國內外非水相液體污染場地調查評估及風險管控研究進展*

田亦琦 陳 征 王文杰#

(1.中國環境科學研究院，北京 100012；2.生態環境部土壤與農業農村生態環境監管技術中心，北京 100012)

隨著“退二進三”產業結構調整等戰略的實施，城市工業企業搬遷遺留的環境污染問題逐漸成為社會熱點[1]。近年我國土壤地下水非水相液體(NAPL)污染形勢愈加嚴峻，NAPL不完全與水混溶，屬于有機污染，根據密度是否比水大，NAPL可分為輕質非水相液體(LNAPL)和重質非水相液體(DNAPL)[2]。常見LNAPL包括汽油、煤油、柴油等，DNAPL包括氯代烴、多氯聯苯、煤焦油等。NAPL污染物一旦進入地下，污染源會不斷釋放溶解態和氣態污染物，如果污染長期得不到治理，將嚴重影響生態環境并增加污染物轉移擴散的風險，使地下水和土壤受到長期污染。由于NAPL遷移行為復雜，難以察覺且廣泛存在于化工類企業地塊，已成為土壤和地下水污染的重要來源，國家逐漸重視起對它的研究。

國外對NAPL的研究已有近40年歷程，發展了一系列成熟的調查技術和設備[3]、較為完善的針對土壤和地下水污染的法律法規、NAPL調查評估技術導則以及適用于各種條件的先進治理技術方法。而國內NAPL研究起步較晚，在理論研究和工程治理等各方面借鑒了國外的先進經驗，但仍有很多不足。

雖然已有學者對國內外部分NAPL調查及修復技術研究進展進行了綜述[4-5]，但尚未較為系統地對NAPL研究進行全面綜述，因此，本研究梳理國內外NAPL調查、評估、風險管控理論方法進展，并在此基礎上提出未來研究展望，以期對NAPL研究提供支撐。

1 NAPL污染場地調查評估及風險管控

1.1 國內外NAPL污染場地調查技術

NAPL調查技術是研究熱點，按調查介質分為土壤氣調查、地下水調查和土壤調查，按調查方法分為地球物理探測和非地球物理探測方法。傳統調查方法是利用土芯或監測井采樣，并利用已有監測井進行井間雷達[6]、垂直感應剖面[7]或分區井間示蹤劑測試[8]，但探測周期長，探測范圍與成本難以兼顧，可能造成深層含水層污染；20世紀90年代中期發展的直推式技術，能大幅提高調查效率，同時降低成本，但僅適用于砂土、粉土、黏土的地層，在含有卵礫石層中，不宜采用這種技術；土壤氣調查技術方便成熟且成本低，可提供非飽和帶NAPL的源區范圍信息，但不能對NAPL進行定量分析；后來發展的基于示蹤劑的方法能估算非飽和帶中NAPL的位置、數量和分布，但成本高昂，并可能產生二次污染。因此，科學家提出使用氡-222作為環境示蹤劑，用于殘留NAPL污染的定位和評估。氡-222示蹤法能有效劃定NAPL污染源區[9-10]，但不適用于非飽和帶、非均質性和NAPL老化等情況[11]。

上述調查方法是依賴于侵入式鉆探和取樣的非地球物理探測方法，僅提供有限的空間和時間數據[12]。為此，學者提出非侵入式地球物理探測方法探測NAPL，如此既能了解污染物遷移轉化路徑，也能調查大范圍污染場地，并測量土壤及地下水相關物理性質。

DNAPL污染場地地球物理探測技術中探地雷達技術(GPR)和電磁波探測技術(EM)應用較廣泛。GPR主要適用于重度污染場地，無法監測輕微污染，需與其他技術配合，其技術可靠性受土壤水分及黏土層厚度影響較大。EM基于不同地層電性特征的差異，依靠電磁原理判斷DNAPL污染分布情況，該方法需要詳細的地下水文地質資料，應用較少。此外，地電阻影像剖面探測技術(RIP)也適用于DNAPL污染帶調查，成本低且探測快速，可繪制顯示污染位置的電阻分布圖。

LNAPL污染場地地球物理探測方法中低頻地電法應用最廣泛，主要包括自電位法(SP)、電阻率層析成像(ERT)和激發極化技術(IP)[13]。SP是一種被動地球物理探測方法，使用一組非極化電極繪制電位分布圖，能監測污染物羽流[14]。試驗表明電阻率隨含水量及LNAPL量變化而變化，因此，電阻率法可用于監測LNAPL泄漏情況。ERT能對NAPL污染區進行快速區域性探測，有效反映污染區的分布范圍[15-16]，但難以進一步分析評價污染區的演化程度[17]。此外，EM與GPR同樣也適用于LNAPL污染場地。

除上述非侵入和侵入式地下調查技術外，過去20年中，提出了根據現場數據預測源區結構的多種反演技術[18-19]。盡管它們在識別污染物羽流分布方面很有效，但其中許多技術具有計算高度密集、對源區的位置和幾何形狀有很強假設性的特點。源區質量精細描繪帶來的挑戰推動了平均表征指標的開發和應用，例如NAPL質量空間矩、池分數和軌跡平均飽和度統計，可以表征質量分布的顯著特征[20-21]。但由于NAPL質量分布的不連續性和異質性，利用稀疏鉆孔數據估計這些指標非常困難。一般的做法是采用確定性和隨機羽流插值方法，估計未采樣位置的污染物濃度，如克里金法[22]是廣泛用于污染物羽流表征的隨機方法之一，能夠在現場點位觀測值之間進行插值，但克里金法在處理不連續數據場方面有局限性[23]。過去20年中，基于馬爾可夫鏈模型(MCM)和馬爾可夫隨機場 (MRF) 等更復雜的表征方法已被用于處理稀疏采樣數據[24]。

國內對NAPL污染調查已有一定的研究，文獻[5]綜述了DNAPL污染的最新判定調查技術及進展。但上述調查方法對技術要求較高且成本較高，只有在污染較嚴重的區域才使用。目前國內主要通過監測井進行剖面取樣，再經過實驗室樣品分析，確定污染區域與污染程度，然而，前期預留的監測井一般不足以繪制完整的污染調查圖，無法提供足夠多的數據。

1.2 國內外NAPL污染場地風險評估

風險評估作為場地風險管理決策的判斷依據必不可少。國外風險評估發展由來已久，已有一套成熟的評估體系，包括決策技術框架、專項技術導則，基礎技術方法和具體應用指南。NAPL意外釋放到環境中難以從水和土壤中去除，將長期對人類健康構成高度潛在風險[25]，它的存在會導致土壤異質性的增加[26]。溢出的NAPL從地表向下通過滲流區遷移，形成復雜的污染源，飽和度和滲透率數據之間幾乎不存在空間相關性。環境模型通常用于確定污染程度和相關的環境風險，對于NAPL污染，這些模型必須考慮NAPL的滲透、再分布、溶解和揮發。質量分布的不連續性和異質性使得從稀疏的鉆孔數據中獲得評估所需特征指標非常困難。另外，地下NAPL大多是多種成分組成的混合物，因此遷移更加復雜，需要同時分析NAPL及其各個組分的遷移，以評估風險和環境影響，是一項具有挑戰性的任務。

目前NAPL污染場地風險評估主要依據美國材料與試驗協會(ASTM)針對石油泄漏的《基于風險的糾正措施(RBCA)標準》[27]規定的傳統程序。2014年密歇根市環境質量部門公布《石油釋放的NAPL特性、修復和管理》；2018年美國環境保護署(EPA)更新了《現場污染評估和修復指南》；2020年ASTM發布指南《釋放到地下的LNAPL的概念性現場模型和修復策略的制定》。傳統的ASTM-RBCA方法建立在各種簡化假設條件下，評估結果較為保守，具有較大的不確定性。因此一些學者開發了預測NAPL污染物行為與濃度的篩選工具和工程技術方法，可直接在RBCA框架中實施，能更真實地評估NAPL相關風險[28]。NAPL評估的研究始于1990年前后，當前研究集中于描述污染源[29]、制定風險評估目標[30]、評估蒸汽入侵風險[31]、描述化學品混合物風險[32]、計算風險因子[33]、評估油泄漏事故和量化不確定性[34]等方面。

評估污染物在環境中的遷移及其在環境介質之間的分配需要使用模型，環境介質和人體暴露介質之間的相互作用也可以通過建模進行預測。目前主流模型發展方向按研究過程不同可分為復雜模型與篩選模型，按復雜程度可分為分析模型、半分析模型和數值模型。

用于風險評估的分析模型通常使用穩態Domenico解或時變等效Ogata-Banks解[35]求解一維平流擴散方程，將羽流源濃度設定為恒定輸入[36]，這種假設適用于相對較短的模擬釋放時間尺度。分析和半分析模型主要用于模擬單一成分NAPL的源區損耗，有必要擴展這些半分析模型，以考慮多組分NAPL，并納入其他質量去除機制[37]。實地研究表明，對于預測污染場地長期風險而言，包含衰減源項的數值模型更為適用。

復雜多相流和傳輸模型包括密歇根土壤蒸汽提取修復(MISER)模型、多相流地下運移(STOMP)模型、NAPL模擬器、非飽和地下水流及熱流傳輸(TOUGH)模型、德克薩斯大學化學成分模擬器(UTCHEM)等，大多基于局部平衡假設[38]，這些模型對NAPL運移規律進行模擬，需采用化學及物理方法，對地下水文場進行詳細分析。個別模型受現場試驗技術條件限制，參數獲取較為困難，因此，開發了幾種篩選模型作為替代方案，包括BIOSCREEN、OILSFSM、碳氫化合物泄漏篩選模型(HSSM)、NAPL-SCREEN、NAPL-ADV、LNAPL溶解和傳輸篩選工具(API-LNAST)等。篩選模型通過結合概化場地水文地質條件，將多相流遷移等復雜問題簡單化，設置簡化假設條件如均質滲透率、簡單的含水層流場等[39]，使計算所需數據及時間減少。

經過十幾年的探索，我國已初步建立起污染地塊環境管理的制度框架，生態環境部陸續發布了系列政策文件和技術導則，指導和規范我國污染地塊調查評估與修復管控工作，但大多是借鑒國外發達國家的經驗，針對NAPL污染風險評估的研究較少[40-41]，且沒有形成具體評估方案。

許多研究表明，NAPL在地下的遷移歸宿受到天然或人為的多種不確定性的顯著影響，從而影響模型定量預測的準確性。因此，NAPL風險評估需要有適當的具有量化不確定性的預測模型支持。不確定性通常來自水文地質環境的異質性、暴露參數不確定性和相關數據的缺乏[42]。地下建模中廣泛應用的不確定性計算方法主要包括區間分析、模糊建模和概率分析[43]。目前的研究主要集中在選擇適當的統計和隨機方法評估地下水流動和運輸模擬系統中的不確定性以及比較由NAPL遷移、人類暴露及健康風險建模引起的不確定性的相對重要性等方面[44-45]。理想情況下，在評估污染場地時應使用綜合不確定性分析，將信息從地下傳輸建模傳遞到暴露和風險計算[46]。

1.3 國內外NAPL污染場地風險管控

污染場地風險管控是通過削減、清除、固定污染源，切斷污染物遷移擴散途徑和保護風險受體3種方式達到控制污染風險的目的，降低污染對人體健康影響的污染場地治理理念[47]。國外早期對風險管控技術定義比較狹窄，局限于作為土壤治理與修復的補充手段[48]。20世紀以來，基于風險管理處理污染場地的理念逐步發展。美國、加拿大、英國、荷蘭等對風險管控技術進行了長期研究，建立了系統的風險評估方法和風險管控技術標準體系[49]，包括立法、標準制定、治理方案設計、技術路線選取等。風險管控理念已貫穿污染場地修復的整個過程。

我國2016年發布的《土壤污染防治行動計劃》提出土壤污染“風險管控”的理念，明確指出構建土壤環境質量標準及與風險管控相關的規范和導則，污染場地風險管控技術研究成為當前污染場地科學研究和管理中的熱點。我國污染場地風險管控體系構建及研究仍處于起步階段，自《土壤污染防治行動計劃》發布以來，我國學者在土壤環境質量標準、場地風險評估導則、風險管控技術指南、監管與效果評估方法等多個方面進行了大量研究[50-51]，但對實際場地風險管控方案研究較少。風險管控技術主要包括制度控制、工程控制和監測自然衰減。當前NAPL風險管控相關研究集中于石油烴污染場地，土壤氣相抽提和自然衰減通常用于清除此類污染物，地下水攔截溝技術也可有效攔截地下污染羽的遷移[52]。我國是僅次于美國的全球第二大煉油國，對石油烴污染土壤和地下水的保護與治理十分重視，但目前針對石油烴污染場地的風險評估方法尚不完善，場地土壤與地下水石油烴衰減機制不明確，風險管控仍缺少成熟的工作模式。

2 討論與結論

2.1 討 論

(1) NAPL調查：國外對NAPL調查技術及設備已進行了深入研究，且形成了系列化產品，如巖芯取樣法、石油組學、氡示蹤技術、激光熒光測井、分區單元間跟蹤程序測試等技術及薄膜界面探測器、光學圖像分析器等設備，國內應推廣這些新型調查技術及設備在場地調查中的使用；國內學者主要采用一維土柱和二維土槽裝置研究 NAPL在土壤中的運移和分布，數值模擬研究大致始于20世紀90年代末期，大多是利用三維有限元和有限差分法進行數值模擬，基于STOMP、TOUGH、TMVOC等模型模擬NAPL在實際土壤中運移分布規律及水-氣-油多相流本構關系的研究較少，未來應加強多相流數值模擬軟件的開發及推廣，并開展基于全周期場地概念模型的場地環境精準調查。

(2) NAPL評估：國內技術導則大多針對單個化學污染物，風險評估技術體系及風險評估模型多是借鑒國外的經驗，方法過于籠統，無法做到精細化評估；所用數值模型沒有對不同污染源污染物降解特點等相關參數進行設置，難以反映真實的土壤環境質量狀況，計算得出的污染物風險控制值過于保守；在NAPL污染場地簡化模型的基礎上做出決策時應分析不確定性影響，國內外已有部分關于消除不確定性影響的方法，但參數之間的依賴關系問題至今還沒有解決；NAPL污染場地風險評估中生態風險評估的應用較少。未來應著重多相流數值模擬軟件的功能性擴展、污染物的分類、風險評估用地類型精細化，基于污染物生物可利用性的健康風險評估及生態風險評估方面的研究，并進一步完善模型參數的設置。

(3) NAPL風險管控：我國需堅持走可持續的風險管控和治理修復道路，從管理-工程-技術協同突破污染場地綠色可持續修復管理與技術體系。污染場地風險管控是一種經濟實用的措施，在我國NAPL污染場地管理領域有極為廣闊的應用前景。未來應立足本國NAPL污染場地風險管控需求，參照國外相關研究進展及案例經驗，開展NAPL污染場地風險管控技術體系方法構建研究，系統建立排放源清單，加強區域環境質量監管預警，同時建立全方位、立體化綜合信息系統，實現一站式數據采集傳輸存儲、分析和展現的綜合管理分析平臺。采用信息分層、地理信息系統(GIS)等多種手段描繪NAPL污染分布及程度。另外，由于DNAPL密度比水大，且具有低黏度和高揮發性等特點，其污染范圍并不受地下水流向所限制，因此，在污染場地調查及治理修復上，DNAPL較LNAPL更困難，今后應更加注重針對DNAPL現場尺度遷移轉化的研究及調查和管理方法的創新。

(4) 法律法規和技術規范建設：發達國家已形成了一套完整的土壤污染防治體系。而我國土壤和地下水污染防治仍面臨法律法規不完備、配套技術規范落后、管理體系不成熟等問題，未來應廣泛調研國際典型NAPL污染事件，學習防控治理經驗，在本國國情基礎上完善法律制度和標準體系建設，以規范和指導場地調查、風險評估和修復管理，應實施配套管理和技術機構建設、場地全生命周期監管、企業場地污染防控資金保障機制建設等方面的場地污染防治策略。

2.2 結 論

(1) NAPL污染場地調查研究從定性到定量，從實驗到數值模擬，從非地球物理探測到地球物理探測，從孤立至系統不斷深入。國外對NAPL調查技術及設備已進行深入研究，且形成了系列化產品。國內對于NAPL污染調查的技術發展較晚，主要通過實驗室對采集的地下水、土壤氣及土壤樣品進行分析，僅在污染較嚴重的區域采用地球物理探測技術。

(2) NAPL污染場地風險評估從研究溶解傳質過程預測建模到場地修復性能評估，由實驗室規模研究發展到現場規模測試，由利用NAPL單指標風險評估到分組風險評估，由認識參數敏感性到定量研究參數不確定性影響，由單獨建模到集成建模，由復雜模型到篩選模型。研究集中于描述污染源、制定風險評估目標、評估蒸汽入侵風險、描述化學品混合物風險、計算風險因子、量化不確定性等方面。國外風險評估發展已久，形成了一套成熟的評估體系。我國針對NAPL污染的風險評估研究較少，沒有形成具體評估方案。

(3) 風險管控技術主要包括制度控制、工程控制和監測自然衰減。發達國家風險管控技術已經成熟完善，風險管控理念已經貫穿污染場地修復整個過程。我國污染場地風險管控體系構建及研究仍處于起步階段，目前研究主要集中于土壤污染場地風險管控，與NAPL相關的風險管控主要集中在石油烴污染場地管理方面，但仍缺少成熟的工作模式。