上海崇明地区复垦地块典型污染物迁移规律研究

沈婷婷

（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）

随着我国的产业升级改造和城市转型发展，遗留大量有污染、高耗能、低效益的现状工业用地面临减量化复垦成农业用地。减量化复垦过程可能带来污染风险问题，包括拆除过程中的污染暴露、整理复垦过程中的污染扩散。拆除地面建筑物和硬质地坪、换填表部土壤等复垦工程措施导致地块浅部水文、地质等物理边界条件也随之发生巨大变化，从而引发污染团加速迁移的生态风险。因此，研究复垦地块污染物迁移转化具有重要的理论意义和现实意义。

污染物在土壤与地下水中的迁移主要包括渗流、弥散、吸附、生物作用等过程。目前已开展的水土污染迁移规律研究工作主要是针对工业场地和农田的非饱和带的土壤污染、饱和带的地下水污染，针对复垦地块饱和带与非饱和带同步污染的迁移规律尚缺乏系统性研究。受污染物本身的物理化学性质和水土环境条件的影响，其迁移主导形式、速率及范围等都会变化。考虑上海市崇明地区的潜水位较浅，雨水充沛，地表水与地下水之间交互密切，地下水位和非饱和带厚度变化频繁，对污染物的迁移带来的影响更为显著。基于此，以上海崇明地区复垦地块为研究对象，构建考虑降雨—蒸发、地下水—地表水交互、地下水位波动效应的污染迁移概念模型，归纳提出不同类型地层组合、边界条件和污染源条件下污染物的迁移规律，为复垦地块污染评估、迁移预测与治理提供科学支撑和理论依据。

1 崇明地区浅部环境水文地质分区研究

基于上海中心城区浅部环境水文地质分区及参数体系开展了部分研究成果，即：I 区—浅部有②3层粉性土或砂土分布，II 区—浅部有③夹层粉性土分布，III 区—浅部无粉性土或砂土分布，IV 区—浅部有较厚⑥1层可塑—硬塑粉质黏土分布。考虑到粉性土和砂土对污染物迁移影响较为突出，又进一步对I 区按照分别含水层厚度和土性划分3 类亚区（I-1 区：粉性土、砂土层厚度小于等于5m；I-2 区：粉性土、砂土层厚度为5～10m；I-3 区：粉性土、砂土层厚度大于10m）。参照此分区原则，根据崇明地区地质条件特征和污染物迁移分布一般特征，按照地层组合、对污染物迁移的影响及不同地层的特性，系统梳理崇明地区大量岩土工程勘察成果的基础上，将崇明地区分成三个次亚区（I-3-1、I-3-2、I-3-3 区），各自地层组合情况及水文地质参数见表1、表2，绘制的分区成果图见图1～图3。

表1 崇明地区浅部30m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 30m stratum in Chongming area

表2 崇明不同分区主要水文地质参数表Table 2 The hydrogeological parameter value of different subarea in Chongming area

图1 崇明地区水文地质分区Fig.1 Hydrogeological partitions of Chongming area

图2 典型地层剖面图（东西向）Fig.2 Typical stratigraphic profile (east-west)

图3 典型地层剖面图（南北向）Fig.3 Typical stratigraphic profile (north-south)

2 不同环境水文地质分区对污染物迁移规律的影响分析

2.1 模型构建

根据崇明三个分区的地层组合情况、考虑降雨-蒸发、河道水位变化、潜水位变化、河道与潜水之间水量相互转化的情况，建立相应的数值模型。模型范围为200m×200m×30m，将潜水位监测井水位值作为人为给定水头边界，距离河流200m，河流作为第三类边界条件进行考虑，污染物选取六价铬和三氯甲烷，初始浓度均假定为100mg/L，范围10m×10m，距离河流50m，模拟时间为3650d（图4）。根据各个分区的地层条件，并考虑非饱和带、初始潜水面以及潜流带，各剖分层与地层关系见表3。

图4 3D模型网格剖分Fig.4 Mesh generation of 3D models

2.2 地层组合的影响分析

为了更好的分析不同地层组合对污染物的迁移规律的影响，分别针对六价铬、三氯甲烷在不同地层中的迁移转化特性展开分析。为了便于分析，污染源的平面位置设定为距离河道50m。地层的差异性对污染物迁移的直接影响是污染羽的范围。

（1）地层组合对六价铬污染的影响分析

表3 模型垂向剖分与地层关系Table 3 Model vertical subdivision and stratigraphic relationship

通过模拟，六价铬污染10 年后，污染羽（指的是污染物浓度不小于0.1mg/L 的范围）在崇明不同分区的范围见图5。从图5 中可以看出，不同的地层组合对六价铬的迁移影响明显，污染羽范围大小依次为：I-3-3 区＞I-3-1 区＞I-3-2 区。通过比较3 个分区的土性特征，可以看出：I-3-1区和I-3-3 区的表层土有所差异，I-3-1 区表层土为淤泥质粉质黏土，厚度3m，而I-3-3 区的表层土是填土，渗透性好，使得污染物更易迁移，污染范围更大；相比较，I-3-2 区表层虽然也是填土，但I-3-2 区表土下部是一层粉质黏土，该层厚度有2m，一定程度上起到阻碍污染物迁移的作用，污染羽范围小，更多的是在表层向四周“摊开”，向深部迁移要弱很多。

为了更好地分析地层差异对污染物迁移的影响，在模型中同一深度（初始潜水面，模型中深度为-1.7m）选取了2个观测点（#2、#3），观测点距离污染源的距离分别为2.5m、6m，不同分区各观测点污染物浓度变化曲线见图6。

从图6 中可以看出，距离污染源不同距离的观测点上污染物浓度在污染羽扩大到观测点后持续增高，各区观测点污染浓度变幅依次为：I-3-3 区＞I-3-1 区＞I-3-2 区。从土性分析，I-3-2 区和I-3-3 区第一层土的渗透性较I-3-1 区要好，但从图中反映出，I-3-1 区的观测点浓度大于I-3-2 区，可见同层的渗透性强弱并不是影响监测点污染物浓度变化的决定性因素。将第二层土的土性一并进行分析，可以看出，I-3-1 区第二层土为砂质粉土，渗透性较好，由于地下水的波动，促使已经迁移到第二层的污染物再一次向上对第一层土产生影响，由于污染物在第二层土中迁移速率要远远大于第一层土，所以污染物迁移的下游方向上，第一层土往往是受到第二层土的影响而使污染物浓度升高。

图5 崇明不同分区中六价铬污染10年后的污染羽范围Fig.5 Pollution plume range after 10 years of Cr6+ in different hydrogeological partitions of Chongming

图6 同一深度不同距离观测点六价铬污染物浓度曲线Fig.6 The Cr6+ concentration curves of different observation points at the same depth

进一步分析不同深度上污染物浓度的变化，在模型中，分别在距离污染源1m 处的3 个深度（-1m、-1.7m、-4.5m）布置观测点（#5、#4、#6），观测点的浓度变化见图7。

从图7 同样可以看出，污染物浓度受到地层土性的影响，呈现出I-3-3 区的污染物浓度增长高于I-3-1 区，I-3-2区的污染物浓度增长最小。图7(c)反映出，I-3-3 区在-4.5m深度中的污染物浓度变化是先增长后减小，很明显的衰减特性，可以看出，污染物在砂性土中，随着时间的推移，在没有新的污染源补给的条件下，原有的污染物浓度会不断的衰减，当然，这种衰减并不是化学形态的改变，而是由于污染范围的不断扩大，使得污染物浓度整体下降。从图中可以看出，砂土中这种衰减特性比较明显。事实上黏性土也会有衰减特征，只是需要的周期更长而已。

（2）地层组合对三氯甲烷污染的影响分析

当污染物是三氯甲烷时，通过模拟，三氯甲烷污染10年后，污染羽在崇明不同分区的范围见图8。

图7 不同深度观测点的六价铬污染物浓度变化曲线Fig.7 The Cr6+ concentration curves of pollutant at different depths

图8 崇明不同分区中三氯甲烷污染10年后的污染羽范围Fig.8 Pollution plume range after 10 years of chloroform in different hydrogeological partitions of Chongming

从图8 中可以看出，不同的地层组合对三氯甲烷的迁移影响明显，污染羽范围大小依次为：I-3-3 区＞I-3-1 区＞I-3-2 区。

同样的，为更好地分析地层差异对污染物迁移的影响，在模型中同一深度（初始潜水面，模型中深度为-1.7m）选取了2 个观测点（#2、#3），观测点距离污染源的距离分别为2.5m、6m，不同分区各观测点污染物浓度变化曲线见图9。

从图9 中同样可以看出，在-1.7m 深度，距离污染源不同距离的观测点上污染物浓度在污染羽扩大到观测点后持续增高，各区观测点污染浓度变幅依次为：I-3-3区＞I-3-1区＞I-3-2 区。表明不同分区地层组合条件和土性差异对污染物迁移后浓度变化的影响比较大。

图9 同一深度不同距离观测点三氯甲烷污染物浓度曲线Fig.9 The chloroform concentration curves of different observation points at the same depth

类似的，进一步分析不同深度上污染物浓度的变化。在模型中分别在距离污染源1m 处的3 个深度（-1m、-1.7m、-4.5m）布置观测点（#5、#4、#6），观测点的浓度变化见图10。

图10 不同深度观测点的三氯甲烷污染物浓度变化曲线Fig.10 The chloroform concentration curves of pollutant at different depths

从图10 同样可以看出，污染物浓度受到地层土性的影响，在-1.7m 深度及-4.5m 深度呈现出I-3-3 区的污染物浓度增长高于I-3-1 区，I-3-2 区的污染物浓度增长最小；在-1m深度I-3-3 区的污染物浓度增长依然最大，反而是I-3-2 区的污染物浓度较I-3-1 取的污染物浓度增长幅度要大。与六价铬不同的是，图10（c）中，I-3-3 区的三氯甲烷污染物浓度并没有呈现出衰减的趋势，反而是I-3-1 区中的三氯甲烷浓度有先增加后持平再缓慢下降的一个趋势，这主要是因为不同的土性对不同污染物的影响存在差异。

（3）边界条件设定的影响分析

针对河流边界的人工堤岸和自然堤岸对污染物的迁移展开分析，其中人工堤岸深入河流底以下3m。通过前述分析，针对I-3-2 区的地层条件，污染物迁移范围比较小，因此，主要是针对I-3-1 区和I-3-3 区进行分析，且不考虑边界条件对污染物的吸附作用。

考虑两种边界条件，通过模拟，六价铬污染10 年后，污染羽在崇明不同分区的范围见图11。

图11 不同边界条件设定下六价铬污染10年后的污染羽范围Fig.11 Pollution plume range after 10 years of Cr6+ in different boundary conditions

从图11 中可以看出，对于同一分区，不同的河流边界对六价铬的迁移影响比较明显，自然边界对污染物没有阻隔效果，地下水中的污染物可以在潜流带与河流进行污染物浓度交换，从而进入到河流，由于河流中该污染物浓度始终会比地下水中的低，所以地下水中的污染物会持续的污染河流，从图11(a)和图11(c)可以看出，污染物在自然边界处并没有富集。相反的，对于人工边界而言，由于人工边界可以有效的阻隔污染物污染河流。所以，污染物迁移至边界处会出现富集现象，边界处污染物浓度持续升高。然而，人工边界的深度有限，一旦污染物绕过人工边界下缘（图11(d)），那么污染物会通过河流底部的交互带污染到河流。因此，人工边界也只是暂时的阻隔，而不能绝对阻隔。

为了更好地比较两种边界处的污染物浓度变化情况，在不同深度（-1.7m、-4.5m、-5m）处设置了3 个观测点（#1、#2、#3）。各个观测点的污染物浓度变化见图12。

图12 边界处不同观测点的污染物浓度变化曲线Fig.12 Concentration curves of pollutant at different observation points in the boundary

从图12(a)可以看出，针对I-3-1 区，在深度-1.7m 处，自然边界条件下污染物浓度表现出波动上升，而人工边界条件下，该处的污染物浓度很低，且基本不上升，主要是因为I-3-1 区该位置的土性是淤泥质粉质黏土，渗透性差，自然边界潜流带渗透系数较自然土层要差一些，并且这种交界面处的污染物浓度变化较大，故此，在自然边界处的污染物浓度表现出波动性和增长性。

图12(b)和图12(c)很明显的表现出人工边界对污染物浓度的富集，由于这两个点的深度都位于砂质粉土中，渗透性较好，污染物迁移至此后，受到人工边界的阻隔，发生富集，使得污染物浓度持续升高。相反的，图12(b)中受自然边界影响，该处污染物持续与河流进行交互作用，其浓度始终不会增高，而图12(c)中自然边界影响向的污染物浓度会升高是因为该处已经是位于交互层下方，受到交互影响，该处自然边界影响下的污染物浓度很明显要比人工边界影响下的污染物浓度低。

图12(d/e/f)反映的是I-3-3 区两种边界条件影响下的污染物浓度变化情况。由于I-3-3 区表层为填土，渗透性要比I-3-1 区第一层的土渗透性好，所以I-3-3 区在人工边界影响下，3 个观测点处的污染物浓度都会富集，而受到自然边界影响下，污染物浓度不会持续增加，或者是波动性变化，或者是先增加后减小。

（4）污染源的影响分析

不同类型的污染物的迁移特征有所差异，针对六价铬及三氯甲烷这两种特征污染物进行分析。前述分析可知，I-3-3 区中污染物的浓度变化最为明显，因此，主要是分析I-3-3 区中不同污染物的迁移特征，进而分析不同污染物迁移的差异性。

污染物迁移过程中会受到土壤的吸附作用，进而滞留在土壤中，部分被吸附的污染物会通过解吸作用再一次进入到地下水中，而还有一部分则留在土壤中。崇明地区各层土对三氯甲烷的吸附作用强于对六价铬，这使得三氯甲烷的迁移范围有可能要比六价铬的小。

除此之外，同一位置处，地下水中六价铬的浓度要比三氯甲烷的浓度要高，见图13。这表明，由于受到土壤吸附制约，不同污染物类型的浓度衰减差异明显。

图13 #6点处不同种类污染物浓度变化曲线Fig.13 Concentration curves of different pollutants at #6

图13 还反映出，污染物污染10 年后，六价铬在砂性土的迁移过程中，其衰减特征非常明显，而三氯甲烷却还没有表现出衰减的迹象。

3 结论

（1）崇明地区地层条件对污染物的迁移转化起到尤为关键的作用，黏性土渗透性差，但容易产生吸附作用，对污染物的迁移有制约作用；砂性土，吸附作用不强，但渗透性强，使得污染物能随地下水迁移较远的距离，影响范围大。

（2）降雨—蒸发最直接的影响是使地下水产生波动，进而使得污染物在水动力条件下不仅沿地下水流向迁移，同时还会向上迁移，污染至非饱和带，甚至是地面，一旦表层土的吸附性强渗透性差，污染物很容易被滞留于此，表现出污染物在空间上发生“跳跃”的假象。

（3）河道的人工堤岸不仅能保证河道两侧的边坡稳定性，同时也是阻隔污染物进入河道的一道屏障，但只是暂时的阻隔，污染物会经过一段时间的富集后绕过堤岸下缘，进而从河道底面与河水发生交互作用；如果河道堤岸是自然的河堤，那么污染物会毫无阻隔的进入到河流。