建筑垃圾中鎘和砷在路基中遷移對地下水的影響

陳宇云 田寅 王周峰

摘 要：針對西咸北環高速公路路基填筑時利用了大量建筑垃圾，其中含有大量鎘（Cd）和砷（As）等微量污染物的現狀，利用Hydrus 軟件對建筑垃圾中Cd和As在路基中的遷移進行了模擬。模擬結果顯示，20年內Cd和As的最大穿透深度不超過3cm和3.5cm，遠高于該地區地下水位的埋深，不會對地下水造成污染。

關鍵詞：建筑垃圾；鎘；砷；路基；遷移；地下水

中圖分類號 X52 文獻標識碼 A 文章編號 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

建筑垃圾具有數量大、成分復雜等特點，對環境污染的途徑多、形式復雜。國內外有大量關于建筑垃圾綜合利用的研究[1-2]，其中有一些將建筑垃圾用于公路建設的嘗試[3-6]。一些學者在實驗室中對建筑垃圾瀝出液中的環境有毒物質進行了研究[7-11]，但未考慮建筑垃圾用于路基填筑時，其中污染物對土壤和地下水的污染風險問題。

西咸北環高速公路是《關中-天水經濟區發展規劃》確定的交通建設重點工程之一，全長121.5km，建設里程112km，設計行車速度120km/h。在路堤、路床填筑中共使用建筑垃圾再生材料420萬t，取代原設計灰土填筑。在前期的研究中，我們測定了用于西咸北環高速公路的建筑垃圾中污染物的含量，分析了超標情況[11]，并在實驗室研究了這些建筑垃圾中污染物在各種情況下的釋放特征[10]，結果均表明用于西咸北環高速公路路基填筑的建筑垃圾中主要污染物是Cd和As，但在高速公路長期運營過程中，Cd和As是否對地下水產生污染不明確。本研究在試驗路段埋設了溫度、濕度傳感器，監測路基中影響污染物遷移的相關參數的變化規律，結合試驗段各層滲透系數等理化指標，利用Hydrus軟件對建筑垃圾中Cd和As在路基中的遷移進行了模擬，并評價了其對地下水環境的影響。

1 影響污染物遷移參數的監測分析

1.1 濕度觀測 結合路基施工圖和現場調研，選擇在西咸北環高速公路第5標路段（位于西安市高陵地區）埋設溫度和濕度傳感器，該路段主要以建筑垃圾再生材料為路基填料。路基剖面示意圖以及濕度傳感器埋設位置見圖1。

觀測期建筑垃圾路基不同濕度變化見圖2。

2015年3月份以前，不同層位含水率變化差異不大，主要是因為該區為季風氣候影響區，冬季降雨較少，不同層位含水率差異變化較小。總體來說，含水率最低值出現在下層灰土部分，最高值出現在灰土上部的建筑垃圾路基底部和灰土接觸部分。2015年3月開始，關中地區降雨較多，路基中含水率增加。

1.2 溫度監測 整個觀測期建筑垃圾墊層內溫度變化和高陵地區最高溫度和最低溫度見圖3。

由圖3可以看出，整體而言，建筑垃圾墊層內溫度變化和氣溫變化規律較為一致，隨大氣溫度升高，建筑垃圾墊層中溫度升高。在2015年3月15日以前，溫度較為穩定，后期隨溫度升高，建筑垃圾墊層內溫度升高。

2 重金屬在路基環境中遷移轉化模擬分析及污染評價

2.1 模型的建立 利用Hydrus軟件對建筑垃圾墊層內水分和重金屬進行模擬。表1為不同層位路基中使用的參數值。本研究假設，若有建筑垃圾滲濾液含重金屬下滲，必須穿透下層灰土和特殊路基處理層到達土基。因此，根據實際調查，路基剖面介質分為上中下3層，上層為灰土層，厚度80cm，中層為特殊路基處理層，厚度40cm，下層為土基層，厚度9.2m，整個厚度為10.4m。通過調查，該區地下水位約40m。

將上邊界定位在下層灰土層上部，水流上邊界為定流量邊界，下邊界為自由排水邊界，表2為模型使用的土壤性質參數表（參數根據實測資料和hydrus 1D模型中參數進行綜合考慮給出）。

在模擬過程中，參考了建筑垃圾的最佳含水率、灰土最佳含水率以及黃土的飽和含水率，并做了適當的放大進行參數設定。模擬結果利用黃土的飽和含水率進行研究，其結果相對保守。即：模擬結果為最安全數值，能夠滿足模擬需要。

模擬過程中重金屬的濃度選取原則：利用前期研究中Cd和As的濃度最大浸出濃度[10]。即Cd的上邊界濃度為2.8μg/L。As的上邊界濃度為18.2μg/L。該濃度高于溶濾實驗得出的實驗結果。

2.2 路基中Cd和As元素遷移過程模擬預測 由前期的研究結果[10-11]可知，總Cd濃度最大達到8.5μg/g，最大Cd浸出濃度2.8μg/L，最大浸出As濃度最高達到18.2μg/L，結合地下水和地表水環境質量標準，Cd和As模擬濃度分別選取2.8μg/L和18.2μg/L，模擬如果存在重金屬運移的情況下，重金屬的運移特征（見圖4）。

由圖4可以看出，隨時間變化，Cd在灰土層開始向下遷移。但是總體而言，受灰土層影響，Cd和As向下遷移的能力較低，20年的模擬結果顯示其最大穿透深度不超過3cm和3.5cm，即只在灰土層表層有部分入滲，而該地下水位處于地下40m深度，建筑垃圾中可能存在的水溶性Cd和As，不會對地下水造成污染。

3 路基中滲濾液的遷移機理分析

建筑垃圾再生材料鋪設路基過程中，將進行壓實，壓實度93%，壓實度較高，孔隙度較小，由于上覆瀝青層、半剛性材料層和灰土的阻隔作用，降水入滲難以進入到建筑垃圾墊層中。因此，建筑垃圾墊層中的主要水分為吸濕水、薄膜水、毛管水，以及可能存在的一部分重力水。與一般工程土相比，公路路基中建筑垃圾再生材料墊層的孔隙比及孔隙尺寸均較小。在低含水率情況下，建筑垃圾再生材料表現為較小的非飽和水力傳導系數。因此，在宏觀上表現為較低的非飽和滲透性。研究表明，當壓實密度大于600～700kg/m3，通常不會形成強滲透通道。因此，可以認為路基中壓實密度較大、分布較為均勻的建筑垃圾再生材料具有多孔介質的特點，其水分遷移符合Darcy定律。

建筑垃圾再生材料鋪筑的路基中，如果產生滲濾液，則建筑垃圾再生材料介質中滲濾液重金屬遷移過程可以分為2個部分：一是按平均流速隨整個流體體系遷移，稱為對流；二是由重金屬濃度梯度引起的水動力彌散。建筑垃圾再生材料滲濾液中重金屬的釋放傳輸過程是一個極其復雜的動力學過程。重金屬滲濾液遷移過程除包括對流和水動力彌散兩種作用外，固相溶出和固體骨架的吸附等物理、化學過程對重金屬濃度分布也會產生較大影響。

4 結論

對建筑垃圾中Cd和As在路基中的遷移模擬結果表明，20年內Cd和As的最大穿透深度不超過3cm和3.5cm，即只在灰土層表層有部分入滲，不會進入地下水，所以建筑垃圾用于路基填筑不會對該地區地下水及周圍土壤造成污染。

參考文獻

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（責編：王慧晴）