[0001] 本发明属于污染场地修复技术领域，具体来说，涉及一种基于3D打印的污染场地应急阻隔屏障建造方法。

[0002] 突发环境污染事件的应急处置是一个难题。突发环境污染事件具有不确定性、污染物短时间内集中排放的特点，若不及时控制，将对地表土壤、地下水、大气等环境介质以及周边人类、植被、生物造成恶劣影响。切断和控制污染源、防止污染蔓延扩散是处置突发土壤污染的有效方法。

[0003] 污染阻隔屏障能够有效控制污染物运移或阻断污染物暴露途径，是污染场地风险管控最常用、有效的技术。目前，压实黏土、土‑土工膜复合水平阻隔屏障在风险管控工程应用较多。然而，与常规污染场地风险管控不同，突发环境污染事件的应急阻控及善后处置要求阻隔屏障施工快速完成、铺设后应急处置机械与设备通行能力好。而传统的压实黏土、土‑土工膜复合水平阻隔屏障，需要压实施工，且需要长时间养护才能阻控污染物，难以满足突发环境污染事件的应急处置需求。因此亟需研发满足突发环境污染应急阻控需求的快速施工方法。

[0039] 下面对本发明的技术方案进行详细的说明。

[0040] 本发明实施例提供一种基于3D打印的污染场地应急阻隔屏障建造方法，如图1所示，包括以下步骤：

[0041] 步骤10，采集污染场地的污染信息。

[0042] 具体包括：记录土壤气味、地下水气味、土壤颜色和地下水颜色。取样土壤、地下水和土壤气进行检测，得到土壤污染物种类和浓度，地下水污染物种类和浓度以及土壤气污染物种类和浓度。查阅资料得到污染场地的地下水流动方向。测量得到污染场地的地面最大坡度。

[0043] 步骤20，根据污染信息，确定阻隔屏障的打印方案。

[0044] 具体包括：

[0045] 步骤201，根据土壤气味、地下水气味、土壤颜色和地下水颜色，确定污染场地的污染边界和污染源所在位置。

[0046] 根据污染边界，确定阻隔屏障的打印边界。优选的，打印边界从污染边界向外延伸3～10m。阻隔屏障的打印边界在污染边界的外围，使得打印区域大于污染区域，阻隔屏障可完全覆盖污染区域。而且，打印边界与污染边界之间的距离为3～10m，即使在打印过程中污染物从污染边界向外发生一定运移，阻隔屏障也可完全覆盖，从而有效控制污染物运移。

[0047] 进一步优选，阻隔屏障的位于污染场地地下水流动方向上游的打印边界从污染边界向外延伸3～5m。考虑到在地下水流动作用下，污染物向地下水流动方向的下游迁移。为了保证阻隔屏障能够对污染物进行充分的阻隔，在位于污染场地的地下水流动方向下游的打印边界从污染边界向外延伸5～10m。

[0048] 步骤202，将打印边界范围内的场地划分为多个打印单元，根据各打印单元的污染物浓度，确定各打印单元的打印厚度。

[0049] 具体的，利用式(1)计算得到各打印单元的打印厚度：

[0050] Ti＝0.2+Si×0.1+Wi×0.1+Max[Si,Wi]×0.1+Ai×0.1,i＝1,2,…,n 式(1)[0051] 式中，Ti表示第i个打印单元的打印厚度，单位为m；n表示打印单元总数。

[0052] Si表示第i个打印单元的土壤污染二进制值。如果第i个打印单元的标志土壤污染物的浓度小于标志土壤污染物对应的二类用地筛选值，则Si＝0。如果第i个打印单元的标志土壤污染物的浓度大于等于标志土壤污染物对应的二类用地筛选值，则Si＝1。其中，所有污染物中，污染物在土壤中的浓度与该污染物对应的二类用地筛选值之比最大的污染物，作为标志土壤污染物。二类用地筛选值参考《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)确定。

[0053] Wi表示第i个打印单元的地下水污染二进制值。如果第i个打印单元的标志地下水污染物的浓度小于标志地下水污染物对应的Ⅳ类地下水限值，则Wi＝0。如果第i个打印单元的标志地下水污染物的浓度大于等于标志地下水污染物对应的Ⅳ类地下水限值，则Wi＝1。其中，所有污染物中，污染物在地下水中的浓度与该污染物对应的Ⅳ类地下水限值之比最大的污染物，作为标志地下水污染物。Ⅳ类地下水限值参考《地下水质量标准》(GB/T
14848—2017)确定。

[0054] Ai表示第i个打印单元的土壤气污染二进制值。如果第i个打印单元的标志土壤气污染物浓度小于标志土壤气污染物的嗅觉阈值对应的浓度，则Ai＝0。如果第i个打印单元的标志土壤气污染物的浓度大于等于标志土壤气污染物的嗅觉阈值对应的浓度，则Ai＝1。其中，所有污染物中，污染物在土壤气中的浓度与该污染物对应的嗅觉阈值之比最大的污染物，作为标志土壤气污染物。嗅觉阈值参考《环境空气和废气臭气的测定三点比较式臭袋法》(HJ 1262—2022)确定。20℃条件下，污染物的嗅觉阈值(A，无量纲值)对应的浓度(C，单‑5 ‑1 ‑1
位为mg/L)计算方法为：C＝a×A×M(a表示换算系数，取值为4.16×10 ·mg·L ·mol ；M‑1
表示污染物的分子质量，单位为g·mol )。

[0055] 例如，突发环境事件中，只有1种污染物为乙苯，乙苯作为标志土壤污染物，乙苯作为标志地下水污染物，乙苯作为标志土壤气污染物。乙苯对应的二类用地筛选值为28mg/‑5kg，乙苯对应的Ⅳ类地下水限值为0.6mg/L，嗅觉阈值对应的乙苯的浓度为7.94×10 mg/L。
打印区域内第6个打印单元的乙苯在土壤中的浓度为55mg/kg，乙苯在地下水中的浓度为
0.23mg/L，乙苯在土壤气中的浓度为0.0023mg/L。则式(1)中，S6＝1，W6＝0，A6＝1，求得第6个打印单元的打印厚度T6＝0.5m。

[0056] 又例如，另外一个突发环境事件中，含有2种污染物，分别为乙苯和甲苯。两种污染物对应的二类用地筛选值分别为28mg/kg、1200mg/k，对应的Ⅳ类地下水限值分别为0.6mg/‑5 ‑4L、1.4mg/L，嗅觉阈值对应的污染物浓度分别为7.94×10 mg/L、3.74×10 mg/L。打印区域内第3个打印单元的土壤中，乙苯和土壤甲苯的浓度分别为22mg/kg、1350mg/kg，两者中甲苯浓度与其对应的二类用地筛选值(1350/1200＝1.125)的比值比乙苯(22/28＝0.79)更大，故以甲苯作为标志土壤污染物。甲苯在土壤中的浓度值大于其对应的二类用地筛选值，故S3＝1。地下水中，乙苯和甲苯的浓度分别为0.66mg/L、1.21mg/L，两者中乙苯的浓度与其对应的二类用地筛选值(0.66/0.6＝1.1)的比值比甲苯(1.21/1.4＝0.86)更大，故以乙苯作为标志地下水污染物。乙苯在地下水中的浓度值大于其对应的二类用地筛选值，故W3＝
1。土壤气中，乙苯和甲苯的浓度分别为0.66mg/L、1.21mg/L，两者中乙苯浓度与对应的嗅觉‑5 ‑5 ‑4 ‑4
阈值(1.55×10 /7.94×10 ＝0.20)的比值比甲苯(2.67×10 /3.74×10 ＝0.71)更大，故以乙苯作为标志土壤气污染物。乙苯在土壤气中的浓度值小于其对应的二类用地筛选值，故A3＝0。利用式(1)求得第3个打印单元的打印厚度T3＝0.5m。

[0057] 优选的，每个打印单元的宽度为1.0～2.0m，长度为10～20m。每个打印单元分层打印，每层打印厚度为0.1～0.2m。

[0058] 步骤203，根据污染场地的地面最大坡度，确定打印方向。

[0059] 具体的，如果污染场地的地面最大坡度≥10‰，则从低处向高处方向打印。即先在污染场地的最低处进行打印，然后逐渐向高处进行打印。

[0060] 如果污染场地地面最大坡度<10‰，则从污染源所处位置向打印边界方向打印。即现在污染源所处位置进行打印，然后逐渐向打印边界进行打印。

[0061] 确定了打印边界、每个打印单元的打印厚度以及打印方向，形成打印方案。

[0062] 步骤30，将钢渣粉、电石渣粉和赤泥粉采用干法充分混合，加入水制备成浆体作为打印原料，根据打印方案，利用3D打印技术在污染场地表面打印生成阻隔屏障。

[0063] 步骤40，在阻隔屏障的表层覆盖黏性土，防止阻隔屏障因失水过快而造成开裂。

[0064] 优选的，为了保证阻隔屏障在在硬化成型前自由水不损失，黏性土的厚度为0.1～0.3m，压实度为50％～75％，含水率为20％～40％。

[0065] 下面提供1个实例和2个对比例。

[0066] 实例1

[0067] 某装载乙苯的运输车辆出现翻车，造成突发土壤污染事件。通过现场勘探，根据土壤气味、地下水气味、土壤颜色和地下水颜色，确定污染场地的污染边界101。如图2所示，结合污染边界101和地下水流动方向103，确定阻隔屏障的打印边界102。

[0068] 沿地下水流方向(即图2中向左的方向)，污染物跨度范围为40m，在地下水流方向上游方向，将打印边界确定为污染边界向外延伸3.5m；在地下水流方向下游方向，将打印边界确定为污染边界向外延伸6.5m；故阻隔屏障在地下水流方向的跨度范围为50m。

[0069] 垂直于地下水流方向(即图2中上下方向)，污染物跨度范围为28m，在两侧各沿着污染边界向外延伸2.0m；故阻隔屏障在垂直于地下水流方向的跨度范围为32m。

[0070] 将阻隔屏障分单元进行建造，每个打印单元201的宽度为2.0m，长度为10m；每个打印单元201分层打印，每层打印厚度为0.1m。故整个阻隔屏障分为80个打印单元。打印喷头的出浆口的高度为0.1m，宽度为0.2m，故每一条打印带的厚度为0.1m，宽度为0.2m。每一个打印单元需要10条打印带。

[0071] 以下以图2中A‑A’截面所在的5个打印单元为例，对打印过程进行详细说明。

[0072] 采集每个打印单元中心位置处的土壤、地下水和土壤气样品，现场快速检测其浓度，结果如表1。

[0073] 表1 5个打印单元对应的乙苯在土壤、地下水和土壤气中的浓度

[0074]

[0075] 得到式(1)中的Si，Wi，Ai值分别为如表2所示。

[0076] 表2 5个打印单元对应的式(1)中的参数值

[0077]打印单元 1 2 3 4 5
Si 0 0 0 1 1
Wi 0 0 1 1 0
Ai 0 0 1 1 0

[0078] 利用式(1)计算各打印单元的打印厚度。由于本实例中每一条打印带的厚度为0.1m，故可以计算得到每个打印单元的打印层数，见表3。

[0079] 表3 5个打印单元对应的打印厚度和打印层数

[0080] 打印单元 1 2 3 4 5打印厚度 0.2 0.2 0.4 0.5 0.3
层数 2 2 4 5 3

[0081] 污染场地的坡度为13‰，故从低处向高处方向打印，即沿着a→b→c→d→e方向打印，如图3所示。因此，第一层打印顺序为a→b→c→d→e，第二层打印顺序为a→b→c→d→e，第三层打印顺序为c→d→e，第四层打印顺序为c→d，第五层打印顺序为d。至此，完成图1中A‑A’截面所在的5个打印单元的打印，如图4所示。

[0082] 最后，在阻隔屏障的表层覆盖黏性土，黏性土的厚度为0.2m，压实度为60％，含水率为30％。

[0083] 应急人员站立在阻隔屏障上，上方空气无明显异位，未对应急处置人员造成嗅觉不适。

[0084] 打印A‑A’截面所在的5个打印单元，共使用打印材料64m3。

[0085] 在最左侧两个打印单元的第一接缝位置301采集样品，测试阻隔屏障的渗透系数。采集样品的直径为20cm，高度为20cm，且样品横截面圆心位于两个打印单元接缝位置上。透水系数测试参考《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)进行。测试得到‑7
样品的渗透系数为3.75×10 cm/s。

[0086] 对比例1

[0087] 使用传统的压实黏土法进行，使用重型碾压机械进行压实覆土。通常覆土压实厚度为0.8～1.2m，本对比例取其均值，即厚度为1.0m。则图1所示的A‑A’截面所在的5个打印3 ‑
单元对应的土壤方量为20×5×1.0＝100m 。传统压实黏土的渗透系数为2.0～7.0×10
6
cm/s。

[0088] 将实例1和对比例1进行对比，可以发现，本发明方法能够显著降低打印材料的方量(少36％)，减少阻隔屏障施工时间。而且，制备的阻隔屏障的渗透系数明显低于传统的压实黏土(约降低1个数量级)。

[0089] 对比例2

[0090] 本对比例与实例1的区别在于，计算阻隔屏障厚度的时候，不考虑污染物的嗅觉阈值，即只考虑污染土壤和污染地下水。利用式(2)计算得到各打印单元的打印厚度：

[0091] Ti＝0.2+Si×0.1+Wi×0.1+Max[Si,Wi]×0.1                式(2)

[0092] 为了方便对比，将实施例1中A‑A’截面所在的5个打印单元的阻隔屏障拆除，重新按照式(2)计算得到各打印单元的打印厚度进行打印。

[0093] 检测的5个打印单元中心位置处的土壤、地下水样品的结果，如表4所示。

[0094] 表4 5个打印单元对应的乙苯在土壤、地下水中的浓度

[0095]

[0096]

[0097] 得到式(2)中的Si，Wi值为如表5所示。

[0098] 表5 5个打印单元对应的式(2)中的参数值

[0099]打印单元 1 2 3 4 5
Si 0 0 0 1 1
Wi 0 0 1 1 0

[0100] 利用式(2)计算各打印单元的打印厚度。由于本对比例中每一条打印带的厚度为0.1m，故计算得到各打印单元的打印层数，见表6。

[0101] 表6 5个打印单元对应的打印厚度和打印层数

[0102] 打印单元 1 2 3 4 5打印厚度 0.2 0.2 0.3 0.4 0.3
层数 2 2 3 4 3

[0103] 从低处向高处方向打印，即沿着a→b→c→d→e方向打印。因此，第一层打印顺序为a→b→c→d→e，第二层打印顺序为a→b→c→d→e，第三层打印顺序为c→d，第四层打印顺序为d。至此，完成图1中A‑A’截面所在的5个打印单元的打印，如图5所示。

[0104] 最后，在阻隔屏障的表层覆盖黏性土，黏性土的厚度为0.2m，压实度为60％，含水率为30％。

[0105] 应急人员站立在阻隔屏障上，上方空气有明显，急处置人员在现场踏勘时，有明显的嗅觉不适。

[0106] 将对比例2与实例1进行对比，可以发现，本发明方法考虑污染物的嗅觉阈值，优化阻隔屏障的厚度，具有优越性。

[0107] 对比例3

[0108] 本对比例在图2中B‑B’截面所在的5个打印单元进行打印。B‑B’截面所在的5个打印单元对应位置的土壤、地下水和土壤气中乙苯浓度与A‑A’截面所在的5个打印单元对应位置的土壤、地下水和土壤气中乙苯浓度相近，因此根据式(1)计算得到的各打印单元的厚度与A‑A’截面所在的5个打印单元相同，即从左到右，打印层数分别为2层、2层、4层、5层、3层。

[0109] 对比例2在打印建造该截面阻隔屏障过程中，除了阻隔屏障打印方向外，其余步骤实施过程与实例1相同。

[0110] 阻隔屏障打印方向为从高处向低处方向打印，即沿着e→d→c→b→a方向打印。因此，第一层打印顺序为e→d→c→b→a，第二层打印顺序为e→d→c→b→a，第三层打印顺序为e→d→c，第四层打印顺序为d→c，第五层打印顺序为d。至此，完成图1中B‑B’截面所在的5个打印单元的打印。

[0111] 同样，在最左侧两个打印单元的第二接缝位置302采集样品，测试阻隔屏障的渗透‑6系数为1.61×10 cm/s。

[0112] 将实例1和对比例3进行对比，可以发现，对于地面最大坡度≥10‰的污染场地，实例1的打印方向能够建筑改变相邻两个单元截面的粘结强度，从而造成截面处试样渗透系数增加大约4.3倍，有利于污染物的阻隔。

[0113] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。