城市區域水化學環境下土體細觀結構變異分析

摘要：城市建設中地下水是不可忽視的建設體系，地下水是城市生態系統中最為活躍也是變化最為劇烈的要素，城市地下水與巖土結構之間互相影響、互相助力，是城市建設中必然要考慮的重要因素。本文分析了城市區域地下水的化學環境因素對周圍土體結構產生的影響，并做了土體細觀結構的變異分析。

關鍵詞：城市區域水;化學環境;土體結構;變異分析

中圖分類號：X833 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）06-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.06.100

Analysis of meso-structural variation of soils in the urban chemical environment

Kong Zhou

（Shandong University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266590，China）

Abstract：Groundwater is a construction system that cannot be ignored in urban construction.Groundwater is the most active and most rapidly changing element in urban ecosystems.The interaction between urban groundwater and geotechnical structure and mutual assistance are inevitable considerations in urban construction key factor.This paper analyzes the chemical environmental factors of groundwater in urban areas and what kind of influence they have on the surrounding soil structure， and analyzes the variation of the mesostructure of the soil.

Key words：Urban area water;Chemical environment;Soil structure;Variation analysis

通過對土體細觀結構的主要化學成分以及常量元素的分析，可以分析地下水化學環境變化對周邊巖土結構的影響，運用科學的方法分析城市生態環境的變化，城市建設給生態環境產生了諸多的環境擾動，地下水化學環境的變化與土介質發生相互作用很容易產生水土作用變更。本文從城市地下水化學相互作用的角度分析城市地下水化學環境的變化，揭示土體結構細觀變異與土體結構之間的緊密關系，為進一步進行水土作用的分析搭建夯實的理論平臺。

1 城市地下水水土作用的理論分析

城市區域內的水土結構是一個相互影響的復雜體系，城市建設會直接影響地下水的環境，水環境的化學性質發生變異對城市環境尤其是巖土環境產生較大的影響。

城市區域地下水在城市的地質要素中是最為活躍也是最為多變的，一方面，對城市巖土結構的物理、化學以及力學性質產生影響，另一方面，也影響著地下水自身的物理、力學以及化學性質，具體的水土作用表現形式有以下幾點：

（1）物理作用：地下水自身具有潤滑、軟化、泥化的作用，對周邊的巖土結構產生一定的影響。

（2）力學作用：城市地下水的水位變化會造成地面的沉降，孔隙之間的水壓變化也造成巖土之間的孔隙、顆粒之間的應力發生變化，同時，地下水滲透壓力的變化會導致巖土孔隙發生改變，巖土之間的顆粒產生移動，地下水的靜水壓力、浮力以及毛細力作用都會給周邊的巖土結構帶來或多或少的變化。

（3）化學作用：地下水與巖土結構之間通過氧化還原反應、分解、離子交換、水化、凝聚以及碳酸化等化學作用，會影響巖土結構的穩定性。

水土作用在力學、物理以及化學作用之間相互作用，造成巖土之中要素發生能量轉移，巖土結構之間的作用力平衡被打破，最終巖土結構的變化也會作用于地下水的環境之中，打破城市地下地質環境的穩定性以及平衡性。

地下水在土孔隙介質中貯存、運移，使得地下水與介質中的溶質含量隨著時間與空間發生變化，通過分子擴散、機械彌散、懸浮物和乳狀物的機械過濾、水稀釋、物理與化學吸附酒，造成水土之間發生化學反應，通過離子交換、溶解作用、水化作用、水解作用、氧化還原反應等方式產生相互作用。

（4）離子交換：離子交換是土體顆粒的離子和分子與地下水進行交換，地下巖土之中存在許多膠體物質，在不同的層間離子交換，沿著層團內的基礎面進行離子交換，離子交換的吸附反應分為兩個過程，正相反應是惡化土體性質的離子交換反應，逆向反應有利于土體性質，水土間的離子交換助力于土粒的礦物成分，最終影響溶液的化學成分、濃度、pH值，強化水土之間的相互作用。

（5）水化作用：地下水滲透到土體的礦物結晶之中發生微觀、細觀以及宏觀的改變，減少土體之間的內聚力，膨化土與水作用之間的水化作用。

（6）水解作用：水解作用是地下水中離子與土體之間的離子發生化學反應，土體中的陽離子與地下水發生水解作用，使得地下水的酸性增加，同時巖土中的陰離子與地下水發生水解作用，讓地下水的堿性增加，打破了地下水原有的酸堿平衡，最終對巖土內的物質化學性質也造成了影響。

（7）氧化還原反應：氧化還原反應是電子從一個原子轉移到另一個原子的化學反應，物質失去自由電子過程，地下水內的氧氣以及二氧化碳含量不斷增強，氧化過程依賴于水中的溶解氧，隨著深度的加深氧化效果逐漸降低，還原作用卻隨著深度加深而逐漸增強，使得地下水中的有機物質逐漸分解，釋放電子，給土體中的礦物質造成一定的影響，最終改變地下水的化學環境，影響土體的力學特征。

各類不同的化學反應在城市的地下環境中多是同時進行的，化學反應主要改變巖土體積的礦物質組成，最終改變巖土的力學性質，嚴重的時候甚至會造成地質災害。

2 城市區域地下水化學環境下土體細觀結構變異分析

城市地下巖土中含有叫多種類的礦物質，地下土壤中的巖石是經過物理風化和化學風化形成的，地下水化學環境的變異對土壤的性質、結構以及功能產生較大的影響。隨著城市建設，地下水的酸堿平衡被打破，土壤中還有土壤礦物質和土壤有機質，土壤中的礦物質占比固體總量的90%以上，且礦物質的化學成分復雜，包括氧、硅、鈣、鎂、鈉、鉀和碳等化學物質，當地下水的酸堿性質發生變化的時候，土體將會在特殊的酸堿環境下發生化學反應，例如：氧化鐵與稀鹽酸的反應、鐵和稀鹽酸的反應、鹽酸與燒堿的反應、大理石與稀鹽酸的反應以及氫氧化鈉與氯化鐵的反應等等，這些簡單的化學反應因為地下水的酸堿平衡被打破而發生，經過一系列同時進行的化學反應，土體與地下水結合在一起造成離子濃度增加，給土體的化學性質產生一定的影響和變化。

水土作用中分為物理吸附和化學吸附，化學吸附主要是因為化學反應造成化學鍵形成，產生熱力，具有不可逆性，且化學活性較強，簡單的化學反應附加了許多的電荷，吸引來的離子也就愈多，地下水與土體物質之間的化學吸附作用雖則時間以及化學反應的不斷變化達成平衡的狀態，最終水土作用中的化合價隨著離子濃度的變化逐漸改變，改變了土體對于不同離子的吸附效力，干擾了土壤整體架構的穩定性。

隨著人類活動對地質環境的影響，地下水發生化學變異的情況時有發生，城市地下水是一個復雜動態的體系，受到諸多的因素影響。隨著溫室效應的加劇大氣中的二氧化碳含量增多，冰川的融化海平面上升造成咸水越流的情況，引發淡水體發生化學變異，地下水內二氧化碳含量的增加造成鈣和鎂等碳酸鹽物質發生溶解，造成地下水的硬度增加，影響土體結構中礦物質的含量，巖土結構的穩定性也會發生改變。

隨著城市內大量燃料的燃燒造成二氧化硫含量增加，酸雨現象造成地下水內的氫離子以及硫離子含量增加，促使土壤中的方解石、白云石等加速溶解，既造成土壤中物質的加快溶解，還讓地下水的酸性大大提高，影響了城市地下環境的穩定性以及平衡性。

3 總結

城市地下水系統是城市地質環境中最活躍也是變化最快的系統，地下水與城市的巖土結構之間互相影響、互相作用，共同構成城市生態環境系統。隨著城市建設，大量的混凝土覆蓋地表，人為阻斷大氣降水、地表水以及地下水的循環，影響了城市區域水系統的均衡狀態，最終造成地下水化學性質的變異，在水土作用的影響下，城市的巖土結構穩定性以及平衡性受到影響，原有的化學平衡狀態受到影響，嚴重的時候造成城市地質災害的發生。為了更好地保護城市地質生態系統，要細致地研究城市的水土作用，從中提煉出有助于水土平衡維護的措施。

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收稿日期：2020-04-04

作者簡介：孔洲（1998-），男，漢族，本科學歷，研究方向為化工、環境、材料。