性氟（F－）、固态氟（∑F）质量浓度有着显著差异（如表2 所示）：随着深度的增加，可溶性氟质量浓度逐渐降低，饱水带中的质量浓度为包气带中1/2；但固态氟质量浓度逐渐增加，饱水带中的质量浓度为包气带中的2.3 倍。这一特征表明，可溶性氟在下渗过程中被含水介质吸附而降解。

（3）包气带中F－、∑F 质量浓度的变化与粉煤灰结构有关。粉煤灰颗粒越细，两者的质量浓度越高。据钻孔资料，8～10 m 段粉煤灰粒径细，为粉质状态，相应F－、∑F 质量浓度分别为0.75 mg/L 和202 mg/L，是包气带中氟质量浓度最高段，表现为氟的富集；10～12 m 段粉煤灰粒径粗，相应F－、∑F 质量浓度分别为0.42 mg/L 和110 mg/L，是包气带中氟质量浓度最低段，表现为氟的衰减。

饱水带中F－、∑F 质量浓度变化可分为上、下两部分，上部（16～24 m）F－、∑F 平均质量浓度分别为0.44 mg/L 和272.25 mg/L，下部（24～38 m）F－、∑F 质量浓度分别为0.22 mg/L 和432 mg/L，表现为可溶性氟质量浓度随深度逐继续降解，固态氟随深度逐渐增加的过程。

2.2 氟离子的吸附机理

粉煤灰成分中含有CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3等 离 子 态 结 合 物 质 和SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3等胶体结合态物质。而粉煤灰中的Ca 可降低氟的活性，包气带中CaCO3质量浓度为16.6～23.13 mg/L，平均20.59 mg/L；饱水带中CaCO3质量浓度为4.53～15.49 mg/L，平均9.38 mg/L（见表1）。CaCO3随着深度的增加质量浓度降低，说明活性强的离子态F－与Ca 形成难溶解的CaF2固定下来。另外，无机胶体的粘粒、矿物、Al（OH）3、Fe（OH）3、SiO2等对氟有强烈的吸附作用，吸附水中的氟，固定于难溶的胶体络合态中，从而使溶解于地下水中的离子态氟被固定于胶体络合体中。

3 结论

不同土层对氟离子的吸附能力不同，粉煤灰-粉质粘土对氟离子具有很强的吸附能力，主要表现为上层粉煤灰中离子态结合物质和胶体结合态物质能够降低氟离子的活性，下层粉质粘土具有较大的比表面积，能够吸附氟离子。饱水带中可溶性氟质量浓度较包气带少，饱水带下部较上部更低，说明了灰场地下水中氟质量浓度较低，且饱水带下部更低的事实。

[1] 李韵珠,李宝国.土壤溶质运移[M].北京:科学出版社,1998,113-130.

[2] 黎成厚.万红友.师会勤，等.土壤水溶性氟含量及其影响因素[J].山地农业生物学报,2003,2.2(2):99-104.

[3] 李定龙.拟建窑河洼电厂灰场对地下水环境的影响评价[J].江苏石油化工学院学报,2000, 12(1): 44-48.

[4] 白继红.电厂粉煤灰场氟离子对地下水影响的试验[J].地球科学与环境学报,2008,30(4).

[5] 张红梅，速宝玉.不同质地土对氟在土中运移规律的影响研究[J].工程勘查， 2005（,5）:15-17.