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        上海崇明地區(qū)復(fù)墾地塊典型污染物遷移規(guī)律研究

        2020-07-16 04:43:30沈婷婷
        上海國土資源 2020年2期
        關(guān)鍵詞:價(jià)鉻三氯甲烷崇明

        沈婷婷

        (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)

        隨著我國的產(chǎn)業(yè)升級(jí)改造和城市轉(zhuǎn)型發(fā)展,遺留大量有污染、高耗能、低效益的現(xiàn)狀工業(yè)用地面臨減量化復(fù)墾成農(nóng)業(yè)用地。減量化復(fù)墾過程可能帶來污染風(fēng)險(xiǎn)問題,包括拆除過程中的污染暴露、整理復(fù)墾過程中的污染擴(kuò)散。拆除地面建筑物和硬質(zhì)地坪、換填表部土壤等復(fù)墾工程措施導(dǎo)致地塊淺部水文、地質(zhì)等物理邊界條件也隨之發(fā)生巨大變化,從而引發(fā)污染團(tuán)加速遷移的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因此,研究復(fù)墾地塊污染物遷移轉(zhuǎn)化具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)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(guī)律研究工作主要是針對(duì)工業(yè)場(chǎng)地和農(nóng)田的非飽和帶的土壤污染、飽和帶的地下水污染,針對(duì)復(fù)墾地塊飽和帶與非飽和帶同步污染的遷移規(guī)律尚缺乏系統(tǒng)性研究。受污染物本身的物理化學(xué)性質(zhì)和水土環(huán)境條件的影響,其遷移主導(dǎo)形式、速率及范圍等都會(huì)變化??紤]上海市崇明地區(qū)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(duì)污染物的遷移帶來的影響更為顯著?;诖耍陨虾3缑鞯貐^(qū)復(fù)墾地塊為研究對(duì)象,構(gòu)建考慮降雨—蒸發(fā)、地下水—地表水交互、地下水位波動(dòng)效應(yīng)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(guī)律,為復(fù)墾地塊污染評(píng)估、遷移預(yù)測(cè)與治理提供科學(xué)支撐和理論依據(jù)。

        1 崇明地區(qū)淺部環(huán)境水文地質(zhì)分區(qū)研究

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

        表1 崇明地區(qū)淺部30m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 30m stratum in Chongming area

        表2 崇明不同分區(qū)主要水文地質(zhì)參數(shù)表Table 2 The hydrogeological parameter value of different subarea in Chongming area

        圖1 崇明地區(qū)水文地質(zhì)分區(qū)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(huán)境水文地質(zhì)分區(qū)對(duì)污染物遷移規(guī)律的影響分析

        2.1 模型構(gòu)建

        根據(jù)崇明三個(gè)分區(qū)的地層組合情況、考慮降雨-蒸發(fā)、河道水位變化、潛水位變化、河道與潛水之間水量相互轉(zhuǎn)化的情況,建立相應(yīng)的數(shù)值模型。模型范圍為200m×200m×30m,將潛水位監(jiān)測(cè)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(jìn)行考慮,污染物選取六價(jià)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(shí)間為3650d(圖4)。根據(jù)各個(gè)分區(qū)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(guān)系見表3。

        圖4 3D模型網(wǎng)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(duì)污染物的遷移規(guī)律的影響,分別針對(duì)六價(jià)鉻、三氯甲烷在不同地層中的遷移轉(zhuǎn)化特性展開分析。為了便于分析,污染源的平面位置設(shè)定為距離河道50m。地層的差異性對(duì)污染物遷移的直接影響是污染羽的范圍。

        (1)地層組合對(duì)六價(jià)鉻污染的影響分析

        表3 模型垂向剖分與地層關(guān)系Table 3 Model vertical subdivision and stratigraphic relationship

        通過模擬,六價(jià)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(qū)的范圍見圖5。從圖5 中可以看出,不同的地層組合對(duì)六價(jià)鉻的遷移影響明顯,污染羽范圍大小依次為:I-3-3 區(qū)>I-3-1 區(qū)>I-3-2 區(qū)。通過比較3 個(gè)分區(qū)的土性特征,可以看出:I-3-1區(qū)和I-3-3 區(qū)的表層土有所差異,I-3-1 區(qū)表層土為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,厚度3m,而I-3-3 區(qū)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(qū)表層雖然也是填土,但I(xiàn)-3-2 區(qū)表土下部是一層粉質(zhì)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(duì)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(gè)觀測(cè)點(diǎn)(#2、#3),觀測(cè)點(diǎn)距離污染源的距離分別為2.5m、6m,不同分區(qū)各觀測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)上污染物濃度在污染羽擴(kuò)大到觀測(cè)點(diǎn)后持續(xù)增高,各區(qū)觀測(cè)點(diǎn)污染濃度變幅依次為:I-3-3 區(qū)>I-3-1 區(qū)>I-3-2 區(qū)。從土性分析,I-3-2 區(qū)和I-3-3 區(qū)第一層土的滲透性較I-3-1 區(qū)要好,但從圖中反映出,I-3-1 區(qū)的觀測(cè)點(diǎn)濃度大于I-3-2 區(qū),可見同層的滲透性強(qiáng)弱并不是影響監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度變化的決定性因素。將第二層土的土性一并進(jìn)行分析,可以看出,I-3-1 區(qū)第二層土為砂質(zhì)粉土,滲透性較好,由于地下水的波動(dòng),促使已經(jīng)遷移到第二層的污染物再一次向上對(duì)第一層土產(chǎn)生影響,由于污染物在第二層土中遷移速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qū)中六價(jià)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(cè)點(diǎn)六價(jià)鉻污染物濃度曲線Fig.6 The Cr6+ concentration curves of different observation points at the same depth

        進(jìn)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(gè)深度(-1m、-1.7m、-4.5m)布置觀測(cè)點(diǎn)(#5、#4、#6),觀測(cè)點(diǎn)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(xiàn)出I-3-3 區(qū)的污染物濃度增長(zhǎng)高于I-3-1 區(qū),I-3-2區(qū)的污染物濃度增長(zhǎng)最小。圖7(c)反映出,I-3-3 區(qū)在-4.5m深度中的污染物濃度變化是先增長(zhǎng)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(shí)間的推移,在沒有新的污染源補(bǔ)給的條件下,原有的污染物濃度會(huì)不斷的衰減,當(dāng)然,這種衰減并不是化學(xué)形態(tài)的改變,而是由于污染范圍的不斷擴(kuò)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(shí)上黏性土也會(huì)有衰減特征,只是需要的周期更長(zhǎng)而已。

        (2)地層組合對(duì)三氯甲烷污染的影響分析

        當(dāng)污染物是三氯甲烷時(shí),通過模擬,三氯甲烷污染10年后,污染羽在崇明不同分區(qū)的范圍見圖8。

        圖7 不同深度觀測(cè)點(diǎn)的六價(jià)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(qū)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(duì)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(qū)>I-3-1 區(qū)>I-3-2 區(qū)。

        同樣的,為更好地分析地層差異對(duì)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(gè)觀測(cè)點(diǎn)(#2、#3),觀測(cè)點(diǎn)距離污染源的距離分別為2.5m、6m,不同分區(qū)各觀測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)上污染物濃度在污染羽擴(kuò)大到觀測(cè)點(diǎn)后持續(xù)增高,各區(qū)觀測(cè)點(diǎn)污染濃度變幅依次為:I-3-3區(qū)>I-3-1區(qū)>I-3-2 區(qū)。表明不同分區(qū)地層組合條件和土性差異對(duì)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(cè)點(diǎn)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(jìn)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(gè)深度(-1m、-1.7m、-4.5m)布置觀測(cè)點(diǎn)(#5、#4、#6),觀測(cè)點(diǎn)的濃度變化見圖10。

        圖10 不同深度觀測(cè)點(diǎn)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(xiàn)出I-3-3 區(qū)的污染物濃度增長(zhǎng)高于I-3-1 區(qū),I-3-2 區(qū)的污染物濃度增長(zhǎng)最小;在-1m深度I-3-3 區(qū)的污染物濃度增長(zhǎng)依然最大,反而是I-3-2 區(qū)的污染物濃度較I-3-1 取的污染物濃度增長(zhǎng)幅度要大。與六價(jià)鉻不同的是,圖10(c)中,I-3-3 區(qū)的三氯甲烷污染物濃度并沒有呈現(xiàn)出衰減的趨勢(shì),反而是I-3-1 區(qū)中的三氯甲烷濃度有先增加后持平再緩慢下降的一個(gè)趨勢(shì),這主要是因?yàn)椴煌耐列詫?duì)不同污染物的影響存在差異。

        (3)邊界條件設(shè)定的影響分析

        針對(duì)河流邊界的人工堤岸和自然堤岸對(duì)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(duì)I-3-2 區(qū)的地層條件,污染物遷移范圍比較小,因此,主要是針對(duì)I-3-1 區(qū)和I-3-3 區(qū)進(jìn)行分析,且不考慮邊界條件對(duì)污染物的吸附作用。

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

        圖11 不同邊界條件設(shè)定下六價(jià)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(duì)于同一分區(qū),不同的河流邊界對(duì)六價(jià)鉻的遷移影響比較明顯,自然邊界對(duì)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(jìn)行污染物濃度交換,從而進(jìn)入到河流,由于河流中該污染物濃度始終會(huì)比地下水中的低,所以地下水中的污染物會(huì)持續(xù)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(duì)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(huì)出現(xiàn)富集現(xiàn)象,邊界處污染物濃度持續(xù)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(huì)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(shí)的阻隔,而不能絕對(duì)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(shè)置了3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(#1、#2、#3)。各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的污染物濃度變化見圖12。

        圖12 邊界處不同觀測(cè)點(diǎn)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(duì)I-3-1 區(qū),在深度-1.7m 處,自然邊界條件下污染物濃度表現(xiàn)出波動(dòng)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?yàn)镮-3-1 區(qū)該位置的土性是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,滲透性差,自然邊界潛流帶滲透系數(shù)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(xiàn)出波動(dòng)性和增長(zhǎng)性。

        圖12(b)和圖12(c)很明顯的表現(xiàn)出人工邊界對(duì)污染物濃度的富集,由于這兩個(gè)點(diǎn)的深度都位于砂質(zhì)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(fā)生富集,使得污染物濃度持續(xù)升高。相反的,圖12(b)中受自然邊界影響,該處污染物持續(xù)與河流進(jìn)行交互作用,其濃度始終不會(huì)增高,而圖12(c)中自然邊界影響向的污染物濃度會(huì)升高是因?yàn)樵撎幰呀?jīng)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(qū)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(qū)表層為填土,滲透性要比I-3-1 區(qū)第一層的土滲透性好,所以I-3-3 區(qū)在人工邊界影響下,3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處的污染物濃度都會(huì)富集,而受到自然邊界影響下,污染物濃度不會(huì)持續(xù)增加,或者是波動(dòng)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(duì)六價(jià)鉻及三氯甲烷這兩種特征污染物進(jìn)行分析。前述分析可知,I-3-3 區(qū)中污染物的濃度變化最為明顯,因此,主要是分析I-3-3 區(qū)中不同污染物的遷移特征,進(jìn)而分析不同污染物遷移的差異性。

        污染物遷移過程中會(huì)受到土壤的吸附作用,進(jìn)而滯留在土壤中,部分被吸附的污染物會(huì)通過解吸作用再一次進(jìn)入到地下水中,而還有一部分則留在土壤中。崇明地區(qū)各層土對(duì)三氯甲烷的吸附作用強(qiáng)于對(duì)六價(jià)鉻,這使得三氯甲烷的遷移范圍有可能要比六價(jià)鉻的小。

        除此之外,同一位置處,地下水中六價(jià)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(diǎn)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(jià)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(xiàn)出衰減的跡象。

        3 結(jié)論

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

        (2)降雨—蒸發(fā)最直接的影響是使地下水產(chǎn)生波動(dòng),進(jìn)而使得污染物在水動(dòng)力條件下不僅沿地下水流向遷移,同時(shí)還會(huì)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(qiáng)滲透性差,污染物很容易被滯留于此,表現(xiàn)出污染物在空間上發(fā)生“跳躍”的假象。

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

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