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第1篇
1.概述
我國地處世界上兩個最大地震集中發生地帶——環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震較多，大多是發生在大陸的淺源地震，震源深度在20km以內。位于青藏高原南緣的川滇地區，主要發育有北西向的鮮水河-安寧河-小江斷裂、金沙江-紅河斷裂、怒江-瀾滄江斷裂和北東向的龍門山-錦屏山-玉龍雪山斷裂等大型斷裂帶[1]。該區新構造活動劇烈，絕大多數屬構造地震，地震活動頻度高、強度大，是中國大陸最顯著的強震活動區域[2]。
而西南地區蘊藏了我國68％的水力資源，水利工程較多，且主要集中在川滇地區。據
2005年數據，四川省有大中小型水庫約6000余座[3]。2008年5月12日的四川省汶川大地震，初步統計，已導致803座水庫出險，受損的大型水庫有紫坪鋪電站和魯班水庫，中型水
庫36座，小一型水庫154座，小二型水庫611座[3]。此外，地震還致使湖北和重慶地區各
79座水庫出現險情[4，5]。為保證水利工程的安全運行，地震之后及時對水利工程進行檢測，并對受損工程進行監
測和修復是必要的。有關震災受損水利工程修復方面的文獻不多，散見于各種期刊或研究報告，為便于應用參考，本文搜集、篩選了一些震災受損水利工程的案例，并對一些實用技術進行了介紹。
2.地震對水利工程的危害
由于地震烈度、地震形態以及水庫本身工程質量的不同，地震對于水利工程的危害也有所區別。高建國[6]對我國因地震受損水利工程進行分類整理，認為水庫壩體險情主要可分為
3級：1級，一般性破壞，不產生滲漏；2級，嚴重性破壞，壩體開裂滲漏；3級，垮壩（崩塌），水庫水全部流走。
我國因地震引起的水庫垮壩并不多見，總結國內外地震對水利工程的危害，主要有以下幾種形式：
2.1壩體裂縫
地震作為外力荷載將會導致大壩尤其是土石壩整體性降低，防滲結構破壞，引起大量裂縫。地震會產生水平和垂直兩個方向的運動，并使周期性荷載增大，壩體和壩基中可能會形成過高的孔隙水壓力，從而導致抗剪強度與變形模量的降低，引起永久性（塑性）變形的累積，進而導致壩體沉降與壩頂裂開。
2003年10月甘肅民樂—山丹6.1級地震引起雙樹寺水庫大壩、翟寨子水庫大壩，壩頂
均出現一條縱向裂縫，長約401~560m，最大寬度2cm左右，并有多處不同長度斷續裂縫，
防浪墻局部錯動約0.5cm。大壩右側出現山體滑坡，形成長條帶及凹陷，滑坡長37m左右，凹陷坑深2.5~3m、寬7m左右，凹陷處上部山體有多條斜向裂縫，縫寬20cm左右。李橋水庫壩頂有縱向裂縫，多處縫寬在2~5mm，其中一條長約100m左右，出現橫向貫通裂縫，防浪墻出現多處豎向裂縫。這些裂縫在壩體漏水、自然降水和溫度作用下，又將產生新的凍融、凍脹破壞，影響大壩的整體性和穩定[7]。
托洪臺水庫位于新疆布爾津縣境內，1995年被列為險庫，1996年新疆阿勒泰地震（6.1級），使攔水壩出現10處橫向裂縫，3處縱向裂縫，最寬處達16cm，長17m，防浪墻垂直裂縫27處。經評估，水庫震后只能在低水位運行，致使發電系統癱瘓，同時對于下游構成潛在威脅[6]。
岷江上的紫坪鋪水利工程位于都江堰市與汶川縣交界處，2006年投產，是中國實施西部大開發首批開工建設的十大標志性工程之一。2008年5月12日的汶川地震造成紫坪鋪大壩面板發生裂縫，廠房等其他建筑物墻體發生垮塌，局部沉陷，整個電站機組全部停機。[3]。此外，地震對泄水輸水建筑物也將造成巨大危害。2003年8月16日赤峰發生里氏5.9級地震，使沙那水庫混凝土泄洪灌溉洞產生縱向裂縫，長15m，最大裂縫15mm；環向裂縫
22m，最大裂縫寬度1.8mm；洞出口消力池兩側邊墻產生豎向裂縫，總長15m，最大裂縫寬
度25mm。大冷山水庫溢洪道兩側導流墻產生裂縫，以縱向裂縫為主，最大縫寬12mm[8]。
2.2壩體失穩
地震可能引起壩基液化，從而導致大壩失穩。地震時，受到周期性或波動性荷載作用，土石壩內土體將產生遞增的孔隙水壓力和遞增的變形。粘性土體構成的土石壩在地震中相對安全。但相對密度低于75%的粉砂土和砂土，在幾個循環之后孔隙水壓力就會顯著上升，當達到危險應力水平時，土體在周期性荷載作用下顯示出極大的變形位移，壩內土體就會呈現出液化的流態，導致壩體失穩[9]。
喀什一級大壩1982年施工時，其壩體及防滲墻都未進行碾壓，致使密實度降低，1985
年地震時，由于液化和沉陷，導致該壩整體失穩破壞。
美國加州的Sheffield壩，1917年建成，壩高7.63m，壩頂寬6.1m，長219.6m，水庫庫
容17萬m3。1925年6月距壩11.2km處發生里氏6.3級地震，長約128m的壩中段突然整體滑向下游。事后，經調查研究發現，壩體潰決的主要原因是地震使飽和土內的孔隙水壓力增大，造成壩下部和壩基內的細顆料無凝聚性土發生液化。
地震還會造成土石壩體脫落或堆石體沉陷，從而引起壩體失穩。在庫水位較高的情況下，堆石體沉陷會造成壩體受力不均，更嚴重的會引起庫水漫頂，引發壩體垮塌。1961年4月
13日在距西克爾水庫庫區約30km處發生里氏6.5級地震，該水庫位于VIII度區[10]，壩體出現了嚴重的堆石體沉陷現象，一段220m長的壩體沉陷值達到2~2.5m，崩塌范圍在從壩軸線上游3~10m到下游的35~50m[11]。
前面述及的沙那水庫土壩和朝陽水庫因地震致使土壩排水體砌石脫落，經抗震復核下游壩坡不穩定[8]。
2.3岸坡坍塌
若水庫兩岸有高邊坡和危巖、松散的風化物質存在，地震發生后，造成的巖體松動，可誘發產生崩塌、滑坡和泥石流，甚至形成堰塞湖等現象。
烏江渡水庫處于地震多發區，1982年6月地震中，化覺鄉東部厚層灰巖和白云巖地層
中發生大面積崩塌。同年8月，化覺、柏坪一帶又發生較大規模的地層滑動，影響面積約
18km2[12]。
5•12汶川大地震造成四川多處山體滑坡，堵塞河道，形成34處堰塞湖。其中唐家山堰塞湖蓄水過1億m3，另外水量在300萬m3以上的大型堰塞湖有8處[13]，對下游地區造成嚴重威脅。
另外，地震還可能對水利工程一些其它部分造成損壞。如1995年1月日本阪神淡路7.2
級地震[14，15]中，使堤防基礎液化發生側向流動，造成堤防破壞以及護岸受損。我國歷次地震中，出現較嚴重險情的多為土石壩，且多為年代較久遠的土石壩，如果發
生強地震就更容易造成損壞[16]。
3.震災受損水利工程的修復技術
地震后受損水利工程修復措施主要包括以下幾個方面：
3.1壩體監測
地震后，對于受損水利工程，應及時降低水庫運行水位，并進行充分的壩體探測。對土石壩，可開挖土坑檢測，對混凝土壩，則可用無損探傷檢測[17]。包括使用地震波法、地質雷達、水下聲納法檢測侵蝕程度，必要時還需要采取槽探、鉆孔、孔內地球物理方法進行檢測。根據地震前后大壩監測結果的對比分析，判明是否存在普遍的結構損傷跡象。尤其需要加強對壩體變形和滲透的觀測，防止裂縫前后貫通，內部發育，產生滲漏通道。同時，加強對輸水洞漏水、溢洪道裂縫的監測，以防滲漏進一步擴大[18]。
震后壩體探測中，作為一種非破壞性的探測技術，地質雷達具有探測效率高、分辨率高、抗干擾能力強等特點，可以快捷、安全地運用于壩體現狀檢測和隱患探查[1
9]。
2003年甘肅山丹地震后，利用地質雷達對雙樹寺、瞿寨子、瓦房城等水庫的震后壩體裂縫、壩基滲透、溢洪道、高邊坡開裂和庫岸道路滑坡等進行了探測[20]，效果很好。
3.2裂縫修復
對于已經出現的裂縫，要對其分布、走向、長度和開度等進行定時觀測和檢測。在大壩主裂縫部位設置標志，縫口要覆蓋塑料布，防止雨水流入加速其惡化。對受洪水威脅的建筑物，要采取臨時措施（如圍堰）進行保護。
裂縫的修補應從實際出發，在安全可靠的基礎上，同時考慮技術和施工條件的可行性，力求施工及時、簡單易行、經濟合理。常用的有以下幾種處理方法：
3.2.1表面處理法
表面處理法[21]主要適用于對結構承載能力沒有影響或者影響很小的表面裂縫及深層裂縫，同時還可以處理大面積細裂縫的防滲防漏。常用的有表面涂抹水泥砂漿、表面涂抹環氧膠泥以及表面涂刷油漆、瀝青等防腐材料等，從而達到封閉裂縫和防水的作用。在防護的同時應當采取在裂縫的表面粘貼玻璃纖維布等措施，這樣可以防止混凝土在各種作用下繼續開裂。
3.2.2灌漿法
灌漿法主要應用于對結構整體有影響或有防水防滲要求的混凝土裂縫的修補。經修補
后，能恢復結構的整體性和使用功能，提高結構的耐久性。
灌漿法[22]分水泥灌漿和化學灌漿。水泥灌漿適用于裂縫寬度達到1mm以上時的情況；裂縫較窄的情況下宜采用化學灌漿。此外，工程經驗表明水泥漿適于穩定裂縫的灌漿處理，不適用于活縫或伸縮縫的處理。化學灌漿也存在類似問題，應用最廣的環氧樹脂漿固結體是脆性材料，因此對活縫應選用彈性材料。部分化學灌漿還有毒性，應加強施工人員的保護措
施。
大量實踐證明，灌漿法是目前最有效的裂縫修補處理方法。
3.2.3結構加固法
危及結構安全的混凝土裂縫都需作結構補強。結構加固法適用于對整體性、承載能力有較大影響的較深裂縫及貫穿性裂縫的加固處理。混凝土結構的加固，應在結構評定的基礎上進行，以達到結構強度加固、穩定性加固、剛度加固或抗裂性加固的目的。結構加固中常用的主要有以下幾種方法：加大混凝土結構的截面面積，在構件的角部外包型鋼、采用預應力法加固、粘貼鋼板加固、增設支點加固以及噴射混凝土補強加固。結構加固法還適用于處理對結構的承載能力、整體性、耐久性有較大影響的不均勻沉陷裂縫和較為嚴重的張拉裂縫
[23]。
3.3滑坡處理
土壩滑坡有剪切破壞、塑流破壞、液化破壞三種形式[24]。可采用“上部減載”與“下部壓重”法來處理。“上部減載”就是在滑坡體上部的裂縫上側削坡，以保持穩定；“下部壓重”就是放緩下部壩坡，在滑坡體下部做壓坡體等。當滑坡穩定后，應當及時進行滑坡處理[17]。主要處理方法介紹如下：
3.3.1放緩壩坡
若滑坡由于剪切破壞造成，則放緩壩坡為最好的處理方法。可填入土體將壩坡放緩，或是先削掉滑動面上壩頂的土體，使滑動面壩坡變緩，然后再加大未滑動面的斷面[24]。
對存在失穩危險的土石壩也可采用水上拋石法放緩上游壩坡，施工方法簡單，且不受季節和水位的變化。加固工程不破壞原壩體結構，減去拆除原有的壩體護坡石和反濾料工序，對保護原壩體非常有利。石料滲透系數大，在庫水位降落時，新筑部分的自由水面線，幾乎與庫水位重合，這樣就造成新增斷面和原有斷面共同承擔原有壩殼中庫水位降落時產生的滲透水壓力及地震產生的超隙孔壓力，起到壓重的作用，從而有利于大壩的穩定[25]。
3.3.2壓重固腳
若滑坡體底部滑出壩趾以外，則需要在滑坡段下部采取壓重固腳的措施，以增加抗滑力。壓重固腳的材料最好用砂石料。在砂石料缺乏的地區，也可用土工織物，代替反濾，以達到排水的要求[17]。
通過在壩體上加壓蓋重，或對壩體培厚加固處理，可以進一步提高防滲流土、壩體抗裂和抗滲性能，同時增加壩體穩定性。
實例：1999年山西大同堡村發生5.6級地震，對位于震中附近的冊田水庫造成VII度影響，壩體產生結構變形[26]。震后對主壩和北副壩下游壩坡采用石渣進行培厚加固處理。主壩所在956m高程以下石渣培厚體，壩坡分別為1:2.75，在956m高程設12m寬的平臺，在
949m高程、940m高程設3.0m寬的馬道，并在石渣體與原壩體設置反濾層。培厚壩體后，
即使再次遭遇地震，由于壩體在正常水位下（956m高程）寬度增加，也可避免大壩整體失
穩，從而保證大壩的安全[27]。
3.3.3庫岸巖體加固
對于地震中松動的庫岸巖體，應采取工程措施進行加固。地震后，首先需要對庫岸巖石情況進行重新評估，選擇加固方式。庫岸加固通常采取錨固、支擋、排水相結合的方式。錨固措施是利用預應力錨索和錨桿固定不穩定巖層，適用于震后加固巖體滑坡和不穩定的局部巖體。通過一端與建筑物結構相連，一端打入巖體內部，在增強巖體抗拉強度的同時，
改善庫岸巖體的完整性[28]。該方法在高切坡中被廣泛應用。支擋方法是通過支擋體來平衡滑坡體的下滑力，確保滑坡體的穩定安全。支擋結構能有
效地改善滑坡體的力學平衡條件，阻止滑坡、泥石流等。常用的方法有重力式擋墻、拉釘擋墻、加筋土擋墻、抗滑樁等[29]。
此外，由于地震過后經常伴隨暴雨，更易在松動巖石處產生滑坡、泥石流等災害，因此需及時排水，包括地表水和地下水。可設置截水溝排除地表水；排除地下水可用廊道、豎井和水泵等。在美國、加拿大和日本等國家較多采用專用鉆機打水平孔的辦法排地下水[28]。
3.4滲漏修復
應根據具體情況降低庫水位或放空水庫，徹底修復防滲體，對由于浸潤線過高而逸出坡面或者由于大面積散浸引起的滑坡，除結合下游導滲設施外，還應考慮加強防滲。
3.4.1劈裂灌漿
對于土石壩較嚴重的滲漏破壞，可以采取劈裂灌漿或加強防滲斜墻等方式解決。劈裂灌漿是指在垂直滲流的方向沿壩軸線劈開壩體，灌入稠泥或水泥砂漿，截斷滲流通道，可以在短時間內壩體內的滲流，使大壩轉危為安。
采用劈裂灌漿技術的嶺澳水庫具體做法如下：根據壩長選用適量的灌漿機，多臺灌漿機同時開灌，為使漿液盡快硬化固結，所用漿料為摻入速凝劑的水泥加粘土。在灌漿工藝上，連續的多次復漿，使混凝土或泥漿墻盡快加厚，并使貫通的漏水通道通過灌漿壓力和多次灌漿擠壓膨脹與原壩土體緊密結合，最終形成垂直連續的防滲混凝土砂漿墻，防止再次出現漏水通道的可能[30]。
3.4.2開挖置換
置換技術是土石壩震后修復中的一種重要手段，尤其對于心墻開裂的土石壩具有重要意義。首先需要通過探測技術檢測到侵蝕的區域，然后在心墻的下游側補填塑性混凝土，并用顆粒反濾層加以支持。最后使用水泥膨潤土混合物進行灌漿。置換技術可以有效阻止土石壩心墻的進一步破壞，達到防滲漏的目的[18]。
實例：新西蘭的馬拉希納壩，在經歷埃奇克姆地震后，初期表現穩定，在1987年12月后出現水位明顯下降的現象。通過詳細的監測發現，雖然大壩沒有遭受嚴重的滲漏，但左壩肩心墻和下游副心墻出現明顯的開裂和侵蝕，且侵蝕依然在繼續發展。持續不斷的侵蝕導致庫水位不斷下降，因而采取心墻置換的方式，即對左右岸壩肩進行開挖，噴上混凝土，置換開挖出來的材料。水庫再次蓄水時沒有出現新的事故[18]。
3.4.3排水設施
在阻止滲流發生的同時，需要做好排水工作，通過設置寬敞的排水帶，使滲流能順利排走，降低壩體內的浸潤線，減小孔隙水壓力。
4.典型水利工程抗震搶險及修復實例
4.1美國Hebgen壩
Hebgen土石壩[31]位于美國Montana州，1915年建成，1959年8月遭受里氏7.1級的強烈地震，壩和水庫所在地變形并整體下沉約3.1m，右岸溢洪道嚴重損壞，壩體沉陷開裂，水庫岸坡坍塌，庫水震蕩并漫溢壩壩。當時此壩并無抗震設計，承受地震對其的各種危害而未垮壩，其破壞模式和耐震經驗極有借鑒意義。
當時業主Montana電力公
司采取的緊急搶救措施包括：
（1）立即將泄水底孔進水口原用迭梁封閉的二個孔口開啟，以80m3/s的流量泄水降低庫水位。
（2）對半角沉陷區和被流沖蝕的壩下游面填土修復。檢查表明，心墻與溢洪道連接處的漏水并非通過心墻上的裂縫而是從破壞的溢洪道流出。
（3）在心墻的大裂縫處下游，打豎井檢查和修補。同時對下游河岸坍方區進行了修整。此后于1960年4月開始對溢洪道、壩體心墻和上游面進行了全面的修復和加固工作。
至今運行完好。
4.2美國LowerSanFernando壩
LowerSanFernando壩[31]位于美國加州洛杉磯市北，1912年動工，最大壩高43.2m，壩頂寬6m，長634m。1971年2月在壩東北12.9km處發生里氏6.6級地震，致使主壩發生巨大滑坡，壩的上游部分帶動壩上部9.2m高的壩體和壩頂一起坍落滑向水庫20多米遠。
事故發生后，救援人員立即采取了如下措施：一方面立即運來砂袋加固筑高壩的低陷部位；另一方面緊急撤離壩下游地區8萬居民；此外，通過2條泄水道和3條引水管排放水庫中的水。
經初步調查和后期進一步挖槽、鉆孔取樣研究得出，壩內有大范圍土區在地震后液化，但液化區被強度較高的非液化土約束住，因而直到液化區內有足夠擴張力，促使土向外和向下移動時，才出現大規模滑動。
4.3新疆西克爾水利工程
西克爾水庫[10，11]位于新疆伽師縣東北西克爾鎮，1959年建成使用，為均質土壩，設計庫容10053萬m3，屬大型攔河式平原水庫。該工程自建成以來共經歷了15次地震，其中較嚴重的有3次：1961年4月13日發生6.5級地震，震中距水庫約30km，致使220m長的壩出現沉陷崩塌，余壩產生165條裂縫；1996年3月19日發生6.4級地震，壩段出現涌沙，裂縫，局部產生沉陷；2002年3月3日，阿富汗發生里氏7.1級地震，造成水庫副壩段出現決口，并迅速擴大到50m左右，決口流量約120m3/s，損失慘重。
由于西克爾水庫運行年限長，且早年建設時沒有進行地質勘探，因此極易糟受地震破壞。多次地震后，主要采取的措施有：
（1）加高壩頂，壩后設置壓重，并鋪設無紡布反濾。
（2）大壩決口后，進行搶險封堵，修復缺口。
（3）按庫區基本烈度八度進行設計校核，對西克爾水庫主壩、副壩和其它建筑物進行加固修復。針對部分壩段壩基地震液化問題，主壩采用壓蓋重措施，以進一步提高防滲流土、壩體抗裂和抗滲性能。副壩部分改線，采用粘料含量高的土進行填筑，加固填筑總方量為
58.59萬m3，其中粘土39.29萬m3，占60%。
4.4北京密云水庫
密云水庫位于北京密云縣城北13km處，庫容43.8億m3，是北京市民用、工業用水的主要來源。水庫始建于1958年9月，分白河、潮河、內湖三個庫區，主要建筑有白河主壩
（高66m，長1100m）、潮河主壩（高56m，長960m）和5道副壩等。
1976年7月28日，河北唐山發生里氏7.8級強烈地震，白河主壩發生強烈扭動，主壩水面以下6萬m2的塊石坡和砂礫保護層滑落，受損嚴重。地震后，采取的主要措施[6]有：
（1）及時探測大壩裂縫，并派潛水員進行水下探測。
（2）通過筑堰建閘，把密云水庫分隔成兩個庫區，放空庫水后，進行全面檢查加固。清除白河主壩上的砂礫保護層，加厚鋪蓋粘土斜墻，改用碴石保護層，往水下填粘土及砂石
達20萬m2。隨后，打通白河廊道、削坡清基，進行壩體加固。
（3）加固了3座副壩，并增建了3條泄水隧洞、1座溢洪道等。
白河主壩加固工程于1977年11月21日完成，達到了國家一級工程標準，至今完好。
5.小結
地震后受損水利工程修復是項復雜的工作，要因地制宜盡快采取最合適的方法進行修復。幾條主要結論如下：
（1）地震發生后，各級水行政主管部門應該對境內的水利工程，尤其是堤防、水庫大壩、水閘等工程進行排查，及時掌握工程破壞的情況及其隱患，有針對性地制定搶修方案。對地位重要、關系重大、危險性高的受損水利工程，要抓緊修復，確保度汛安全。
（2）壩和地基土料的液化，是導致垮壩或嚴重破壞的主要原因，此外，較普遍的震害有滑坡、開裂、沉陷和位移。
（3）盡可能保證水壩順利泄水，降低蓄水位，避免出現垮壩事故。
（4）目前對于水利工程一般都有相應的突發事故（如地震、洪水等）預警機制，但對于如何應對出現的險情，采取必要的工程措施，尚是一個薄弱環節，宜提高認識，加強要應的工作。
（5）對山區河流因沿岸崩山、泥石流等形成的堰塞湖，要當機力斷主動盡早清除，以避免水位升高，堰塞湖潰決形成洪災。
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固專業技術論文集[C].北京：中國水利水電出版社.2001
[31]中國水力發電工程學會史料信息組，上海大科科技咨詢有限公司.國外土石壩地震震害實例和統計[R].
2001.2
Casestudiesandrepairingtechniquesrelatedtohydraulic
engineeringprojectsdamagedbyearthquakes
MaJiming,ZhengShuangling
DepartmentofHydraulicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing(100084)
Abstract
EarthquakesfrequentlyoccurinChina,especiallyintheSichuan-Yunnanregionwheredensehydro
projectsareconstructed.Actingasexternalforces,earthquakescandecreasetheintegrityofthedams,causedamcracks,landslide,settlementanddisplacement,foundationliquefaction,resultingindaminstabilityorevendamfailure,aswellasthedamageofoutletstructures.Besidesthedamageofhydroprojects,seismicactivitiesalsothreatenthedownstreamarea.Basedontheexistingliteraturedataindomesticandabroad,thispaperintroducestheseismicdisastersregardinghydroprojects,especiallythesoilandrockfilldams.Somepracticalremedialmeasuresandrepairingtechniquesaresummarized
第2篇
關鍵詞:土壤污染、生物修復、研究進展
前言
土壤重金屬污染是指由于人類活動將金屬加入到土壤中，致使土壤中重金屬明顯高于原生含量、并造成生態環境質量惡化的現象。加之重金屬離子難移動性，長期滯留性和不可分解性的特點，對土壤生態環境造成了極大破壞，同時食物通過食物鏈最終進入人體，嚴重危害人體健康，已成為不可忽視的環境問題。隨著我國人民生活水平的提高,生態環境保護日趨受到重視,國家對污染土壤治理和修復的人力，物力的投入逐年增加，土壤污染物的去除以及修復問題,已成為土壤環境研究領域的重要課題。而生物修復技術是近20年發展起來的一項用于污染土壤治理的新技術,同傳統處理技術相比具有明顯優勢，例如其處理成本低,只為焚燒法的1/2-1/3，處理效果好,生化處理后污染物殘留量可達到很低水平;對環境影響小,無二次污染,最終產物CO2、H2O和脂肪酸對人體無害，可以就地處理,避免了集輸過程的二次污染,節省了處理費用，因而該技術成為最有發展潛力和市場前景的修復技術。
1.污染土壤生物修復的基本原理和特點
土壤生物修復的基本原理是利用土壤中天然的微生物資源或人為投加目的菌株,甚至用構建的特異降解功能菌投加到各污染土壤中,將滯留的污染物快速降解和轉化成無害的物質,使土壤恢復其天然功能。由于自然的生物修復過程一般較慢,難于實際應用,因而生物修復技術是工程化在人為促進條件下的生物修復,利用微生物的降解作用,去除土壤中石油烴類及各種有毒有害的有機污染物，降解過程可以通過改變土壤理化條件(溫度、濕度、pH值、通氣及營養添加等)來完成,也可接種經特殊馴化與構建的工程微生物提高降解速率。
2.污染土壤生物修復技術的種類
目前,微生物修復技術方法主要有3種:原位修復技術、異位修復技術和原位-異位修復技術。
2.1原位修復技術：
原位修復技術是在不破壞土壤基本結構的情況下的微生物修復技術。有投菌法、生物培養法和生物通氣法等,主要用于被有機污染物污染的土壤修復。投菌法是直接向受到污染的土壤中接入外源污染物降解菌,同時投加微生物生長所需的營養物質,通過微生物對污染物的降解和代謝達到去除污染物的目的。生物培養法是定期向土壤中投加過氧化氫和營養物,過氧化氫則在代謝過程中作為電子受體,以滿足土壤微生物代謝,將污染物徹底分解為CO2和H2O。生物通氣法是一種加壓氧化的生物降解方法,它是在污染的土壤上打上幾眼深井,安裝鼓風機和抽真空機,將空氣強行排入土壤中,然后抽出,土壤中的揮發性有機物也隨之去除。在通入空氣時,加入一定量的氨氣,可為土壤中的降解菌提供所需要的氮源,提高微生物的活性,增加去除效率。
2.2異位修復技術：
異位修復處理污染土壤時,需要對污染的土壤進行大范圍的擾動,主要技術包括預制床技術、生物反應器技術、厭氧處理和常規的堆肥法。預制床技術是在平臺上鋪上砂子和石子,再鋪上15-30cm厚的污染土壤,加入營養液和水,必要時加入表面活性劑,定期翻動充氧,以滿足土壤微生物對氧的需要,處理過程中流出的滲濾液,即時回灌于土層,以徹底清除污染物。生物反應器技術是把污染的土壤移到生物反應器,加水混合成泥漿,調節適宣的pH值,同時加入一定量的營養物質和表面活性劑,底部鼓入空氣充氧,滿足微生物所需氧氣的同時,使微生物與污染物充分接觸,加速污染物的降解,降解完成后,過濾脫水這種方法處理效果好、速度快,但僅僅適宜于小范圍的污染治理。厭氧處理技術適于高濃度有機污染的土壤處理,但處理條件難于控制。常規堆肥法是傳統堆肥和生物治理技術的結合,向土壤中摻入枯枝落葉或糞肥,加入石灰調節pH值,人工充氧,依靠其自然存在的微生物使有機物向穩定的腐殖質轉化,是一種有機物高溫降解的固相過程。上述方法要想獲得高的污染去除效率,關鍵是菌種的馴化和篩選。由于幾乎每一種有機污染物或重金屬都能找到多種有益的降解微生物。因此,尋找高效污染物降解菌是生物修復技術研究的熱點。
3.影響污染土壤生物修復的主要因子
3.1污染物的性質：
重金屬污染物在土壤中常以多種形態貯存,不同的化學形態對植物的有效性不同。某種生物可能對某種單一重金屬具有較強的修復作用。此外,重金屬污染的方式(單一污染或復合污染)，污染物濃度的高低也是影響修復效果的重要因素。有機污染物的結構不同,其在土壤中的降解差異也較大。
3.2環境因子：
了解和掌握土壤的水分、營養等供給狀況,擬訂合適的施肥、灌水、通氣等管理方案,補充微生物和植物在對污染物修復過程中的養分和水分消耗,可提高生物修復的效率。一般來說土壤鹽度、酸堿度和氧化還原條件與重金屬化學形態、生物可利用性及生物活性有密切關系,也是影響生物對重金屬污染土壤修復效率的重要環境條件。
3.3生物體本身：
微生物的種類和活性直接影響修復的效果。由于微生物的生物體很小,吸收的金屬量較少,難以后續處理,限制了利用微生物進行大面積現場修復的應用，
植物體由于生物量大且易于后續處理,利用植物對金屬污染位點進行修復成為解決環境中重金屬污染問題的一個很有前景的選擇。但由于超積累重金屬植物一般生長緩慢,且對重金屬存在選擇作用,不適于多種重金屬復合污染土壤的修復。因此,在選擇修復技術時,應根據污染物性質、土壤條件、污染程度、預期修復目標、時間限制、成本及修復技術的適用范圍等因素加以綜合考慮。
4.發展中存在的問題：
生物修復技術作為近20年發展起來的一項用于污染土壤治理的新技術,雖取得很大進步和成功,但處于實驗室或模擬實驗階段的研究結果較多,商業性應用還待開發。此外,由于生物修復效果受到如共存的有毒物質(Co-toxicants)(如重金屬)對生物降解作用的抑制；電子受體(營養物)釋放的物理;物理因子(如低溫)引起的低反應速率;污染物的生物不可利用性;污染物被轉化成有毒的代謝產物;污染物分布的不均一性;缺乏具有降解污染物生物化學能力的微生物等因素制約。因此,目前經生物修復處理的污染土壤,其污染物含量還不能完全達到指標的濃度要求。
5.應用前景及建議：
隨著生物技術和基因工程技術的發展,土壤生物修復技術研究與應用將不斷深入并走向成熟,特別是微生物修復技術、植物生物修復技術和菌根技術的綜合運用將為有毒、難降解、有機物污染土壤的修復帶來希望。為此,建議今后在生物修復技術的研究和開發方面加強做好以下幾項工作:
(1)進一步深入研究植物超積累重金屬的機理,超積累效率與土壤中重金屬元素的價態、形態及環境因素的關系。(2)加強微生物分解污染物的代謝過程、植物-微生物共存體系的研究以及植物-微生物聯合修復對污染物的修復作用與植物種類具有密切關系。
(3)應用現代分子生物學與基因工程技術,使超積累植物的生物學性狀(個體大小、生物量、生長速率、生長周期等)進一步改善與提高,培養篩選專一或廣譜性的微生物種群(類),并構建高效降解污染物的微生物基因工程菌,提高植物與微生物對污染土壤生物修復的效率。
(4)創造良好的土壤環境,協調土著微生物和外來微生物的關系,使微生物的修復效果達到最佳，并充分發揮生物修復與其他修復技術(如化學修復)的聯合修復作用。
(5)盡快建立生物修復過程中污染物的生態化學過程量化數學模型、生態風險及安全評價、監測和管理指標體系。
結論
綜上所述，我們不難發現由于土壤重金屬來源復雜,土壤中重金屬不同形態、不同重金屬之間及與其它污染物的相互作用產生各種復合污染物的復雜性增加了對土壤重金屬治理和修復難度,且重金屬對動植物和人體的危害具有長期性、潛在性和不可逆性,同時進一步惡化了土壤條件，嚴重制約了我國農業生產的加速發展，所以要更好的防治土壤重金屬污染還需要廣大科研工作者不懈的努力，研發出更好的效率更高的修復治理技術，同時我們還不應該忘記必須加強企業自身的環保意識，提高企業自我約束能力，始終將防治污染積極治理作為企業工作的頭等大事來抓，把企業對環境的污染程度降到最低限度，形成全社會都來重視土壤污染問題的良好環保氛圍，逐步改善我們的土壤生態環境。
參考文獻：
[1]錢暑強,劉錚.污染土壤修復技術介紹[J].化工進展,2000(4):10-12,20.
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[4]楊國棟.污染土壤微生物修復技術主要研究內容和方法
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[8]沈德中.污染環境的生物修復(第一版)[M].北京:化學工業出版社,2001:14,311.
第3篇
關鍵詞:土壤污染、生物修復、研究進展
前言
土壤重金屬污染是指由于人類活動將金屬加入到土壤中，致使土壤中重金屬明顯高于原生含量、并造成生態環境質量惡化的現象。加之重金屬離子難移動性，長期滯留性和不可分解性的特點，對土壤生態環境造成了極大破壞，同時食物通過食物鏈最終進入人體，嚴重危害人體健康，已成為不可忽視的環境問題。隨著我國人民生活水平的提高,生態環境保護日趨受到重視,國家對污染土壤治理和修復的人力，物力的投入逐年增加，土壤污染物的去除以及修復問題,已成為土壤環境研究領域的重要課題。而生物修復技術是近20年發展起來的一項用于污染土壤治理的新技術,同傳統處理技術相比具有明顯優勢，例如其處理成本低,只為焚燒法的1/2-1/3，處理效果好,生化處理后污染物殘留量可達到很低水平;對環境影響小,無二次污染,最終產物CO2、H2O和脂肪酸對人體無害，可以就地處理,避免了集輸過程的二次污染,節省了處理費用，因而該技術成為最有發展潛力和市場前景的修復技術。
1.污染土壤生物修復的基本原理和特點
土壤生物修復的基本原理是利用土壤中天然的微生物資源或人為投加目的菌株,甚至用構建的特異降解功能菌投加到各污染土壤中,將滯留的污染物快速降解和轉化成無害的物質,使土壤恢復其天然功能。由于自然的生物修復過程一般較慢,難于實際應用,因而生物修復技術是工程化在人為促進條件下的生物修復,利用微生物的降解作用,去除土壤中石油烴類及各種有毒有害的有機污染物，降解過程可以通過改變土壤理化條件(溫度、濕度、pH值、通氣及營養添加等)來完成,也可接種經特殊馴化與構建的工程微生物提高降解速率。
2.污染土壤生物修復技術的種類
目前,微生物修復技術方法主要有3種:原位修復技術、異位修復技術和原位-異位修復技術。
2.1原位修復技術：
原位修復技術是在不破壞土壤基本結構的情況下的微生物修復技術。有投菌法、生物培養法和生物通氣法等,主要用于被有機污染物污染的土壤修復。投菌法是直接向受到污染的土壤中接入外源污染物降解菌,同時投加微生物生長所需的營養物質,通過微生物對污染物的降解和代謝達到去除污染物的目的。生物培養法是定期向土壤中投加過氧化氫和營養物,過氧化氫則在代謝過程中作為電子受體,以滿足土壤微生物代謝,將污染物徹底分解為CO2和H2O。生物通氣法是一種加壓氧化的生物降解方法,它是在污染的土壤上打上幾眼深井,安裝鼓風機和抽真空機,將空氣強行排入土壤中,然后抽出,土壤中的揮發性有機物也隨之去除。在通入空氣時,加入一定量的氨氣,可為土壤中的降解菌提供所需要的氮源,提高微生物的活性,增加去除效率。
2.2異位修復技術：
異位修復處理污染土壤時,需要對污染的土壤進行大范圍的擾動,主要技術包括預制床技術、生物反應器技術、厭氧處理和常規的堆肥法。預制床技術是在平臺上鋪上砂子和石子,再鋪上15-30cm厚的污染土壤,加入營養液和水,必要時加入表面活性劑,定期翻動充氧,以滿足土壤微生物對氧的需要,處理過程中流出的滲濾液,即時回灌于土層,以徹底清除污染物。生物反應器技術是把污染的土壤移到生物反應器,加水混合成泥漿,調節適宣的pH值,同時加入一定量的營養物質和表面活性劑,底部鼓入空氣充氧,滿足微生物所需氧氣的同時,使微生物與污染物充分接觸,加速污染物的降解,降解完成后,過濾脫水這種方法處理效果好、速度快,但僅僅適宜于小范圍的污染治理。厭氧處理技術適于高濃度有機污染的土壤處理,但處理條件難于控制。常規堆肥法是傳統堆肥和生物治理技術的結合,向土壤中摻入枯枝落葉或糞肥,加入石灰調節pH值,人工充氧,依靠其自然存在的微生物使有機物向穩定的腐殖質轉化,是一種有機物高溫降解的固相過程。上述方法要想獲得高的污染去除效率,關鍵是菌種的馴化和篩選。由于幾乎每一種有機污染物或重金屬都能找到多種有益的降解微生物。因此,尋找高效污染物降解菌是生物修復技術研究的熱點。
3.影響污染土壤生物修復的主要因子
3.1污染物的性質：
重金屬污染物在土壤中常以多種形態貯存,不同的化學形態對植物的有效性不同。某種生物可能對某種單一重金屬具有較強的修復作用。此外,重金屬污染的方式(單一污染或復合污染)，污染物濃度的高低也是影響修復效果的重要因素。有機污染物的結構不同,其在土壤中的降解差異也較大。
3.2環境因子：
了解和掌握土壤的水分、營養等供給狀況,擬訂合適的施肥、灌水、通氣等管理方案,補充微生物和植物在對污染物修復過程中的養分和水分消耗,可提高生物修復的效率。一般來說土壤鹽度、酸堿度和氧化還原條件與重金屬化學形態、生物可利用性及生物活性有密切關系,也是影響生物對重金屬污染土壤修復效率的重要環境條件。
3.3生物體本身：
微生物的種類和活性直接影響修復的效果。由于微生物的生物體很小,吸收的金屬量較少,難以后續處理,限制了利用微生物進行大面積現場修復的應用，
植物體由于生物量大且易于后續處理,利用植物對金屬污染位點進行修復成為解決環境中重金屬污染問題的一個很有前景的選擇。但由于超積累重金屬植物一般生長緩慢,且對重金屬存在選擇作用,不適于多種重金屬復合污染土壤的修復。因此,在選擇修復技術時,應根據污染物性質、土壤條件、污染程度、預期修復目標、時間限制、成本及修復技術的適用范圍等因素加以綜合考慮。
4.發展中存在的問題：
生物修復技術作為近20年發展起來的一項用于污染土壤治理的新技術,雖取得很大進步和成功,但處于實驗室或模擬實驗階段的研究結果較多,商業性應用還待開發。此外,由于生物修復效果受到如共存的有毒物質(Co-toxicants)(如重金屬)對生物降解作用的抑制；電子受體(營養物)釋放的物理;物理因子(如低溫)引起的低反應速率;污染物的生物不可利用性;污染物被轉化成有毒的代謝產物;污染物分布的不均一性;缺乏具有降解污染物生物化學能力的微生物等因素制約。因此,目前經生物修復處理的污染土壤,其污染物含量還不能完全達到指標的濃度要求。
5.應用前景及建議：
隨著生物技術和基因工程技術的發展,土壤生物修復技術研究與應用將不斷深入并走向成熟,特別是微生物修復技術、植物生物修復技術和菌根技術的綜合運用將為有毒、難降解、有機物污染土壤的修復帶來希望。為此,建議今后在生物修復技術的研究和開發方面加強做好以下幾項工作:
(1)進一步深入研究植物超積累重金屬的機理,超積累效率與土壤中重金屬元素的價態、形態及環境因素的關系。(2)加強微生物分解污染物的代謝過程、植物-微生物共存體系的研究以及植物-微生物聯合修復對污染物的修復作用與植物種類具有密切關系。
(3)應用現代分子生物學與基因工程技術,使超積累植物的生物學性狀(個體大小、生物量、生長速率、生長周期等)進一步改善與提高,培養篩選專一或廣譜性的微生物種群(類),并構建高效降解污染物的微生物基因工程菌,提高植物與微生物對污染土壤生物修復的效率。
(4)創造良好的土壤環境,協調土著微生物和外來微生物的關系,使微生物的修復效果達到最佳，并充分發揮生物修復與其他修復技術(如化學修復)的聯合修復作用。
(5)盡快建立生物修復過程中污染物的生態化學過程量化數學模型、生態風險及安全評價、監測和管理指標體系。
結論
綜上所述，我們不難發現由于土壤重金屬來源復雜,土壤中重金屬不同形態、不同重金屬之間及與其它污染物的相互作用產生各種復合污染物的復雜性增加了對土壤重金屬治理和修復難度,且重金屬對動植物和人體的危害具有長期性、潛在性和不可逆性,同時進一步惡化了土壤條件，嚴重制約了我國農業生產的加速發展，所以要更好的防治土壤重金屬污染還需要廣大科研工作者不懈的努力，研發出更好的效率更高的修復治理技術，同時我們還不應該忘記必須加強企業自身的環保意識，提高企業自我約束能力，始終將防治污染積極治理作為企業工作的頭等大事來抓，把企業對環境的污染程度降到最低限度，形成全社會都來重視土壤污染問題的良好環保氛圍，逐步改善我們的土壤生態環境。
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