上海地區淺層土壤中污染物運移特征分析

葛 佳，陳 敏

（1. 上海市巖土地質研究院有限公司，上海 200072；2. 上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

上海地區淺層土壤中污染物運移特征分析

葛 佳1，陳 敏2

（1. 上海市巖土地質研究院有限公司，上海 200072；2. 上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

結合上海地區淺層土地質特征與現場實驗，分析了重金屬和有機物等污染物在淺部土壤中的運移及污染羽形成特征，對污染分布及其運移規律進行了初步研究，為水土污染防治提供借鑒。

土壤環境調查；土壤污染；污染運移；污染分布；污染羽；污染防治

上海擁有150多年近代工業發展的歷史，從開埠至解放前夕，其工業規模、生產水平均居全國之首。隨著改革開放與經濟發展，上海的城市規模迅速擴大，工業企業的生產規模不斷擴大。由于早期環保意識淡漠、設備陳舊及監管薄弱，導致工業企業的“三廢”排放無序，給廠區土壤造成不同程度的污染。近年來，上海市積極響應國家號召，相繼出臺了環保規章制度，其中《關于保障工業企業及市政場地再開發利用環境安全的管理辦法》（滬環保防[2014]188號）和《上海市經營性用地和工業用地全生命周期管理土壤環境保護管理辦法》（滬環保防[2016]226號），對工業場地的土壤環境調查提出了強制性措施。

然而，目前污染場地調查多數關注污染土壤本身，而對整體場地地質環境考慮缺乏一定的全局觀念。場地作為污染載體，其地質特性與場地污染成因、污染物運移等有著密切的相關性。因此，為了查明場地土壤中污染物的空間分布情況，需要對場地淺層土地質特征、淺層土壤中污染物運移規律進行深入研究。

本文根據重金屬和有機物等污染物在土壤中的運移規律，結合上海地區淺層土地質特征，分析上海地區淺層土壤中污染運移及污染羽形成，并以上海某場地為例，對淺層土中污染分布進行初步研究，以期為更好地開展上海地區場地土壤環境調查提供參考。

1 淺層土壤中污染物運移規律

1.1 污染物在土壤中運移機理

污染物在土壤中的運移主要有地下水的機械過濾作用、離子吸附交替作用和溶解沉淀作用等。由于地質、水文地質環境及污染物的持續時間較長，污染物在土壤環境中的運移非常復雜，往往是多種因素共同起控制作用。

（1）機械過濾作用：因非飽和包氣帶中的空隙相對較大，污染流體中較大的懸浮顆?？梢员话鼩鈳У牡貙舆^濾，這一作用通常發生在包氣帶上部，污染物附著于包氣帶地層中。

（2）離子吸附交替作用[1]：包氣帶介質中，往往帶有正或負電荷的顆粒，如純凈的石英砂帶有負電荷、部分情況下介質表面被污染的正電荷覆蓋等，可以吸附帶異性電荷的顆?；螂x子，如絕大部分有機膠體和細菌等帶負電荷，產生離子吸附交替作用，也是包氣帶“凈化”污染流體的一個重要作用。

（3）溶解沉淀作用：污染流體通常具有一定的酸堿性、礦化度和離子強度，通過包氣帶中的介質時易發生溶解作用，產生新的污染物；部分流體中含有比重較大的離子，在包氣帶中易產生沉淀作用，滯留在包氣帶空隙中。

1.2 重金屬在土壤中遷移規律

土壤重金屬作為土壤溶質，在土壤中的遷移實質上受到重金屬隨土壤水分的遷移，在土壤中的擴散，與土壤顆粒之間、重金屬及其他溶質不同組分之間的化學反應變化，以及被植物吸收等多因素制約和影響。重金屬在土壤中的遷移轉化形式主要有三種類型：（1）物理遷移，即土壤溶液中的重金屬離子或絡離子可以隨水遷移至地面水體；（2）物理化學遷移和化學遷移，即土壤環境中的重金屬污染物與土壤無機膠體結合，發生的遷移及重金屬化合物的溶解和沉淀作用等形式，并溶解和沉淀作用主要受土壤pH、Eh和土壤中存在的其他物質（如富里酸、胡敏酸）的影響；（3）生物遷移，土壤環境中重金屬的生物遷移，主要是指植物通過根系從土壤中吸收某些化學形態的重金屬，并在植物體內積累起來。

1.3 有機污染物在土壤中遷移規律

有機污染物在土壤中的運動過程十分復雜，污染物進入地下水系統要經過三個階段：通過包氣帶的滲漏；由包氣帶進一步向飽水帶擴散；進入飽水帶污染地下水。有機污染物進入包氣帶中，使土壤飽和后，在重力作用下向潛水面垂直運移。在向下運移的過程中，一部分滯留在土壤的孔隙中，對土壤也構成了污染。有機污染物通過包氣帶運移時，在低滲透率地層上易發生側向擴散；而在滲透率較高的地層中有機污染物會在重力作用下垂直向下運移至毛細帶頂部。到達毛細帶的有機污染物在毛細力、重力作用下發生側向及垂向運移，在毛細帶區形成一個污染界面。在這里部分有機污染物進入包水帶對地下水構成污染，部分有機污染物滯留在毛細帶附近。隨著降雨的淋溶作用，滯留在包氣帶及毛細帶的有機污染物會進一步隨雨水進入地下水中，導致地下水污染。對一部分不溶于水的有機污染物中的低密度非水相流體（LNAPL），以液相、氣相形態賦存于地下潛水的表層，會隨地下水位的上下變化而上下移動[2]，當水位經歷一個來回的波動后，都會擴大分布范圍[3]。對一部分不溶于水的有機污染物，如高密度非水相流體（DNAPL），存在于潛水位的底部，地下水的上下波動和水平滲流，也會攜帶部分污染物通過水位波動和擴散殘留于土壤中，由于這部分污染物的密度較大，擴散范圍相對有限。受污土壤經大氣降水或灌溉等作用，有害物質隨入滲水污染淺層地下水，使地下水環境質量受到一定影響[4～6]。

2 上海地區淺層土壤中污染物運移研究

2.1 淺層土地質特征

上海市位于長江三角洲前緣，全區主要是在全新世海侵旋回和構造沉降背景基礎上，通過由長江攜帶的泥沙為主的水流與潮流的共同作用，逐漸堆積形成平坦的濱海平原，其三面環水，內陸河網發育，地勢低平，略呈東高西低緩傾，地面高程一般在2.2～4.5m；其中高程在4.0m以下的地區約占全區總面積的50%左右。與土壤污染相關的土層主要分布在20m以內，上海地區土層特性見表1所示[7,8]。

2.2 污染物運移及污染羽形成

上海地區的淺層土壤主要由回填土、第②層褐黃色黏性土、明暗浜淤泥質土組成?；靥钔帘容^復雜，有渣土、垃圾、磚塊碎石等，空隙較大，是污染物向下運移的通道，對污染物的“儲存”能力較弱。第②層褐黃色黏性土由②1、②2、②3層組成；其中②1、②2層為黏性土為主，呈可塑—軟塑狀，滲透性小，對污染物的“儲存”能力強。②3層受吳淞江等古河道切割影響而廣泛分布，以粉性土、粉砂為主，呈松散—稍密狀，具有滲透性大的特性，污染物隨降雨向下滲透能力強；適當條件時②3層還易產生“流砂”，污染物則隨流砂擴散，擴散范圍較大。明暗浜淤泥質土呈流塑狀，具有高壓縮性、高靈敏度、弱滲透性、流變等特性，污染物不易滲透和擴散，對污染物的“儲存”能力較強。

表1 上海淺部土層基本特性Table 1 Basic characteristics of the soil layer in Shanghai

根據上海地區淺部土層和地下水特征，污染物泄漏產生的污染運移及污染羽形成，如圖1所示。污染源泄漏以后首先通過路面層的空隙、裂隙向下滲漏；穿過回填土層，一般來說，回填土孔隙度高，含水量低，處于包氣帶中，主要以垂直方式向下運移進入②1層褐黃色黏性土層；在②1層中地下水作用下向周圍擴散，一部分比重較輕的污染物經機械過濾、離子交換吸附作用，懸浮在黏性土層中，另一部分比重較大或溶解于水中的污染物隨地下水擴散進入②3層粉性土粉砂層中；該層含砂量較大，處于潛水層中，地下水滲透系數相對較大，污染物擴散范圍大，形成羽狀擴散形態；部分比重較大的污染物沉淀于②3層中，另一部分隨地下水繼續向下及周圍擴散，進入第③層淤泥質土層，部分污染物與淤泥質土層中的物質發生氧化還原、絡合、酸堿及生化等作用，部分如重金屬沉淀于該層中，污染羽的范圍繼續擴大。在這一作用過程中，隨著時間的推移，滲漏量不斷擴大，在地下水的往復升降作用下，污染濃度逐漸增加[9]。

圖1 污染物運移及污染羽形成示意Fig.1 Pollution migration and pollution feathers formation

3 上海某場地實例研究

3.1 項目概況

項目場地位于上海市某工業區，原為染料化工廠，始建于20世紀50年代，于2008年底停產，停產后場地內各種建筑均已拆除，現場地內長滿了蘆葦及雜草。對場地進行土壤環境調查，共布設了113個土壤采樣點，每個采樣點采集2～4層土壤樣品，具體采樣深度根據現場觀測和篩查確定，采集362個土壤樣品，分析參數包括重金屬（銀、砷、鈹、鎘、鉻、銅、鎳、鉛、銻、硒、鉈、汞和鋅，共13種）和有機污染物（揮發性有機物、半揮發性有機物和總石油烴）。調查結果表明，該場地受到重金屬和有機污染物復合污染。

3.2 場地淺層土工程地質特征

本場地勘察最大深度為10.0m，從其結構特征、土性不同和物理力學性質上的差異可劃分為4個工程地質層及其亞層，各層地基土的基本情況見表2。

表2 場地土層基本情況Table 2 Basic situation of soil layer in the site

由土層特性表可知，該場地①1、①2層極易受到污染；②層一般受上層雜填土層中的污染物淋灑作用而被污染，且管線、沉淀池、生產設備等基礎均置于或涉及該層；③層易發生縱橫向不同性的污染，受沉淀池等污染水排放影響使該層可能會受到一定程度的污染；④層除沉淀池基礎埋深可能涉及該層而局部受到污染外，一般污染不易穿越該層。依據場地淺層土工程地質條件分析可知，污染物易在①1、①2、②層中遷移存在，本次場地調查的取樣深度主要位于①1、①2、②層，部分采樣點取樣深度達到③層。

3.3 污染分布與地層的關系

結合本次工程地質剖面和污染物超標水平范圍調查結果，以污染超標較嚴重的土壤采樣點為重點，選取了A-A’和B-B’2個斷面，斷面內土壤樣品的評價結果見表3，并將場地污染物超標范圍與地層結合，形成場地污染分布斷面圖（圖2）。

從圖中可以看出，在現有采樣深度條件下，以《展覽會用地土壤環境質量評價標準》A級標準為界定標準，本場地土壤污染物超標范圍主要涵蓋①1、①2、②層，部分達到③層。此外，超過《展覽會用地土壤環境質量評價標準》B級標準，土壤污染較嚴重的采樣點大多位于填土層（①層）。由此可見，土壤中污染物（重金屬和有機污染物）超標范圍與工程地質條件有一定關系，但由于場地內地層結構變化不大，污染物超標范圍無顯著差異。此外，場地內污染物超標情況主要呈區域分布，超標污染物水平及垂向分布范圍并未主要位于暗浜內，暗浜內污染情況無明顯較暗浜外嚴重的現象。

表3 場地土壤質量評價Table 3 Soil quality assessment in the site

4 結論

場地作為污染載體，其地質特性與場地污染成因、污染物運移等有著密切的相關性。根據淺層土壤污染物遷移規律和上海地區淺層土地質特征的初步研究可知，污染物泄漏產生的污染運移及污染羽先后到達回填土層、②1層褐黃色黏性土層、②3層粉性土粉砂層、③層淤泥質土層，根據不同污染物的特征以及運移機理，污染羽的范圍繼續擴大。同時，隨著時間的推移，滲漏量不斷擴大，在地下水的往復升降作用下，污染濃度逐漸增加。

通過對上海某場地淺層土地質條件與污染分布分析可知，土壤中污染物（重金屬和有機污染物）超標范圍與場地地質條件有一定關系，但由于場地內地層結構變化不大，污染物分布范圍與場地地質條件的相關性不夠顯著。此外，由于上海地區工業污染多為點源污染，加之淺部地質條件以低滲透性土層為主，污染范圍通常呈斑塊化分布，掌握淺層土地質特征與污染分布關系有一定難度。因此，為了查明場地土壤中污染物的空間分布情況（水平和垂向），需要通過更多的實例分析，對上海地區淺層土壤中污染物運移進行更為深入的研究。

圖2 場地土壤污染剖面圖Fig.2 Soil pollution pro fi le of the site

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Analysis of pollutant migration characteristics in shallow soil in Shanghai

GE Jia1, CHEN Min2
(1. Shanghai Geotechnical Engineering & Geology Institute Co., Ltd, Shanghai 200072, China;
2. Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration, Shanghai 200072, China)

We conducted a fi eld experiment in the Shanghai area to analyze the migration of heavy metals and organic pollutants in shallow soil, pollution plume characteristics, and the distribution and migration regularity of pollution to provide reference for soil and water pollution prevention.

soil environmental survey; soil pollution; pollution migration; distribution of pollution; contaminant plume;pollution prevention and control soil[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2004.

P641.3

A

2095-1329(2017)04-0093-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.04.019

2017-06-26

修回日期:2017-08-28

葛佳(1988-),女,碩士,主要從事城市環境地質研究..

電子郵箱:brenda-ge@hotmail.com

聯系電話:021-56063480

上海市科學技術委員會科研計劃項目(14231200503)