上海地區(qū)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(zhì)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(qū)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(zhì)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(jié)合上海地區(qū)淺層土地質(zhì)特征與現(xiàn)場實驗，分析了重金屬和有機(jī)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(guī)律進(jìn)行了初步研究，為水土污染防治提供借鑒。

土壤環(huán)境調(diào)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(yè)發(fā)展的歷史，從開埠至解放前夕，其工業(yè)規(guī)模、生產(chǎn)水平均居全國之首。隨著改革開放與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，上海的城市規(guī)模迅速擴(kuò)大，工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大。由于早期環(huán)保意識淡漠、設(shè)備陳舊及監(jiān)管薄弱，導(dǎo)致工業(yè)企業(yè)的“三廢”排放無序，給廠區(qū)土壤造成不同程度的污染。近年來，上海市積極響應(yīng)國家號召，相繼出臺了環(huán)保規(guī)章制度，其中《關(guān)于保障工業(yè)企業(yè)及市政場地再開發(fā)利用環(huán)境安全的管理辦法》（滬環(huán)保防[2014]188號）和《上海市經(jīng)營性用地和工業(yè)用地全生命周期管理土壤環(huán)境保護(hù)管理辦法》（滬環(huán)保防[2016]226號），對工業(yè)場地的土壤環(huán)境調(diào)查提出了強(qiáng)制性措施。

然而，目前污染場地調(diào)查多數(shù)關(guān)注污染土壤本身，而對整體場地地質(zhì)環(huán)境考慮缺乏一定的全局觀念。場地作為污染載體，其地質(zhì)特性與場地污染成因、污染物運移等有著密切的相關(guān)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(zhì)特征、淺層土壤中污染物運移規(guī)律進(jìn)行深入研究。

本文根據(jù)重金屬和有機(jī)物等污染物在土壤中的運移規(guī)律，結(jié)合上海地區(qū)淺層土地質(zhì)特征，分析上海地區(qū)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(jìn)行初步研究，以期為更好地開展上海地區(qū)場地土壤環(huán)境調(diào)查提供參考。

1 淺層土壤中污染物運移規(guī)律

1.1 污染物在土壤中運移機(jī)理

污染物在土壤中的運移主要有地下水的機(jī)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(zhì)、水文地質(zhì)環(huán)境及污染物的持續(xù)時間較長，污染物在土壤環(huán)境中的運移非常復(fù)雜，往往是多種因素共同起控制作用。

（1）機(jī)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(fā)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(zhì)中，往往帶有正或負(fù)電荷的顆粒，如純凈的石英砂帶有負(fù)電荷、部分情況下介質(zhì)表面被污染的正電荷覆蓋等，可以吸附帶異性電荷的顆粒或離子，如絕大部分有機(jī)膠體和細(xì)菌等帶負(fù)電荷，產(chǎn)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(qiáng)度，通過包氣帶中的介質(zhì)時易發(fā)生溶解作用，產(chǎn)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(chǎn)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(guī)律

土壤重金屬作為土壤溶質(zhì)，在土壤中的遷移實質(zhì)上受到重金屬隨土壤水分的遷移，在土壤中的擴(kuò)散，與土壤顆粒之間、重金屬及其他溶質(zhì)不同組分之間的化學(xué)反應(yīng)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(zhuǎn)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(luò)離子可以隨水遷移至地面水體；（2）物理化學(xué)遷移和化學(xué)遷移，即土壤環(huán)境中的重金屬污染物與土壤無機(jī)膠體結(jié)合，發(fā)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(zhì)（如富里酸、胡敏酸）的影響；（3）生物遷移，土壤環(huán)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(xué)形態(tài)的重金屬，并在植物體內(nèi)積累起來。

1.3 有機(jī)污染物在土壤中遷移規(guī)律

有機(jī)污染物在土壤中的運動過程十分復(fù)雜，污染物進(jìn)入地下水系統(tǒng)要經(jīng)過三個階段：通過包氣帶的滲漏；由包氣帶進(jìn)一步向飽水帶擴(kuò)散；進(jìn)入飽水帶污染地下水。有機(jī)污染物進(jìn)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(gòu)成了污染。有機(jī)污染物通過包氣帶運移時，在低滲透率地層上易發(fā)生側(cè)向擴(kuò)散；而在滲透率較高的地層中有機(jī)污染物會在重力作用下垂直向下運移至毛細(xì)帶頂部。到達(dá)毛細(xì)帶的有機(jī)污染物在毛細(xì)力、重力作用下發(fā)生側(cè)向及垂向運移，在毛細(xì)帶區(qū)形成一個污染界面。在這里部分有機(jī)污染物進(jìn)入包水帶對地下水構(gòu)成污染，部分有機(jī)污染物滯留在毛細(xì)帶附近。隨著降雨的淋溶作用，滯留在包氣帶及毛細(xì)帶的有機(jī)污染物會進(jìn)一步隨雨水進(jìn)入地下水中，導(dǎo)致地下水污染。對一部分不溶于水的有機(jī)污染物中的低密度非水相流體（LNAPL），以液相、氣相形態(tài)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(dāng)水位經(jīng)歷一個來回的波動后，都會擴(kuò)大分布范圍[3]。對一部分不溶于水的有機(jī)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(kuò)散殘留于土壤中，由于這部分污染物的密度較大，擴(kuò)散范圍相對有限。受污土壤經(jīng)大氣降水或灌溉等作用，有害物質(zhì)隨入滲水污染淺層地下水，使地下水環(huán)境質(zhì)量受到一定影響[4～6]。

2 上海地區(qū)淺層土壤中污染物運移研究

2.1 淺層土地質(zhì)特征

上海市位于長江三角洲前緣，全區(qū)主要是在全新世海侵旋回和構(gòu)造沉降背景基礎(chǔ)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(huán)水，內(nèi)陸河網(wǎng)發(fā)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(qū)約占全區(qū)總面積的50%左右。與土壤污染相關(guān)的土層主要分布在20m以內(nèi)，上海地區(qū)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(qū)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(zhì)土組成?；靥钔帘容^復(fù)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(qiáng)。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(qiáng)；適當(dāng)條件時②3層還易產(chǎn)生“流砂”，污染物則隨流砂擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍較大。明暗浜淤泥質(zhì)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(kuò)散，對污染物的“儲存”能力較強(qiáng)。

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

根據(jù)上海地區(qū)淺部土層和地下水特征，污染物泄漏產(chǎn)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(jìn)入②1層褐黃色黏性土層；在②1層中地下水作用下向周圍擴(kuò)散，一部分比重較輕的污染物經(jīng)機(jī)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?dāng)U散進(jìn)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(shù)相對較大，污染物擴(kuò)散范圍大，形成羽狀擴(kuò)散形態(tài)；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(xù)向下及周圍擴(kuò)散，進(jìn)入第③層淤泥質(zhì)土層，部分污染物與淤泥質(zhì)土層中的物質(zhì)發(fā)生氧化還原、絡(luò)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(xù)擴(kuò)大。在這一作用過程中，隨著時間的推移，滲漏量不斷擴(kuò)大，在地下水的往復(fù)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(yè)區(qū)，原為染料化工廠，始建于20世紀(jì)50年代，于2008年底停產(chǎn)，停產(chǎn)后場地內(nèi)各種建筑均已拆除，現(xiàn)場地內(nèi)長滿了蘆葦及雜草。對場地進(jìn)行土壤環(huán)境調(diào)查，共布設(shè)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(jù)現(xiàn)場觀測和篩查確定，采集362個土壤樣品，分析參數(shù)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(jī)污染物（揮發(fā)性有機(jī)物、半揮發(fā)性有機(jī)物和總石油烴）。調(diào)查結(jié)果表明，該場地受到重金屬和有機(jī)污染物復(fù)合污染。

3.2 場地淺層土工程地質(zhì)特征

本場地勘察最大深度為10.0m，從其結(jié)構(gòu)特征、土性不同和物理力學(xué)性質(zhì)上的差異可劃分為4個工程地質(zhì)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(chǎn)設(shè)備等基礎(chǔ)均置于或涉及該層；③層易發(fā)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(chǔ)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(jù)場地淺層土工程地質(zhì)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(diào)查的取樣深度主要位于①1、①2、②層，部分采樣點取樣深度達(dá)到③層。

3.3 污染分布與地層的關(guān)系

結(jié)合本次工程地質(zhì)剖面和污染物超標(biāo)水平范圍調(diào)查結(jié)果，以污染超標(biāo)較嚴(yán)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(nèi)土壤樣品的評價結(jié)果見表3，并將場地污染物超標(biāo)范圍與地層結(jié)合，形成場地污染分布斷面圖（圖2）。

從圖中可以看出，在現(xiàn)有采樣深度條件下，以《展覽會用地土壤環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》A級標(biāo)準(zhǔn)為界定標(biāo)準(zhǔn)，本場地土壤污染物超標(biāo)范圍主要涵蓋①1、①2、②層，部分達(dá)到③層。此外，超過《展覽會用地土壤環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》B級標(biāo)準(zhǔn)，土壤污染較嚴(yán)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(jī)污染物）超標(biāo)范圍與工程地質(zhì)條件有一定關(guān)系，但由于場地內(nèi)地層結(jié)構(gòu)變化不大，污染物超標(biāo)范圍無顯著差異。此外，場地內(nèi)污染物超標(biāo)情況主要呈區(qū)域分布，超標(biāo)污染物水平及垂向分布范圍并未主要位于暗浜內(nèi)，暗浜內(nèi)污染情況無明顯較暗浜外嚴(yán)重的現(xiàn)象。

表3 場地土壤質(zhì)量評價Table 3 Soil quality assessment in the site

4 結(jié)論

場地作為污染載體，其地質(zhì)特性與場地污染成因、污染物運移等有著密切的相關(guān)性。根據(jù)淺層土壤污染物遷移規(guī)律和上海地區(qū)淺層土地質(zhì)特征的初步研究可知，污染物泄漏產(chǎn)生的污染運移及污染羽先后到達(dá)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(zhì)土層，根據(jù)不同污染物的特征以及運移機(jī)理，污染羽的范圍繼續(xù)擴(kuò)大。同時，隨著時間的推移，滲漏量不斷擴(kuò)大，在地下水的往復(fù)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(zhì)條件與污染分布分析可知，土壤中污染物（重金屬和有機(jī)污染物）超標(biāo)范圍與場地地質(zhì)條件有一定關(guān)系，但由于場地內(nèi)地層結(jié)構(gòu)變化不大，污染物分布范圍與場地地質(zhì)條件的相關(guān)性不夠顯著。此外，由于上海地區(qū)工業(yè)污染多為點源污染，加之淺部地質(zhì)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(zhì)特征與污染分布關(guān)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(qū)淺層土壤中污染物運移進(jìn)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(huán)境地質(zhì)研究..

電子郵箱:brenda-ge@hotmail.com

聯(lián)系電話:021-56063480

上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃項目(14231200503)