建筑垃圾中鎘和砷在路基中遷移對地下水的影響

陳宇云 田寅 王周峰

摘 要：針對西咸北環(huán)高速公路路基填筑時利用了大量建筑垃圾，其中含有大量鎘（Cd）和砷（As）等微量污染物的現(xiàn)狀，利用Hydrus 軟件對建筑垃圾中Cd和As在路基中的遷移進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果顯示，20年內(nèi)Cd和As的最大穿透深度不超過3cm和3.5cm，遠(yuǎn)高于該地區(qū)地下水位的埋深，不會對地下水造成污染。

關(guān)鍵詞：建筑垃圾；鎘；砷；路基；遷移；地下水

中圖分類號 X52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）13-0074-03

Abstract：A large amount of construction waste is used in the construction of the subgrade of Xian-Xianyang north loop expressway，which contains trace pollutants such as cadmium （Cd） and arsenic （As）.Using the Hydrus software，the migration of Cd and in the roadbed was simulated.The simulation results shown that the maximum penetration depth of Cd and As in 20 years is not more than 3cm and 3.5cm，which is far higher than the underground water level in the area，and does not cause pollution to the groundwater.

Key words：Construction waste；Cd；As；Subgrade；The migration；Groundwater

建筑垃圾具有數(shù)量大、成分復(fù)雜等特點(diǎn)，對環(huán)境污染的途徑多、形式復(fù)雜。國內(nèi)外有大量關(guān)于建筑垃圾綜合利用的研究[1-2]，其中有一些將建筑垃圾用于公路建設(shè)的嘗試[3-6]。一些學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室中對建筑垃圾瀝出液中的環(huán)境有毒物質(zhì)進(jìn)行了研究[7-11]，但未考慮建筑垃圾用于路基填筑時，其中污染物對土壤和地下水的污染風(fēng)險問題。

西咸北環(huán)高速公路是《關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》確定的交通建設(shè)重點(diǎn)工程之一，全長121.5km，建設(shè)里程112km，設(shè)計(jì)行車速度120km/h。在路堤、路床填筑中共使用建筑垃圾再生材料420萬t，取代原設(shè)計(jì)灰土填筑。在前期的研究中，我們測定了用于西咸北環(huán)高速公路的建筑垃圾中污染物的含量，分析了超標(biāo)情況[11]，并在實(shí)驗(yàn)室研究了這些建筑垃圾中污染物在各種情況下的釋放特征[10]，結(jié)果均表明用于西咸北環(huán)高速公路路基填筑的建筑垃圾中主要污染物是Cd和As，但在高速公路長期運(yùn)營過程中，Cd和As是否對地下水產(chǎn)生污染不明確。本研究在試驗(yàn)路段埋設(shè)了溫度、濕度傳感器，監(jiān)測路基中影響污染物遷移的相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)合試驗(yàn)段各層滲透系數(shù)等理化指標(biāo)，利用Hydrus軟件對建筑垃圾中Cd和As在路基中的遷移進(jìn)行了模擬，并評價了其對地下水環(huán)境的影響。

1 影響污染物遷移參數(shù)的監(jiān)測分析

1.1 濕度觀測 結(jié)合路基施工圖和現(xiàn)場調(diào)研，選擇在西咸北環(huán)高速公路第5標(biāo)路段（位于西安市高陵地區(qū)）埋設(shè)溫度和濕度傳感器，該路段主要以建筑垃圾再生材料為路基填料。路基剖面示意圖以及濕度傳感器埋設(shè)位置見圖1。

觀測期建筑垃圾路基不同濕度變化見圖2。

2015年3月份以前，不同層位含水率變化差異不大，主要是因?yàn)樵搮^(qū)為季風(fēng)氣候影響區(qū)，冬季降雨較少，不同層位含水率差異變化較小。總體來說，含水率最低值出現(xiàn)在下層灰土部分，最高值出現(xiàn)在灰土上部的建筑垃圾路基底部和灰土接觸部分。2015年3月開始，關(guān)中地區(qū)降雨較多，路基中含水率增加。

1.2 溫度監(jiān)測 整個觀測期建筑垃圾墊層內(nèi)溫度變化和高陵地區(qū)最高溫度和最低溫度見圖3。

由圖3可以看出，整體而言，建筑垃圾墊層內(nèi)溫度變化和氣溫變化規(guī)律較為一致，隨大氣溫度升高，建筑垃圾墊層中溫度升高。在2015年3月15日以前，溫度較為穩(wěn)定，后期隨溫度升高，建筑垃圾墊層內(nèi)溫度升高。

2 重金屬在路基環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化模擬分析及污染評價

2.1 模型的建立 利用Hydrus軟件對建筑垃圾墊層內(nèi)水分和重金屬進(jìn)行模擬。表1為不同層位路基中使用的參數(shù)值。本研究假設(shè)，若有建筑垃圾滲濾液含重金屬下滲，必須穿透下層灰土和特殊路基處理層到達(dá)土基。因此，根據(jù)實(shí)際調(diào)查，路基剖面介質(zhì)分為上中下3層，上層為灰土層，厚度80cm，中層為特殊路基處理層，厚度40cm，下層為土基層，厚度9.2m，整個厚度為10.4m。通過調(diào)查，該區(qū)地下水位約40m。

將上邊界定位在下層灰土層上部，水流上邊界為定流量邊界，下邊界為自由排水邊界，表2為模型使用的土壤性質(zhì)參數(shù)表（參數(shù)根據(jù)實(shí)測資料和hydrus 1D模型中參數(shù)進(jìn)行綜合考慮給出）。

在模擬過程中，參考了建筑垃圾的最佳含水率、灰土最佳含水率以及黃土的飽和含水率，并做了適當(dāng)?shù)姆糯筮M(jìn)行參數(shù)設(shè)定。模擬結(jié)果利用黃土的飽和含水率進(jìn)行研究，其結(jié)果相對保守。即：模擬結(jié)果為最安全數(shù)值，能夠滿足模擬需要。

模擬過程中重金屬的濃度選取原則：利用前期研究中Cd和As的濃度最大浸出濃度[10]。即Cd的上邊界濃度為2.8μg/L。As的上邊界濃度為18.2μg/L。該濃度高于溶濾實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 路基中Cd和As元素遷移過程模擬預(yù)測 由前期的研究結(jié)果[10-11]可知，總Cd濃度最大達(dá)到8.5μg/g，最大Cd浸出濃度2.8μg/L，最大浸出As濃度最高達(dá)到18.2μg/L，結(jié)合地下水和地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，Cd和As模擬濃度分別選取2.8μg/L和18.2μg/L，模擬如果存在重金屬運(yùn)移的情況下，重金屬的運(yùn)移特征（見圖4）。

由圖4可以看出，隨時間變化，Cd在灰土層開始向下遷移。但是總體而言，受灰土層影響，Cd和As向下遷移的能力較低，20年的模擬結(jié)果顯示其最大穿透深度不超過3cm和3.5cm，即只在灰土層表層有部分入滲，而該地下水位處于地下40m深度，建筑垃圾中可能存在的水溶性Cd和As，不會對地下水造成污染。

3 路基中滲濾液的遷移機(jī)理分析

建筑垃圾再生材料鋪設(shè)路基過程中，將進(jìn)行壓實(shí)，壓實(shí)度93%，壓實(shí)度較高，孔隙度較小，由于上覆瀝青層、半剛性材料層和灰土的阻隔作用，降水入滲難以進(jìn)入到建筑垃圾墊層中。因此，建筑垃圾墊層中的主要水分為吸濕水、薄膜水、毛管水，以及可能存在的一部分重力水。與一般工程土相比，公路路基中建筑垃圾再生材料墊層的孔隙比及孔隙尺寸均較小。在低含水率情況下，建筑垃圾再生材料表現(xiàn)為較小的非飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)。因此，在宏觀上表現(xiàn)為較低的非飽和滲透性。研究表明，當(dāng)壓實(shí)密度大于600～700kg/m3，通常不會形成強(qiáng)滲透通道。因此，可以認(rèn)為路基中壓實(shí)密度較大、分布較為均勻的建筑垃圾再生材料具有多孔介質(zhì)的特點(diǎn)，其水分遷移符合Darcy定律。

建筑垃圾再生材料鋪筑的路基中，如果產(chǎn)生滲濾液，則建筑垃圾再生材料介質(zhì)中滲濾液重金屬遷移過程可以分為2個部分：一是按平均流速隨整個流體體系遷移，稱為對流；二是由重金屬濃度梯度引起的水動力彌散。建筑垃圾再生材料滲濾液中重金屬的釋放傳輸過程是一個極其復(fù)雜的動力學(xué)過程。重金屬滲濾液遷移過程除包括對流和水動力彌散兩種作用外，固相溶出和固體骨架的吸附等物理、化學(xué)過程對重金屬濃度分布也會產(chǎn)生較大影響。

4 結(jié)論

對建筑垃圾中Cd和As在路基中的遷移模擬結(jié)果表明，20年內(nèi)Cd和As的最大穿透深度不超過3cm和3.5cm，即只在灰土層表層有部分入滲，不會進(jìn)入地下水，所以建筑垃圾用于路基填筑不會對該地區(qū)地下水及周圍土壤造成污染。

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（責(zé)編：王慧晴）