建筑垃圾中镉和砷在路基中迁移对地下水的影响

陈宇云 田寅 王周峰

摘 要：针对西咸北环高速公路路基填筑时利用了大量建筑垃圾，其中含有大量镉（Cd）和砷（As）等微量污染物的现状，利用Hydrus 软件对建筑垃圾中Cd和As在路基中的迁移进行了模拟。模拟结果显示，20年内Cd和As的最大穿透深度不超过3cm和3.5cm，远高于该地区地下水位的埋深，不会对地下水造成污染。

关键词：建筑垃圾；镉；砷；路基；迁移；地下水

中图分类号 X52 文献标识码 A 文章编号 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

建筑垃圾具有数量大、成分复杂等特点，对环境污染的途径多、形式复杂。国内外有大量关于建筑垃圾综合利用的研究[1-2]，其中有一些将建筑垃圾用于公路建设的尝试[3-6]。一些学者在实验室中对建筑垃圾沥出液中的环境有毒物质进行了研究[7-11]，但未考虑建筑垃圾用于路基填筑时，其中污染物对土壤和地下水的污染风险问题。

西咸北环高速公路是《关中-天水经济区发展规划》确定的交通建设重点工程之一，全长121.5km，建设里程112km，设计行车速度120km/h。在路堤、路床填筑中共使用建筑垃圾再生材料420万t，取代原设计灰土填筑。在前期的研究中，我们测定了用于西咸北环高速公路的建筑垃圾中污染物的含量，分析了超标情况[11]，并在实验室研究了这些建筑垃圾中污染物在各种情况下的释放特征[10]，结果均表明用于西咸北环高速公路路基填筑的建筑垃圾中主要污染物是Cd和As，但在高速公路长期运营过程中，Cd和As是否对地下水产生污染不明确。本研究在试验路段埋设了温度、湿度传感器，监测路基中影响污染物迁移的相关参数的变化规律，结合试验段各层渗透系数等理化指标，利用Hydrus软件对建筑垃圾中Cd和As在路基中的迁移进行了模拟，并评价了其对地下水环境的影响。

1 影响污染物迁移参数的监测分析

1.1 湿度观测 结合路基施工图和现场调研，选择在西咸北环高速公路第5标路段（位于西安市高陵地区）埋设温度和湿度传感器，该路段主要以建筑垃圾再生材料为路基填料。路基剖面示意图以及湿度传感器埋设位置见图1。

观测期建筑垃圾路基不同湿度变化见图2。

2015年3月份以前，不同层位含水率变化差异不大，主要是因为该区为季风气候影响区，冬季降雨较少，不同层位含水率差异变化较小。总体来说，含水率最低值出现在下层灰土部分，最高值出现在灰土上部的建筑垃圾路基底部和灰土接触部分。2015年3月开始，关中地区降雨较多，路基中含水率增加。

1.2 温度监测 整个观测期建筑垃圾垫层内温度变化和高陵地区最高温度和最低温度见图3。

由图3可以看出，整体而言，建筑垃圾垫层内温度变化和气温变化规律较为一致，随大气温度升高，建筑垃圾垫层中温度升高。在2015年3月15日以前，温度较为稳定，后期随温度升高，建筑垃圾垫层内温度升高。

2 重金属在路基环境中迁移转化模拟分析及污染评价

2.1 模型的建立 利用Hydrus软件对建筑垃圾垫层内水分和重金属进行模拟。表1为不同层位路基中使用的参数值。本研究假设，若有建筑垃圾渗滤液含重金属下渗，必须穿透下层灰土和特殊路基处理层到达土基。因此，根据实际调查，路基剖面介质分为上中下3层，上层为灰土层，厚度80cm，中层为特殊路基处理层，厚度40cm，下层为土基层，厚度9.2m，整个厚度为10.4m。通过调查，该区地下水位约40m。

将上边界定位在下层灰土层上部，水流上边界为定流量边界，下边界为自由排水边界，表2为模型使用的土壤性质参数表（参数根据实测资料和hydrus 1D模型中参数进行综合考虑给出）。

在模拟过程中，参考了建筑垃圾的最佳含水率、灰土最佳含水率以及黄土的饱和含水率，并做了适当的放大进行参数设定。模拟结果利用黄土的饱和含水率进行研究，其结果相对保守。即：模拟结果为最安全数值，能够满足模拟需要。

模拟过程中重金属的浓度选取原则：利用前期研究中Cd和As的浓度最大浸出浓度[10]。即Cd的上边界浓度为2.8μg/L。As的上边界浓度为18.2μg/L。该浓度高于溶滤实验得出的实验结果。

2.2 路基中Cd和As元素迁移过程模拟预测 由前期的研究结果[10-11]可知，总Cd浓度最大达到8.5μg/g，最大Cd浸出浓度2.8μg/L，最大浸出As濃度最高达到18.2μg/L，结合地下水和地表水环境质量标准，Cd和As模拟浓度分别选取2.8μg/L和18.2μg/L，模拟如果存在重金属运移的情况下，重金属的运移特征（见图4）。

由图4可以看出，随时间变化，Cd在灰土层开始向下迁移。但是总体而言，受灰土层影响，Cd和As向下迁移的能力较低，20年的模拟结果显示其最大穿透深度不超过3cm和3.5cm，即只在灰土层表层有部分入渗，而该地下水位处于地下40m深度，建筑垃圾中可能存在的水溶性Cd和As，不会对地下水造成污染。

3 路基中渗滤液的迁移机理分析

建筑垃圾再生材料铺设路基过程中，将进行压实，压实度93%，压实度较高，孔隙度较小，由于上覆沥青层、半刚性材料层和灰土的阻隔作用，降水入渗难以进入到建筑垃圾垫层中。因此，建筑垃圾垫层中的主要水分为吸湿水、薄膜水、毛管水，以及可能存在的一部分重力水。与一般工程土相比，公路路基中建筑垃圾再生材料垫层的孔隙比及孔隙尺寸均较小。在低含水率情况下，建筑垃圾再生材料表现为较小的非饱和水力传导系数。因此，在宏观上表现为较低的非饱和渗透性。研究表明，当压实密度大于600～700kg/m3，通常不会形成强渗透通道。因此，可以认为路基中压实密度较大、分布较为均匀的建筑垃圾再生材料具有多孔介质的特点，其水分迁移符合Darcy定律。

建筑垃圾再生材料铺筑的路基中，如果产生渗滤液，则建筑垃圾再生材料介质中渗滤液重金属迁移过程可以分为2个部分：一是按平均流速随整个流体体系迁移，称为对流；二是由重金属浓度梯度引起的水动力弥散。建筑垃圾再生材料渗滤液中重金属的释放传输过程是一个极其复杂的动力学过程。重金属渗滤液迁移过程除包括对流和水动力弥散两种作用外，固相溶出和固体骨架的吸附等物理、化学过程对重金属浓度分布也会产生较大影响。

4 结论

对建筑垃圾中Cd和As在路基中的迁移模拟结果表明，20年内Cd和As的最大穿透深度不超过3cm和3.5cm，即只在灰土层表层有部分入渗，不会进入地下水，所以建筑垃圾用于路基填筑不会对该地区地下水及周围土壤造成污染。

参考文献

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（责编：王慧晴）