近年来，我国环境问题日趋严重，地下水污染受到国内外学者的广泛关注[1]。地下水环境受采矿活动、工业污染以及人类生活影响较大[2]，污染物下渗进入地下水含水层后，在对流弥散等相互作用下，使污染范围不断扩大。地下水环境的恶化不仅对农业、生态等造成严重影响，还会直接威胁人类饮用水的安全。

污染物在含水层中的迁移受含水层自身的非均质性和地下水的渗流特征控制，抽取地下水时也会对地下水流场产生严重干扰，间接影响污染物迁移。含水层中存在的大量孔隙、裂隙、透镜体、死端孔隙等空间结构是导致其非均质性的主要因素[3]，现有研究多是针对含水层的非均质性对污染物迁移规律的影响[4-5]，关于含水层抽水等外部因素对不同非均质程度含水层中污染物迁移的影响研究很少。韩科学等[6]基于空间随机函数建立二维层状非均质各向异性含水层水文地质数值模型，研究区域尺度含水层抽水对污染物迁移特征的影响，结果表明，抽水影响污染物的迁移速率。但其随机理论模型在溶质迁移预测方面仅得到了场地尺度试验数据的验证[7]，试验室尺度含水层中溶质迁移的试验研究数据相对匮乏。砂箱试验在地下水污染研究领域应用广泛，是获取试验室尺度含水层参数及污染物迁移规律最有效的物理方法之一[8]。

因此，本研究通过砂箱试验开展示踪试验，研究抽水对不同非均质程度含水层中污染物迁移的影响。获得了抽水条件下污染羽的形态特征和污染物迁移速率变化，为试验室尺度污染物迁移数值模拟提供验证数据，以期为抽水井附近含水层地下水环境影响评价及污染修复提供理论指导。

1 材料及方法

1.1 试验材料

试验选用普通建筑用石英砂、砾石、低渗透性粉细砂以及大理冲洪积扇原位土样构建含水层介质。为保证试验的准确性，在填充砂箱之前，随机选取石英砂样品进行室内筛分，筛分结果显示，石英砂粒径主要集中在0.25～0.50 mm，质量分数达98.9%，可以近似看作均质的石英砂。

大理冲洪积扇含水层由于历史沉积作用，具有典型的非均质特征。本次试验选取扇顶河道剖面卵砾石和粗砂、扇中粗砂和黏土透镜体、扇缘粉砂和淤泥质土共6种土样，根据沉积规律进行砂箱填充。通过原位土样渗透试验获取每种土样的渗透系数，结果如表1所示。

表1渗透系数Table 1 Hydraulic conductivity位置编号土样渗透系数/(cm·s-1)扇顶1卵砾石2粗砂9.750×10-3扇中3粗砂7.198×10-44黏土透镜体3.750×10-6扇缘5粉砂2.143×10-46淤泥质土2.972×10-5

1.2 试验装置

示踪试验的主体装置为三维物理砂箱，有机玻璃材质，砂箱有效长度80 cm，宽35 cm，高55 cm。装置左右各设置一个宽15 cm的水槽，水槽与箱体之间通过隔板隔开，隔板上分布间隔1 cm、直径2 mm的小孔，并有塑料纱网阻挡箱体内充填物进入水槽，但可以使水槽中的水均匀进入箱体内含水层。砂箱两侧采用两个定水头装置控制水槽内水头，可自由调节上下水头差以满足试验需要。砂箱正面设置两排抽水孔，底部设置一排抽水孔，全部通过橡胶管与有机玻璃管连接，可以读取砂箱不同位置的水头信息兼顾抽注水和取样功能，所有抽水孔水平间距均为10 cm，正面抽水孔竖直间距20 cm。使用两台最大抽水速率为900 mL/min的蠕动泵完成抽水及示踪剂的注入，并用流量计测量下水头的流量数据，判断砂箱内的水流是否达到稳定。为了全面反映污染物在抽水井上下游的差异，抽水位置设置在11号孔。试验时，砂箱上水头通过水箱供水，下水头出水管连接下水道，自上水头进人砂箱的水通过含水层后直接外排，不循环使用，砂箱装置如图1。

图1砂箱装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the sandbox

1.3 砂箱试验设计

为尽可能减少试验准备过程中外部因素的干扰，在砂箱充填时打开左右水头装置，保持砂箱中始终有稳定水流通过。石英砂分层填充，每填充10 cm后调整水头在水流作用下充分饱和，并用木锤进行机械压实，可以有效排出砂粒间的空气，并对石英砂起到清洗作用，使砂箱内不同部位的石英砂尽量处于均质饱和状态。含砾石通道的非均质含水层根据冲洪积扇的沉积特性分层填充，由于土样渗透系数量级均在10-3以下，饱水速度很慢，为了使砂箱中非均质含水层处于饱和状态，在填充完成后，保持高水头差状态静置7 d后再进行相关试验。为了准确获取污染物的迁移特征及影响，本研究设计3种含水层：(1)含水层1为均质含水层。(2)含水层2为含砾石和粉细砂夹层的非均质含水层，非均质程度较低。(3)含水层3为含砾石通道的非均质含水层，非均质程度较高。砂箱含水层充填情况如图2所示。

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