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城市区域水化学环境下土体细观结构变异分析

2020-07-17孔洲

环境与发展 2020年6期

摘要:城市建设中地下水是不可忽视的建设体系,地下水是城市生态系统中最为活跃也是变化最为剧烈的要素,城市地下水与岩土结构之间互相影响、互相助力,是城市建设中必然要考虑的重要因素。本文分析了城市区域地下水的化学环境因素对周围土体结构产生的影响,并做了土体细观结构的变异分析。

关键词:城市区域水;化学环境;土体结构;变异分析

中图分类号:X833 文献标识码:A 文章编号:2095-672X(2020)06-0-01

DOI:10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.06.100

Analysis of meso-structural variation of soils in the urban chemical environment

Kong Zhou

(Shandong University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266590,China)

Abstract:Groundwater is a construction system that cannot be ignored in urban construction.Groundwater is the most active and most rapidly changing element in urban ecosystems.The interaction between urban groundwater and geotechnical structure and mutual assistance are inevitable considerations in urban construction key factor.This paper analyzes the chemical environmental factors of groundwater in urban areas and what kind of influence they have on the surrounding soil structure, and analyzes the variation of the mesostructure of the soil.

Key words:Urban area water;Chemical environment;Soil structure;Variation analysis

通过对土体细观结构的主要化学成分以及常量元素的分析,可以分析地下水化学环境变化对周边岩土结构的影响,运用科学的方法分析城市生态环境的变化,城市建设给生态环境产生了诸多的环境扰动,地下水化学环境的变化与土介质發生相互作用很容易产生水土作用变更。本文从城市地下水化学相互作用的角度分析城市地下水化学环境的变化,揭示土体结构细观变异与土体结构之间的紧密关系,为进一步进行水土作用的分析搭建夯实的理论平台。

1 城市地下水水土作用的理论分析

城市区域内的水土结构是一个相互影响的复杂体系,城市建设会直接影响地下水的环境,水环境的化学性质发生变异对城市环境尤其是岩土环境产生较大的影响。

城市区域地下水在城市的地质要素中是最为活跃也是最为多变的,一方面,对城市岩土结构的物理、化学以及力学性质产生影响,另一方面,也影响着地下水自身的物理、力学以及化学性质,具体的水土作用表现形式有以下几点:

(1)物理作用:地下水自身具有润滑、软化、泥化的作用,对周边的岩土结构产生一定的影响。

(2)力学作用:城市地下水的水位变化会造成地面的沉降,孔隙之间的水压变化也造成岩土之间的孔隙、颗粒之间的应力发生变化,同时,地下水渗透压力的变化会导致岩土孔隙发生改变,岩土之间的颗粒产生移动,地下水的静水压力、浮力以及毛细力作用都会给周边的岩土结构带来或多或少的变化。

(3)化学作用:地下水与岩土结构之间通过氧化还原反应、分解、离子交换、水化、凝聚以及碳酸化等化学作用,会影响岩土结构的稳定性。

水土作用在力学、物理以及化学作用之间相互作用,造成岩土之中要素发生能量转移,岩土结构之间的作用力平衡被打破,最终岩土结构的变化也会作用于地下水的环境之中,打破城市地下地质环境的稳定性以及平衡性。

地下水在土孔隙介质中贮存、运移,使得地下水与介质中的溶质含量随着时间与空间发生变化,通过分子扩散、机械弥散、悬浮物和乳状物的机械过滤、水稀释、物理与化学吸附酒,造成水土之间发生化学反应,通过离子交换、溶解作用、水化作用、水解作用、氧化还原反应等方式产生相互作用。

(4)离子交换:离子交换是土体颗粒的离子和分子与地下水进行交换,地下岩土之中存在许多胶体物质,在不同的层间离子交换,沿着层团内的基础面进行离子交换,离子交换的吸附反应分为两个过程,正相反应是恶化土体性质的离子交换反应,逆向反应有利于土体性质,水土间的离子交换助力于土粒的矿物成分,最终影响溶液的化学成分、浓度、pH值,强化水土之间的相互作用。

(5)水化作用:地下水渗透到土体的矿物结晶之中发生微观、细观以及宏观的改变,减少土体之间的内聚力,膨化土与水作用之间的水化作用。

(6)水解作用:水解作用是地下水中离子与土体之间的离子发生化学反应,土体中的阳离子与地下水发生水解作用,使得地下水的酸性增加,同时岩土中的阴离子与地下水发生水解作用,让地下水的碱性增加,打破了地下水原有的酸碱平衡,最终对岩土内的物质化学性质也造成了影响。

(7)氧化还原反应:氧化还原反应是电子从一个原子转移到另一个原子的化学反应,物质失去自由电子过程,地下水内的氧气以及二氧化碳含量不断增强,氧化过程依赖于水中的溶解氧,随着深度的加深氧化效果逐渐降低,还原作用却随着深度加深而逐渐增强,使得地下水中的有机物质逐渐分解,释放电子,给土体中的矿物质造成一定的影响,最终改变地下水的化学环境,影响土体的力学特征。

各类不同的化学反应在城市的地下环境中多是同时进行的,化学反应主要改变岩土体积的矿物质组成,最终改变岩土的力学性质,严重的时候甚至会造成地质灾害。

2 城市区域地下水化学环境下土体细观结构变异分析

城市地下岩土中含有叫多种类的矿物质,地下土壤中的岩石是经过物理风化和化学风化形成的,地下水化学环境的变异对土壤的性质、结构以及功能产生较大的影响。随着城市建设,地下水的酸碱平衡被打破,土壤中还有土壤矿物质和土壤有机质,土壤中的矿物质占比固体总量的90%以上,且矿物质的化学成分复杂,包括氧、硅、钙、镁、钠、钾和碳等化学物质,当地下水的酸碱性质发生变化的时候,土体将会在特殊的酸碱环境下发生化学反应,例如:氧化铁与稀盐酸的反应、铁和稀盐酸的反应、盐酸与烧碱的反应、大理石与稀盐酸的反应以及氢氧化钠与氯化铁的反应等等,这些简单的化学反应因为地下水的酸碱平衡被打破而发生,经过一系列同时进行的化学反应,土体与地下水结合在一起造成离子浓度增加,给土体的化学性质产生一定的影响和变化。

水土作用中分为物理吸附和化学吸附,化学吸附主要是因为化学反应造成化学键形成,产生热力,具有不可逆性,且化学活性较强,简单的化学反应附加了许多的电荷,吸引来的离子也就愈多,地下水与土体物质之间的化学吸附作用虽则时间以及化学反应的不断变化达成平衡的状态,最终水土作用中的化合价随着离子浓度的变化逐渐改变,改变了土体对于不同离子的吸附效力,干扰了土壤整体架构的稳定性。

随着人类活动对地质环境的影响,地下水发生化学变异的情况时有发生,城市地下水是一个复杂动态的体系,受到诸多的因素影响。随着温室效应的加剧大气中的二氧化碳含量增多,冰川的融化海平面上升造成咸水越流的情况,引发淡水体发生化学变异,地下水内二氧化碳含量的增加造成钙和镁等碳酸盐物质发生溶解,造成地下水的硬度增加,影响土体结构中矿物质的含量,岩土结构的稳定性也会发生改变。

随着城市内大量燃料的燃烧造成二氧化硫含量增加,酸雨现象造成地下水内的氢离子以及硫离子含量增加,促使土壤中的方解石、白云石等加速溶解,既造成土壤中物质的加快溶解,还让地下水的酸性大大提高,影响了城市地下环境的稳定性以及平衡性。

3 总结

城市地下水系统是城市地质环境中最活跃也是变化最快的系统,地下水与城市的岩土结构之间互相影响、互相作用,共同构成城市生态环境系统。随着城市建设,大量的混凝土覆盖地表,人为阻断大气降水、地表水以及地下水的循环,影响了城市区域水系统的均衡状态,最终造成地下水化学性质的变异,在水土作用的影响下,城市的岩土结构稳定性以及平衡性受到影响,原有的化学平衡状态受到影响,严重的时候造成城市地质灾害的发生。为了更好地保护城市地质生态系统,要细致地研究城市的水土作用,从中提炼出有助于水土平衡维护的措施。

参考文献

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收稿日期:2020-04-04

作者简介:孔洲(1998-),男,汉族,本科学历,研究方向为化工、环境、材料。