基于全周期场地概念模型的场地环境精准调查应用案例
李培中, 吴乃瑾, 王海见, 张骥, 荣立明, 李翔, 魏文侠, 宋云
轻工业环境保护研究所, 工业场地污染与修复北京市重点实验室,
全周期场地概念模型可以尽可能准确地表征场地实际污染空间分布和赋存状态，有效支撑后期场地精准修复或风险管控工作.本文以京津冀地区某氯代烃污染场地为研究对象，在污染识别、场地初步调查、详细调查和补充调查各阶段分别构建针对性的场地概念模型.采用薄膜界面探测器和高密度电阻率法等现场快速筛查设备的应用，辅助确定了潜在污染源和重点调查区域；同时针对部分位置大量检出氯代有机物代谢产物氯乙烯，判断该场已经发生较为明显的污染物生物降解现象.通过选取典型钻孔和剖面进行降解指示性产物和组分图谱分析，并结合地下水中氯代烃厌氧生物降解潜力综合评分达到22分的结果，判断该场地具有较强的厌氧生物降解能力.这种逐级优化形成针对场地污染调查的全周期场地概念模型，为精准地掌握该场地实际污染情况提供了良好的工作基础和科学支撑.
长期工业生产活动所产生的水相、气态和固体等不同环境介质的污染, 大部分最终汇存、富集于土壤和地下水中[1, 2], 工业企业搬迁后往往会遗留严重的场地环境污染, 对人体健康[3]、饮用水安全[4]和生态环境[5]等产生威胁, 甚至会造成后果严重的环境污染事件[6].据报道我国面积超过1万m2的污染场地超过50万块, 其中大部分集中在长江三角洲、珠江三角洲和东北老工业基地等重点区域[7].这些污染造成的损失非常巨大, 初步估计修复这些污染场地需要5~50万亿人民币[8].
城市发展、施工扰民和费用压力等因素, 迫使从原来的粗放式的异位扰动修复快速转向精准化的原位修复[9].根据问卷调查和网络检索收集到国内近期137个场地污染修复案例的统计情况来看, 原位修复技术已从10年前的不足2%快速增加到目前的20%左右.近年来以原位化学氧化、原位热脱附技术为代表的创新型原位修复技术快速发展, 对污染场地调查提出了更高的要求.除了传统调查一般给出的主要污染因子、污染程度和污染范围外, 还对污染物赋存情况、区域水文地质特征、潜在污染物总量、污染浓度梯度变化以及潜在迁移转化等细节信息提出了更多的要求[6, 10, 11].因此以高精度场地调查(high-resolution site characterization, HRSC)和全周期场地概念模型(life cycle conceptual site model, LC-CSM)应用为代表的场地环境精准调查技术得以快速发展[12].
场地环境精准调查技术是近年来国外快速发展的热门应用技术之一, 已经成功应用于美国新泽西州、佛罗里达州和加利福尼亚州等多个涉及土壤蒸气入侵、重质非水溶相有机物(DNAPLs)和深层地下水污染等典型污染场地的环境调查和修复阶段[12].目前场地环境精准调查技术还处于发展阶段, 还未形成成熟的定义和完整的技术方法体系, 但是总体来看具有如下关键特征：①尽可能准确全面掌握土壤和地下水污染分布情况, 从而为后期污染修复提供准确“靶点”; ②通过水文地质、地球化学和生物等多元非污染参数, 明确污染物赋存状态及短期动态变化趋势, 支撑污染修复技术选择和实施; ③精确与直观地刻画场地污染特征和赋存环境条件, 有效促进场地环境数据管理和分析.场地概念模型是指通过直观的方式, 表征污染源、暴露途径和潜在受体实际情况, 支撑管理决策[13], 在场地环境精准调查与污染修复全过程中起到至关重要的作用[14], 尤其是在数据缺口弥补和不确定性降低等方面[15].针对场地环境调查、风险评价、污染修复和再利用全过程的全周期场地概念模型(LC-CSM), 近年来成为场地环境管理领域的热门最佳适用技术之一[16, 17].
目前, 国内在污染场地调查阶段所采用的概念模型主要还是基于污染识别的简化初步场地概念模型, 但在初步调查采样和详细调查采样获取大量关于场地污染和水文地质信息后, 大部分并未能够及时更新场地概念模型, 从而导致后期工作过程中出现过度高成本加密采样分析[18]、污染源不清[19]、修复范围误差较大[20]以及未达到预期修复效果等诸多问题的产生.总体来看, 基于全周期场地概念模型的场地环境精准调查技术在国内应用相对较少.因此, 本文以某氯代烃污染场地为研究对象, 在污染识别、初步调查、详细调查和补充调查各阶段分别构建针对性的场地概念模型, 通过全周期场地概念模型尽可能准确地表征实际污染分布和赋存状态, 为后期场地精准修复或风险管控工作提供科学决策支撑, 有效地推动我国场地精准调查技术的应用与推广, 促进污染场地的绿色可持续修复.
1 材料与方法1.1 场地概况
京津冀地区某有机溶剂厂建于1986年初, 占地面积约2 000 m2.该厂以生产乙二氨和二氯乙烷等有机溶剂为主.1990年左右开始停产搬迁, 搬迁时可能存在废弃物倾倒和遗洒等情况.后期该场地在调查前发生较大的土壤扰动现象, 周边区域已经建成居民小区, 现场踏勘时发现调查区域内有刺鼻异味存在.场地周边为市政道路和居民区, 场地南侧有临时道路, 也纳入本地次调查范围, 具体如图 1所示.
场地所在区域地层主要为多层砂与粉土交替, 由上至下分别为杂填土、粉土夹层和细砂.由西向东杂填土层厚度逐步增加, 粉土层厚度逐步加大且变为黏粉, 下方的砂层厚度逐步减少.含水层主要由中细砂及砂砾石层组成, 地下水埋深在10 m左右, 单层厚度小于3 m, 主要受大气降水的影响.年内最低水位出现在5~6月, 年内最高水位一般出现在8~9月.
本场地现场调查采样过程分3次进行, 分别为：第一次为采用传统调查技术结合全面检测分析的初步调查, 第二次采用薄膜界面探测器(membrane interface probe, MIP)和高密度电阻率法(multi-electrode resistivity method)相结合方法的现场辅助判断详细调查[21, 22], 第三次采用基于预测潜在污染边界区域加密法确定详细污染空间分布情况.每阶段调查后根据所获取的污染数据和水文地质信息, 分别构建相应的场地概念模型, 递进优化更新.详细调查共设置14个MIP探测点.每个MIP调查点的调查深度为12 m左右, 间隔采样深度不超过5 cm; 对每个采样点用火焰电离检测器(flame ionization detector, FID)、光离子化检测器(photo ionization detector, PID)和卤素专用检测器(halogen specific detector, XSD)这3种检测器同时进行实时测试分析.同时采用电极集成土壤电导率(EC)检测器, 同步进行土壤电导率测试判断地下土壤质地[23].为了验证MIP的原位探测效果, 设置了6个MIP调查对照采样点进行土壤样品采集与实验室检测分析.此外, 本次调查选用高密度电阻率法, 共布设高密度电法测线2条, 以物探技术对大面积疑似重污染区域进行探测, 并以物探影像判断描绘地下污染及地层现况, 进一步准确评估污染深度与污染区域.土壤样品中挥发性有机物的检测方法为HJ 605, 地下水样品中挥发性有机物的检测方法为HJ 639, 地下水样品中的无机指标检测方法参考GB/T 14848中推荐的分析方法, 另外pH、温度、ORP和DO等参数为地下水采样过程中便携式多参数水质测试仪(Manta 2)现场检测值.常规检测指标样品从采集、流转到实验室检测分析, 全过程严格按国家场地环境调查技术导则规定的质量保证和质量控制措施要求完成.一般情况下场地概念模型可以按照污染场地环境治理全过程的时间序列将其划分为6个阶段：初步场地概念模型、基础场地概念模型、污染表征场地概念模型、修复设计场地概念模型、修复施工场地概念模型和修复后场地概念模型[17].本文重点针对污染场地调查阶段, 因此相应的基于全周期场地概念模型主要包括初步场地概念模型、基础场地概念模型和污染表征场地概念模型这3个阶段.①初步场地概念模型主要是在污染识别后形成, 主要包括潜在关注污染物、潜在污染源、迁移途径和潜在受体等重要信息.②基础场地概念模型主要是在初步调查完成后, 通过获取的场地污染特征和影响污染物赋存的场地水文地质信息后, 对初步场地概念模型进行适当优化更新后形成的.③污染表征场地概念模型是在详细调查完成后, 尤其是使用现场高精度筛选测试方法获取大量数据后, 采用三维可视化表征的方式对场地概念模型进行完善优化而成的.通过场地踏勘、人员访问和资料收集, 初步判定该场地的污染途径主要有：化工产品生产过程中氯代烃等物料存储和使用过程中的遗洒渗漏; 部分区域原工艺中生产储罐可能发生泄漏; 日常产生的生产固废滴落淋溶造成的污染, 潜在污染区域与原生产布局关系较为密切.污染物通过遗洒进入表层土壤, 通过淋虑和渗漏进入下层土壤和地下水, 对场地内的土壤和地下水造成污染.初步场地概念模型如图 2所示.结合初步场地概念模型, 污染识别结果认为该场地土壤和地下水存在被污染的可能, 需要进行下一步的现场调查采样及分析工作.由于该调查地块范围较小, 现场采样时建议采用判断布点和网格布点相结合的方法确定采样位置, 并适当扩大采样范围至场地外临近区域.现场调查采样过程中重点关注污染物为以氯代烃为代表的挥发性有机物, 并考虑其代谢降解产物.初步调查发现土壤中超标污染物主要为苯及氯代有机物, 其中1, 1, 2-三氯乙烷最高检出含量超过1 000 mg·kg-1, 远超过饱和溶解度.污染最严重的点位相对集中, 最大污染深度达到地下10.2 m左右.地下水中VOCs类超标最为严重的是1, 1, 2-三氯乙烷, 最高含量超过500 mg·L-1, 超过其饱和溶解度, 可能存在重质非水溶相有机物(DNAPLs)[24].同时, 发现场地的地层结构特殊, 东西方向剖面的地层结构变异显著.最西侧由上至下分别为杂填土、薄粉土夹层和细砂, 由西向东杂填土层厚度逐步增加, 粉土层厚度逐步加大且变为黏粉, 下方的砂层厚度逐步减少.结合南北方向其他钻孔的剖面变化, 初步分析该场地所在区域西侧部分原可能为一古河道, 后被冲积砂层填平, 建厂前可能进行过人工平整和表层回填.这种特殊地层条件可能造成局部区域内污染物垂直向下迁移速度相对较快, 并在迁移至饱和层后在水平方向横向迁移, 形成相对较大的污染范围.根据这些信息, 场地概念模型可以进行适当的优化更新, 如图 3所示.根据初步采样调查结果和基础场地概念模型, 确定详细调查可以分两阶段进行.首先, 利用MIP和高密度电阻法进行现场辅助调查判断, 初步判定污染源的位置及潜在污染边界; 然后再进行加密的土壤和地下水采样, 这些加密点位主要布设在潜在的污染边界区域, 以核实或确定地下污染物的空间分布情况, 同时根据污染羽的浓度梯度和空间分布情况, 判断场地内主要的污染源分布以及是否存在多个污染源.MIP配置的PID、FID和XSD检测器结果表明, 大部分剖面测量信号表明单独XSD响应值较为明显.通过各点位的XSD测量值进行三维差值分析, 确定了潜在污染区域为原厂区的南部区域, 且污染羽已向外迁移至南侧的临时道路下方.从图 4~6中可以看出不同区域的典型剖面MIP测量信号变化情况, 并且可以判断地下污染物的潜在空间分布情况.图 4为潜在的污染源, XSD测量值从地下1 m(表层1 m内可能存在扰动、挥发和生物降解等作用)开始右上至下不断降低; 图 5为潜在污染羽的边缘区域, 埋深10 m以内XSD数值都很低, 但是到了第一个含水层(10 m左右), XSD异常升高, 说明可能是污染物随水力作用迁移至本区域, 但是含量相对较低; 图 6说明本场地还可能存在其他表层污染源, 但是含量相对较低, 可能是后期污染倾倒或场地扰动造成的污染扩散.另外, 根据高密度电阻法测量的场地典型剖面电阻率结果和现场记录情况推测, 深度1.4 m内的连续高电阻层异常特征可能是由于表层回填土中的建筑垃圾等回填物造成.剖面出现的3处不连续异常高阻区, 则可能为有机污染造成, 最深污染深度可达13.7 m左右.红色箭头表示XSD信号值垂直方向逐步下降, 反映污染物由上至下迁移图 4 潜在污染源区MIP探测点位剖面测量信号变化与污染分布情况判断根据初步调查和详细调查的结果, 综合判断认为污染物在包气带内主要以垂直迁移为主, 同时伴随着土壤气的挥发进行横向迁移; 污染通过垂直迁移进入第一含水层后, 污染物随着地下水流场进行横向迁移, 此时污染物以横向扩散为主.由于此类污染物比水密度大, 进入含水层后继续垂直向下迁移, 通过第一含水层底部的弱透水层时, 大部分污染物被吸附截留.但是该场地范围内第一含水层和第二含水层之间的阻隔层厚度不均匀, 局部厚度较小且存在联通可能, 总体属于一个大的含水层.比水密度大的氯代烃污染物可能局部已经进入第二含水层.因此, 该场地污染概念模型进行了进一步的优化调整, 具体如图 7所示.综合初步调查和详细调查的结果确定场地污染程度和范围后, 发现该场地土壤中大量检出氯代烃代谢产物氯乙烯[25], 且氯乙烯的空间分布情况相对较为广泛, 既在表层重污染区域大量检出, 又在下层土壤中甚至地下水隔水底板的黏土中检出.从图 8中典型剖面中由上至下氯代烯烃类污染的组分图谱可以看出, 浅层(埋深5~8 m)重污染土壤中的PCE占比相对较大, 但是典型的还原脱氯降解产物TCE和1, 1-DCE等占比也较为明显, 尤其厌氧生物降解终端产物氯乙烯, 说明这一区域中发生显著厌氧还原脱氯生物降解作用.同时在10 m以下的深层土壤(饱和层)中氯乙烯占比最大, 说明污染物向下迁移过程中发生较为明显的还原脱氯反应, 并造成氯乙烯的大量聚集.另外, 部分地下水样品中检出氯乙烯厌氧还原最终代谢产物乙烯和强厌氧还原条件指示剂甲烷气, 再次证明该场地具较强的厌氧生物降解氯代烃污染物的能力[26].后期的补充调查时在对地下水中污染物组分变化情况测试的同时, 增加测试了非污染理化特性参数, 尤其重点关注是否有最终厌氧还原降解最终产物乙烯或乙烷存在.结果表明该场地地下水厌氧还原条件良好, 部分区域检出强还原条件的指示剂甲烷, 同时检出氯代烯烃还原降解最终产物乙烯, 最高含量达到0.1 mg·L-1以上.这些都说明了该场地地下水具有良好氯代烃厌氧生物降解潜力[26, 27].根据地下水中各项指标的检测结果, 参考美国EPA地下水氯代烃厌氧生物降解能力综合判断标准对该场地进行综合打分[28], 如表 1所示.结果表明该场地综合得分为22分, 属于厌氧生物降解能力很强的等级, 具有较强的自然衰减降解潜力.前面场地调查阶段全周期场地概念模型的构建和持续优化, 表明除了能够准确表征场地污染分布情况, 还能够基于污染物的赋存情况和转化情况, 对污染物的变化趋势进行适当的预测[29], 从而指导后期的污染修复技术选择.根据后期补充调查获取的污染自然降解信息, 可以对场地概念模型进行进一步优化更新.由图 9可知, 在污染源扩散区发现明显的污染降解情况, 结合场地的实际地层特征可知该场地埋深2 m和5 m处分别有两层粉黏土层(或夹层), 对深层污染物通过气体挥发向上逸散能够起到一定的阻隔作用.这一点从这两层粉黏土层下方氯代有机物的异常增大, 可以推测发生气体聚集现象[30, 31].但是, 同时这些区域可能也会造成湿度、养分和微生物的显著增加, 进而造成氯代烃发生脱氯生物反应, 生成烃类化合物, 因此造成相应的PID和FID测量信号在这一深度范围内明显增加.(1) 本研究通过现场分阶段调查, 逐级优化形成针对场地污染调查的全周期场地概念模型.MIP等现场快速筛查设备的应用, 帮助确定了重点区域和调查对象, 为后期场地详细调查提供了重要的决策支撑.(2) 针对场地详细调查过程中发现该场地土壤中大量检出氯代有机物代谢产物氯乙烯, 判断该场地中氯代有机污染物可能已经发生较为明显的生物降解作用.(3) 通过选取典型剖面和区域进行综合分析测试, 并结合地下水水质综合分析判断污染物自然衰减潜力大小.这些都为精准地掌握该场地实际污染情况提供了良好的工作基础和科学数据支撑.土行者
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