地下水監測井現地水質試驗

單信瑜

交通大學土木工程學系

地下水水質

天然的水絕對不會是『純淨』的

水中一定會含有溶解的固體、液體和氣體

水質

地下水中的不純物質

水質決定了地下水作為資源之適用性

依據不同用途訂定不同的水質標準

水質標準

決定水是否適用於以下用途：灌溉、工業、飲用

『水質保護』標準：限制排放水水質

『污染整治』標準

基本水質

外觀：顏色

味道

混濁度、懸浮固體、硬度

微生物含量

生物負荷

化學物質濃度

水質量測單位

毫克／每公升 (mg/L) – ppm微克／每公升 (µg/L) – ppb莫耳濃度

地下水取樣的誤差比較

1 角錢/100,000,000 元1 角錢/100,000 元

1 cm/10,000 km1 cm/10 km

1 顆爛蘋果/2,000,000 桶1 顆爛蘋果/2,000 桶蘋果

1 m2/10000 公頃1 m2/10 公頃

1 茶匙/5 節鐵道油罐車1 茶匙/1,300 加侖

1 秒鐘/32 年1 分鐘/2 年

1 ppb1 ppm

水質準則

水中溶解物質之毒性和生物上之意義

用以訂定水質標準

根據溶解固體區分之水質標準

> 100,000鹼水Brine

10,000 – 100,000鹹水Saline

1,000 – 10,000微鹹Brackish

0 – 1,000淡水Fresh

總溶解固體TDS (mg/L)Class

水中之無機物

水中天然含有以下無機物質：

– 主要陽離子：鈣、鎂、鈉、鉀– 主要陰離子：氯、硫酸根、碳酸根– 次要離子：鐵、錳、氟、硝酸根– 微量元素：砷、鉛、鎘、鉻 (只有幾個 ppm)

溶解氣體

主要：氧、二氧化碳、氮

次要：硫化氫（厭氧環境，當氧不存在時）、甲烷

地表水中之溶氧

人類活動對地表水水質造成負面影響

未經過處理的人類或動物廢棄物 微生物成長造成溶氧量(DO)降低– 好氧微生物成長需要氧

地表水中之溶解固體

總溶解固體增加原因：

– 廢水排放– 都市地表逕流– 集水區開發造成地表土壤沖蝕流失

水溶液的成分為下列因子的函數：

– 原始水質– 溶解氣體分壓– 水接觸的礦物質– 水溶液的酸鹼度和氧化還原潛能

已被污染或可能被污染場址地下水監測計畫的目的

保護地下水使用者、設施的業主和操作人員

評估設施的設計和運轉

引導主管機關規範和執法行動

對污染場址發展並執行整治方案

評估環境相關計畫的有效性

一般廢棄物掩埋場地下水指標參數舉例

< 40 ppb揮發性有機物(VOC)*1 - 100 ppm鈉(Na)2 - 200 ppm氯(Cl)0 - 2 ppm氨(Ammonium, NH4 as N)0.01 - 10 ppm鐵(Fe)0 - 0.1 ppm錳(Mn)100 - 1,000 mm/cu導電度(Specific Conductance)6.5 - 8.5酸鹼度(pH)1 - 10 ppm總有機碳(TOC)(過濾後)天然含水層中數值範圍滲出水指標

地下水污染源分類

I.廢棄物排放設施II.廢棄物貯存、處理設施III.物料傳輸設備IV.因人類活動導致或加速之天然排放V.管道或引起流路改變VI.因人類活動導致或加速之天然排放

I. 廢棄物排放設施

地表下滲漏(化糞池)灌注井

地表生物處理場(Land Application)

化糞池

將處理過之家戶廢水排放至地下水位以上

包括浴廁、廚房、洗衣等廢水

廢水經過沉澱與部分厭氧分解

Septic tank

化糞池排放水水質

生物需氧量BOD: 100 – 300 mg/L化學需氧量COD (unfiltered): 280 – 550 mg/L化學需氧量COD (filtered): 200 – 400 mg/L總懸浮固體TSS: 45 – 70 mg/L大腸桿菌Fecal Coliforms: 2000 – 28,000 no./mL大腸球菌Fecal Strep: 2 – 1500 no./mL總氮Total N: 30 – 80 mg/L

氨氮Ammonia N: 20 – 50 mg/L硝酸氮Nitrate-Nitrogen: 0.15 – 0.85 mg/L總磷Total P: 10 – 32 mg/L其他磷Other P: 10 – 15 mg/L

污染事件

台灣經常發生：

– 使用地下水之中小學，抽水井靠近化糞池– 學生腹痛、腹瀉– 禍首：大腸桿菌

注水井

將廢水或廢液打至地下水位以下

– 有害廢棄物 (U.S. NO LONGER ALLOWED)– 油井之伴產水– 農業與都市逕流– 都市廢污水– 空調冷卻水

– 暖氣水– 提高油田生產用水– 人工補注水– 煉礦溶解用水

法規限制注水地下水體的：

– 液體種類– 水質– 注入區域

如何造成污染？

注入井設計不良

對地質狀況了解不足

井設置不良

井管鏽蝕

在台灣…

對於污水注入地下管制鬆散

– 有『污水注入地下水體水質標準』– 有『土壤與地下水污染整治法』，但尚無施行細則

– 申請、核准、稽查程序似欠妥善

II. 廢棄物貯存、處理設施

掩埋場

垃圾坑

垃圾堆

一般垃圾棄置

貯水池

廢礦渣

物料堆(Material piles, non-waste)

墳場

動物屍體掩埋

地上儲存槽

地下儲存槽

容器

燃燒場、爆炸場

放射性廢棄物掩埋場

掩埋場剖面圖

廢棄物

阻水系統

覆蓋系統

一般廢棄物掩埋場

覆土廢棄物

地工織物分隔層

集排水層

不透水布(GCL)

黏土阻水層(GCL)

現地土壤

一般廢棄物

家庭垃圾

一般事業廢棄物

– 建築廢棄物– 污水處理廠的污泥– 焚化爐灰渣事實上包含了各種不同的有毒和有害物質

一般廢棄物掩埋場中有什麼？

家庭廢棄物：– 殺蟲劑– 清潔劑– 油漆、電池、機油、溶劑無害事業廢棄物– 清潔劑– 溶劑– 含油品廢棄物

典型之掩埋場滲出水水質

總溶解固體TDS: 2000 – 30,000 ppm電導度Specific conductance: 2500 – 20,000 µmhos/cmTSS: 20 – 3000 ppmBOD: 100 – 30,000 ppmCOD: 1000 – 50,000 ppmTOC: 400 – 6000 ppm (should be higher)pH: 5 - 8

有害事業廢棄物掩埋場

廢棄物

黏土阻水層(GCL)不透水布

集排水層

不透水布集排水層

地工織物分隔層

覆土

現地土壤

GCL (Optional)

灰渣掩埋場造成之地下水污染

掩埋場滲出水形成之污染團

貯水池

工業、農業、各級政府所使用的水坑、池塘、湖：

– 儲存或處理無害或有害之液體– 排放無害廢棄液體美國於1976資源回收保護法(RCRA)立法後禁止有害廢液水池

水池底部可能有襯砌或無襯砌

襯砌種類：夯實黏土、不透水布、瀝青

儲水池的水如何排放到環境中：

– 蒸發– 入滲對地下水資源造成嚴重威脅

地面儲槽

石化產品

– 煉油廠Oil refinery– 化工廠Chemical plants滲漏儲槽Leaking tanks滲漏管線Leaking pipelines

地下儲槽 (USTs)

主要的地下水污染源之一

各公民營加油站儲槽

軍方與各運輸機構之地下儲槽

III. 物料傳輸設備

管線

– 廢水、天然氣、石化產品– 滲漏物料運送作業

– 翻車、洩漏

IV.排放與期它有計劃作業之後果

灌溉

施肥

農藥

餵養牲畜

道路灑鹽除冰

都市地表逕流

空氣污染物隨水滲流

礦坑排水

灌溉

提供較蒸發散更多的水量

多餘的水回滲入地下

使得土壤中的化學物質，如肥料、殺蟲劑等得以溶解和移動

畜牧養殖廢棄物

細菌、病毒、氮、氯

開放畜養之動物其廢棄物散佈到廣大區域，污染潛能較低

集中畜養的動物，廢棄物集中於畜舍，污染潛能高

雨水滲入滲出廢棄物，使得污染物下滲至土壤與地下水中

V. 管道或引起流路改變

抽水井

其它目的井

廢棄井

施工開挖

監測井與地質鑽探孔

施工中可能會造成交錯污染

許多鑽孔完工後並未回填

交錯污染會持續很長的時間

VI. 因人類活動導致或加速之天然排放

地下水與地表水互動

天然溶出

鹽水入侵

地下水與地表水交互作用

由地表水補注的地下水可能因為地表水污染導致污染

台灣

南部許多河川污染造成地下水污染

海水入侵

沿海的地下水含水層會因為抽水導致地下水位下降太多引起海水入侵

海水往內陸移動

台灣的狀況

因為地質條件因素，雖地下水超抽嚴重，但是海水入侵並不嚴重

沿海地層下陷區海水倒灌造成的土壤鹽化更嚴重

地下水污染源排名

掩埋場

地下儲槽滲漏

化糞池

農業活動

地表儲水池

無主廢棄物場址

比水輕之非水相液體LNAPLs

汽油Gasoline柴油Diesel fuel噴射機燃料Jet fuel油品中之致癌物質BTEX

Fig. 11.22 Organic liquids such as gasoline, which are only slightly soluble in water and less dense than water, tend to float on the water table when a spill occurs

比水重之非水相液體DNAPLs

鹵化碳氫化合物 –溶劑– 三氯乙烯TCE– 四氯乙烯PCE– 三氯乙烷TCA

Fig. 11.23 Organic liquids such as trichloroethylene, which are only slightly soluble in water and are more dense than water, may sink to the bottom of an aquifer when a spill occurs

金屬和陽離子

鎘-骨骼疾病鎘可影響生殖系統. 精子成熟過程被抑制鎘氣中毒者之睪丸中曾被發現含高量的鎘.蘇俄鎘中毒的婦女仍可懷孕生子, 但生出來的子女較未中毒者為輕.長期暴露在鎘氣下 (長達 8 年之久) 可引起骨質疏鬆及假性骨折症狀.(痛痛病)長期暴露鎘氣下者, 其得攝護腺癌, 肺癌者較平均值為高, 但死亡者是否抽煙則無記錄.

鉻Chromium

人類白血球以 2 及 4 ug/ml 三氧化鉻六水合物投予後白血球染色體錯亂率會明顯增加.鉻酸及鉻酸鹽作用器官如下: 血液, 肺部, 呼吸系統, 肝臟, 腎臟, 眼睛及皮膚.暴露在鉻元素, 六價及三價鉻所引起的症狀: 過敏性皮膚炎. 三氧化鉻會誘導哺乳類生物細胞高染色體錯亂率, 錯亂率昇高量隨投予時間多寡 (24-48 小時) 而增加, 這顯示三氧化鉻遺傳毒性多寡和投予時間有關.

銅Copper-慢性銅中毒 (無論是工業性或非工業) 究竟有無存在於人類仍有爭論, 以前歸因於銅中毒的病例目前認為大多數可能起因於銅和其它金屬混合作用所致, 尤其是鉛.

砷-烏腳病？

對砷的暴露致癌可能率涉到骨骼結構和肺部. 除此之外, 在陰囊﹑腎部﹑腹部﹑鎖骨﹑還有下胸部, 也似乎會有癌症發生。骨髓有嚴重傷害, 所有骨髓組織成份都被抑制. 造血功能的不正常最常見的是無法再生性貧血. 在日本, 調查 214 個在 1955 年喝了受砷污染的牛奶的嬰兒, 和他們的弟妹成長情形做比較, 發現這群嬰兒, 智商較低, 生長遲滯的情形較多, 近視, 腦波圖不正常, 牙齒生長情形不佳, 臉形不正常.

鉛-腦部硒-肝臟脂肪性變質及肝硬化

非金屬和陰離子

氨Ammonia硼Boron氯Chlorides氰化物Cyanides硝酸鹽Nitrates氟化物Fluorides

微生物

細菌

– 大腸桿菌coliform (E. Coli)Giardia病毒

放射性物質

鈷Cobalt 60鍶Cesium 137鈽Plutonium 238, 243鐳Radium 226, 228氡Radon 222鈾Uranium 238

有機物質

芳香烴– 苯、甲苯、二甲苯、乙基苯-致癌– 慢性苯中毒會引起白血球數目減少﹑貧血﹑血小板數目減少. 如果病況繼續下去則引起骨髓之造血機能完全喪失. 而且苯與血癌之形成亦有密不可分之關係. 氧化碳氫化合物– 丙酮、甲醇、乙醚、扶喃、MTBE-致癌、畸形兒

有機物質

鹵化物等（含氯、氟、碘、硫、溴等）（許多為溶劑）– Chloroform, 1-1 (or 1-2) Dichloroethane,

Dioxins, Trichloroethanes (TCA), Trichloroethylene (TCE),

– Tetrachloroethylene (PCE) -對實驗動物有基因致癌性, 流行病學的資料指出過氯乙烯可能會增加人類肝臟及尿道癌的發生率, 但資料仍不夠充分.

氯乙烯(聚乙烯之單體)

對人類致癌性的證據: 充足.對動物致癌性的證據: 充足.綜合評估氯乙烯對人類致癌性可歸納為第一類: 氯乙烯對人類有致癌性.

美國肯塔基州 (Kentucky) 羅以斯瓦 (Louisville) 一座氯乙烯聚合工廠曾有 10 個員工第一次被偵測出和氯乙烯暴露有關的肝血管瘤 ( hepatic angiosarcoma), 臨床症狀有非特殊性肝受損伴隨輕度肝功能測驗結果異常, 胎胚致癌性抗原(carcinoembryonic antigen) 及α-胚胎蛋白質(alpha-fetoprotein) 兩者皆測不出來, 確認診斷只有在肝切片檢查後才能達成, 診斷確定後平均存活率是 12 個月左右, 明顯肝衰竭通常只是一個終末期前的症狀, 也是致命的主因.

水質分析費用

基本項目：

– pH, metals, anions: 600 – 700 USD揮發性有機物VOC – 150 USD鹼性和中性有機物 – 400 USD殺蟲劑和多氯聯苯 – 300 USD放射性物質 – 400 USD

地下水質資料所可能遭遇之變異性與人為錯誤

空間性

時間性

井之設置

取樣過程

井之設置

鑽掘過程

– 穩定液– 鑽孔種類– 含水層之間的流通

井之設計

– 套管與濾管之材料– 孔徑– 濾網長度、深度、孔徑– 濾層(Filter Pack)材料– 環封(Annular Seal)狀況洗井 (Well Development)

取樣過程

收集– 預抽洗井(Purging)方法– 預抽速率與時間長短– 取樣裝置– 井之間交互污染– 現場 vs. 實驗室分析– 樣品準備: 過濾/容器/防腐劑/儲存時間– 作業員犯錯誤

分析

– 分析方法– 操作員經驗– 儀器律定(Calibration)– 因其它化學成份造成之干擾– 留置時間– 記錄/抄寫錯誤

監測井影響取樣水質之因素

地層因子

濾層中之細顆粒土壤

井底沉積物

井中水與空氣接觸時間

從監測井中抽水

洗井(Purging)– 從井中抽出一定水量– 量測基本水質，溫度、pH、電導度確保取樣取到的是地層中的水，而非長期留置在井管中的水

– 水質會改變– 有機物會揮發– 微生物會生長– 懸浮固體會沉澱

採取水樣

水文地質師不太可能自己做水質分析

水文地質師通常負責在現地採取水樣

取樣計畫規劃之基本步驟

決定取樣計畫的目的

決定取樣點數量

決定水質分析項目和實驗室的偵測極限

擬定取樣品保計畫

品保/品管(QA/QC)

查核精密度 (accuracy)實驗室調製之已知濃度水樣

查核準確度(precision)複製之水樣現地取樣計畫：

– 10%複製 –不告知、不標示– 現場空樣 –用超純水製作

• 偵測實驗室試驗過程問題

水質取樣程序

參考美國環保署標準程序

取樣器材準備、監測井查核、水位量測

洗井程序驗證

取樣/過濾/現場空樣和標準水樣現地水質量測

水樣儲存/運送

洗井(Purging)

取水樣前必須進行之程序

傳統洗井方法

依照標準程序必須要抽取3 – 5倍井管水體積(Well Volume)的水取到的水樣代表較大範圍的含水層水質之平均值

此平均值和洗井時的抽水總量、地質狀況、取樣點相關

現地水質試驗

取樣前抽水洗井過程之一部分

目的：確認已經抽到地層中的水

試驗項目：

– 溫度– 電導度– 酸鹼度pH– 氧化還原勢能Eh

pH探頭、溫度探頭、pH讀數表、Eh探頭

溫度

井中的水溫與地層中的水溫差異

– 井管中的水中可能有生物反應

電導度

井中、井管、濾層中的生化反應會使水質與地層中水質有差異

井中水裡面的揮發性有機物逸散

水中的懸浮固體沉澱

電解質濃度高則電導度提高

有機液體濃度降低則電導度提高

酸鹼度pH,氧化潛能Eh

生化反應導致pH變化

水與弱酸的離子化常數

水分子會分解成兩種離子：

H2O⇔H++OH-

事實上氫離子(H+)無法單獨存在，而必須要與水分子結合形成 H3O+

Table 10.3 水分解的反應常數

6.635.474 x 10-14506.772.919 x 10-14406.921.469 x 10-14307.001.008 x 10-14257.080.6809 x 10-14207.270.2920 x 10-14107.470.1139 x 10-140

pH of a neutral solution

KeqTemperature (°C)

氧化潛能Eh

氧化還原反應：

– 化學反應中，原子之間有電子給予和接受水溶液的的氧化潛能定義為Eh

電子的傳遞造成電流

氧化還原反應具有電勢能

在25°C 和 1 大氣壓下，可以量測出許多化學反應的標準勢能E0 (in volts)

Eh之值的正負號意義：– 正值代表會發生氧化反應– 負質表示該溶液具備還原潛能E0絕對數值的大小代表氧化或還原傾向的強弱

Eh利用離子電極量測

假如已知一水溶液的pH和Eh則– 可以決定與水接觸的礦物質之穩定度– 該穩定度可以用Eh-pH圖表示– 在Eh-pH場中，水只有在某特定範圍隻內鼠於穩定狀態

Fig. 10.2 The Eh-pH field where water is a stable component. The usual limits of Eh and pH for near-surface environment are also indicated by solid lines

Fig. 10.3 Stability-field diagram for a 10-7-model solution of iron

要在現場量測地下水的Eh非常不易：– 水中經常含有較高濃度的鐵離子，造成干擾

若謹慎處理，可以避免氧氣對於現場取樣程序與現場Eh量測的影響

較高的Eh值常常是水中溶氧直接造成的對於較深的地下水系統

– Eh通常非常低

接近地下水補注區

– 地下水中溶氧較多，Eh較高當地下水流過含水層

– 水中溶氧因為與各種化學物質接觸反應而被還原，Eh降低

因為現場量測地下水的Eh較困難，因此對於天然地下水的Eh-pH範圍之資訊不多– 部分資訊建議Eh範圍為 –0.2 to +0.7 V– 地下水從補注區開始流動，流動路線與時間愈長Eh愈低地表水通常為氧化傾向

在某些湖泊中厭氧狀況下Eh會較低

抽水洗井

水中化學物質濃度與抽水體積的關係

各種參數與抽水體積的關係

Vb=吊桶容積，吊桶一次抽出水量

Vw = 井管內水之體積，井管內水柱高度乘以管面積

井中化學物質濃度Cw

地層地下水中化學物質濃度Cf

井中化學物質質量Mw

從井中抽出一桶的體積Vb，就由地層中補進一桶Vb的體積到井中

井中化學物質的濃度就因此改變

– Cw,0Vb +CfVb

Mw

Cw=Mw/Vw井中化學物質濃度Cw

第一次抽出Vb之後：

Mw,1=Mw,0 – Cw,0Vb+CfVb Cw,1=Mw,1/Vw

第二次抽出Vb之後：

Cw,2=Mw,2/VwMw,2=Mw,1 – Cw,1Vb+CfVb

井水中化學物質之濃度達到地層中濃度之99%所需之抽水量

井水中化學物質濃度隨抽水量之變化

井水中化學物質濃度隨抽水量之變化

井水中化學物質濃度隨抽水量之變化

Turbidity timecourses from wells at the Delaware site

Monitored parameter time courses from well D at the Connecticut site

The effect of pumping rate and sampling method on observed turbidity, NY site

洗井時間問卷調查結果

低流量洗井(Low-Flow Purging)

幾乎不會導致地下水位變化，適用於場址評估和整治效果評估

利用水閥控制抽水率

取樣時抽水量維持穩定

抽水的速度和水在自然狀況下由地層流出之速度一樣

抽水導致對地層的擾動較少

適當的洗井和取樣抽水速度根據水文的準則決定：

抽水速度不應該導致地下水位的淨下降（至少是非常小）

主要優點為洗井所需之抽水量較傳統洗井方法小很多

低流量取樣經示範證明只會將開孔區域的水抽出來

因此不需要使用氣囊去井管中隔離停滯不動的水

雖然抽出之水量大幅減少，但在污染場址這些水還是需要審慎棄置

更基本的關鍵優點為此法取到之水樣為較小區間的地下水，較為精準地代表該點的水質

對於污染分布的判斷與分析更為有利

洗井需要的抽水量和抽水時間根據水質參數的連續監測來評估

水質參數包括：溶氧、電導度、Eh、濁度，以評估是否已經抽到原來在地層中的水

利用蠕動幫浦、低速沉水幫浦、氣囊式幫浦都可以低速抽水，抽出低濁度的水，取到高品質水樣

一般需要取到地層中的水樣前，所需要抽出的水遠低3 – 5個井管體積在較深的井中，只需要抽出井管體積的幾分之一即可（因為井管體積大）

低流量洗井的優點

低濁度具代表性之水樣，可取到水中溶解和懸浮的物質

對取樣點的擾動很小

降地對於地層的應力（因為洩降很小）

井管中停滯的水和地層水的混合較少

減少過濾水樣的需要，因此減少取樣所需時間

抽水量小，減少需要處理的水量，省錢省時間

低流量洗井的缺點

因為長期的經驗少，要實務界改變作法的阻力較大

取樣方法不同導致資料的比對有疑問

因為抽水率小，洗井和取樣時間可能較長

需要額外且較昂貴的設備和器材

不易進行（連續分析水質等）

抽水率小，水樣與空氣接觸時間較長，水中溶解之氣體可能逸散