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      污染地塊中高密度非水相液體(DNAPLs)遷移特征及判定調(diào)查技術(shù)研究進(jìn)展

      2018-04-20 08:08:20曹少華
      關(guān)鍵詞:非飽和污染物污染

      高 尚,王 磊,龍 濤,曹少華,陳 檣

      (環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所國(guó)家環(huán)境保護(hù)土壤環(huán)境管理與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210042)

      近年來(lái),隨著“退二進(jìn)三”產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及“退城入園”城市規(guī)劃的推進(jìn),土壤及地下水污染問(wèn)題逐漸成為社會(huì)關(guān)注熱點(diǎn)[ 1-2]。相對(duì)于低密度非水相液體(light non-aqueous phase liquids,LNAPLs),高密度非水相液體(dense non-aqueous phase liquids,DNAPLs)密度大,界面張力低,遷移行為也更復(fù)雜[ 3]。對(duì)于DNAPLs長(zhǎng)期污染的區(qū)域,DNAPLs可通過(guò)溶解相不斷向弱透水介質(zhì)內(nèi)緩慢滲透并在其中擴(kuò)散。這種富含DNAPLs的弱透水介質(zhì)較DNAPLs本身更難被發(fā)覺(jué)和修復(fù)。事實(shí)上,DNAPLs類污染物由于遷移行為復(fù)雜、難以察覺(jué)且在化工類企業(yè)地塊中廣泛存在,已成為土壤和地下水污染的重要來(lái)源。截至2008年,美國(guó)存在15 000~25 000個(gè)氯代烴溶劑污染地塊[ 4]。截至2004年,僅德國(guó)Bitterfeld地區(qū)就有超過(guò)25 km2土壤以及2×108m3地下水遭到氯代烴溶劑污染[ 5]。DNAPLs污染物進(jìn)入環(huán)境后會(huì)對(duì)人體健康帶來(lái)嚴(yán)重危害,如三氯乙烯(trichloroethylene,TCE)可致癌、致畸、致突變[ 6],已被美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(Environmental Protection Agency,EPA)列為優(yōu)先控制污染物[ 7]。

      在DNAPLs污染地塊的調(diào)查評(píng)估中,通過(guò)科學(xué)的判定調(diào)查手段摸清 DNAPLs的分布特點(diǎn),對(duì)于后續(xù)修復(fù)或管控方案的制定具有重要意義。筆者綜述了DNAPLs污染地塊中DNAPLs污染物的遷移特征及近年來(lái)最新的判定調(diào)查技術(shù)。

      1 DNAPLs污染的形成

      1.1 DNAPLs污染的成因

      一般將密度大于1.01 g·cm-3且在水中溶解度小于20 g·L-1的有機(jī)污染物稱為DNAPLs[ 8]53-88。通常,DNAPLs發(fā)生泄漏后,會(huì)在重力作用下遷移進(jìn)入土壤及地下水。若泄漏量較大,DNAPLs可以穿過(guò)整個(gè)非飽和帶到達(dá)飽和帶,在遷移途中亦會(huì)殘留在非飽和帶土壤中。到達(dá)飽和帶的DNAPLs會(huì)緩慢溶解于地下水并隨地下水流動(dòng)而形成污染羽。由于密度比水大,DNAPLs在飽和帶中可繼續(xù)向下遷移,但速度放緩,直至到達(dá)含水層底部[ 9]。含水層底部的DNAPLs較難發(fā)生垂向遷移,積聚后會(huì)向周邊擴(kuò)散。隔水層表面“走勢(shì)”對(duì)DNAPLs的遷移與分布至關(guān)重要[ 10]。對(duì)于被DNAPLs長(zhǎng)期污染的地塊,污染源及污染羽中弱透水介質(zhì)內(nèi)也會(huì)富集一定數(shù)量的DNAPLs。當(dāng)?shù)叵滤腥芙庀郉NAPLs濃度下降時(shí),這些富集DNAPLs的弱透水介質(zhì)會(huì)不斷通過(guò)反滲透作用向地下水中釋放污染物[ 11],[ 12]1-145。

      1.2 DNAPLs污染物種類

      常見(jiàn)的DNAPLs污染物有氯代烴化合物、多氯聯(lián)苯(polychlorinated biphenyl,PCBs)、煤焦油、雜酚油和重油等,基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

      表1 常見(jiàn)DNAPLs污染物的物理化學(xué)性質(zhì)[13]Table 1 Physicochemical properties of common DNAPLs

      1.2.1 氯代烴

      氯代烴化合物是最常見(jiàn)的DNAPLs污染物,其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,具有易揮發(fā)、水溶性低、密度重于水、黏度(viscosity)低等特點(diǎn),應(yīng)用廣泛[ 13-14]。TCE和四氯乙烯(tetrafluoroethylene,PCE)為2種常見(jiàn)的氯代烴化合物,被廣泛用于制造脫脂劑、干洗劑、清洗劑、有機(jī)溶劑和殺蟲(chóng)劑等[ 4],[ 8]53-88(表2)。氯代烴化合物密度較大(約1.46 kg·L-1[ 13]),水中溶解度較大[ 15]、辛醇/水分配系數(shù)(Kow)較小(氯代烴化合物的 lgKow為2.61[ 16]4-98,PCBs的 lgKow范圍為4.5~8.2[ 17]),故其在遷移過(guò)程中被疏水性土壤有機(jī)質(zhì)的吸附量較有限,易以溶解態(tài)富集在孔隙水內(nèi)或進(jìn)入水相形成污染羽。

      表2 氯代烴化合物的性質(zhì)與環(huán)境行為特點(diǎn)[4]Table 2 Properties and environmental behavior characteristics of chlorinated solvents

      1.2.2 PCBs

      PCBs是無(wú)色或淡黃色的黏稠液體,是許多含氯數(shù)不同的聯(lián)苯化合物的統(tǒng)稱。PCBs具有化學(xué)惰性、抗熱性、阻燃性、低蒸氣壓和高介電常數(shù)等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于電力、塑料加工、化工和印刷等行業(yè)領(lǐng)域[ 18]。PCBs具有較強(qiáng)的親脂性和生物蓄積性,故可以通過(guò)食物鏈危害人體健康[ 19],已被EPA歸類為“疑似人類致癌物”[ 17]。作為1968年日本米糠油中毒事件的罪魁禍?zhǔn)?,PCBs于2001年被《關(guān)于持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約》禁止生產(chǎn)[ 20]。PCBs具有較高的辛醇/水分配系數(shù),易吸附在土壤有機(jī)質(zhì)中[ 21],因而其在地下水環(huán)境中遷移性較差。據(jù)此,若在地下發(fā)現(xiàn)PCBs污染,其污染源可能就在附近區(qū)域[ 16]4-98。

      1.2.3 煤焦油

      煤焦油是一種具有刺激性臭味的黑色或黑褐色黏稠液體[ 22-23],是干餾煤制焦炭和氣化過(guò)程中的副產(chǎn)物[ 24],具有致癌性,已被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(International Agency for Research on Cancer,IARC)劃分為第1類致癌物質(zhì)[ 25]。煤焦油成分復(fù)雜,主要包括酚類、芳香烴類、雜環(huán)類化合物和較復(fù)雜的高分子環(huán)狀烴[ 26-27]。煤焦油深加工所得的萘(約占10%~12%)、雜酚油(約占22%~30%)、瀝青(約占50%~55%)等系列產(chǎn)品可用于合成塑料、合成纖維、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥、涂料、助劑及精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)[ 16]4-98,同時(shí)也是冶金、建材、紡織、造紙、交通等行業(yè)的主要原料。相對(duì)于氯代烴化合物和PCBs,煤焦油密度較低(約1.01~1.13 kg·L-1),黏度較高(約為20~50 cP),因此其遷移性較差[ 16]4-98。

      1.2.4 雜酚油

      雜酚油是一種無(wú)色或黃色油狀液體,主要成分為木餾油和礦物雜酚油。雜酚油主要用作消毒劑和防腐劑,其中包含的愈創(chuàng)木酚、苯酚、甲酚和二甲苯酚等會(huì)損害皮膚。此外,雜酚油還含有多種多環(huán)芳香烴類化合物,具有較強(qiáng)的毒性和致癌性[ 25]。在木材處理較為集中的工業(yè)區(qū)常出現(xiàn)雜酚油污染[ 15]。雜酚油的密度和黏度與煤焦油相近,因此其遷移性也較差[ 16]4-98。

      2 DNAPLs污染的特點(diǎn)

      DNAPLs進(jìn)入地下環(huán)境后的行為主要包括遷移、相間分配(液相、吸附相、氣相)及自然降解3個(gè)方面。由于其密度大于水,DNAPLs主要在重力作用下發(fā)生以垂向向下為主的遷移。在遷移過(guò)程中,DNAPLs 會(huì)通過(guò)溶解進(jìn)入液相和揮發(fā)進(jìn)入氣相而形成污染羽,污染范圍顯著擴(kuò)大。對(duì)于未經(jīng)人為調(diào)控的DNAPLs污染地塊,DNAPLs的自然降解速度非常緩慢(如PCBs的半衰期約為40 a[ 28])。在實(shí)際案例中,準(zhǔn)確掌握污染地塊的DNAPLs分布特征有助于降低修復(fù)成本,提高修復(fù)手段的針對(duì)性,對(duì)修復(fù)方案的制定至關(guān)重要[ 15,29]。

      2.1 DNAPLs的遷移

      DNAPLs在地下的遷移主要受重力和地層性質(zhì)影響,同時(shí)也會(huì)受到毛管壓力(capillary pressure, Pc)和流體動(dòng)壓(hydrodynamic pressure)的共同作用[ 10],其中地下水流(或流體動(dòng)壓)影響相對(duì)較小[ 30]。DNAPLs和土壤水在土壤孔隙中接觸時(shí),在兩相界面處會(huì)存在壓力差,這種壓力差稱為毛管壓力。此處的流體動(dòng)壓指DNAPLs受到與其接觸的流動(dòng)地下水的作用力。當(dāng)兩者流動(dòng)方向相同時(shí),流體動(dòng)壓促進(jìn) DNAPLs 遷移,反之起阻礙作用。在地下非飽和帶中,DNAPLs受重力作用向下遷移的同時(shí)也會(huì)發(fā)生橫向遷移現(xiàn)象,受毛管壓力以及地層性質(zhì)〔例如可以影響毛管進(jìn)入壓力(capillary entry pressure, Pce)大小的土壤含水量和孔隙〕影響[ 10,30-32]。DNAPLs在向下的遷移過(guò)程中會(huì)優(yōu)先通過(guò)根孔、裂縫等較大的孔隙形成的優(yōu)勢(shì)通道,并在界面張力(interfacial tension)的作用下在通道壁形成神經(jīng)節(jié)狀殘留(ganglia)[ 33-34]。若DNAPLs泄漏量較小或地下水位較深,DNAPLs會(huì)在遷移中被殘留相“消耗掉”,不能到達(dá)飽和帶[ 10]。降雨時(shí)地下水位發(fā)生波動(dòng),部分殘留的DNAPLs可以直接溶解進(jìn)入地下水,也可通過(guò)雨水的淋溶進(jìn)入地下水,造成持續(xù)污染[ 35]。

      穿過(guò)非飽和帶的DNAPLs進(jìn)入飽和帶后會(huì)在重力作用下繼續(xù)向下遷移。遷移中若遇到低滲透區(qū),DNAPLs會(huì)在其上積累并橫向遷移(遷移方向由低滲透區(qū)表面坡度方向決定[ 10]),尋找向下遷移的路徑繼續(xù)下沉。少量DNAPLs會(huì)克服Pce進(jìn)入低滲透區(qū)內(nèi)[ 31]。與在非飽和帶類似,DNAPLs會(huì)優(yōu)先通過(guò)毛細(xì)管阻力較小的高滲透區(qū)[ 15],若泄漏量足夠大,DNAPLs可以到達(dá)并聚集在含水層底部或遇弱透水層形成DNAPLs池[ 36]。DNAPLs池和遷移路徑上的殘留相會(huì)緩慢溶解于地下水,持續(xù)向地下水中釋放污染物[ 10,15]。

      DNAPLs污染物在地下遷移受其物理化學(xué)性質(zhì)及地質(zhì)條件共同影響。國(guó)內(nèi)外已對(duì)DNAPLs在地下介質(zhì)中的遷移規(guī)律進(jìn)行了大量研究[ 37-46]。影響DNAPLs遷移的因素主要有溶解度、密度、界面張力、黏度、揮發(fā)性、潤(rùn)濕性(wettability)、飽和度(saturation, S)、殘余飽和度(residual saturation, Sr)、相對(duì)滲透率(relative permeability, Kr)、毛管壓力[ 10,15,30]。MING等[ 45]采用相對(duì)滲透率-飽和度模型(relativepermeability-saturation model,RPM)準(zhǔn)確地模擬了PCE在二維沙箱多孔介質(zhì)中的長(zhǎng)期遷移。CHENG等[ 46]研究了2種表面活性劑(胡敏酸和土溫80)對(duì)飽和多孔介質(zhì)中PCE 的遷移分布行為,結(jié)果表明表面活性劑通過(guò)改變多孔介質(zhì)的潤(rùn)濕性,顯著改變DNAPLs 的分布及歸宿。張蔚等[ 9]模擬4種DNAPLs的泄露遷移過(guò)程,結(jié)果顯示隨著滲透率空間變異性的增強(qiáng),DNAPLs 飽和度的空間變異性增大。GERHARD等[ 47]通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究6種 DNAPLs 在砂層中的遷移行為,發(fā)現(xiàn)影響 DNAPLs 遷移停止時(shí)間的最重要參數(shù)為 DNAPLs 密度、黏度以及含水層的平均滲透系數(shù)。SWEIJEN等[ 48]對(duì)比了汞和 PCE 在飽和多孔介質(zhì)中的遷移行為,結(jié)果表明雖然汞較大的黏度增加了其遷移過(guò)程的阻力,但是汞較大的密度是控制其在地下遷移的主要因素。ZHENG等[ 49]通過(guò)數(shù)值模擬方法發(fā)現(xiàn)較大的地下水流速可促進(jìn)多孔介質(zhì)中低黏度 DNAPLs 的水平及垂向遷移,地下透鏡體的存在會(huì)阻礙垂向遷移。此外,DNAPLs混合物的性質(zhì)(溶解度、黏度、潤(rùn)濕性等)與組成DNAPLs的單一純相化合物一般會(huì)有較大差異,故DNAPLs混合物的性質(zhì)不能簡(jiǎn)單以其組成任一化合物的純相性質(zhì)來(lái)推斷[ 15]。

      2.2 DNAPLs的空間分布

      根據(jù) DNAPLs在地下環(huán)境所處的位置,可將 DNAPLs 的空間分布做如下分類[ 10]。

      (1)DNAPLs泄漏只到達(dá)非飽和帶

      如圖1所示,DNAPLs泄漏至地表后,受到重力作用向下遷移。

      圖1 DNAPLs泄漏只到達(dá)非飽和帶時(shí)的分布情況[ 50]Fig.1 Distribution of DNAPLs when they reach the unsaturated zone only

      由于泄漏量少,DNAPLs大多被束縛在非飽和帶的孔隙及裂縫中。隨著地表水和雨水的淋溶,DNAPLs中的污染物組分會(huì)不斷溶解遷移,形成污染羽。此外,DNAPLs揮發(fā)產(chǎn)生的氣相污染物也可通過(guò)擴(kuò)散作用及異重流(density flow)直接溶解進(jìn)入地下水,在地下水位附近形成較淺的溶解相污染羽[ 10],或溶于降雨滲流進(jìn)入地下水中。DNAPLs揮發(fā)產(chǎn)生的氣相污染物的遷移行為見(jiàn)圖2。

      圖2 DNAPLs中揮發(fā)出氣相污染物的遷移行為Fig.2 The behavior of vapors volatilized from DNAPLs

      (2)DNAPLs穿過(guò)非飽和帶沿弱透水層遷移

      如圖3所示,泄漏量較大的DNAPLs可穿過(guò)非飽和帶,進(jìn)入飽和帶,隨后繼續(xù)向下遷移直到在隔水層或弱透水層表面形成DNAPLs池。遷移過(guò)程中,部分DNAPLs被毛管壓力束縛在遷移路徑中的土壤孔隙中。

      DNAPLs穿過(guò)非飽和帶在第1含水層中形成污染羽,同時(shí)也在不連續(xù)的弱透水層表面不斷形成DNAPLs池,溢出的DNAPLs通過(guò)弱透水層邊緣繼續(xù)向下遷移,直至達(dá)到連續(xù)的弱透水層表面。若DNAPLs溢出處距離污染源很遠(yuǎn),追蹤DNAPLs遷移路徑的難度將顯著增加。

      圖3 DNAPLs在連續(xù)和不連續(xù)弱透水層上的遷移[ 50]Fig.3 The migration of DNAPLs on continuous and discontinuous low Permeability aquitards

      (3)多層污染

      如圖4所示,DNAPLs穿過(guò)非飽和帶形成了污染羽,同時(shí)也在第1含水層底部形成DNAPLs池。DNAPLs池通過(guò)含水層底部的裂縫繼續(xù)向下遷移,到達(dá)第2含水層,形成污染羽及污染池。

      圖4 DNAPLs多層污染[ 50]Fig.4 Multilayer pollution of DNAPLs

      (4)DNAPLs進(jìn)入巖石或黏土層裂縫

      如圖5所示,DNAPLs進(jìn)入巖石或黏土層裂縫后,其遷移分布由裂縫系統(tǒng)的性質(zhì)(數(shù)量,密度,尺寸、方向等)決定。由于裂縫可能延伸較廣,因此DNAPLs可在連通的裂縫中發(fā)生較長(zhǎng)距離的遷移[ 51]。裂縫系統(tǒng)具有較強(qiáng)的不可判性,進(jìn)入其中的DNAPLs會(huì)在死端縫隙被捕獲或者殘留在遷移路徑上。殘留在死端縫隙內(nèi)及遷移路徑上DNAPLs是治理的難點(diǎn),是地下水的長(zhǎng)期污染源[ 52-53]。

      圖5 DNAPLs在巖石或黏土層裂縫中的分布[ 10]Fig.5 Distribution of DNAPLs in rock or clay layers

      2.3 DNAPLs的相間分配

      從存在狀態(tài)上劃分,有機(jī)化學(xué)污染物可分為2大類[ 54],此處討論只涉及溶解相、氣相、吸附相和非水相(NAPLs相)。非飽和帶中DNAPLs的相間分配主要為揮發(fā)進(jìn)入土壤氣相和溶解進(jìn)入土壤水中成為溶解相[ 8]53-88。DNAPLs污染物的蒸氣壓越高,越易揮發(fā)。在DNAPLs污染源周?chē)捎趽]發(fā)作用產(chǎn)生的氣相污染物會(huì)在幾周到幾個(gè)月之內(nèi)擴(kuò)散到幾十米外甚至更遠(yuǎn),大大擴(kuò)大了污染范圍[ 55-56]。密度大于空氣的氣相污染物可下沉達(dá)到地下水位,溶解于地下水造成垂向深度較淺的污染[ 10]。溶解進(jìn)入土壤水的DNAPLs可揮發(fā)進(jìn)入氣相或吸附到土壤固相表面上形成吸附相。同樣,吸附相也可以揮發(fā)或溶解[ 30]。劉銳等[ 13]總結(jié)了揮發(fā)性氯代烴(volatile chlorinated hydrocarbons,VCHs)在非飽和帶土壤中的相間分配特征(圖6)。

      Cw、Ca、Cs分別為DNAPLs在土壤水、土壤氣、固體中濃度,單位分別為mg·L-1、mg·m-3、mg·kg-1;Kh、Kd、Kp分別為亨利常數(shù)、液-固分配系數(shù)、氣-固分配系數(shù),單位分別為L(zhǎng)·m-3、L·kg-1、m3·kg-1。

      DNAPLs-水相之間的分配受污染物本身溶解度的影響,由于DNAPLs多為混合物,組成DNAPLs的任一污染物在地下水中的濃度通常遠(yuǎn)低于其溶解度。DNAPLs-土壤氣間的分配主要受污染物的蒸氣壓和沸點(diǎn)影響,而污染物在水相-土壤氣間的分配關(guān)系服從Henry定律[ 57]。與非飽和帶不同的是,飽和帶中的孔隙通常被水充滿,故鮮有考慮氣相,DNAPLs主要是以非水相和溶解相形式存在。

      2.4 DNAPLs污染地塊的周期特點(diǎn)

      隨著時(shí)間的推移,DNAPLs不僅會(huì)發(fā)生空間的遷移,還會(huì)發(fā)生相間的轉(zhuǎn)化和再分配,因此需要對(duì)污染地塊的生命周期進(jìn)行劃分。DNAPLs 在各相中的分布見(jiàn)表3。對(duì)于大部分高溶解度DNAPLs(如氯代烴化合物)污染地塊,其生命周期可以被分為前期、中期、后期3個(gè)階段[ 4,15,58]。

      表3 各周期DNAPLs在各相中的分布情況[ 12]1-145,[ 15]Table 3 The distribution of DNAPLs in each phase in different stages associated

      在前期階段,DNAPLs污染物通過(guò)孔隙及縫隙向地下遷移,并在遷移路徑上產(chǎn)生殘留相。若泄漏量足夠大,DNAPLs會(huì)在隔水層上部匯聚成池。在該階段中,DNAPLs污染物會(huì)不斷地向氣相和地下水液相中轉(zhuǎn)移,形成污染羽,造成一定范圍的污染。除此之外,污染物也會(huì)吸附于土壤或沉積物上形成吸附相。上述過(guò)程主要發(fā)生在高滲透區(qū)。該階段的特點(diǎn)是:污染物主要以高滲透區(qū)的非水相為主;殘留相普遍存在,DNAPLs 池較少;氣相、溶解相污染羽開(kāi)始形成。

      在中期階段,污染物逐漸轉(zhuǎn)移到液相、氣相、吸附相中。需要指出的是,DNAPLs較難通過(guò)地下水流動(dòng)而遷移,污染物主要通過(guò)DNAPLs的溶解進(jìn)入地下水。受PCE的影響,DNAPLs難以直接進(jìn)入滲透性較差的弱透水區(qū)域,而主要是溶解于地下水液相,通過(guò)分子擴(kuò)散進(jìn)入低滲透區(qū)域[ 59-60]。該階段的特點(diǎn)是:DNAPLs池增多,高滲透區(qū)殘留相DNAPLs大量消耗;在擴(kuò)散作用下,溶解在地下水中的污染物逐漸向低滲透區(qū)(弱透水區(qū))擴(kuò)散,在孔隙水中富集并在土壤上大量吸附。

      在晚期階段,非水相DNAPLs往往已經(jīng)消耗殆盡,在溶解、擴(kuò)散、生物降解的作用下,高滲透區(qū)內(nèi)的污染物濃度下降較快,但污染物依舊可以在高滲透區(qū)的地下水中檢測(cè)到,這是因?yàn)楦患诘蜐B透區(qū)內(nèi)的污染物在周邊地下水中污染物濃度下降后發(fā)生反擴(kuò)散作用而向高滲透區(qū)遷移[ 4]。該階段的特點(diǎn)是:非水相的DNAPLs 已幾乎不存在,低滲透性區(qū)內(nèi)的污染物仍將持續(xù)緩慢釋放進(jìn)入地下水中。對(duì)于高溶解度DNAPLs如氯代烴化合物污染地塊,其生命周期以中期、晚期為主,故在實(shí)際修復(fù)工程中,應(yīng)更多地關(guān)注低滲透區(qū)的反擴(kuò)散作用對(duì)污染地塊修復(fù)效果的影響。

      對(duì)于低溶解度DNAPLs(如煤焦油)污染地塊,因污染物具有較低的溶解度及較高的黏度,其污染地塊的生命周期以第1階段為主。此外,高黏度DNAPLs的聚集會(huì)造成區(qū)域土壤滲透系數(shù)下降,阻礙地下水流動(dòng),導(dǎo)致DNAPLs更加難以溶解進(jìn)入地下水,延長(zhǎng)DNAPLs存在時(shí)間[ 15]。對(duì)于此類DNAPLs污染,在實(shí)際工程中應(yīng)更多地關(guān)注污染物在第1階段的遷移情況。

      3 DNAPLs污染的判定

      在地塊污染調(diào)查工作中應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行DNAPLs存在的判定以避免不必要的無(wú)針對(duì)性取樣監(jiān)測(cè),節(jié)約成本,提高效率。DNAPLs存在的判定工作可從地塊歷史資料評(píng)估和地塊現(xiàn)狀數(shù)據(jù)評(píng)估2個(gè)角度開(kāi)展[ 10],[ 16]4-98,詳細(xì)步驟見(jiàn)圖7。

      樣品分析評(píng)估工作首先應(yīng)通過(guò)目測(cè)辨識(shí)DNAPLs是否存在(依據(jù)表4)。由于DNAPLs分布的不規(guī)則和不連續(xù)性,還需通過(guò)分析典型污染物(如TCE、PCE等)并依據(jù)表5判定DNAPLs是否存在。若依然無(wú)法確定DNAPLs存在,則需分析地塊綜合調(diào)查資料。表5中的地塊情況特征可用來(lái)初步判定DNAPLs是否存在。完成上述工作之后,若仍然無(wú)法確定DNAPLs的存在,則需再度檢查前面的工作是否完備,并依據(jù)表6來(lái)論證DNAPLs存在的可能性。檢查結(jié)果符合表6中所列的全部條件,方可判定地塊DNAPLs存在的可能性較低[ 16]4-98。

      經(jīng)過(guò)此判定流程,地塊可被分為3類。第Ⅰ類:已確認(rèn)或高度存在DNAPLs可能性的地塊;第Ⅱ類:中度存在DNAPLs可能性的地塊;第Ⅲ類:低度存在DNAPLs可能性的地塊。

      圖7 判定DNAPLs是否存在的工作流程[ 10],[ 16]4-98Fig.7 DNAPLs occurrence decision chart and DNAPLs site assessment implications matrix

      4 DNAPLs污染的調(diào)查

      DNAPLs調(diào)查技術(shù)根據(jù)調(diào)查對(duì)象可以分為:土壤氣調(diào)查技術(shù)、地下水調(diào)查技術(shù)、土壤調(diào)查技術(shù)。按照調(diào)查方法可以分為:地球物理調(diào)查技術(shù)、非地球物理調(diào)查技術(shù)[ 60]。

      土壤氣體調(diào)查技術(shù)通過(guò)抽取分析土壤中的氣體,由于其不需開(kāi)挖取樣,可以在土壤與地下水采樣分析前快速了解地下污染物的分布情況。土壤氣體濃度低并不能代表DNAPLs不存在[ 61]。

      地下水調(diào)查技術(shù)主要是分析DNAPLs在地下水中的濃度或通過(guò)視覺(jué)與嗅覺(jué)辨認(rèn)DNAPLs是否存在。若地下水中污染物濃度超過(guò)該物質(zhì)純態(tài)溶解度的1%時(shí),通??梢哉J(rèn)為DNAPLs很可能存在。

      土壤調(diào)查技術(shù)主要是分析DNAPLs在土壤中的濃度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)土壤中污染物含量超過(guò)10 g·kg-1,可以認(rèn)為存在DNAPLs[ 10,61]。此外,還可通過(guò)視覺(jué)和嗅覺(jué)辨認(rèn)[ 10,61]。

      4.1 地球物理調(diào)查技術(shù)

      探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)(ground-penetrating radar method,GPR)是通過(guò)發(fā)射高頻率(1~1 000 MHz)電磁波,分析電磁波碰到介電常數(shù)不同的物體而產(chǎn)生反射波的時(shí)間、波型、振幅等屬性,判別反射界面的性質(zhì)與位置,從而達(dá)到判斷地下DNAPLs是否存在及污染分布情況的目的。探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)能夠現(xiàn)場(chǎng)提供實(shí)時(shí)剖面記錄,圖像清晰直觀,工作效率高,重復(fù)性好。地層衰減效應(yīng)和電磁波能量過(guò)低是限制探測(cè)深度的2個(gè)主要因素,正常情況下,探測(cè)深度不超過(guò)30 m,最有效探測(cè)深度不超過(guò)10 m。該技術(shù)的主要局限性在于:僅適用于污染物濃度相當(dāng)高的情形,輕微污染并不適用;要配合傳統(tǒng)土壤采樣分析或其他地質(zhì)調(diào)查結(jié)果,無(wú)法單獨(dú)使用;技術(shù)可靠性與土壤水分及黏土含量息息相關(guān),土壤含水量過(guò)高或黏土層會(huì)大幅減弱GPR 反射訊號(hào)[ 16]4-98,[ 62]。

      電磁波探測(cè)技術(shù)(electromagnetic method, EM)應(yīng)用電磁感應(yīng)原理,在地表發(fā)射圈中通以交流電,可產(chǎn)生隨時(shí)間變化的原生電磁場(chǎng)?;诓煌貙与娦蕴卣鞯牟町?被DNAPLs污染的地層的導(dǎo)電性能比未被污染的地層差),原生電磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變動(dòng)渦電流。通過(guò)記錄變動(dòng)渦電流形成的次生電磁場(chǎng)的強(qiáng)度,了解地層的電導(dǎo)率分布情況即可確定DNAPLs污染分布情況。該方法需要詳細(xì)的地下水文地質(zhì)資料。受地質(zhì)條件限制,界定范圍通常只能達(dá)到60%~80%[ 61-62]。

      表4 目測(cè)法判斷DNAPLs的存在準(zhǔn)則[ 10],[ 16]4-98Table 4 Determining DNAPLs presence by visual examination of subsurface samples

      表5 判斷DNAPLs是否存在的推薦方法[ 10],[ 16]4-98Table 5 Recommendation of methods for estimating the presence of DNAPLs

      表6 排除DNAPLs存在所需的調(diào)查工作要點(diǎn)[ 10]Table 6 Extensive works that can help indicate the absence of DNAPLs

      地電阻影像剖面探測(cè)技術(shù)(resistivity image profiling, RIP)也是通過(guò)探測(cè)地層電導(dǎo)率在水平和垂直方向的變化情況來(lái)判斷DNAPLs污染分布情況。通常在地表上沿測(cè)線布置若干電極,在電流極上以低頻(約1~ 10 Hz)交替直流電通入地下,并在電壓極測(cè)量相應(yīng)電壓,從而獲取測(cè)線下方對(duì)應(yīng)的電阻率分布。一般通過(guò)判斷電阻率較高的異常區(qū)域分布確定DNAPLs污染分布情況。該方法受重金屬(如電纜、金屬管線)和地質(zhì)情況(如巖層或礫石)影響,同時(shí)也無(wú)法分辨污染物的種類[ 16]4-98,[ 62]。

      4.2 非地球物理技術(shù)

      多深度擴(kuò)散元偵測(cè)技術(shù)是通過(guò)在地下不同深度處設(shè)置擴(kuò)散元,來(lái)測(cè)定揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds, VOCs)以及溶解氧濃度。相比于傳統(tǒng)采樣分析,該技術(shù)節(jié)省了時(shí)間與經(jīng)費(fèi),可建立地下污染物的三維分布狀況,但不適用于大面積污染,僅為定性與半定量偵測(cè),仍需與傳統(tǒng)采樣分析實(shí)驗(yàn)配合來(lái)提供精確調(diào)查結(jié)果[ 62]。

      直推式技術(shù)是三合系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)方案的主要調(diào)查技術(shù),采用連續(xù)性的非擾動(dòng)性鉆法,組配不同的附屬設(shè)備,可現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)、分析檢測(cè)、NAPLs偵測(cè)等工作。該技術(shù)的潛力在于可在鉆桿上裝置不同的附屬設(shè)備,以達(dá)到偵測(cè)DNAPLs位置的目的。常見(jiàn)的附屬設(shè)備或依托于該技術(shù)的探測(cè)方法有:膜界面?zhèn)鞲衅?membrane interface probe,MIP)、鹵化物傳感器(halo probe)和地下柔性襯管技術(shù)(flexibleliner underground technologies,F(xiàn)LUTe)等。該技術(shù)的局限性在于其僅適用于砂土、粉土、黏土的地層,在含有卵礫石層中,直推式鉆機(jī)無(wú)法鉆進(jìn),同時(shí)DNAPLs可能沿鉆孔向下遷移[ 16]4-98,[ 62]。

      氡-222(Radon-222)是一種從鈾-238天然分解而得的惰性氣體,普遍存在于含水層的溶解氣體中。沒(méi)有DNAPLs存在時(shí),含水層中氡-222濃度很快達(dá)到平衡并保持不變。當(dāng)DNAPLs存在時(shí),氡-222會(huì)溶解進(jìn)入DNAPLs導(dǎo)致其在地下空間濃度降低。故通過(guò)比較氡-222濃度可判斷DNAPLs分布。該技術(shù)的局限性在于:監(jiān)測(cè)氡-222需要精密復(fù)雜的采樣及分析技術(shù);需事先對(duì)地塊氡-222背景濃度有充分了解,背景值應(yīng)較平均;是一種創(chuàng)新技術(shù),使用時(shí)可供參考的資料不足[ 62]。

      上述每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)與限制(表7),在實(shí)際操作中應(yīng)互相結(jié)合,比較對(duì)照,從而提高調(diào)查的分辨率,提高效率,節(jié)約成本。此外還有很多技術(shù)(如復(fù)電阻率法、電磁波井內(nèi)測(cè)法和氫質(zhì)子磁振法)應(yīng)用范圍較小,此處不贅述[ 61-62]。

      5 結(jié)論與展望

      該文綜述了DNAPLs在地下環(huán)境中的分布特點(diǎn),旨在提高地塊環(huán)境調(diào)查過(guò)程中對(duì)DNAPLs的捕獲效率。判斷DNAPLs污染分布,應(yīng)綜合考慮地塊及其周邊的水文地質(zhì)條件和污染時(shí)間等因素,有針對(duì)性地設(shè)計(jì)調(diào)查方案。

      表7 常用DNAPLs判定調(diào)查技術(shù)Table 7 Common investigation technologies

      在調(diào)查工作中,需注意分層監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)立足于地下水,兼顧土壤,靈活運(yùn)用各種調(diào)查技術(shù),以達(dá)到摸清污染現(xiàn)狀,鎖定污染源的目的。結(jié)合DNAPLs在地下分布特點(diǎn),筆者認(rèn)為在實(shí)際調(diào)查工作中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于弱透水介質(zhì)的調(diào)查,摸清污染源分布,避免修復(fù)結(jié)束后地下水中DNAPLs濃度反彈。在采用地球物理技術(shù)時(shí),反演的多解性會(huì)造成的分析結(jié)果的不確定性,可通過(guò)先驗(yàn)信息的約束及其他調(diào)查方法結(jié)果驗(yàn)證來(lái)提高調(diào)查的準(zhǔn)確度。此外,目前對(duì)于DNAPLs在地下環(huán)境中的遷移行為研究大多忽視了時(shí)間尺度上DNAPLs 對(duì)與其接觸土壤礦物表面性質(zhì)的相互影響。在未來(lái)的研究中需關(guān)注地下孔隙、裂隙等通道表面在DNAPLs 存在的情況下,發(fā)生的性質(zhì)改變及性質(zhì)變化對(duì)DNAPLs遷移行為的影響。

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