田亦琦 陳 征 王文杰#

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心，北京 100012)

隨著“退二進三”產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等戰(zhàn)略的實施，城市工業(yè)企業(yè)搬遷遺留的環(huán)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(jù)密度是否比水大，NAPL可分為輕質(zhì)非水相液體(LNAPL)和重質(zhì)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(lián)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(tài)和氣態(tài)污染物，如果污染長期得不到治理，將嚴重影響生態(tài)環(huán)境并增加污染物轉(zhuǎn)移擴散的風(fēng)險，使地下水和土壤受到長期污染。由于NAPL遷移行為復(fù)雜，難以察覺且廣泛存在于化工類企業(yè)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(fā)展了一系列成熟的調(diào)查技術(shù)和設(shè)備[3]、較為完善的針對土壤和地下水污染的法律法規(guī)、NAPL調(diào)查評估技術(shù)導(dǎo)則以及適用于各種條件的先進治理技術(shù)方法。而國內(nèi)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(jīng)驗，但仍有很多不足。

雖然已有學(xué)者對國內(nèi)外部分NAPL調(diào)查及修復(fù)技術(shù)研究進展進行了綜述[4-5]，但尚未較為系統(tǒng)地對NAPL研究進行全面綜述，因此，本研究梳理國內(nèi)外NAPL調(diào)查、評估、風(fēng)險管控理論方法進展，并在此基礎(chǔ)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(diào)查評估及風(fēng)險管控

1.1 國內(nèi)外NAPL污染場地調(diào)查技術(shù)

NAPL調(diào)查技術(shù)是研究熱點，按調(diào)查介質(zhì)分為土壤氣調(diào)查、地下水調(diào)查和土壤調(diào)查，按調(diào)查方法分為地球物理探測和非地球物理探測方法。傳統(tǒng)調(diào)查方法是利用土芯或監(jiān)測井采樣，并利用已有監(jiān)測井進行井間雷達[6]、垂直感應(yīng)剖面[7]或分區(qū)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(fā)展的直推式技術(shù)，能大幅提高調(diào)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(shù)；土壤氣調(diào)查技術(shù)方便成熟且成本低，可提供非飽和帶NAPL的源區(qū)范圍信息，但不能對NAPL進行定量分析；后來發(fā)展的基于示蹤劑的方法能估算非飽和帶中NAPL的位置、數(shù)量和分布，但成本高昂，并可能產(chǎn)生二次污染。因此，科學(xué)家提出使用氡-222作為環(huán)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(qū)[9-10]，但不適用于非飽和帶、非均質(zhì)性和NAPL老化等情況[11]。

上述調(diào)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(shù)據(jù)[12]。為此，學(xué)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(zhuǎn)化路徑，也能調(diào)查大范圍污染場地，并測量土壤及地下水相關(guān)物理性質(zhì)。

DNAPL污染場地地球物理探測技術(shù)中探地雷達技術(shù)(GPR)和電磁波探測技術(shù)(EM)應(yīng)用較廣泛。GPR主要適用于重度污染場地，無法監(jiān)測輕微污染，需與其他技術(shù)配合，其技術(shù)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(zhì)資料，應(yīng)用較少。此外，地電阻影像剖面探測技術(shù)(RIP)也適用于DNAPL污染帶調(diào)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(yīng)用最廣泛，主要包括自電位法(SP)、電阻率層析成像(ERT)和激發(fā)極化技術(shù)(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(jiān)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(jiān)測LNAPL泄漏情況。ERT能對NAPL污染區(qū)進行快速區(qū)域性探測，有效反映污染區(qū)的分布范圍[15-16]，但難以進一步分析評價污染區(qū)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(diào)查技術(shù)外，過去20年中，提出了根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)預(yù)測源區(qū)結(jié)構(gòu)的多種反演技術(shù)[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(shù)具有計算高度密集、對源區(qū)的位置和幾何形狀有很強假設(shè)性的特點。源區(qū)質(zhì)量精細描繪帶來的挑戰(zhàn)推動了平均表征指標的開發(fā)和應(yīng)用，例如NAPL質(zhì)量空間矩、池分數(shù)和軌跡平均飽和度統(tǒng)計，可以表征質(zhì)量分布的顯著特征[20-21]。但由于NAPL質(zhì)量分布的不連續(xù)性和異質(zhì)性，利用稀疏鉆孔數(shù)據(jù)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(xiàn)場點位觀測值之間進行插值，但克里金法在處理不連續(xù)數(shù)據(jù)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(fù)雜的表征方法已被用于處理稀疏采樣數(shù)據(jù)[24]。

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

1.2 國內(nèi)外NAPL污染場地風(fēng)險評估

風(fēng)險評估作為場地風(fēng)險管理決策的判斷依據(jù)必不可少。國外風(fēng)險評估發(fā)展由來已久，已有一套成熟的評估體系，包括決策技術(shù)框架、專項技術(shù)導(dǎo)則，基礎(chǔ)技術(shù)方法和具體應(yīng)用指南。NAPL意外釋放到環(huán)境中難以從水和土壤中去除，將長期對人類健康構(gòu)成高度潛在風(fēng)險[25]，它的存在會導(dǎo)致土壤異質(zhì)性的增加[26]。溢出的NAPL從地表向下通過滲流區(qū)遷移，形成復(fù)雜的污染源，飽和度和滲透率數(shù)據(jù)之間幾乎不存在空間相關(guān)性。環(huán)境模型通常用于確定污染程度和相關(guān)的環(huán)境風(fēng)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(fā)。質(zhì)量分布的不連續(xù)性和異質(zhì)性使得從稀疏的鉆孔數(shù)據(jù)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(fù)雜，需要同時分析NAPL及其各個組分的遷移，以評估風(fēng)險和環(huán)境影響，是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

目前NAPL污染場地風(fēng)險評估主要依據(jù)美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)針對石油泄漏的《基于風(fēng)險的糾正措施(RBCA)標準》[27]規(guī)定的傳統(tǒng)程序。2014年密歇根市環(huán)境質(zhì)量部門公布《石油釋放的NAPL特性、修復(fù)和管理》；2018年美國環(huán)境保護署(EPA)更新了《現(xiàn)場污染評估和修復(fù)指南》；2020年ASTM發(fā)布指南《釋放到地下的LNAPL的概念性現(xiàn)場模型和修復(fù)策略的制定》。傳統(tǒng)的ASTM-RBCA方法建立在各種簡化假設(shè)條件下，評估結(jié)果較為保守，具有較大的不確定性。因此一些學(xué)者開發(fā)了預(yù)測NAPL污染物行為與濃度的篩選工具和工程技術(shù)方法，可直接在RBCA框架中實施，能更真實地評估NAPL相關(guān)風(fēng)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(fēng)險評估目標[30]、評估蒸汽入侵風(fēng)險[31]、描述化學(xué)品混合物風(fēng)險[32]、計算風(fēng)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(huán)境中的遷移及其在環(huán)境介質(zhì)之間的分配需要使用模型，環(huán)境介質(zhì)和人體暴露介質(zhì)之間的相互作用也可以通過建模進行預(yù)測。目前主流模型發(fā)展方向按研究過程不同可分為復(fù)雜模型與篩選模型，按復(fù)雜程度可分為分析模型、半分析模型和數(shù)值模型。

用于風(fēng)險評估的分析模型通常使用穩(wěn)態(tài)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(shè)定為恒定輸入[36]，這種假設(shè)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(qū)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(zhì)量去除機制[37]。實地研究表明，對于預(yù)測污染場地長期風(fēng)險而言，包含衰減源項的數(shù)值模型更為適用。

復(fù)雜多相流和傳輸模型包括密歇根土壤蒸汽提取修復(fù)(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(xué)化學(xué)成分模擬器(UTCHEM)等，大多基于局部平衡假設(shè)[38]，這些模型對NAPL運移規(guī)律進行模擬，需采用化學(xué)及物理方法，對地下水文場進行詳細分析。個別模型受現(xiàn)場試驗技術(shù)條件限制，參數(shù)獲取較為困難，因此，開發(fā)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(jié)合概化場地水文地質(zhì)條件，將多相流遷移等復(fù)雜問題簡單化，設(shè)置簡化假設(shè)條件如均質(zhì)滲透率、簡單的含水層流場等[39]，使計算所需數(shù)據(jù)及時間減少。

經(jīng)過十幾年的探索，我國已初步建立起污染地塊環(huán)境管理的制度框架，生態(tài)環(huán)境部陸續(xù)發(fā)布了系列政策文件和技術(shù)導(dǎo)則，指導(dǎo)和規(guī)范我國污染地塊調(diào)查評估與修復(fù)管控工作，但大多是借鑒國外發(fā)達國家的經(jīng)驗，針對NAPL污染風(fēng)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(yù)測的準確性。因此，NAPL風(fēng)險評估需要有適當?shù)木哂辛炕淮_定性的預(yù)測模型支持。不確定性通常來自水文地質(zhì)環(huán)境的異質(zhì)性、暴露參數(shù)不確定性和相關(guān)數(shù)據(jù)的缺乏[42]。地下建模中廣泛應(yīng)用的不確定性計算方法主要包括區(qū)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?shù)慕y(tǒng)計和隨機方法評估地下水流動和運輸模擬系統(tǒng)中的不確定性以及比較由NAPL遷移、人類暴露及健康風(fēng)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(yīng)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(fēng)險計算[46]。

1.3 國內(nèi)外NAPL污染場地風(fēng)險管控

污染場地風(fēng)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(fēng)險受體3種方式達到控制污染風(fēng)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(fēng)險管控技術(shù)定義比較狹窄，局限于作為土壤治理與修復(fù)的補充手段[48]。20世紀以來，基于風(fēng)險管理處理污染場地的理念逐步發(fā)展。美國、加拿大、英國、荷蘭等對風(fēng)險管控技術(shù)進行了長期研究，建立了系統(tǒng)的風(fēng)險評估方法和風(fēng)險管控技術(shù)標準體系[49]，包括立法、標準制定、治理方案設(shè)計、技術(shù)路線選取等。風(fēng)險管控理念已貫穿污染場地修復(fù)的整個過程。

我國2016年發(fā)布的《土壤污染防治行動計劃》提出土壤污染“風(fēng)險管控”的理念，明確指出構(gòu)建土壤環(huán)境質(zhì)量標準及與風(fēng)險管控相關(guān)的規(guī)范和導(dǎo)則，污染場地風(fēng)險管控技術(shù)研究成為當前污染場地科學(xué)研究和管理中的熱點。我國污染場地風(fēng)險管控體系構(gòu)建及研究仍處于起步階段，自《土壤污染防治行動計劃》發(fā)布以來，我國學(xué)者在土壤環(huán)境質(zhì)量標準、場地風(fēng)險評估導(dǎo)則、風(fēng)險管控技術(shù)指南、監(jiān)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(fēng)險管控方案研究較少。風(fēng)險管控技術(shù)主要包括制度控制、工程控制和監(jiān)測自然衰減。當前NAPL風(fēng)險管控相關(guān)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(shù)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(fēng)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(fēng)險管控仍缺少成熟的工作模式。

2 討論與結(jié)論

2.1 討 論

(1) NAPL調(diào)查：國外對NAPL調(diào)查技術(shù)及設(shè)備已進行了深入研究，且形成了系列化產(chǎn)品，如巖芯取樣法、石油組學(xué)、氡示蹤技術(shù)、激光熒光測井、分區(qū)單元間跟蹤程序測試等技術(shù)及薄膜界面探測器、光學(xué)圖像分析器等設(shè)備，國內(nèi)應(yīng)推廣這些新型調(diào)查技術(shù)及設(shè)備在場地調(diào)查中的使用；國內(nèi)學(xué)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(shù)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(shù)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(guī)律及水-氣-油多相流本構(gòu)關(guān)系的研究較少，未來應(yīng)加強多相流數(shù)值模擬軟件的開發(fā)及推廣，并開展基于全周期場地概念模型的場地環(huán)境精準調(diào)查。

(2) NAPL評估：國內(nèi)技術(shù)導(dǎo)則大多針對單個化學(xué)污染物，風(fēng)險評估技術(shù)體系及風(fēng)險評估模型多是借鑒國外的經(jīng)驗，方法過于籠統(tǒng)，無法做到精細化評估；所用數(shù)值模型沒有對不同污染源污染物降解特點等相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，難以反映真實的土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，計算得出的污染物風(fēng)險控制值過于保守；在NAPL污染場地簡化模型的基礎(chǔ)上做出決策時應(yīng)分析不確定性影響，國內(nèi)外已有部分關(guān)于消除不確定性影響的方法，但參數(shù)之間的依賴關(guān)系問題至今還沒有解決；NAPL污染場地風(fēng)險評估中生態(tài)風(fēng)險評估的應(yīng)用較少。未來應(yīng)著重多相流數(shù)值模擬軟件的功能性擴展、污染物的分類、風(fēng)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(fēng)險評估及生態(tài)風(fēng)險評估方面的研究，并進一步完善模型參數(shù)的設(shè)置。

(3) NAPL風(fēng)險管控：我國需堅持走可持續(xù)的風(fēng)險管控和治理修復(fù)道路，從管理-工程-技術(shù)協(xié)同突破污染場地綠色可持續(xù)修復(fù)管理與技術(shù)體系。污染場地風(fēng)險管控是一種經(jīng)濟實用的措施，在我國NAPL污染場地管理領(lǐng)域有極為廣闊的應(yīng)用前景。未來應(yīng)立足本國NAPL污染場地風(fēng)險管控需求，參照國外相關(guān)研究進展及案例經(jīng)驗，開展NAPL污染場地風(fēng)險管控技術(shù)體系方法構(gòu)建研究，系統(tǒng)建立排放源清單，加強區(qū)域環(huán)境質(zhì)量監(jiān)管預(yù)警，同時建立全方位、立體化綜合信息系統(tǒng)，實現(xiàn)一站式數(shù)據(jù)采集傳輸存儲、分析和展現(xiàn)的綜合管理分析平臺。采用信息分層、地理信息系統(tǒng)(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(fā)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(diào)查及治理修復(fù)上，DNAPL較LNAPL更困難，今后應(yīng)更加注重針對DNAPL現(xiàn)場尺度遷移轉(zhuǎn)化的研究及調(diào)查和管理方法的創(chuàng)新。

(4) 法律法規(guī)和技術(shù)規(guī)范建設(shè)：發(fā)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(guī)不完備、配套技術(shù)規(guī)范落后、管理體系不成熟等問題，未來應(yīng)廣泛調(diào)研國際典型NAPL污染事件，學(xué)習(xí)防控治理經(jīng)驗，在本國國情基礎(chǔ)上完善法律制度和標準體系建設(shè)，以規(guī)范和指導(dǎo)場地調(diào)查、風(fēng)險評估和修復(fù)管理，應(yīng)實施配套管理和技術(shù)機構(gòu)建設(shè)、場地全生命周期監(jiān)管、企業(yè)場地污染防控資金保障機制建設(shè)等方面的場地污染防治策略。

2.2 結(jié) 論

(1) NAPL污染場地調(diào)查研究從定性到定量，從實驗到數(shù)值模擬，從非地球物理探測到地球物理探測，從孤立至系統(tǒng)不斷深入。國外對NAPL調(diào)查技術(shù)及設(shè)備已進行深入研究，且形成了系列化產(chǎn)品。國內(nèi)對于NAPL污染調(diào)查的技術(shù)發(fā)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(qū)域采用地球物理探測技術(shù)。

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

(3) 風(fēng)險管控技術(shù)主要包括制度控制、工程控制和監(jiān)測自然衰減。發(fā)達國家風(fēng)險管控技術(shù)已經(jīng)成熟完善，風(fēng)險管控理念已經(jīng)貫穿污染場地修復(fù)整個過程。我國污染場地風(fēng)險管控體系構(gòu)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(fēng)險管控，與NAPL相關(guān)的風(fēng)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。