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典型污染场地土壤与地下水调查技术与评价研究

2014-12-24

场地土壤与地下水污染问题,是世界关注的重要环境问题之一,对污染场地实施科学管理,是一个国家经济、社会发展到较高水平后必然要面对的问题。近30年来,许多国家和国际组织如美国、英国、澳大利亚、日本、欧盟等已经建立起了较为完善的污染场地调查评价与修复治理的技术体系。随着我国社会经济快速发展,土地功能频繁而规模性地转化,民众越来越关注土壤与地下水的污染问题,急需建立用以规范和指导我国场地土壤和地下水污染调查评价与修复治理的技术体系。基于此,中国地质调查局于2006年启动了典型污染场地土壤与地下水调查技术与评价研究地质调查项目,旨在通过对我国典型污染场地的调查研究,借鉴国外技术经验,建立具有我国地质特色的污染场地土壤与地下水调查技术方法体系。

“典型污染场地土壤与地下水调查技术与评价研究”系国土资源大调查项目,由中国地质调查局水文地质环境地质调查中心主持完成,主要完成人有蔡五田、王广才、郑继天、查恩来、刘雪松、张敏、李金英、王建增、李胜涛、王春辉、杨桂新、郝春博、曹红。

一、研究内容

1.  建立典型污染场地土壤与地下水调查技术和工作方法体系

2.  对污染场地含水层系统天然自净能力做出评价

3.  开发与污染调查相关的关键技术

二、取得成果

项目主创人员立足我国典型污染场地,瞄准世界发达国家污染场地调查与研究的技术前沿,秉承地质调查与科学研究有机结合且相互促进的理念,依托地质调查项目,在不断探索中取得了以下应用创新性成果。

(一)编写了具有我国地质行业特色的污染场地调查技术要求

通过收集、研读数十个发达国家几百万字的污染场地调查评价技术资料,结合调查我国典型污染场地取得的经验,编写出了具有我国地质行业特色的污染场地土壤与地下水调查技术要求。该技术要求,在调查程序上,遵循污染识别-污染确认-污染详细调查循序渐进的阶段工作方法;在调查内容上,突出了土壤与地下水污染一体化调查的思路,由地面污染源调查、表层土壤污染调查、深部土壤污染调查、地下水污染调查等部分构成;在调查技术方法应用上,除了继承和发扬传统地质调查技术方法外如地面调查、物探、钻孔调查等,还引入了新的技术方法如便携式仪器快速筛查、直接压入式钻探调查、多级井监测技术等。技术要求地质特色明显、可操作性强。

(二)通过调查实践形成了与我国生产力水平相适应的污染场地调查技术方法

1. 便携式仪器土层测气法。将光离子检测仪与一个盛有被测土样的密闭容器相连,是一种快速、简单、有效识别土层挥发性污染特征、指导野外取样的调查方法。这是一项在国内首创的调查技术方法。已应用于石油类、农药类等多个具有挥发性污染的场地调查中。

2. 便携式仪器-高密度电法-钻孔岩芯电导率实测组合调查技术方法。这一组合调查技术首先用于污灌类场地的调查,是识别我国污灌类场地污染分布特征的一种有效方法,在国内尚属首创。

3. 地下水多级监测井技术。是监测地下水动力场、水化学场、地下水动态,圈定地下水污染羽分布范围、研究含水层自然净化能力的一个关键技术。在石油类污染场地,建成了5口巢式监测井和4口连续多通道多级监测井,这项技术在国内属首次应用和示范。

4. 地质雷达与高密度电法组合物探技术方法。是识别石油类场地、污灌类场地、垃圾类场地地下结构、地下水埋深、污染范围、污染程度最佳组合物探方法之一。这两项物探技术组合运用于污染场地调查中,在国内尚属首次。

5. “四土样”采集法。对挥发性有机污染场地调查时,同时采集挥发性有机物样品、半挥发有机物样品、岩土工程样品和自留样品,是一个可行的取样技术方法。其中,采用非顶空取样,甲醇作为浸提剂,按甲醇与土样体积1:1比例采集挥发性有机物土样技术在国内首次应用。

6. 表层土壤系统网格调查法。是调查场地表层土壤污染分布的一种有的放矢的方法。该方法可根据调查精度的要求,按照捕获污染源概率的大小,作为场地调查网格剖分的依据。在调查石油类污染场地时,首次应用了这一调查技术方法,识别出了8个重污染区域,经取样分析证明了这一方法的正确性。

7. 地下水取样方法。研发出了适应于挥发性污染地下水环境的压差式、气控式地下水定深取样器,以及双气囊气动采样泵,可采深达150m的地下水样品,获得实用新型专利3项。

(三)开创了我国石油类污染含水层天然净化能力野外试验研究

1采用传统微生物分析方法,对土层和地下水微生物种类及其分布规律进行了初步研究。采用分子生物学技术研究了受石油污染地下水中主要降解菌群的组成,分离纯化出了高效降解石油污染物的菌种,为场地修复治理提供了科学依据。

2. 通过4年的地下水水化学长期动态监测及地下水微生物样品分析,圈出了石油类污染场地一个纵向长约150m,垂向宽约85m苯系物(BTEX)污染羽,并证明污染羽内发生了微生物好氧作用、反硝化作用、铁还原作用和脱硫酸作用。采用微生物水文地球化学方法,估算了含水层系统微生物降解BTEX的年速率。采用数值模拟方法,预测了在对流、弥散、生物降解作用下BTEX污染羽在十年内的演化趋势。

(四)初步建立起了我国第一个石油类污染监测与试验研究基地

在华北平原保定地区初步建立了石油类污染地下水监测与水文地质试验研究基地,已在基地上建立了8个多级监测井、2个抽/注井、27个简易观测孔,形成了对石油污染场地及其地下水污染羽的立体监测系统,开展了抽水、弥散、取样对比等污染水文地质试验,为提升我国地下水污染试验研究水平、规范野外观测方法、扩大技术交流发挥了表率作用。

(五)污染场地调查与研究取得新发现、新认识

1)调查发现石油类场地包气带内存在由植被根系构成、深达十米的优势通道,加速了污染物向下的迁移速度。

2)多级地下水监测资料证明,埋深50m以内地下水流向总体上与西高东低(山区至山前平原)地势保持一致。埋深80m以下地下水流向与埋深50m以内地下水流向相反。场地地下水流场呈现的这一现象,证明了在地势起伏不大、位能基本相同的山前平原带,深部地下水的开采也能形成不同级别的地下水流系统,即局部地下水流系统和区域地下水流系统。在饱水带内,浅部含水段的水头均高于深部含水段的水头,垂向水力坡度5.8-14.8 ‰,形成了浅部含水段垂向补给深部含水段的潜势。浅部地下水电导率大于深部地下水电导率,浅埋深地下水pH值普遍小于深埋深地下水pH值,浅部地下水溶解氧浓度普遍小于深部地下水溶解氧浓度,浅部地下水氧化还原电位(ORP)普遍小于深埋深地下水ORP,在枯水期采用ORP识别石油污染效果比在丰水期好。

3) 调查发现场地表层土壤污染物种类主要是单环芳烃和多环芳烃类,11种污染物的浓度服从对数正态分布。90%以上表层土壤柴油烃类浓度大于1000 mg/kg,场地污染主要由柴油烃类污染所致。

4)有机污染物相对富集在含水量及有机质高的淤泥质土层,干的砂层和位于水位变动带的粉质粘土层。挥发性有机物最大污染深度30m

5)在包气带中,挥发性有机物气体优先积聚在渗透性强的砂性土层中,砂土层中VOCs气的浓度是粉土层中VOCs气的浓度1.5-12倍,平均3.76倍。VOCs气在砂土和粉土中的扩散规律,可近似用指数模型描述,但衰减梯度不同,这一特征是石油类污染场地与其他非扩散型污染场地(如重金属污染)的最大区别。

6)通过大量钻孔土层VOCs气的现场测量,概化出了场地30m以上VOCs污染概念模型。从污染源向外,将VOCs气随深度的变化概括为污染源淋滤型、包气带扩散污染型、地下水波动带污染型、混合污染型四种污染类型。

7)多年监测发现,在场地绝大多数地下水中,VOCsPAHs类污染物浓度随时间总体上是衰减的,说明地下水具有一定的自净能力。在场地大多数受污染的地下水中,浅部含水段地下水中污染程度要高于深部含水段。从地下水污染物浓度空间尺度的变异性看,垂向上的差异性远大于水平上的差异性。

8)首次采用美国EPA污染场地危害等级评分法(HRS),评价了石油类污染场地的危害程度,并对采用这一方法评价我国污染场地的危害等级提出了修正建议。

9) 查明了污染渠水与地下水的关系,取得了污染渠水对周边土层及地下水影响范围的新认识。通过对水质、水位动态观测,并结合物探勘查、钻孔电阻率测量,证明污灌渠水与地下水有一定的联系,首先通过垂向淋滤渗透方式补给地下水,然后再在地下水流场的作用下影响周边的土壤和地下水。污水渠垂直影响深度可达20m,水平扩散影响范围至少大于30m

三、应用情况

依托项目编写的污染场地土壤与地下水调查技术要求以及通过污染场地调查实践取得的一些应用研究成果如快速识别VOCs污染的便携式土层测气法、地下水多级监测井技术、地下水定深取样技术、便携式土壤检测-物探技术-钻探技术组合调查技术等已在国土部门、环保部门、科研院校得到应用。

“污染场地土壤与地下水调查技术要求出台,填补了我国地质行业场地污染调查技术标准的空白,是对我国环保部编写的污染场地调查技术标准的一个补充和完善,对科学、规范地开展我国场地污染调查工作具有重要的参考价值,必将在我国土壤与地下水污染调查、环境地质调查、生态文明建设中发挥作用。