上海崇明地區復墾地塊典型污染物遷移規律研究

沈婷婷

（1. 上?？辈煸O計研究院（集團）有限公司，上海 200093；2. 上海環境巖土工程技術研究中心，上海 200093）

隨著我國的產業升級改造和城市轉型發展，遺留大量有污染、高耗能、低效益的現狀工業用地面臨減量化復墾成農業用地。減量化復墾過程可能帶來污染風險問題，包括拆除過程中的污染暴露、整理復墾過程中的污染擴散。拆除地面建筑物和硬質地坪、換填表部土壤等復墾工程措施導致地塊淺部水文、地質等物理邊界條件也隨之發生巨大變化，從而引發污染團加速遷移的生態風險。因此，研究復墾地塊污染物遷移轉化具有重要的理論意義和現實意義。

污染物在土壤與地下水中的遷移主要包括滲流、彌散、吸附、生物作用等過程。目前已開展的水土污染遷移規律研究工作主要是針對工業場地和農田的非飽和帶的土壤污染、飽和帶的地下水污染，針對復墾地塊飽和帶與非飽和帶同步污染的遷移規律尚缺乏系統性研究。受污染物本身的物理化學性質和水土環境條件的影響，其遷移主導形式、速率及范圍等都會變化?？紤]上海市崇明地區的潛水位較淺，雨水充沛，地表水與地下水之間交互密切，地下水位和非飽和帶厚度變化頻繁，對污染物的遷移帶來的影響更為顯著?；诖耍陨虾３缑鞯貐^復墾地塊為研究對象，構建考慮降雨—蒸發、地下水—地表水交互、地下水位波動效應的污染遷移概念模型，歸納提出不同類型地層組合、邊界條件和污染源條件下污染物的遷移規律，為復墾地塊污染評估、遷移預測與治理提供科學支撐和理論依據。

1 崇明地區淺部環境水文地質分區研究

基于上海中心城區淺部環境水文地質分區及參數體系開展了部分研究成果，即：I 區—淺部有②3層粉性土或砂土分布，II 區—淺部有③夾層粉性土分布，III 區—淺部無粉性土或砂土分布，IV 區—淺部有較厚⑥1層可塑—硬塑粉質黏土分布。考慮到粉性土和砂土對污染物遷移影響較為突出，又進一步對I 區按照分別含水層厚度和土性劃分3 類亞區（I-1 區：粉性土、砂土層厚度小于等于5m；I-2 區：粉性土、砂土層厚度為5～10m；I-3 區：粉性土、砂土層厚度大于10m）。參照此分區原則，根據崇明地區地質條件特征和污染物遷移分布一般特征，按照地層組合、對污染物遷移的影響及不同地層的特性，系統梳理崇明地區大量巖土工程勘察成果的基礎上，將崇明地區分成三個次亞區（I-3-1、I-3-2、I-3-3 區），各自地層組合情況及水文地質參數見表1、表2，繪制的分區成果圖見圖1～圖3。

表1 崇明地區淺部30m以內主要土層及水文地質參數Table 1 The main soil layer and hydrogeological parameter value of the shallow 30m stratum in Chongming area

表2 崇明不同分區主要水文地質參數表Table 2 The hydrogeological parameter value of different subarea in Chongming area

圖1 崇明地區水文地質分區Fig.1 Hydrogeological partitions of Chongming area

圖2 典型地層剖面圖（東西向）Fig.2 Typical stratigraphic profile (east-west)

圖3 典型地層剖面圖（南北向）Fig.3 Typical stratigraphic profile (north-south)

2 不同環境水文地質分區對污染物遷移規律的影響分析

2.1 模型構建

根據崇明三個分區的地層組合情況、考慮降雨-蒸發、河道水位變化、潛水位變化、河道與潛水之間水量相互轉化的情況，建立相應的數值模型。模型范圍為200m×200m×30m，將潛水位監測井水位值作為人為給定水頭邊界，距離河流200m，河流作為第三類邊界條件進行考慮，污染物選取六價鉻和三氯甲烷，初始濃度均假定為100mg/L，范圍10m×10m，距離河流50m，模擬時間為3650d（圖4）。根據各個分區的地層條件，并考慮非飽和帶、初始潛水面以及潛流帶，各剖分層與地層關系見表3。

圖4 3D模型網格剖分Fig.4 Mesh generation of 3D models

2.2 地層組合的影響分析

為了更好的分析不同地層組合對污染物的遷移規律的影響，分別針對六價鉻、三氯甲烷在不同地層中的遷移轉化特性展開分析。為了便于分析，污染源的平面位置設定為距離河道50m。地層的差異性對污染物遷移的直接影響是污染羽的范圍。

（1）地層組合對六價鉻污染的影響分析

表3 模型垂向剖分與地層關系Table 3 Model vertical subdivision and stratigraphic relationship

通過模擬，六價鉻污染10 年后，污染羽（指的是污染物濃度不小于0.1mg/L 的范圍）在崇明不同分區的范圍見圖5。從圖5 中可以看出，不同的地層組合對六價鉻的遷移影響明顯，污染羽范圍大小依次為：I-3-3 區＞I-3-1 區＞I-3-2 區。通過比較3 個分區的土性特征，可以看出：I-3-1區和I-3-3 區的表層土有所差異，I-3-1 區表層土為淤泥質粉質黏土，厚度3m，而I-3-3 區的表層土是填土，滲透性好，使得污染物更易遷移，污染范圍更大；相比較，I-3-2 區表層雖然也是填土，但I-3-2 區表土下部是一層粉質黏土，該層厚度有2m，一定程度上起到阻礙污染物遷移的作用，污染羽范圍小，更多的是在表層向四周“攤開”，向深部遷移要弱很多。

為了更好地分析地層差異對污染物遷移的影響，在模型中同一深度（初始潛水面，模型中深度為-1.7m）選取了2個觀測點（#2、#3），觀測點距離污染源的距離分別為2.5m、6m，不同分區各觀測點污染物濃度變化曲線見圖6。

從圖6 中可以看出，距離污染源不同距離的觀測點上污染物濃度在污染羽擴大到觀測點后持續增高，各區觀測點污染濃度變幅依次為：I-3-3 區＞I-3-1 區＞I-3-2 區。從土性分析，I-3-2 區和I-3-3 區第一層土的滲透性較I-3-1 區要好，但從圖中反映出，I-3-1 區的觀測點濃度大于I-3-2 區，可見同層的滲透性強弱并不是影響監測點污染物濃度變化的決定性因素。將第二層土的土性一并進行分析，可以看出，I-3-1 區第二層土為砂質粉土，滲透性較好，由于地下水的波動，促使已經遷移到第二層的污染物再一次向上對第一層土產生影響，由于污染物在第二層土中遷移速率要遠遠大于第一層土，所以污染物遷移的下游方向上，第一層土往往是受到第二層土的影響而使污染物濃度升高。

圖5 崇明不同分區中六價鉻污染10年后的污染羽范圍Fig.5 Pollution plume range after 10 years of Cr6+ in different hydrogeological partitions of Chongming

圖6 同一深度不同距離觀測點六價鉻污染物濃度曲線Fig.6 The Cr6+ concentration curves of different observation points at the same depth

進一步分析不同深度上污染物濃度的變化，在模型中，分別在距離污染源1m 處的3 個深度（-1m、-1.7m、-4.5m）布置觀測點（#5、#4、#6），觀測點的濃度變化見圖7。

從圖7 同樣可以看出，污染物濃度受到地層土性的影響，呈現出I-3-3 區的污染物濃度增長高于I-3-1 區，I-3-2區的污染物濃度增長最小。圖7(c)反映出，I-3-3 區在-4.5m深度中的污染物濃度變化是先增長后減小，很明顯的衰減特性，可以看出，污染物在砂性土中，隨著時間的推移，在沒有新的污染源補給的條件下，原有的污染物濃度會不斷的衰減，當然，這種衰減并不是化學形態的改變，而是由于污染范圍的不斷擴大，使得污染物濃度整體下降。從圖中可以看出，砂土中這種衰減特性比較明顯。事實上黏性土也會有衰減特征，只是需要的周期更長而已。

（2）地層組合對三氯甲烷污染的影響分析

當污染物是三氯甲烷時，通過模擬，三氯甲烷污染10年后，污染羽在崇明不同分區的范圍見圖8。

圖7 不同深度觀測點的六價鉻污染物濃度變化曲線Fig.7 The Cr6+ concentration curves of pollutant at different depths

圖8 崇明不同分區中三氯甲烷污染10年后的污染羽范圍Fig.8 Pollution plume range after 10 years of chloroform in different hydrogeological partitions of Chongming

從圖8 中可以看出，不同的地層組合對三氯甲烷的遷移影響明顯，污染羽范圍大小依次為：I-3-3 區＞I-3-1 區＞I-3-2 區。

同樣的，為更好地分析地層差異對污染物遷移的影響，在模型中同一深度（初始潛水面，模型中深度為-1.7m）選取了2 個觀測點（#2、#3），觀測點距離污染源的距離分別為2.5m、6m，不同分區各觀測點污染物濃度變化曲線見圖9。

從圖9 中同樣可以看出，在-1.7m 深度，距離污染源不同距離的觀測點上污染物濃度在污染羽擴大到觀測點后持續增高，各區觀測點污染濃度變幅依次為：I-3-3區＞I-3-1區＞I-3-2 區。表明不同分區地層組合條件和土性差異對污染物遷移后濃度變化的影響比較大。

圖9 同一深度不同距離觀測點三氯甲烷污染物濃度曲線Fig.9 The chloroform concentration curves of different observation points at the same depth

類似的，進一步分析不同深度上污染物濃度的變化。在模型中分別在距離污染源1m 處的3 個深度（-1m、-1.7m、-4.5m）布置觀測點（#5、#4、#6），觀測點的濃度變化見圖10。

圖10 不同深度觀測點的三氯甲烷污染物濃度變化曲線Fig.10 The chloroform concentration curves of pollutant at different depths

從圖10 同樣可以看出，污染物濃度受到地層土性的影響，在-1.7m 深度及-4.5m 深度呈現出I-3-3 區的污染物濃度增長高于I-3-1 區，I-3-2 區的污染物濃度增長最??；在-1m深度I-3-3 區的污染物濃度增長依然最大，反而是I-3-2 區的污染物濃度較I-3-1 取的污染物濃度增長幅度要大。與六價鉻不同的是，圖10（c）中，I-3-3 區的三氯甲烷污染物濃度并沒有呈現出衰減的趨勢，反而是I-3-1 區中的三氯甲烷濃度有先增加后持平再緩慢下降的一個趨勢，這主要是因為不同的土性對不同污染物的影響存在差異。

（3）邊界條件設定的影響分析

針對河流邊界的人工堤岸和自然堤岸對污染物的遷移展開分析，其中人工堤岸深入河流底以下3m。通過前述分析，針對I-3-2 區的地層條件，污染物遷移范圍比較小，因此，主要是針對I-3-1 區和I-3-3 區進行分析，且不考慮邊界條件對污染物的吸附作用。

考慮兩種邊界條件，通過模擬，六價鉻污染10 年后，污染羽在崇明不同分區的范圍見圖11。

圖11 不同邊界條件設定下六價鉻污染10年后的污染羽范圍Fig.11 Pollution plume range after 10 years of Cr6+ in different boundary conditions

從圖11 中可以看出，對于同一分區，不同的河流邊界對六價鉻的遷移影響比較明顯，自然邊界對污染物沒有阻隔效果，地下水中的污染物可以在潛流帶與河流進行污染物濃度交換，從而進入到河流，由于河流中該污染物濃度始終會比地下水中的低，所以地下水中的污染物會持續的污染河流，從圖11(a)和圖11(c)可以看出，污染物在自然邊界處并沒有富集。相反的，對于人工邊界而言，由于人工邊界可以有效的阻隔污染物污染河流。所以，污染物遷移至邊界處會出現富集現象，邊界處污染物濃度持續升高。然而，人工邊界的深度有限，一旦污染物繞過人工邊界下緣（圖11(d)），那么污染物會通過河流底部的交互帶污染到河流。因此，人工邊界也只是暫時的阻隔，而不能絕對阻隔。

為了更好地比較兩種邊界處的污染物濃度變化情況，在不同深度（-1.7m、-4.5m、-5m）處設置了3 個觀測點（#1、#2、#3）。各個觀測點的污染物濃度變化見圖12。

圖12 邊界處不同觀測點的污染物濃度變化曲線Fig.12 Concentration curves of pollutant at different observation points in the boundary

從圖12(a)可以看出，針對I-3-1 區，在深度-1.7m 處，自然邊界條件下污染物濃度表現出波動上升，而人工邊界條件下，該處的污染物濃度很低，且基本不上升，主要是因為I-3-1 區該位置的土性是淤泥質粉質黏土，滲透性差，自然邊界潛流帶滲透系數較自然土層要差一些，并且這種交界面處的污染物濃度變化較大，故此，在自然邊界處的污染物濃度表現出波動性和增長性。

圖12(b)和圖12(c)很明顯的表現出人工邊界對污染物濃度的富集，由于這兩個點的深度都位于砂質粉土中，滲透性較好，污染物遷移至此后，受到人工邊界的阻隔，發生富集，使得污染物濃度持續升高。相反的，圖12(b)中受自然邊界影響，該處污染物持續與河流進行交互作用，其濃度始終不會增高，而圖12(c)中自然邊界影響向的污染物濃度會升高是因為該處已經是位于交互層下方，受到交互影響，該處自然邊界影響下的污染物濃度很明顯要比人工邊界影響下的污染物濃度低。

圖12(d/e/f)反映的是I-3-3 區兩種邊界條件影響下的污染物濃度變化情況。由于I-3-3 區表層為填土，滲透性要比I-3-1 區第一層的土滲透性好，所以I-3-3 區在人工邊界影響下，3 個觀測點處的污染物濃度都會富集，而受到自然邊界影響下，污染物濃度不會持續增加，或者是波動性變化，或者是先增加后減小。

（4）污染源的影響分析

不同類型的污染物的遷移特征有所差異，針對六價鉻及三氯甲烷這兩種特征污染物進行分析。前述分析可知，I-3-3 區中污染物的濃度變化最為明顯，因此，主要是分析I-3-3 區中不同污染物的遷移特征，進而分析不同污染物遷移的差異性。

污染物遷移過程中會受到土壤的吸附作用，進而滯留在土壤中，部分被吸附的污染物會通過解吸作用再一次進入到地下水中，而還有一部分則留在土壤中。崇明地區各層土對三氯甲烷的吸附作用強于對六價鉻，這使得三氯甲烷的遷移范圍有可能要比六價鉻的小。

除此之外，同一位置處，地下水中六價鉻的濃度要比三氯甲烷的濃度要高，見圖13。這表明，由于受到土壤吸附制約，不同污染物類型的濃度衰減差異明顯。

圖13 #6點處不同種類污染物濃度變化曲線Fig.13 Concentration curves of different pollutants at #6

圖13 還反映出，污染物污染10 年后，六價鉻在砂性土的遷移過程中，其衰減特征非常明顯，而三氯甲烷卻還沒有表現出衰減的跡象。

3 結論

（1）崇明地區地層條件對污染物的遷移轉化起到尤為關鍵的作用，黏性土滲透性差，但容易產生吸附作用，對污染物的遷移有制約作用；砂性土，吸附作用不強，但滲透性強，使得污染物能隨地下水遷移較遠的距離，影響范圍大。

（2）降雨—蒸發最直接的影響是使地下水產生波動，進而使得污染物在水動力條件下不僅沿地下水流向遷移，同時還會向上遷移，污染至非飽和帶，甚至是地面，一旦表層土的吸附性強滲透性差，污染物很容易被滯留于此，表現出污染物在空間上發生“跳躍”的假象。

（3）河道的人工堤岸不僅能保證河道兩側的邊坡穩定性，同時也是阻隔污染物進入河道的一道屏障，但只是暫時的阻隔，污染物會經過一段時間的富集后繞過堤岸下緣，進而從河道底面與河水發生交互作用；如果河道堤岸是自然的河堤，那么污染物會毫無阻隔的進入到河流。