CN105839655B - 一种基坑降水与污染场地整治耦合的清洁基坑降水系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基坑降水与污染场地整治耦合的清洁基坑降水系统，用于实现控制范围场地内的基坑降水与污染场地修复，所述的控制范围场地从上到下包括第一隔水层(1601)、含水层(17)和第二隔水层(1602)，所述的基坑降水系统包括活性渗滤沟(5)、基坑帷幕(2)、抽水井和观测井(4)等设备构件；通过基坑降水的大规模抽排水可以有效的实现对控制范围场地内污染物的清洁作用。与现有技术相比，本发明系统性强，高效地将基坑降水和场地修复中的活性渗滤墙技术耦合为一体，可达到对修复工程场地的环境质量进行长期监测与维护，也可对场地的二次污染进行再修复，可高效地降低工程的总造价，缩短工程的总工期等。
Description
技术领域
本发明涉及一种基坑降水与场地修复耦合技术，尤其是涉及一种基坑降水与污染场地整治耦合的清洁基坑降水系统。
背景技术
在我国社会经济快速发展过程中，水土环境污染问题亟待解决染，而政府和民众也日益意识到我国水土污染的严重性和水土修复的迫切性。
国内外在场地水土修复方面，已经研发了诸如物理修复、化学修复、生物修复等多类方法。基坑降水是在土层中进行中-大型基坑建设过程中，为防止突水涌泥事故，广泛采取的工程措施，其在国内外得到了长足发展，已形成了比较成熟的技术理论体系。工程场地含水层通常埋于深部，人员一般难以直接大面积接触到，这使得含水层尤其是承压含水层水土污染的治理变得十分困难。且目前在工程建设过程中，场地水土治理和基坑降水目前是作为两个独立的过程，这相对于在无污染土层中建设的基坑，势必会延长工程总工期、提高工程总造价。另外，工程场地地下含水层水土环境质量的长期维护也十分困难。
为了解决上述问题，本文提出将基坑降水和场地修复技术复合的基坑降水—场地修复耦合系统，对相关核心构件进行了研发，并将其功能扩展至对工程场地含水层水土环境质量的长期维护方面。如此，在当前形势下，一方面可满足社会对场地环境质量控制的要求，另一方面可降低基坑建设的总造价，并缩短总工期，这无疑是应用前景巨大的技术。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基坑降水与污染场地整治耦合的清洁基坑降水系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基坑降水与污染场地整治耦合的清洁基坑降水系统，用于实现控制范围场地内的基坑降水与污染场地修复，所述的控制范围场地从上到下包括第一隔水层、含水层和第二隔水层，所述的基坑降水系统包括：
活性渗滤沟：设置在控制范围场地的边缘，并用于净化进入控制范围场地内的污染水体，所述的活性渗滤沟底部延伸至第二隔水层内，在活性渗滤沟内从底部到顶部依次设置活性渗滤墙、黏土层和填充条块层，所述的活性渗滤墙的顶部伸入第一隔水层内；
基坑帷幕：设置在控制范围场地内，其底部伸入所述的控制范围场地的含水层内并高于含水层底部；
抽水井：包括疏干井和降压井两种，其中，疏干井设置在基坑帷幕内，其深度与基坑帷幕深度一致；降压井设置在基坑帷幕与活性渗滤沟之间，其底部抵达含水层底部，所述的抽水井在接触含水层的位置还设有活性过滤墙；；
观测井：设置在控制范围场地内外，用于监测控制范围场地内的含水层的水体污染情况，所述的观测井的底部抵达含水层底部；
所述的抽水井还与外部抽水组件连接；包括设置在活性渗滤沟处的第一活性渗滤墙和设置在抽水井处的第二活性渗滤墙。
所述的活性渗滤沟的深度满足：下挖至第二隔水层大于或等于1m。
所述的第一活性渗滤墙由活性渗滤沟的底部堆叠至含水层顶部0.8-1.2m处；此处的第一活性渗滤墙的宽度略小于活性渗滤沟的宽度，第一活性渗滤墙宽度根据工程场地含水层水土污染评估结果确定，一般宽1m～3m区间。
所述的黏土层的厚度为1.5-2.5m；主要适用于防止地下水向上渗出。
所述的填充条块层由材质较硬且密度较小的轻质刚性条块堆叠至地表组成，以便于后期重新取出以更换第一活性渗滤墙的反应模块。
所述的第一活性渗滤墙由内置修复试剂的反应模块组成，所述的反应模块的横向两端分别依次设有凹槽与凸梁，所述的凸梁的宽度小于凹槽的宽度，同一反应模块的两端的凹槽与凸梁的分布朝向正好相反，以使得横向相邻的两反应模块之间的相互镶嵌；
所述的反应模块的纵向两端设置成面向相反的台阶状，且台阶状的外边沿与内边沿的宽度匹配，以便于纵向相邻的反应模块的相互契合。反应模块形态根据第一活性渗滤墙延展形态设置，例如对于圆形活性渗滤沟，位于其中的第一活性渗滤墙也为圆形，可将反应模块设计成半径与第一活性渗滤墙一致的弧面状。反应模块内填充的修复试剂(除污试剂)根据场地污染评估结果进行购买设置。
所述的疏干井和降压井的中心轴线位置均安装有与外部抽水组件连接的第一钢管，位于第一钢管下部的第一过滤管部分从含水层顶部位置直达井底，在第一过滤管部分的外围还安装有第二活性渗滤墙，并使得第二活性渗滤墙上端高出第一过滤管部分顶端，在第二活性渗滤墙的上端还依次设置黏土层和砂土层。抽水井(疏干井、降压井)和观测井具体使用规格和长度主要依据具体基坑工程场地具体降水设计要求确定。
所述的观测井的中心轴线位置安装有第二钢管，第二钢管下端的第二过滤管部分从含水层顶部直达含水层底部，第二过滤管部分的外围设置瓜子片层，并使得瓜子片层高出滤水管顶端，在瓜子片层上部还依次设置黏土层和砂土层。
基坑降水与污染场地整治耦合的清洁基坑降水系统，该清洁基坑降水系统的操作方法具体如下：
(1)根据工程场地的地质勘查资料和基坑建设要求，修建基坑帷幕，进行降水要求设计，划定需要进行环境质量监测的控制范围场地，并根据相应要求构筑清洁基坑降水系统；
(2)在基坑施工过程中，同时启用清洁基坑降水系统，进行基坑降水—场地修复耦合作用；
(3)基坑施工完成后，抽取观测井、疏干井和降压井中的水样分析，分两步进行评估，第一步为先评估活性渗滤墙的除污性能是否达标，若除污性能不达标，则更换相应区域的活性渗滤墙模块，再进行场地污染评估；若除污性能达标，则直接进行场地污染评估；
第二步为评估控制范围场地内全部区域的水样污染成分含量，若水样中污染成分含量不达标，则根据污染分布区域特征，启动全部或部分抽水井，对相应污染分布区域进行抽水修复，直至控制范围场地内的含水层的水样污染达标。
步骤(1)中降水设计通过理论计算和设备布设两过程构成基坑降水体系。控制范围场地划定后，结合工程地质勘察资料，即可设计出活性渗流沟的三维形态；根据场地环境质量调查报告，对主要含水层进行污染评估，厘定出其中主要水土污染组分，并估算出控制范围中含水层中各类主要污染物总量，选择合适的修复试剂，并进行设备整体布设。降水设计的理论计算包括依据《建筑与市政降水工程技术规范》(JGJ/T111-98)、《基坑降水手册》(中国建筑工业出版社，2006)、《供水管井技术规范》(GB 50296-99)、《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)、《建筑基坑工程技术规范》(YB 9258-97)、《基坑工程手册》(中国建筑工业出版社，2009)等规范性文件进行的基坑抗突涌稳定性验算、基坑涌水量计算、井管(包括降压井(抽提井)、疏干井(抽提井)和观测井)结构设计、井管开启方案规划和降水引起的地面沉降预测。降水设计的设备布置包括工程场地的井管布置、抽水泵布置、电力供给布置、地表排水设施布置。并且，考虑到后续场地含水层水土环境质量的长期维护需要，本系统中的基坑降水布井方案应保证基坑降水完成后，部分抽水井能在不妨碍工程运营条件下得到保存。
工程场地含水层水土污染评估中的污染种类的判定主要是依据《中华人民共和国土壤环境质量标准》(GB15618-1995)、《全国土污染状况评价技术规定》(中华人民共和国环境保护部，2008)、《展览会用地土壤环境质量评价标准》(HJ350—2007)、《中华人民共和国地下水环境质量标准》(GB/T 14848-93)等规范性文件进行，水土污染含量估算值是通过场地含水层污染控制范围、含水层顶底界面分布特征、含水层中孔隙比、含水量、地下水体中污染物浓度、土体中污染物浓度计算获得。
修复试剂的选取主要依据地下水及土体中污染物的种类及浓度。例如，通常消除水土重金属污染的活性渗滤墙修复试剂有铁粉、活性炭、石灰石等。
与场地修复相关的设备布设主要有活性渗滤沟的开挖、活性渗滤墙及其上部组件的安置、部分抽水井外侧过滤层物质的布设。考虑到抽水井外层的活性渗滤墙难以替换，故一般根据对场地含水层污染物种类及含量的评估值，向抽水井外层的活性渗滤墙中加入相对超量的修复试剂。
步骤(2)中，配合基坑施工进度进行基坑降水—场地修复耦合作用，是指按照基坑施工组织计划及基坑降水中的井管开启方案，进行操作。由于该过程持续时间一般在一个月以内，相对短暂，故期间不考虑对活性渗滤墙模块进行更换。
步骤(3)中可以通过观测井和抽水井的水样污染物成分对比，进行反应模块除污效能评估，若表现为除污能力很弱，则应该对反应模块进行更换，再进行场地污染评估；否则，可直接进行场地污染评估。场地污染状态评估结果若表现为含水层水污染程度符合工程场地要求，即合格，暂停所有抽水；否则，根据污染分布特征，启动全部或部分抽水井，进行抽水修复，并实时监测反应模块的除污能力和场地污染状态。若反应模块效能明显不足，应暂停抽水，再更换反应模块；若场地含水层水土污染达标，则暂停抽水。
步骤(3)中场地修复是否达标(即控制范围场地内的水样中污染物是否达标)，主要是根据场地内部的各抽水井及各观测井水样中污染物的种类及含量是否达到工程建设要求。在继续抽水修复场地时，基于场地中污染程度的降低，为避免大规模快速抽水引发地表过量沉降，以基坑中轴线为轴，对称地减少开启的井数目或者对称地减小单井流量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(一)系统性强：本发明在进行基坑降水的同时能对含水层中污染水体进行除污，从而修复场地，高效地将基坑降水和场地修复中的活性渗滤墙技术耦合为一体。不同于传统的淋洗抽灌修复技术的是，本发明充分利用了降水过程中的大规模抽排水对场地污染物的清洁作用，省去了人为长时间大规模向土层灌水的困难，也省去了对抽出水的后期大量污染处理的麻烦。
(二)可达到对修复工程场地的环境质量进行长期监测与维护，也可对场地的二次污染进行再修复。
(三)对应用场地扰动较小，可对深部受污染的含水层进行原位修复。
(四)抽水井的第一过滤管部分外围过滤层设置为活性渗滤墙，可有效出去水体中污染物，使得抽出水体无需再次去污处理即可排放。本发明提出模块式活性渗滤墙，便于反应模块的灵活更换，保证了对地下水土污染的修复维护的长期有效性。
(五)可高效地降低工程的总造价，缩短工程的总工期。
附图说明
图1为本发明的平面结构示意图；
图2为本发明的剖面结构示意图；
图3为本发明的抽水井的结构示意图；
图4为本发明的观测井的结构示意图；
图5为本发明的活性渗滤沟的结构示意图；
图6为本发明的反应模块的外侧结构示意图；
图7为本发明的反应模块的内侧结构示意图；
图8为本发明的操作流程示意图；
图中，1-疏干井，2-基坑帷幕，3-降压井，4-观测井，5-活性渗滤沟，6-水流，7-抽水管，8-抽水泵，901-第一钢管，902-第二钢管，1001-第一过滤管部分，1002-第二过滤管部分，1101-第一活性渗滤墙，1102-第二活性渗滤墙，12-黏土层，13-砂土层，14-瓜子片层，15-填充条块层，1601-第一隔水层，1602-第二隔水层，17-含水层，18-含水层水位面，19-反应模块，20-凸梁，21-凹槽，22-外边沿，23-内边沿。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1-2所示，一种基坑降水工程与污染场地整治工程耦合的清洁基坑降水系统，用于实现控制范围场地内的基坑降水与污染场地修复，控制范围场地从上到下包括第一隔水层1601、含水层17和第二隔水层1602，清洁基坑降水系统的主要设备构件包括疏干井1、基坑帷幕2、降压井3、观测井4、活性渗滤沟5、活性渗滤墙11、填充条块层15、抽水泵8、抽水管7。基坑帷幕2按照基坑工程建设要求建筑在控制范围场地内。疏干井1，结构如图3所示，一般钻孔直径800mm，孔轴线安置直径为273mm的第一钢管901，壁厚8mm，其下端的第一过滤管部分1001设置在含水层17至基坑开发最深深度，第一钢管901的末端留有1m～2m的沉淀管，第一过滤管部分1001及沉淀管外围设有由反应模块19组成的小型的第二活性渗滤墙1102，第二活性渗滤墙1102最上端高程出第一过滤管部分10顶1m，在第二活性渗滤墙1102上填充有2m区段的黏土层12和砂土层13。降压井3管径、材质、管外填充物与疏干井1一致，但深度抵达含水层17层底。观测井4，结构如图4所示，一般钻孔直径350mm，采用口径为108mm的第二钢管902，第二钢管902壁厚4mm，其下端的第二过滤管部分1002设置在含水层17顶部至底部，第二钢管902末端留有1m～2m的沉淀管，第二过滤管部分1002及沉淀管外部填充有瓜子片层14，且瓜子片层14高出第二过滤管部分1002顶1m，瓜子片层14上填充有2m区段的黏土层12和砂土层13。各疏干井1、降压井3配套有抽水泵8和抽水管7，在抽水过程中，含水层17内的含水层水位面18变化如图2所示。活性渗滤沟5，其结构如图5所示，平面布局沿着工程场地需进行含水层17环境质量维护的范围开挖。垂向上，活性渗滤沟5应下挖至隔水层内1m深处；活性渗滤沟5宽度略大于第一活性渗滤墙1101宽度，第一活性渗滤墙1101宽度根据工程场地含水层水土污染评估结果确定，一般宽1m～3m区间；第一活性渗滤墙1101由反应模块19组成，反应模块19，其结构如图6和图7所示，形态根据活性渗滤沟5延展形态设置。例如对于圆形的活性渗滤沟5，可将反应模块19设计成半径与第一活性渗滤墙1101一致的弧面状，反应模块19两端设置凹槽21和凸梁20，凸梁20宽度小于凹槽21宽度，以便于相邻模块19之间相互横向镶嵌；反应模块19上下边沿设置成面向相反的台阶状，模块台阶状的外边沿22宽与台阶状内边沿23一致，以便于上下相邻反应模块19相互契合；反应模块19主体内部填充的除污试剂和透水格网根据场地污染评估结果进行购买设置。第一活性渗滤墙1101由反应模块19从活性渗滤沟5底向上堆叠至含水层顶以上1m左右处。第一活性渗滤墙11上填充有厚2m左右的黏土层12和填充条块层15，填充条块层15由轻质刚性条块堆叠而至地表，以便于后期重新取出以更换第一活性渗滤墙1101中的反应模块19。第二活性渗滤墙1102的组成与第二活性渗滤墙111类似。
如图8所示，本实施例提供一种基坑降水工程与污染场地整治工程耦合的清洁基坑降水系统的操作方法，包括以下步骤：
在步骤101中，根据工程场地地质勘查资料、基坑建设要求，修建基坑帷幕2后，进行降水设计，划定工程场地环境质量控制范围。其中，降水设计通过理论计算和设备布设两过程构成基坑降水体系，确定包括疏干井1、降压井3的规格及空间分布，确定降水井管开启方案，也确定降水配套设施的空间布置。
场地环境质量监控范围划定后，结合工程地质勘察资料，即可设计出活性渗流沟的三维形态；根据场地环境质量调查报告，对主要含水层进行污染评估，厘定出其中主要水土污染组分，并估算出控制范围中含水层17中各类污主要染物总量，选择合适的场地修复试剂，按照降水设计要求及场地修复设计要求规划观测井4，并进行设备整体布设。其中，工程场地含水层水土污染评估中的污染种类的厘定主要是依据《中华人民共和国土壤环境质量标准》(GB15618-1995)、《全国土污染状况评价技术规定》(中华人民共和国环境保护部，2008)、《展览会用地土壤环境质量评价标准》(HJ350—2007)、《中华人民共和国地下水环境质量标准》(GB/T 14848-93)等规范性文件进行。水土污染含量估算值首先通过场地含水层污染控制范围、含水层顶底界面分布特征、含水层中孔隙比、含水量，确定水土污染控制范围内水土体量；再将地下水体中污染物浓度、土体中污染物浓度，分别与算的地下水总体量、土体总体量相乘，分别获得含水层17地下水体及土体中的污染总量。
在步骤102中，在基坑降水—场地修复耦合体系构建完毕后，按照降水设计方案，配合基坑施工进度，开启井管抽水作业，通过观测井4对场地降水效果和场地修复效果进行监测，保证基坑降水—场地修复耦合作用的有效进行。
在步骤103中，基坑建设完工并稳定后，停止基坑降水作业。通过观测井4及疏干井1、降压井3中水样污染物成分对比，进行反应模块19除污效能评估，评估后，即可对疏干井1进行回收。若除污效能评估结果表明反应模块19表现为除污能力很弱，第一活性渗滤墙1101内外两侧水样中污染成分及含量未发生明显变化，则应该对反应模块19进行更换，再进行场地污染评估；否则，可直接进行场地污染评估。场地污染状态评估结果若表现为含水层水污染程度符合工程场地要求，即合格，暂停所有抽水；否则，根据污染分布特征，再次启动全部或部分降压井3，进行抽水修复，并通过观测井4水样实时监测反应模块19的除污能力和场地污染状态。若反应模块19效能明显不足，暂停抽水，更换反应模块19；若场地含水层17水土污染达标，则停止抽水。对观测井4水样污染需持续监测，以防工程场地含水层17遭受二次污染。
考虑到抽水井外层小型的第二活性渗滤墙1102难以替换，故一般根据对场地含水层污染物种类及含量的评估值，向第二活性渗滤墙1102中加入相对超量的除污试剂。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基坑降水与污染场地整治耦合的清洁基坑降水系统，用于实现控制范围场地内的基坑降水与污染场地修复，所述的控制范围场地从上到下包括第一隔水层(1601)、含水层(17)和第二隔水层(1602)，其特征在于，所述的基坑降水系统包括：
活性渗滤沟(5)：设置在控制范围场地的边缘，并用于净化进入控制范围场地内的污染水体，所述的活性渗滤沟(5)底部延伸至第二隔水层(1602)内，在活性渗滤沟(5)内从底部到顶部依次设置活性渗滤墙、黏土层(12)和填充条块层(15)，所述的活性渗滤墙的顶部伸入第一隔水层(1601)内；
基坑帷幕(2)：设置在控制范围场地内，其底部伸入所述的控制范围场地的含水层(17)内并高于含水层(17)底部；
抽水井：包括疏干井(1)和降压井(3)两种，其中，疏干井(1)设置在基坑帷幕(2)内，其深度与基坑帷幕(2)深度一致；降压井(3)设置在基坑帷幕(2)与活性渗滤沟(5)之间，其底部抵达含水层(17)底部，所述的抽水井在接触含水层(17)的位置还设有活性过滤墙；
观测井(4)：设置在控制范围场地内外，用于监测控制范围场地内的含水层(17)的水体污染情况，所述的观测井(4)的底部抵达含水层(17)底部；
所述的抽水井还与外部抽水组件连接，所述的活性渗滤墙分为两种，包括设置在活性渗滤沟(5)处的第一活性渗滤墙(1101)和设置在抽水井处的第二活性渗滤墙(1102)。
2.根据权利要求1所述的一种基坑降水与污染场地整治耦合的清洁基坑降水系统，其特征在于，所述的活性渗滤沟(5)的深度满足：下挖至第二隔水层(1602)大于或等于1m。
3.根据权利要求1所述的一种基坑降水与污染场地整治耦合的清洁基坑降水系统，其特征在于，所述的第一活性渗滤墙(1101)由活性渗滤沟(5)的底部堆叠至含水层(17)顶部0.8-1.2m处；
所述的黏土层(12)的厚度为1.5-2.5m；
所述的填充条块层(15)由轻质刚性条块堆叠至地表组成。
4.根据权利要求1所述的一种基坑降水与污染场地整治耦合的清洁基坑降水系统，其特征在于，所述的第一活性渗滤墙(1101)由内置修复试剂的反应模块(19)组成，所述的反应模块(19)的横向两端分别依次设有凹槽(21)与凸梁(20)，所述的凸梁(20)的宽度小于凹槽(21)的宽度，同一反应模块(19)的两端的凹槽(21)与凸梁(20)的分布朝向正好相反，以使得横向相邻的两反应模块(19)之间的相互镶嵌；
所述的反应模块(19)的纵向两端设置成面向相反的台阶状，且台阶状的外边沿(22)与内边沿(23)的宽度匹配，以便于纵向相邻的反应模块(19)的相互契合。
5.根据权利要求1所述的一种基坑降水与污染场地整治耦合的清洁基坑降水系统，其特征在于，所述的疏干井(1)和降压井(3)的中心轴线位置均安装有与外部抽水组件连接的第一钢管(901)，位于第一钢管(901)下部的第一过滤管部分(1001)从含水层(17)顶部位置直达井底，在第一过滤管部分(1001)的外围还安装有第一活性渗滤墙(1101)，并使得第一活性渗滤墙(1101)上端高出第一过滤管部分(1001)顶端，在第一活性渗滤墙(1101)的上端还依次设置黏土层(12)和砂土层(13)。
6.根据权利要求1所述的一种基坑降水与污染场地整治耦合的清洁基坑降水系统，其特征在于，所述的观测井(4)的中心轴线位置安装有第二钢管(902)，第二钢管(902)下端的第二过滤管部分(1002)从含水层(17)顶部直达含水层(17)底部，第二过滤管部分(1002)的外围设置瓜子片层(14)，并使得瓜子片层(14)高出滤水管顶端，在瓜子片层(14)上部还依次设置黏土层(12)和砂土层(13)。
7.根据权利要求1-6任一所述的基坑降水与污染场地整治耦合的清洁基坑降水系统，其特征在于，该清洁基坑降水系统的操作方法具体如下：
(1)根据工程场地的地质勘查资料和基坑建设要求，修建基坑帷幕(2)，进行降水要求设计，划定需要进行环境质量监测的控制范围场地，并根据相应要求构筑清洁基坑降水系统；
(2)在基坑施工过程中，同时启用清洁基坑降水系统，进行基坑降水—场地修复耦合作用；
(3)基坑施工完成后，抽取观测井(4)、疏干井(1)和降压井(3)中的水样分析，分两步进行评估，第一步为先评估活性渗滤墙的除污性能是否达标，若除污性能不达标，则更换相应区域的活性渗滤墙模块，再进行场地污染评估；若除污性能达标，则直接进行场地污染评估；
第二步为评估控制范围场地内全部区域的水样污染成分含量，若水样中污染成分含量不达标，则根据污染分布区域特征，启动全部或部分抽水井，对相应污染分布区域进行抽水修复，直至控制范围场地内的含水层(17)的水样污染达标。
8.根据权利要求7所述的一种基坑降水与污染场地整治耦合的清洁基坑降水系统，其特征在于，活性渗滤墙的除污性能是否达标的评估方法为：抽取并检测观测井(4)和抽水井中的水样，对比通过活性渗滤墙前后的两部分水样的污染物浓度，若两部分水样的污染物浓度趋于一致，则表示除污性能不达标。
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