上海地區(qū)淺部水文地質(zhì)條件對(duì)地下水污染物遷移的影響研究

李 韜

（1.上海勘察設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200093；2.上海環(huán)境巖土工程技術(shù)研究中心，上海 200093）

受河道變遷、人類活動(dòng)等因素的長期影響，上海地區(qū)淺部地層具有組合復(fù)雜、各向異性顯著等突出特點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致地下水中污染物分布規(guī)律復(fù)雜，調(diào)查評(píng)估與修復(fù)治理難度極高。科學(xué)地開展污染土與地下水的修復(fù)治理，需要在認(rèn)識(shí)環(huán)境水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)把握污染物遷移規(guī)律。

本文在系統(tǒng)梳理上海地區(qū)不同區(qū)域淺部地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，研究并提出了中心城區(qū)環(huán)境水文地質(zhì)分區(qū)，構(gòu)建了典型水文地質(zhì)組合條件下地下水污染遷移分析概化模型，并結(jié)合地下水污染遷移的主控因素分析，歸納提出上海地區(qū)不同環(huán)境水文地質(zhì)分區(qū)地下水污染遷移的基本規(guī)律，為地下水污染修復(fù)設(shè)計(jì)與遷移預(yù)測(cè)提供重要支撐。

1 污染物遷移方式

污染物進(jìn)入地下水位以下的水土環(huán)境后，主要以自由態(tài)、溶解態(tài)和吸附態(tài)等形態(tài)賦存。自由態(tài)是指不能溶解于水、也不被土體吸附的污染物，吸附態(tài)是指被吸附在土體顆粒表面及其孔隙中的污染物，溶解態(tài)是指可溶于地下水且隨地下水的流動(dòng)而遷移的污染物。受場(chǎng)地水文地質(zhì)條件等要素的影響，污染物在水土環(huán)境中通過對(duì)流、溶解、吸附等作用過程產(chǎn)生遷移[1]。地下水滲流（對(duì)流）、環(huán)境介質(zhì)不均勻性引起的彌散效應(yīng)、污染物濃度差異的擴(kuò)散效應(yīng)會(huì)引起污染物遷移、擴(kuò)散，導(dǎo)致污染范圍不斷增大[2-5]，而土體吸附效應(yīng)通常可在一定程度上削弱污染物的遷移范圍。

1.1 對(duì)流作用

地下水在含水層中攜帶著溶質(zhì)一起流動(dòng)，形成對(duì)流遷移。污染物通過對(duì)流的遷移量是濃度和流量的函數(shù)。根據(jù)達(dá)西定律，對(duì)于流向垂直于土體單位過水?dāng)嗝娴囊痪S滲流，單位時(shí)間通過過水?dāng)嗝娴牡叵滤形廴疚锏馁|(zhì)量Fx為：

式中：

Fx——對(duì)流作用下單位時(shí)間通過過水?dāng)嗝娴牡叵滤形廴疚锏馁|(zhì)量（ML-2T-1）；

C——地下水污染物濃度（ML-3）；

vx——水流方向上的平均線速度（LT-1）；ne——土體的有效孔隙度，無量綱；K——含水層的滲透系數(shù)（LT-1）；dh?dl——水力梯度，無量綱。

從上述公式可以看出，地下水的對(duì)流作用主要與土體的滲透系數(shù)、有效孔隙度和水力梯度有關(guān)。

1.2 擴(kuò)散作用

地下水中的污染物在分子力的作用下從濃度高的地方到濃度低的地方擴(kuò)散，單位時(shí)間通過單位面積的污染物擴(kuò)散量與濃度梯度成正比：

其中：

F*——擴(kuò)散作用下單位時(shí)間通過單位面積的污染物質(zhì)量（ML-2T-1）；

D*——污染物在土體中的有效擴(kuò)散系數(shù)（L2T-1）。

1.3 機(jī)械彌散作用

當(dāng)溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在孔隙介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于流體黏滯性和固體顆粒的存在，使得流場(chǎng)中各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向都不相同，從而產(chǎn)生機(jī)械彌散。單位時(shí)間通過單位面積的污染物質(zhì)量一維表達(dá)式為：

式中：

Fa——機(jī)械彌散作用下單位時(shí)間通過過水?dāng)嗝娴牡叵滤形廴疚锏馁|(zhì)量（ML-2T-1）；

Da——機(jī)械彌散系數(shù)（L2T-1）。

1.4 水動(dòng)力彌散作用

通常擴(kuò)散作用難以從機(jī)械彌散中分離出來，只有當(dāng)土體中的地下水流速極低且機(jī)械彌散作用微弱時(shí)，擴(kuò)散作用影響才會(huì)顯現(xiàn)。因此將機(jī)械彌散和擴(kuò)散作用結(jié)合起來并用水動(dòng)力彌散系數(shù)D表征。沿地下水流動(dòng)方向的彌散稱為縱向彌散，垂直于流動(dòng)方向的彌散稱為橫向彌散。

式中：

DL——縱向水動(dòng)力彌散系數(shù)（L2T-1）；DT——橫向水動(dòng)力彌散系數(shù)（L2T-1）；αL——縱向水動(dòng)力彌散度（L）；αT——橫向水動(dòng)力彌散度（L）；vL——水流方向平均滲流速度（LT-1）。

1.5 吸附作用

吸附作用是污染物遷移轉(zhuǎn)化過程中濃度衰減的主要作用之一，影響污染物在含水層中的流動(dòng)性和滯留性以及生物降解等其他轉(zhuǎn)化過程。

吸附作用不僅受污染物自身的物理化學(xué)性質(zhì)影響，還會(huì)受到含水層介質(zhì)的巖性、有機(jī)質(zhì)含量、顆粒大小等影響。鄭西來等研究發(fā)現(xiàn)含水層中有機(jī)質(zhì)和黏粒含量越高，對(duì)石油烴的吸附量越大[6]。王威等通過模擬粉砂對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)占含水層介質(zhì)總質(zhì)量約1%，對(duì)于污染物的吸附的貢獻(xiàn)率卻達(dá)到10%～40%[7]。上海地區(qū)地下水污染遷移過程中的主要阻力來源于黏性土的吸附作用。

綜上可知：土層條件對(duì)污染物的遷移影響極為顯著。例如：黏性土中的土顆粒細(xì)、滲透性差、污染物吸附容量大，地下水滲流滯緩，污染物同土體介質(zhì)的接觸時(shí)間長，污染物遷移以擴(kuò)散和吸附為主；粉性土和砂土中吸附作用較弱，滲透性較好，且可能存在各向異性等沉積特點(diǎn)，對(duì)流和彌散作用更加突出；因有機(jī)物易于吸附污染物，故在有機(jī)質(zhì)含量高的土體中吸附效應(yīng)也會(huì)相對(duì)顯著。

1.6 上海地區(qū)淺部地層特性

根據(jù)上海地區(qū)積累的豐富成果，中心城區(qū)深度20m以淺的主要土層由淺至深依次為：

第①1層填土，土質(zhì)不均，呈松散狀態(tài)，易于形成大孔隙通道；

第①2層浜土，因歷史上浜、塘填埋的范圍填埋形成，具有有機(jī)質(zhì)含量高，含水量大等特點(diǎn)；

第①3層新近沉積土（俗稱“江灘土”），土性以黏質(zhì)粉土或砂質(zhì)粉土為主，局部夾較多淤泥質(zhì)土，滲透性良好，分布于吳淞江故道、黃浦江沿岸等區(qū)域。

第②1層褐黃色黏性土，滲透性較差，局部地段受明、暗浜以及人類活動(dòng)的影響而缺失。

第②3層粉性土或粉砂，滲透性良好，分布在埋深2m～20m深度范圍內(nèi)分布。

第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，常夾有厚度不等的粉性土，各向異性顯著，水平向滲透性明顯大于垂直向滲透系數(shù)。部分區(qū)域在該層內(nèi)分布有滲透性良好的③夾層，其土性包括粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土或砂土等不同情況。

第④層淤泥質(zhì)黏土，滲透系數(shù)10-7cm/s，一般被視為天然的隔污層。

第⑤層灰色黏性土，有機(jī)質(zhì)含量較高，滲透性差，土性差異大，局部地段沉積了第⑤2層粉性土、粉砂。

上海中心城區(qū)20m以淺主要土層的水文地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 上海地區(qū)淺部20m以內(nèi)主要土層及水文地質(zhì)參數(shù)Table 1 The main soil layer and hydrogeological parameter value of the shallow 20m stratum in Shanghai area

3 不同土層特性對(duì)污染物遷移的影響分析

受土層條件的影響，不同性質(zhì)的土體內(nèi)主導(dǎo)污染物遷移的控制性因素各有不同[8]。對(duì)上海中心城區(qū)淺部各土層，污染物遷移呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)：

（1）第①1層填土：一般情況下透水性能良好，有利于污染物遷移擴(kuò)散；地下水易受到大氣降水、蒸發(fā)和人類活動(dòng)影響，水位通常在該層內(nèi)波動(dòng)，污染物遷移分布情況復(fù)雜。易由于大氣降水或地面人類活動(dòng)的污水無組織排放入滲，以及工程擾動(dòng)中（清障/鉆孔/建井/現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等）防污染擴(kuò)散隔離不善等因素造成淺部污染物的向下遷移擴(kuò)散。

（2）第①2層浜土：該層結(jié)構(gòu)松散，滲透系數(shù)大，有機(jī)質(zhì)含量高，易于吸附重金屬和有機(jī)污染物，造成該土層中污染物質(zhì)的富集。

（3）第②1層粉質(zhì)黏土：該層中鐵錳質(zhì)結(jié)核通常有巨大的比表面積，對(duì)重金屬和有機(jī)污染有很好的吸附作用，此外因其帶有表面電荷和含有變價(jià)元素的天然鐵錳氧化物和氫氧化物，是典型的潛在氧化劑，對(duì)有機(jī)污染物有一定的氧化分解作用，不利于污染物的遷移擴(kuò)散。除鄰近黃浦江等局部區(qū)域，各個(gè)地質(zhì)分區(qū)內(nèi)均普遍分布，平均厚度約2m。該層土黏粒含量占比大，滲透性較差，吸附作用顯著，污染物遷移擴(kuò)散時(shí)不易穿透，為良好的污染隔離層；在無局部缺失情況的場(chǎng)地中，污染物通常滯留在該層頂部；因歷史河流回填形成的暗浜、開挖、鉆孔等人類活動(dòng)影響，部分場(chǎng)地內(nèi)該土層存在局部缺失現(xiàn)象，存在淺部污染從缺失部分向下遷移的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致污染深度擴(kuò)大。

（4）第②3層粉性土或粉砂：分布在環(huán)境水文地質(zhì)分區(qū)I區(qū)內(nèi)，土性一般為黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土和粉砂。該層厚度大，滲透性良好，有利于污染物的遷移，由于土層的不均勻易導(dǎo)致彌散作用顯著。

（5）第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：分布在環(huán)境水文地質(zhì)分區(qū)II區(qū)和III區(qū)內(nèi)，土性一般為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉性土。滲透系數(shù)較小，厚度大，不利于污染物向下的遷移擴(kuò)散。但該層通常夾較多薄層狀粉性土，水平向滲透系數(shù)較大，如污染物穿透第②1層侵入該層則易發(fā)生水平向遷移擴(kuò)散，且彌散作用較為顯著。由于黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量較高，因而也較易吸附污染物。

（6）第③夾層粉性土或砂土：分布在環(huán)境水文地質(zhì)分區(qū)II區(qū)內(nèi)，土性一般為黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土和粉砂，滲透性較好，各向異性顯著，有利于污染物遷移。第③夾層土層性質(zhì)分別為黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土和粉砂時(shí)，滲透性依次增強(qiáng)，污染物在第③夾層中水平和垂直方向上的遷移范圍也依次增大。

（7）第④層淤泥質(zhì)黏土：一般在各區(qū)均有分布，厚度大，分布穩(wěn)定，滲透系數(shù)小，對(duì)污染物有較好的隔離作用。但工程活動(dòng)（如開挖、鉆孔、拆除地下設(shè)施等）穿透該層底板且未采取隔離措施時(shí)，亦會(huì)導(dǎo)致污染下遷。

（8）第⑤1層黏土：該層厚度大，分布穩(wěn)定，滲透系數(shù)小，對(duì)污染物有較好的吸附阻隔作用。

一般情況下，第②1層和第④層均為良好的天然隔污層，但在其埋深淺、厚度薄的情況下，DNAPLs類污染物或砷、六價(jià)鉻等遷移性強(qiáng)的重金屬也存在進(jìn)入更深土層的可能。或因鉆孔、開挖、沉樁等人類活動(dòng)干擾導(dǎo)致該兩層隔污層被貫穿形成垂直遷移通道的情況下，污染物也會(huì)進(jìn)入更深土層，甚至對(duì)承壓含水層造成污染。

4 上海地區(qū)淺部環(huán)境水文地質(zhì)分區(qū)研究

基于上述地層特性、不同區(qū)域地層組合的差異、淺部粉性土與砂土分布情況、土與地下水污染特征及修復(fù)難易程度，在系統(tǒng)梳理上海市中心城區(qū)大量巖土工程勘察成果的基礎(chǔ)上，將上海市中心城區(qū)分為三個(gè)環(huán)境水文地質(zhì)條件分區(qū)（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)），各自地層組合情況見表2，繪制的分區(qū)成果圖見圖1。

表2 淺部典型地層組合分區(qū)（埋深20m以內(nèi)）Table 2 Typical stratigraphic combination of the shallow hydrogeological partitions (within 20 m)

圖1 上海中心城區(qū)水文地質(zhì)分區(qū)Fig.1 Hydrogeological partitions of Shanghai downtown area

4.1 I區(qū)地層組合

淺部有厚層粉性土，主要分布于吳淞江故河道、黃浦江江灘土分布區(qū)，淺層有粉性土或粉砂分布，有利于污染物垂直向和水平向遷移。Ⅰ區(qū)典型地層剖面見圖2(a)。

4.2 II區(qū)地層組合

淺部夾粉性土層，地層組合由淺至深分別為第①層填土層、第②1層粉質(zhì)黏土層、第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、第③夾層粉性土或粉砂、第③層、第④層和第⑤1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。第③夾層粉土或粉砂層，滲透性較好，有利于污染物的水平向遷移。Ⅱ區(qū)典型地層剖面見圖2(b)。

4.3 III區(qū)地層組合

淺部無粉性土層，主要分布于漕河涇、金橋等地區(qū)，淺部20m以內(nèi)均為黏性土，不利于污染物遷移。Ⅲ區(qū)典型地層剖面見圖2(c)。

5 不同環(huán)境水文地質(zhì)分區(qū)污染物遷移規(guī)律的對(duì)比分析

按照上述地層組合情況，采用GMS數(shù)值模擬軟件分別構(gòu)建了各分區(qū)的概化模型（圖3）。含水層結(jié)構(gòu)根據(jù)不同水文地質(zhì)分區(qū)的地層組合設(shè)置，并考慮局部②1層粉質(zhì)黏土缺失情況。

圖2 不同分區(qū)典型地層剖面Fig.2 Typical stratigraphic pro fi les of diあerent subarea

圖3 模擬范圍、網(wǎng)格剖分及各區(qū)地層組合Fig.3 Simulation range, grid division and stratigraphic combination of the three hydrogeological partitions

地下水流場(chǎng)概化為非均質(zhì)、各向異性的三維穩(wěn)定流，且不考慮地下水開采情況。地表的大氣降水補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄概化為有效凈補(bǔ)給；為考察地表水的影響，在模型一側(cè)設(shè)定地表河流，并概化為定水頭邊界。計(jì)算參數(shù)取值見表1。模型中污染源位置見圖4，概化為定濃度持續(xù)供給的污染溶質(zhì)來源，污染物濃度為10mg/L。

圖4 模型中污染源設(shè)置Fig.4 Pollution source settings in the model

該模型未考慮地形起伏、降雨量隨時(shí)間的變化等因素，模擬結(jié)果僅用作對(duì)比分析不同地層組合條件下地下水中污染物的遷移擴(kuò)散基本規(guī)律，實(shí)際工程中，受地形起伏等因素導(dǎo)致的水頭差影響，污染物的遷移擴(kuò)散距離可能會(huì)有一定差異。

5.1 I區(qū)地層組合條件下污染物的遷移規(guī)律

將I區(qū)模型中②3層粉性土厚度分別設(shè)定為6m、12m和18m，通過該模型模擬對(duì)比分析②3層不同厚度、有無②1層和不同河流位置的地層條件下污染物的遷移情況。由遷移40年的模擬結(jié)果見圖5。

圖5 I區(qū)地層組合條件下河流位置及降雨入滲對(duì)污染遷移的影響分析Fig.5 In fl uence of river location and rainfall in fi ltration on pollution migration under the condition of I area

由模擬結(jié)果可知：

（1）在降雨入滲等參數(shù)保持不變的情況下，因第②1層粉質(zhì)黏土的相對(duì)隔水作用，僅僅增大②3層粉性土厚度，對(duì)污染物遷移的影響較小。

（2）②1層分布區(qū)污染物被阻擋在第②1層粉質(zhì)黏土之上；②1層缺失區(qū)污染物下遷至②3層后，污染羽范圍主要受控于研究區(qū)的水力條件及污染物泄漏時(shí)間。

（3）場(chǎng)地內(nèi)外有河流分布時(shí)，對(duì)流作用較為顯著，易于污染物遷移擴(kuò)散。河流與場(chǎng)地的距離越近，河流水位與場(chǎng)地地下水位差越大，對(duì)污染物遷移的影響越顯著。

（4）降雨入滲系數(shù)R的大小決定了降雨導(dǎo)致的地下水有效凈補(bǔ)給量，降雨入滲補(bǔ)給量越大，場(chǎng)地內(nèi)地下水頭差越大，對(duì)污染物遷移的影響也越顯著。

5.2 II區(qū)地層組合條件下污染物的遷移規(guī)律

水平方向上，II區(qū)地層組合中污染物遷移40年后最大遷移范圍小于在I區(qū)中同等條件下的遷移結(jié)果；垂向上，②1層粉質(zhì)黏土仍是較好的污染物阻擋層，②1層缺失區(qū)污染物下遷范圍因③夾層滲透性增強(qiáng)而略有增大。③夾層由黏質(zhì)粉土調(diào)整為砂質(zhì)粉土和粉砂時(shí)，滲透性逐漸增強(qiáng)，污染物在水平和垂直方向上的遷移距離也略有增大（圖6）。

圖6 II區(qū)地層組合條件下污染物遷移分布結(jié)果（40年）Fig.6 Groundwater pollution migration under the condition of II area(after 40 years)

5.3 III區(qū)地層組合條件下污染物的遷移規(guī)律

淺部無粉性土發(fā)育的III區(qū)地層組合條件下，在滲透性差的第②1層粉質(zhì)黏土分布區(qū)，地下水中污染物通常被阻擋在第②1層粉質(zhì)黏土層之上，而在②1層缺失區(qū)污染物可下遷至第③層頂部。污染物遷移40年后，最大遷移范圍小于在I區(qū)中同樣條件下的結(jié)果；在第②1層未缺失的情況下，II區(qū)和III區(qū)的遷移范圍基本一致，在第②1層局部缺失情況下，則略小于II區(qū)。

5.4 不同分區(qū)地下水中污染溶質(zhì)遷移對(duì)比分析

總體而言，淺部粉性土或砂土發(fā)育的I區(qū)大于II區(qū)；在第②1層未缺失的情況下，II區(qū)和III區(qū)的遷移范圍基本一致，在第②1層局部缺失情況下，則略小于II區(qū)（圖7）。場(chǎng)地內(nèi)外有河流分布且水力聯(lián)系密切時(shí)，對(duì)流作用顯著，也易于地下水中污染物的遷移擴(kuò)散。

圖7 不同分區(qū)地下水中污染溶質(zhì)遷移對(duì)比分析Fig.7 Comparative analysis of pollution migration in diあerent hydrogeological partitions

6 結(jié)語

綜上分析可知，受土層條件的影響，不同性質(zhì)的土體內(nèi)主導(dǎo)污染物遷移的控制性因素不同。上海地區(qū)淺部以黏性土為主，吸附阻滯作用顯著；粉性土和砂土滲透性較好，對(duì)流作用和水動(dòng)力彌散作用突出。不同水文地質(zhì)分區(qū)內(nèi)的地層組合條件不同，地下水污染也會(huì)呈現(xiàn)差異化的分布特征和遷移規(guī)律。

因此，在不同區(qū)域開展場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查、修復(fù)治理工作時(shí)，需根據(jù)場(chǎng)地的特定地層條件，結(jié)合鄰近區(qū)域的地質(zhì)條件，重點(diǎn)關(guān)注雜填土、暗浜等易于污染擴(kuò)散、富集的不良地質(zhì)條件，結(jié)合其與污染物相互作用特征，針對(duì)性的設(shè)計(jì)調(diào)查、修復(fù)治理方案，避免因不當(dāng)?shù)娜由疃葘?dǎo)致的污染深遷和擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)污染場(chǎng)地臨近地表河流時(shí)，修復(fù)治理方案應(yīng)考慮在河流一側(cè)設(shè)置隔離屏障，以阻止污染遷移至臨近河流。