基于包气带动力学的长白山天然矿泉水水源地土壤吸附能力研究

金艺华，尹振浩

(1.延边大学 农学院，吉林 延吉 133002；

2.延边大学 地理与海洋科学学院，吉林 延吉 133002)

长白山位于吉林省的东南部地区，是一座非常著名的山脉，其东南部与朝鲜隔江相望。长白山凭借着优异的自然地理环境和独特的地质构造，为天然矿泉水资源的形成创造了良好的条件，成为天然矿泉水集中分布区[1]。长白山原始森林是大部分天然矿泉水的水源地，由于林地的地热比较深，形成了珍贵的低温冷泉水，该地区的温度始终处于6～8 ℃，为长白山天然矿泉水水质的矿物质组成和含量稳定提供了保证[2]。较深的地热使长白山天然矿泉水呈现出天然纯净的特点，且富含大量的微量元素[3]。但由于长白山天然矿泉水缺少相关技术的支持，导致产品种类单一，出现了严重的同质化现象，很多企业都没有突出产品特色，无法生产出高端天然矿泉水，同时也降低了企业的经济效益。

在国内的研究中，林旺辉等[4]以谢家店地区为研究区域，为了充分了解该地区的水文地质情况，通过制定水文地质实验，分析谢家店地质构造对富水性和水动力条件的影响。结果显示，谢家店地区的地质呈现出比较复杂的构造，在破碎带和断层中溶蚀裂隙的发育程度较高。任晓霞等[5]为了研究咸阳市饮用水水源地的环境状况，以2011—2017年水源地的水质数据为依据，评价了该地区的水资源质量，构建健康风险评价模型，对咸阳市饮用水源地的风险进行了评价。在国外的研究中，Gavrilov A A[6]在Primorie南部的大陆—日本海过渡带内展开了卫星地质调查，建立一系列与断层相连的中新世和中新世—上新世火山构造带和大型断裂带，可以从Primorie南部的大陆架一直延伸到日本海中央盆地的大陆斜坡。

基于以上研究背景，本文研究了长白山地区天然矿泉水水源的地质状况，为提高长白山天然矿泉水的质量提供了有利的地质。

1.1 地层特性

长白山地区的地层出露比较完全，从古生代到新生代呈现出整齐的层序特征[7]。在二叠纪以前，长白山地区的地层岩性主要是以变质岩为主，分布在老龄山脉和龙岗山脉之间的浑江古地槽内；
二叠纪到中生代期间，长白山地区的地层岩性主要是碎屑岩为主，且呈现出零散分布的特点[8]；
到了第三纪，长白山地区的火山活动比较强烈，多旋回基性岩浆喷溢是主要的地层岩性，分布在各个区域。长白山地区不同岩组的二氧化硅丰度可以达到50%以上，为天然矿泉水中偏硅酸的富集提供了丰富的物质来源。

1.2 水文特征

长白山天然矿泉水水源地中，含水岩主要包括玄武岩孔洞裂隙水、碳酸盐岩类溶洞裂隙水和基岩裂隙水，其中玄武岩孔洞裂隙水几乎遍布全区[9]，其中泉阳镇、二道白河、靖宇县中部和辉南县东部三角龙湾附近的富水性较好，单井涌水量1000～5 000 m3/d，特别是安图县二道白河地区和抚松县泉阳、漫江等地区，水量极为丰富[10]，泉群流量最大可达500 L/s以上。

碳酸盐岩类溶洞裂隙水主要分布在长白山浑江的向斜盆地，碳酸盐含水层中的地下水一般是低矿化的重碳酸型水，单个水井涌水量可以达到100～5 000 m3/d[11]。

基岩裂隙水主要赋存在结晶岩中，一般富水性比较差，主要为低矿化的重碳酸钙型水，单个水井涌水量在100 m3/d以内，然而如果存在构造裂隙，单个水井涌水量可以达到100～1 000 m3/d[12]。

1.3 水资源储量

长白山地区拥有丰富的天然矿泉水资源和类型，目前在长白山地区探测到170多个天然矿泉水水源地，该区域内允许开采的天然矿泉水总量大约为30万m3/d，占全国天然矿泉水开采量的10%左右[13]。在长白山天然矿泉水水源地中，超过600 m3/d的水资源是允许开采的，一共有46个水源地可供10万t以上天然矿泉水生产基地的开采，其中有十多处天然矿泉水日均流量在万吨以上，包括辉南县大泉眼、靖宇县白浆泉和抚松县锦江矿泉等，单个泉眼的超大流量在全国都是非常罕见的[14]。长白山天然矿泉水水源地中，天然矿泉水水源地的开采量在300～600 m3/d的水源地有34处，年开采量在5万～10万t；
天然矿泉水水源地的开采量在300 m3/d以下的水源地有92处，年开采量在5万t以下[15]。此外，还有很多热矿泉分布在长白山地区，最高温度可以达到82 ℃，每日的最高流量可以达到3 300 m3，对土壤加温、养殖业、洗浴业、温泉疗养以及辅助采暖等产业的开发十分有利。

为了研究长白山天然矿泉水的水源地质情况，选择包气带为实验对象，包气带是连接地下水和地面的过渡层[16]，一切污染物都会经过包气带传输到地下水系统中，因此研究长白山天然矿泉水水源地的包气带吸附效果，可以提高长白山天然矿泉水的质量。

2.1 材料与仪器

实验过程中，选择的供试土壤为长白山地区天然矿泉水水源地包气带，采样地点分别为长白山的东郊水源地包气带、南郊水源地包气带和北郊水源地包气带。在表层土壤中选择20 cm以内的采样深度，将采集的土壤风干处理[17]，去除土样中的草根和石块杂物，经过60目的筛子后作为实验用土。

长白山天然矿泉水水源地质研究中所用到的仪器见表1。

表1 实验仪器Tab.1 Experimental Instruments

2.2 苯酚分析方法

先取浓度为30 μg/mg的苯酚溶液，利用蒸馏水作为苯酚溶液的参比[18]，在不同波长位置处测试苯酚溶液的吸光度，绘制苯酚溶液吸光度曲线，如图1所示。

图1 苯酚溶液紫外吸收光谱Fig.2 UV absorption spectrum of phenol solution

图1中，在紫外吸收光谱区域，苯酚容量存在两个吸收带，分别是波长为260 nm和292 nm，由于波长为292 nm处于紫外吸收光谱的末端，长白山天然矿泉水水源地质中的很多无机离子在该区域有吸收，因此292 nm不适合作为苯酚溶液的分析波长；
吸收波长为260 nm时，苯酚溶液的吸光度比较大，在该区域基本上不会吸收其他有机物。因此，选择260 nm作为苯酚溶液的分析波长。

确定了苯酚溶液的分析波长之后，配制浓度在0～60 μg/mg的苯酚溶液[19]，依旧选择蒸馏水作为苯酚溶液的参比，在吸收波长为260 nm处，绘制苯酚溶液标准曲线，如图2所示。

图2 苯酚溶液标准曲线Fig.2 Standard curve of phenol solution

根据图2的曲线发现，当苯酚溶液浓度在0～60 μg/mg时，吸光度与苯酚浓度之间呈现出一种线性的关系。

2.3 柴油分析方法

先取浓度为13 μg/mg的柴油溶液，利用蒸馏水作为柴油溶液的参比，在不同波长位置处测试柴油溶液的吸光度[20]，绘制柴油溶液吸光度曲线，如图3所示。

图3 柴油溶液紫外吸收光谱Fig.3 Ultraviolet absorption spectrum of diesel solution

从图3的结果可以看出，柴油溶液在紫外区有2个吸收带，分别是波长为288 nm和310 nm。由于波长为310 nm处于紫外吸收光谱的末端，长白山天然矿泉水水源地质中的很多无机离子在该区域有吸收，因此310 nm不适合作为柴油溶液的分析波长；
吸收波长为288 nm时，柴油溶液的吸光度比较大，在该区域基本上不会吸收其他有机物。因此，选择288 nm作为柴油溶液的分析波长。

确定了柴油溶液的分析波长之后，配制浓度在0～25 μg/mg的柴油溶液，依旧选择蒸馏水作为柴油溶液的参比，在吸收波长为288 nm处，绘制柴油溶液标准曲线，如图4所示。

图4 柴油溶液的标准曲线Fig.4 Standard curve of diesel solution

由图4可知，当柴油溶液浓度在0～25 μg/mg时，吸光度与柴油浓度之间呈现出一种线性的关系。

3.1 苯酚动力学吸附实验

根据静态吸附实验，使用浓度为30 μg/mg的苯酚溶液对长白山地区天然矿泉水水源地包气带的土壤样品进行测试，在不同时间维度下，测定吸附液中苯酚溶液的剩余浓度，根据苯酚浓度对应的吸光度，确定吸附量，得到了吸附量与时间的变化曲线，如图5所示。

图5 苯酚吸附动力学曲线Fig.5 Adsorption kinetics curve of phenol

在不同的供试土壤样品吸附液中，测试得到的苯酚溶液浓度见表2。

表2 苯酚浓度变化情况Tab.2 Changes of phenol concentration

根据苯酚吸附的动力学曲线和浓度变化情况，得到了不同水源地包气带中，土壤样品吸附苯酚的动力学参数，见表3。

表3 土壤样品吸附苯酚的动力学参数Tab.3 Kinetic parameters of phenol adsorption on soil samples

3.2 柴油动力学吸附实验

根据静态吸附实验，使用浓度为25 μg/mL的柴油溶液对长白山地区天然矿泉水水源地包气带的土壤样品进行测试，在不同时间维度下，测定吸附液中柴油溶液的剩余浓度，根据柴油浓度对应的吸光度，确定吸附量，得到了吸附量与时间的变化曲线，如图6所示。

图6 柴油吸附动力学曲线Fig.6 Adsorption kinetics curve of diesel oil

在不同的供试土壤样品吸附液中，测试得到的柴油溶液浓度见表4。根据柴油吸附的动力学曲线和浓度变化情况，得到了不同水源的包气带中，土壤样品吸附柴油的动力学参数，见表5。

表4 柴油浓度变化情况Tab.4 Variation of diesel concentration

表5 土壤样品吸附柴油的动力学参数Tab.5 Kinetic parameters of diesel adsorption on soil samples

4.1 苯酚动力学吸附实验结果

观察图5可以看出，3个长白山天然矿泉水水源地包气带的土壤样本都是对苯酚起到吸附作用，随着时间的变化，供试土壤对苯酚的吸附量变化趋势基本相同。在前30 min内，随着时间的变化，3种供试土壤对苯酚的吸附量急速上升，实验从30～80 min，供试土壤对苯酚的吸附量出现比较慢的变化趋势，之后，供试土壤对苯酚的吸附量基本不变，为了确保供试土壤对苯酚的吸附平衡，需要将静态吸附实验的振荡时间控制在80 min以上。

实验结果表明，3个天然矿泉水水源地包气带对苯酚的平衡吸附时间为2 h，吸附速率分别可以达到19.145 5、21.554 5、19.695 5 mg/(kg·h)，说明长白山天然矿泉水水源地包气带对苯酚有机物的吸附效果很好。

4.2 柴油动力学吸附实验结果

观察图6可知，3个长白山天然矿泉水水源地包气带的土壤样本都是对柴油溶液起到吸附作用，随着时间的变化，供试土壤对柴油的吸附量变化趋势基本相同。在前10 min内，随着时间的变化，3种供试土壤对柴油的吸附量急速上升，在实验进行40 min时，供试土壤对柴油的吸附量基本达到了平衡状态。

表4与表5实验结果表明，3个天然矿泉水水源地包气带对柴油的平衡吸附时间为40 min，吸附速率分别可以达到1.734 725、2.282 900、2.995 925 mg/(kg·min)，说明长白山天然矿泉水水源地包气带对柴油有机物的吸附效果依然很好。

本文提出了基于包气带动力学的长白山天然矿泉水水源地的土壤吸附能力研究方法，根据长白山地区的地质条件，以长白山天然矿泉水水源地的包气带为研究对象，进行了苯酚动力学吸附实验和柴油动力学吸附实验。吸附实验结果表明，前30 min内，土壤对苯酚的吸附量急速上升；
平衡吸附时间为2 h，吸附速率分别可以达到19.145 5、21.554 5、19.695 5 mg/(kg·h)。前10 min内，土壤对柴油的吸附量急速上升；
平衡吸附时间40 min，吸附速率可达1.734 725、2.282 900、2.995 925 mg/(kg·min)。因此，表明长白山天然矿泉水水源地的包气带对苯酚和柴油两种有机物的吸附效果非常好。但是本文的研究还存在很多不足，在今后的研究中，希望可以对长白山地区的水质进行测试，从而提高长白山天然矿泉水的质量。