上海地区浅部水文地质条件对地下水污染物迁移的影响研究

李 韬

（1.上海勘察设计研究院（集团）有限公司，上海 200093；2.上海环境岩土工程技术研究中心，上海 200093）

受河道变迁、人类活动等因素的长期影响，上海地区浅部地层具有组合复杂、各向异性显著等突出特点，进而导致地下水中污染物分布规律复杂，调查评估与修复治理难度极高。科学地开展污染土与地下水的修复治理，需要在认识环境水文地质条件的基础上，系统把握污染物迁移规律。

本文在系统梳理上海地区不同区域浅部地质条件的基础上，研究并提出了中心城区环境水文地质分区，构建了典型水文地质组合条件下地下水污染迁移分析概化模型，并结合地下水污染迁移的主控因素分析，归纳提出上海地区不同环境水文地质分区地下水污染迁移的基本规律，为地下水污染修复设计与迁移预测提供重要支撑。

1 污染物迁移方式

污染物进入地下水位以下的水土环境后，主要以自由态、溶解态和吸附态等形态赋存。自由态是指不能溶解于水、也不被土体吸附的污染物，吸附态是指被吸附在土体颗粒表面及其孔隙中的污染物，溶解态是指可溶于地下水且随地下水的流动而迁移的污染物。受场地水文地质条件等要素的影响，污染物在水土环境中通过对流、溶解、吸附等作用过程产生迁移[1]。地下水渗流（对流）、环境介质不均匀性引起的弥散效应、污染物浓度差异的扩散效应会引起污染物迁移、扩散，导致污染范围不断增大[2-5]，而土体吸附效应通常可在一定程度上削弱污染物的迁移范围。

1.1 对流作用

地下水在含水层中携带着溶质一起流动，形成对流迁移。污染物通过对流的迁移量是浓度和流量的函数。根据达西定律，对于流向垂直于土体单位过水断面的一维渗流，单位时间通过过水断面的地下水中污染物的质量Fx为：

式中：

Fx——对流作用下单位时间通过过水断面的地下水中污染物的质量（ML-2T-1）；

C——地下水污染物浓度（ML-3）；

vx——水流方向上的平均线速度（LT-1）；ne——土体的有效孔隙度，无量纲；K——含水层的渗透系数（LT-1）；dh⁄dl——水力梯度，无量纲。

从上述公式可以看出，地下水的对流作用主要与土体的渗透系数、有效孔隙度和水力梯度有关。

1.2 扩散作用

地下水中的污染物在分子力的作用下从浓度高的地方到浓度低的地方扩散，单位时间通过单位面积的污染物扩散量与浓度梯度成正比：

其中：

F*——扩散作用下单位时间通过单位面积的污染物质量（ML-2T-1）；

D*——污染物在土体中的有效扩散系数（L2T-1）。

1.3 机械弥散作用

当溶质质点在孔隙介质中运动时，由于流体黏滞性和固体颗粒的存在，使得流场中各点运动路径、运动速度的大小和方向都不相同，从而产生机械弥散。单位时间通过单位面积的污染物质量一维表达式为：

式中：

Fa——机械弥散作用下单位时间通过过水断面的地下水中污染物的质量（ML-2T-1）；

Da——机械弥散系数（L2T-1）。

1.4 水动力弥散作用

通常扩散作用难以从机械弥散中分离出来，只有当土体中的地下水流速极低且机械弥散作用微弱时，扩散作用影响才会显现。因此将机械弥散和扩散作用结合起来并用水动力弥散系数D表征。沿地下水流动方向的弥散称为纵向弥散，垂直于流动方向的弥散称为横向弥散。

式中：

DL——纵向水动力弥散系数（L2T-1）；DT——横向水动力弥散系数（L2T-1）；αL——纵向水动力弥散度（L）；αT——横向水动力弥散度（L）；vL——水流方向平均渗流速度（LT-1）。

1.5 吸附作用

吸附作用是污染物迁移转化过程中浓度衰减的主要作用之一，影响污染物在含水层中的流动性和滞留性以及生物降解等其他转化过程。

吸附作用不仅受污染物自身的物理化学性质影响，还会受到含水层介质的岩性、有机质含量、颗粒大小等影响。郑西来等研究发现含水层中有机质和黏粒含量越高，对石油烃的吸附量越大[6]。王威等通过模拟粉砂对比实验发现有机质占含水层介质总质量约1%，对于污染物的吸附的贡献率却达到10%～40%[7]。上海地区地下水污染迁移过程中的主要阻力来源于黏性土的吸附作用。

综上可知：土层条件对污染物的迁移影响极为显著。例如：黏性土中的土颗粒细、渗透性差、污染物吸附容量大，地下水渗流滞缓，污染物同土体介质的接触时间长，污染物迁移以扩散和吸附为主；粉性土和砂土中吸附作用较弱，渗透性较好，且可能存在各向异性等沉积特点，对流和弥散作用更加突出；因有机物易于吸附污染物，故在有机质含量高的土体中吸附效应也会相对显著。

1.6 上海地区浅部地层特性

根据上海地区积累的丰富成果，中心城区深度20m以浅的主要土层由浅至深依次为：

第①1层填土，土质不均，呈松散状态，易于形成大孔隙通道；

第①2层浜土，因历史上浜、塘填埋的范围填埋形成，具有有机质含量高，含水量大等特点；

第①3层新近沉积土（俗称“江滩土”），土性以黏质粉土或砂质粉土为主，局部夹较多淤泥质土，渗透性良好，分布于吴淞江故道、黄浦江沿岸等区域。

第②1层褐黄色黏性土，渗透性较差，局部地段受明、暗浜以及人类活动的影响而缺失。

第②3层粉性土或粉砂，渗透性良好，分布在埋深2m～20m深度范围内分布。

第③层淤泥质粉质粘土，常夹有厚度不等的粉性土，各向异性显著，水平向渗透性明显大于垂直向渗透系数。部分区域在该层内分布有渗透性良好的③夹层，其土性包括粘质粉土、砂质粉土或砂土等不同情况。

第④层淤泥质黏土，渗透系数10-7cm/s，一般被视为天然的隔污层。

第⑤层灰色黏性土，有机质含量较高，渗透性差，土性差异大，局部地段沉积了第⑤2层粉性土、粉砂。

上海中心城区20m以浅主要土层的水文地质参数见表1。

表1 上海地区浅部20m以内主要土层及水文地质参数Table 1 The main soil layer and hydrogeological parameter value of the shallow 20m stratum in Shanghai area

3 不同土层特性对污染物迁移的影响分析

受土层条件的影响，不同性质的土体内主导污染物迁移的控制性因素各有不同[8]。对上海中心城区浅部各土层，污染物迁移呈现不同的特点：

（1）第①1层填土：一般情况下透水性能良好，有利于污染物迁移扩散；地下水易受到大气降水、蒸发和人类活动影响，水位通常在该层内波动，污染物迁移分布情况复杂。易由于大气降水或地面人类活动的污水无组织排放入渗，以及工程扰动中（清障/钻孔/建井/现场测试等）防污染扩散隔离不善等因素造成浅部污染物的向下迁移扩散。

（2）第①2层浜土：该层结构松散，渗透系数大，有机质含量高，易于吸附重金属和有机污染物，造成该土层中污染物质的富集。

（3）第②1层粉质黏土：该层中铁锰质结核通常有巨大的比表面积，对重金属和有机污染有很好的吸附作用，此外因其带有表面电荷和含有变价元素的天然铁锰氧化物和氢氧化物，是典型的潜在氧化剂，对有机污染物有一定的氧化分解作用，不利于污染物的迁移扩散。除邻近黄浦江等局部区域，各个地质分区内均普遍分布，平均厚度约2m。该层土黏粒含量占比大，渗透性较差，吸附作用显著，污染物迁移扩散时不易穿透，为良好的污染隔离层；在无局部缺失情况的场地中，污染物通常滞留在该层顶部；因历史河流回填形成的暗浜、开挖、钻孔等人类活动影响，部分场地内该土层存在局部缺失现象，存在浅部污染从缺失部分向下迁移的风险，导致污染深度扩大。

（4）第②3层粉性土或粉砂：分布在环境水文地质分区I区内，土性一般为黏质粉土、砂质粉土和粉砂。该层厚度大，渗透性良好，有利于污染物的迁移，由于土层的不均匀易导致弥散作用显著。

（5）第③层淤泥质粉质黏土：分布在环境水文地质分区II区和III区内，土性一般为淤泥质粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹粉性土。渗透系数较小，厚度大，不利于污染物向下的迁移扩散。但该层通常夹较多薄层状粉性土，水平向渗透系数较大，如污染物穿透第②1层侵入该层则易发生水平向迁移扩散，且弥散作用较为显著。由于黏粒含量和有机质含量较高，因而也较易吸附污染物。

（6）第③夹层粉性土或砂土：分布在环境水文地质分区II区内，土性一般为黏质粉土、砂质粉土和粉砂，渗透性较好，各向异性显著，有利于污染物迁移。第③夹层土层性质分别为黏质粉土、砂质粉土和粉砂时，渗透性依次增强，污染物在第③夹层中水平和垂直方向上的迁移范围也依次增大。

（7）第④层淤泥质黏土：一般在各区均有分布，厚度大，分布稳定，渗透系数小，对污染物有较好的隔离作用。但工程活动（如开挖、钻孔、拆除地下设施等）穿透该层底板且未采取隔离措施时，亦会导致污染下迁。

（8）第⑤1层黏土：该层厚度大，分布稳定，渗透系数小，对污染物有较好的吸附阻隔作用。

一般情况下，第②1层和第④层均为良好的天然隔污层，但在其埋深浅、厚度薄的情况下，DNAPLs类污染物或砷、六价铬等迁移性强的重金属也存在进入更深土层的可能。或因钻孔、开挖、沉桩等人类活动干扰导致该两层隔污层被贯穿形成垂直迁移通道的情况下，污染物也会进入更深土层，甚至对承压含水层造成污染。

4 上海地区浅部环境水文地质分区研究

基于上述地层特性、不同区域地层组合的差异、浅部粉性土与砂土分布情况、土与地下水污染特征及修复难易程度，在系统梳理上海市中心城区大量岩土工程勘察成果的基础上，将上海市中心城区分为三个环境水文地质条件分区（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区），各自地层组合情况见表2，绘制的分区成果图见图1。

表2 浅部典型地层组合分区（埋深20m以内）Table 2 Typical stratigraphic combination of the shallow hydrogeological partitions (within 20 m)

图1 上海中心城区水文地质分区Fig.1 Hydrogeological partitions of Shanghai downtown area

4.1 I区地层组合

浅部有厚层粉性土，主要分布于吴淞江故河道、黄浦江江滩土分布区，浅层有粉性土或粉砂分布，有利于污染物垂直向和水平向迁移。Ⅰ区典型地层剖面见图2(a)。

4.2 II区地层组合

浅部夹粉性土层，地层组合由浅至深分别为第①层填土层、第②1层粉质黏土层、第③层淤泥质粉质黏土、第③夹层粉性土或粉砂、第③层、第④层和第⑤1层淤泥质粉质黏土。第③夹层粉土或粉砂层，渗透性较好，有利于污染物的水平向迁移。Ⅱ区典型地层剖面见图2(b)。

4.3 III区地层组合

浅部无粉性土层，主要分布于漕河泾、金桥等地区，浅部20m以内均为黏性土，不利于污染物迁移。Ⅲ区典型地层剖面见图2(c)。

5 不同环境水文地质分区污染物迁移规律的对比分析

按照上述地层组合情况，采用GMS数值模拟软件分别构建了各分区的概化模型（图3）。含水层结构根据不同水文地质分区的地层组合设置，并考虑局部②1层粉质黏土缺失情况。

图2 不同分区典型地层剖面Fig.2 Typical stratigraphic pro fi les of diあerent subarea

图3 模拟范围、网格剖分及各区地层组合Fig.3 Simulation range, grid division and stratigraphic combination of the three hydrogeological partitions

地下水流场概化为非均质、各向异性的三维稳定流，且不考虑地下水开采情况。地表的大气降水补给和蒸发排泄概化为有效净补给；为考察地表水的影响，在模型一侧设定地表河流，并概化为定水头边界。计算参数取值见表1。模型中污染源位置见图4，概化为定浓度持续供给的污染溶质来源，污染物浓度为10mg/L。

图4 模型中污染源设置Fig.4 Pollution source settings in the model

该模型未考虑地形起伏、降雨量随时间的变化等因素，模拟结果仅用作对比分析不同地层组合条件下地下水中污染物的迁移扩散基本规律，实际工程中，受地形起伏等因素导致的水头差影响，污染物的迁移扩散距离可能会有一定差异。

5.1 I区地层组合条件下污染物的迁移规律

将I区模型中②3层粉性土厚度分别设定为6m、12m和18m，通过该模型模拟对比分析②3层不同厚度、有无②1层和不同河流位置的地层条件下污染物的迁移情况。由迁移40年的模拟结果见图5。

图5 I区地层组合条件下河流位置及降雨入渗对污染迁移的影响分析Fig.5 In fl uence of river location and rainfall in fi ltration on pollution migration under the condition of I area

由模拟结果可知：

（1）在降雨入渗等参数保持不变的情况下，因第②1层粉质黏土的相对隔水作用，仅仅增大②3层粉性土厚度，对污染物迁移的影响较小。

（2）②1层分布区污染物被阻挡在第②1层粉质黏土之上；②1层缺失区污染物下迁至②3层后，污染羽范围主要受控于研究区的水力条件及污染物泄漏时间。

（3）场地内外有河流分布时，对流作用较为显著，易于污染物迁移扩散。河流与场地的距离越近，河流水位与场地地下水位差越大，对污染物迁移的影响越显著。

（4）降雨入渗系数R的大小决定了降雨导致的地下水有效净补给量，降雨入渗补给量越大，场地内地下水头差越大，对污染物迁移的影响也越显著。

5.2 II区地层组合条件下污染物的迁移规律

水平方向上，II区地层组合中污染物迁移40年后最大迁移范围小于在I区中同等条件下的迁移结果；垂向上，②1层粉质黏土仍是较好的污染物阻挡层，②1层缺失区污染物下迁范围因③夹层渗透性增强而略有增大。③夹层由黏质粉土调整为砂质粉土和粉砂时，渗透性逐渐增强，污染物在水平和垂直方向上的迁移距离也略有增大（图6）。

图6 II区地层组合条件下污染物迁移分布结果（40年）Fig.6 Groundwater pollution migration under the condition of II area(after 40 years)

5.3 III区地层组合条件下污染物的迁移规律

浅部无粉性土发育的III区地层组合条件下，在渗透性差的第②1层粉质黏土分布区，地下水中污染物通常被阻挡在第②1层粉质黏土层之上，而在②1层缺失区污染物可下迁至第③层顶部。污染物迁移40年后，最大迁移范围小于在I区中同样条件下的结果；在第②1层未缺失的情况下，II区和III区的迁移范围基本一致，在第②1层局部缺失情况下，则略小于II区。

5.4 不同分区地下水中污染溶质迁移对比分析

总体而言，浅部粉性土或砂土发育的I区大于II区；在第②1层未缺失的情况下，II区和III区的迁移范围基本一致，在第②1层局部缺失情况下，则略小于II区（图7）。场地内外有河流分布且水力联系密切时，对流作用显著，也易于地下水中污染物的迁移扩散。

图7 不同分区地下水中污染溶质迁移对比分析Fig.7 Comparative analysis of pollution migration in diあerent hydrogeological partitions

6 结语

综上分析可知，受土层条件的影响，不同性质的土体内主导污染物迁移的控制性因素不同。上海地区浅部以黏性土为主，吸附阻滞作用显著；粉性土和砂土渗透性较好，对流作用和水动力弥散作用突出。不同水文地质分区内的地层组合条件不同，地下水污染也会呈现差异化的分布特征和迁移规律。

因此，在不同区域开展场地环境调查、修复治理工作时，需根据场地的特定地层条件，结合邻近区域的地质条件，重点关注杂填土、暗浜等易于污染扩散、富集的不良地质条件，结合其与污染物相互作用特征，针对性的设计调查、修复治理方案，避免因不当的取样深度导致的污染深迁和扩散风险。当污染场地临近地表河流时，修复治理方案应考虑在河流一侧设置隔离屏障，以阻止污染迁移至临近河流。