場地污染探測技術的研究進展

羅勇霖，陳泯均 ，藍俊康

(1.桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院，廣西 桂林 541004；2.廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，廣西 柳州 545006)

場地的污染主要由于石油的開采、化工生產(chǎn)、醫(yī)藥制造及礦業(yè)活動造成的，常規(guī)的污染源主要來自工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)業(yè)化肥、大氣沉降和土壤微生物等。如石油開采時，由于油氣揮發(fā)物與空氣中其他氣體在太陽光的照射發(fā)生了物理化學反應而產(chǎn)生了某些有害氣體，經(jīng)過大氣沉降及地下水循環(huán)后污染了場地；又如地下油罐和輸油管線被腐蝕后發(fā)生滲漏，對土壤及地下水造成了污染，從而造成了場地污染。化工生產(chǎn)、醫(yī)藥制造及礦業(yè)活動大都如此，但污染的方式不同。如河南“鎘麥”事件：2017年3月23日，環(huán)保公益組織“好空氣保衛(wèi)俠”在河南新鄉(xiāng)市鳳泉區(qū)塊村營村南開發(fā)區(qū)河邊的麥地取樣化驗，結果顯示，距河4米處的土壤鎘含量為20.2 mg/kg，是土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準的67.3倍，三級標準的20.2倍。在距河100 m處取土壤化驗，鎘含量為12.4 mg/kg，是二級標準的41.3倍，三級標準的12.4倍。其他事例還有諸如雄安新區(qū)場地污染污染事件、江西“鎘大米”事件等。從癌癥村到西南地區(qū)土壤重金屬污染，從污染企業(yè)傾倒廢液到汞大米、鉛小麥層出不窮。資料顯示，我國土壤總的點位超標率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。南方土壤污染重于北方，長三角、珠三角、東北老工業(yè)基地等部分區(qū)域土壤污染問題較為突出，西南、中南地區(qū)土壤重金屬超標范圍較大。目前，我國場地污染的情況還是相當嚴重的。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國污染場地約在30萬～50萬塊左右。

土地是人類賴以生存的場所，若受到了嚴重的污染，將導致一系列問題的發(fā)生，受影響最嚴重的是農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，作為一個人口近14億的國家，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)問題，后果是極其嚴重的。土地污染對人體健康的影響也很大，人體在長時間處于污染環(huán)境下會危機到生命的安全。此外，場地污染還會導致其他環(huán)境問題，污染物借助風力和水循環(huán)系統(tǒng)進入大氣和地下水，由點源污染擴散到面，進而越來越大。所以場地污染的修復刻不容緩。這些污染場地，如果僅憑自然界自身的修復能力和污染物自然的衰減速度來修復污染場地(是指利用污染物天然的衰減修復能力，不會對環(huán)境造成二次污染且對生態(tài)環(huán)境及土地的干擾程度小)，一時半會是無法修復的，尤其是一些重金屬污染及污染物難以降解的污染場地[1]。場地污染具有一定的隱蔽性，通常情況下只有通過土壤化學監(jiān)測及農(nóng)作物的殘留檢測才能知其影響及污染程度[2]；如果僅僅依靠人體器官去接觸或感受才知其受到污染，這種情況大多被忽略，而且大多數(shù)污染物又是無色無味的。近幾年我國為了治理場地污染，已投入了大量的財力物力人力。例如：2016年4月25日，武漢赫山的原武漢農(nóng)藥廠地塊，該場地土壤被嚴重污染，為了治理，2014年9月通過驗收時經(jīng)過核算，發(fā)現(xiàn)整個“解毒”工程耗資約2.8億元。

對污染場地的修復治理，首先要知道其污染物、污染源、污染程度、污染深度等各項信息，才好對癥下藥，才知道如何去治理，但在很多情況下人們并不能完全了解污染場地的這些信息，這就需要對場地作更深的探索，同時也需要更加先進的探測技術。對污染場地的探索，我國主要用傳統(tǒng)的鉆孔探測技術，而對于鉆探技術之外的其他手段(如地球物理探測技術、同位素探測技術)的使用相對較少，目前需要加強對這些技術的掌握與嫻熟的運用。

1 場地污染的概念及勘察的內(nèi)容

場地污染是指對潛在污染場地調(diào)查和風險評估后，確認污染危害超過人體健康和生態(tài)環(huán)境可接受風險水平的場地，一般是指在一定空間區(qū)域上的土壤及含水層中污染物濃度及暴露量達到不可接受的生態(tài)或健康水平，或者已經(jīng)超越國家及地方限定值的現(xiàn)象。最常見的是普通地基土受到工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的三廢(廢氣、廢液、廢渣)或者生活垃圾滲濾液侵蝕，而使土質(zhì)發(fā)生化學變化，改變了土的原有性狀的一類土。

場地污染主要是其土質(zhì)受到了污染，導致其物理性質(zhì)及力學性質(zhì)發(fā)生了很大的變化，可稱為污染土。地基土被污染時，土粒之間的膠結鹽類被溶蝕，膠結強度被破壞，鹽類在水作用下溶解流失，導致土孔隙比和壓縮性增大，進而土的抗剪強度降低，承載力下降；此外，土顆粒被污水腐蝕時形成的新物質(zhì)在土的孔隙中產(chǎn)生相變結晶而膨脹，引起土的強度降低。場地土質(zhì)受污染后顏色發(fā)生變化，一般變成黑色、黑褐色、深灰色、棕紅、杏紅色或有鐵銹爽點等，與正常土的顏色不同；土的狀態(tài)一般也發(fā)生相應改變，如原來為可塑硬塑態(tài)的會轉(zhuǎn)變成軟塑或流塑。被污染土層往往具有蜂窩狀結構，顆粒分散，表面朝糙，甚至出現(xiàn)局部空穴；有特殊刺激的難聞氣味等[3]。

在我國，場地污染一般發(fā)生是因為工業(yè)企業(yè)(尤其是化工類)、礦業(yè)和商業(yè)等人類經(jīng)濟活動引起的。在這些活動中由于長時間的堆積、儲存、處理、處置或因為遷移等因素使當?shù)氐耐寥兰暗叵滤休d了有害物質(zhì)，而場地地下水的運動又促使場地的污染范圍擴大。在中國，由于歷史原因，在城市規(guī)劃上缺乏一定的前瞻性，很多企業(yè)都建在城市內(nèi)，而當時中國的科學技術不是很發(fā)達，隨著中國深化改革，經(jīng)濟快速發(fā)展，很多企業(yè)向城區(qū)郊區(qū)或成本更低的區(qū)域搬離，而原址由于后期的處理及科學技術的局限性導致了場地的污染。久而久之，隨著地下水及大氣沉降，場地污染逐漸地擴大，不斷深入地下。在中國場地污染可分為以下幾種：

(1)重金屬污染場地。主要來自一些鋼鐵冶煉企業(yè)、尾礦及化工行業(yè)固體廢棄物的堆存場，代表性的污染物主要有砷、鉛、鉻等。由于先前的規(guī)劃及技術等問題導致場地污染，這種污染相對難以治理，大多發(fā)生在中國的北方，嚴重影響到了周邊居民的生活，尤其是飲用水。在這類場地，就需要做工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘察，以了解重金屬污染對巖土及地下水的污染程度、深度及范圍[4]。

(2)持久性有機污染物污染場地。在中國上個世紀90年代，在農(nóng)業(yè)林業(yè)生產(chǎn)中廣泛的使用過殺蟲劑類POPs，主要成分是滴滴涕、六氯苯、氯丹及滅蟻靈等，現(xiàn)在這些藥品都是禁藥。但由于以前使用過，導致場地被污染，而且這種污染還是較難處理的，至今很多土壤中都還有殘留。對于持久性有機污染物，建議使用同位素示蹤法對其整體的污染情況做一個全面的勘察[5]。

(3)石油、焦化等污染場地。對于這類含有有機溶劑的污染物，建議用地球物理勘探技術中的電磁法勘察該場地的石油滲漏源、污染源及焦化的整體情況。

(4)電子廢棄物污染場地等。粗放式的電子廢棄物的堆積，導致了場地的污染，主要的污染物是阻燃劑和二惡英類等劇毒有害物質(zhì)[6]。

場地污染的治理及修復是人類面臨的又一個嚴峻的問題，在治理和修復之前應掌握以下基本信息：(1)自然環(huán)境及地質(zhì)狀況，包括場地的地形地貌、水文氣候條件、場地地下水埋深及流向、地質(zhì)巖層結構、水文地質(zhì)條件等[7]，以便后期治理時有一個更好的抉擇。(2)場地污染的基本信息。包括污染范圍、污染類型、污染來源、污染程度及污染物等信息。只有充分了解到這些信息，治理及修復時才能對癥下藥。這些信息的獲得需要通過訪問原污染企業(yè)的相關人員和查閱原污染企業(yè)生產(chǎn)原料、生產(chǎn)工藝流程、廠區(qū)分布圖等資料。(3)治理及修復時是否會出現(xiàn)二次污染。若場地附近有居民，在治理時又應當如何妥善安置，以及在治理過程中是否對附近居民的財產(chǎn)及生命安全有影響，如果有，應提出科學的應急方案。(4)治理過程中如何作好施工管理及對環(huán)境進行有效的監(jiān)測，如需要在何處布置地下水監(jiān)測孔、提出適宜的監(jiān)測頻率[8]。

2 地球物理探測技術

地球物理探測技術(簡稱物探)是通過研究和觀測各種地球物理場的變化來探測地層巖性、地質(zhì)構造等地質(zhì)條件。由于組成地殼的不同巖層介質(zhì)往往在密度、彈性、導電性、磁性、放射性以及導熱性等方面存在差異，這些差異將引起相應的地球物理場的局部變化。通過量測這些物理場的分布和變化特征，結合已知地質(zhì)資料進行分析研究，就可以達到推斷地質(zhì)性狀的目的。物探方法兼有勘探與試驗兩種功能，和鉆探相比，具有設備輕便、成本低、效率高、工作空間廣等優(yōu)點。但物探技術不取樣，也不能直接觀察地下巖土體，故往往需與鉆探配合使用[9]。

在我國，大多數(shù)的工程勘察場地污染的方法都是用傳統(tǒng)的鉆孔探測法，對污染場地的勘查中，第一步為鉆孔取樣，現(xiàn)場和室內(nèi)工作的主要工作任務是以鉆孔和取樣為主，這樣的方法雖然精確，但不利于大面積展開而且費時費力，若將該部分內(nèi)容改成用物探方法勘測目標場地則更為妥帖，因為勘察時需要測試污染土的物理和水力性質(zhì)，這就需要土樣保持物理力學指標的原狀性。地球物理勘探方法作為新興的非侵入性檢測方法，具有經(jīng)濟、快速、準確及檢測范圍廣等優(yōu)點，對污染場地的檢測具很強的可行性和推廣價值[10]。

土是由固液氣組成的三相體系，通常意義上未污染的土中的液相是水。污染組分介入后使水中成份增加或水被其他液相污染物所代替，導致污染土的特性有異于正常土，一般來說污染物的介入會導致土的電阻率下降，因此電阻率法是一種可行性很強的方法。當有機污染物進入地下土壤和含水層介質(zhì)后，介質(zhì)的導電能力、介電常數(shù)以及介質(zhì)中波的傳播速度發(fā)生變化[11]。此外，土體受污染后，其成分也發(fā)生了變化，導致其性質(zhì)也會相應發(fā)生改變，使得污染土在勘測儀器中的反映就異于周圍的正常土，非侵入性的物探方法都能夠勘測出這種異常。因此除了電阻率法外，電阻率/電導率法，電磁法，地質(zhì)雷達也能夠直接探測到由于污染而導致土體性質(zhì)變異的情況；地震反射/折射波法，天然伽馬測井和磁法雖不能直接探測出污染物的具體范圍[12]。但是能夠探測出地下的構造情況，探明了污染物可能存在的地方，能勘測出污染范圍提供有助的手段，各類物探方法在污染場地的利用詳見表1所列。

表1 地污染常用地球物理探測方法

地球物理勘探技術在場地污染勘察中取得很好的效果，這些技術在國內(nèi)外都有很好的應用例子：如西密歇根大學的William et al等[13]人使用地質(zhì)雷達成功探測美國Wurtsmith空軍基地的場地污染及地下水污染是由石油類污染物造成的；Lago et al等[14]采用電阻率和探地雷達方法對巴西圣保羅州里背朗普雷圖市廢物處理區(qū)污染場地進行了勘察，探測出該地區(qū)的污染主要是由潤滑油引起的。國內(nèi)在利用地球物理方法調(diào)查污染場地方面也取得了不少成果。如閆永利等[15]在阿蘇衛(wèi)垃圾填埋場使用大地電磁法對地下水污染進行了研究，刻畫了垃圾填埋場污染區(qū)域及程度；南京大學在長江邊某化工廠有機污染場地調(diào)查中，采用高密度電阻率法對含水層中的DNAPLs進行探測，結果顯示該方法與實際鉆孔調(diào)查結果具有很好的相似性；周迅等[16]使用地質(zhì)雷達方法對宜興地區(qū)儲油罐泄漏污染進行調(diào)查評價，也取得了較好的效果。還有一些其他方法，如Dimzon等[17]利用氣相色譜-質(zhì)譜法和液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法研究了菲律賓圣巴勃羅市3個火山口湖的有機污染物來源，結果表明，3個湖泊中的有機污染物主要來自農(nóng)業(yè)、水 產(chǎn)養(yǎng)殖、居民生活和生態(tài)旅游活動，且規(guī)模小的湖泊承受的環(huán)境壓力更大。

3 同位素探測技術

同位素，一般指原子核內(nèi)部質(zhì)子數(shù)相同中子數(shù)不同的那些原子，又可細分為穩(wěn)定同位素和放射性同位素兩種。同位素的選取一般根據(jù)污染物的種類不同而定，一般所選擇的同位素要包含有較多的污染源信息，且能進一步量化污染源對水體中某些污染物的貢獻率[18]。同位素模型主要是依據(jù)質(zhì)量平衡的原理所構建的，即混合前后重、輕同位素及總量保持不變，所以也可以用同位素的比例來定量在場地污染中某些混合物的不同來源比例。還可以根據(jù)場地的污染情況，利用穩(wěn)定同位素示蹤法對所需探測的污染物進行標記跟蹤，找到其污染源。放射性元素能不斷地發(fā)射出具有一定特征的射線，通過同位素放射性探測方法，可以隨時追蹤到場地內(nèi)含有放射性元素的標記物在場地內(nèi)部或者場地表面的位置及其數(shù)量的運動變化情況，對于場地污染的探測也起到了很大的作用[19]。

放射性同位素有具有靈敏度高、方法簡便和定位定量準確等優(yōu)點，所以放射性同位素很早就用于環(huán)境污染的檢測及場地污染物質(zhì)的標記。在場地的探測中，放射性元素在測定時不會受到其他非放射性物質(zhì)的影響，可以省略許多復雜的物質(zhì)分離步驟。在場地內(nèi)作示蹤時，可以利用某些放射性同位素釋放出來的穿透力強的射線，在場地外獲得測量結果。放射性同位素靈敏度高，能測到10-14～10-18g的水平，利用放射性同位素示蹤法能夠準確的定量測定污染物的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化。當然，放射性同位素探測技術也有短板，短板在于測試多個污染源時，準確度不夠高。最佳的解決辦法是應用水化學分析法、決策樹法和主成分分析法等方法與同位素結合，縮小污染源范圍，再進一步應用同位素模型識別量化污染源的貢獻率，提高模型的準確性和穩(wěn)定性[20]。

隨著人類對環(huán)境保護意識逐漸增強和科學技術的日益進步，沒有二次污染及對環(huán)境、動植物不會造成傷害的穩(wěn)定同位素的使用日趨增多，這是因為穩(wěn)定同位素在確定不同水體之間水力聯(lián)系具有獨特的“指紋”作用。如白志鵬等[21]人，利用了穩(wěn)定同位素作污染物的溯源與示蹤。目前穩(wěn)定性同位素的應用還存在著很大的局限性，主要是因為穩(wěn)定同位素的種類較少，檢測儀器復雜及價格昂貴，使得在一些硬件措施相對落后及經(jīng)費有限的科研單位對其使用相對較少。

放射性同位素與穩(wěn)定性同位素本身的性質(zhì)及特征，且在場地污染中污染物的來源識別和過程示蹤中均能發(fā)揮重要的作用，但也有各自的優(yōu)點及不足，如表2所示。

表2 兩類同位素在場地污染探測中的優(yōu)缺點

隨著同位素技術的發(fā)展和完善，人們逐漸意識到同位素技術在場地污染物的溯源及過程示蹤有著不錯的應用前景。這兩種同位素探測技術在場地污染勘察中起到很大的作用，目前主要用于對場地的污染源進行示蹤及污染物的判別方面。但這兩種技術存在著很大的局限性，為了更好的達到勘察污染場地的要求，通常人們把同位素技術與傳統(tǒng)的水化學分析方法相結合，這可以在很大程度彌補了同位素技術的不足，同時也在很大程度上發(fā)揮了傳統(tǒng)水化學分析方法的優(yōu)點。這倆技術的結合在國內(nèi)外都有很多應用，如Danni等[22]，綜合水化學分析與水的穩(wěn)定同位素和硝酸鹽的穩(wěn)定同位素方法研究馬薩河流域中硝酸鹽的主要污染源，結果發(fā)現(xiàn)了化糞池是其主要的污染源；Widory等[23]人利用多個同位素方法及傳統(tǒng)的水文地質(zhì)分析來研究地下水中硝酸鹽的來源，也證明了將同位素信息與傳統(tǒng)的水化學分析結合起來的方法更為有效。還有可以利用多種同位素相結合的方法，如如Archana等[24]利用多種同位素示蹤技術，研究了珠江口下游到開闊海洋鹽度梯度下污水、大氣沉降、固氮和地下水的氮酸根來源，并借助雙同位素分析模型得出了各來源以及氮酸根轉(zhuǎn)化過程(同化、硝化和反硝化)的貢獻；Garcia等[25]應用主要元素濃度和鈾(U)、硫(S)、硼 (B)、Sr同位素特征，得出地表水的自然上涌是里奧格蘭德河鹽度的主要來源。

4 結語

(1)土地是人類賴以生存的場所，場地一旦若受到了嚴重的污染，不僅將影響農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和人體健康，場地中的污染物還可借助風力和水循環(huán)系統(tǒng)進入大氣和地下水，由點源污染擴散到面，污染范圍越來越大。所以場地污染的修復刻不容緩。

(2)場地污染后，隨著污染組分的介入，污染土的特性有異于正常土，其導電性、磁性等將發(fā)生變化，因此物探方法是場地污染勘測的有效技術之一。

(3)同位素在確定不同水體之間水力聯(lián)系具有獨特的“指紋”作用，在場地污染勘察中可以利用同位素尋找其污染源，當場地存在多個污染源時，應把同位素技術與傳統(tǒng)的水化學分析方法結合使用，這樣的探測效果將更佳。