重建（污染）源歷史工具的實際應(yīng)用

王飛 關(guān)海峰 鄧祺文

摘要：污染物通過擴散遷移到低滲透系數(shù)區(qū)，產(chǎn)生濃度與深度的關(guān)系，可用于源衰變導(dǎo)致的濃度隨時間衰減的證據(jù)。本文使用的數(shù)據(jù)來源于我國南方某場地，基于傳輸?shù)碾娮颖砀窆ぞ?，用于生成符合剖面的源歷史推測值，并將其擬合已獲得的土壤濃度與深度數(shù)據(jù)。該工具生成的源歷史推測類似于使用更密集的分析或數(shù)值反建模方法生成的源歷史推測，包括存在致密非水相液體（或懷疑存在）的地點確認恒定的源史，以及在發(fā)生源隔離或衰減的地點確認下降的源史。此建模工具提供了一種比現(xiàn)有方法更簡單、更動態(tài)的方法來理解源行為。

關(guān)鍵詞：源歷史;低滲透區(qū);污染場地;建模工具

中圖分類號：X11 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）04-00-03

Abstract： Pollutants migrate to the low permeability region by diffusion， resulting in the relationship between concentration and depth， which can be used as evidence for the decay of concentration with time caused by source decay. Based on the transmission of spreadsheet tool， this paper is used to generate source-history conjectures in line with profiles， and to fit the obtained soil concentration and depth data from a site in southern China. The source history inference generated by this tool is similar to the source history inference generated by using more intensive analysis or numerical inverse modeling methods. This includes identifying a constant source history at the location of dense non-aqueous liquids （or suspected ones） and a declining source history at the location of source isolation or attenuation. This modeling tool provides a simpler and more dynamic way to understand source behavior than existing methods.

Key words： Source history;Low permeability zone;Polluted sites; Modeling tools

土壤污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程受許多因素的影響，在地質(zhì)條件不均勻的區(qū)域，污染物的數(shù)值模擬預(yù)測更加不易刻畫，研究表明，透水層與弱透水性地層的接觸界面在源區(qū)和污染物羽流演化過程中發(fā)揮著重要作用[1]。水相污染物濃度很高的透水層與弱透水層相接觸時，隨著時間的推移，污染物會通過擴散作用從透水區(qū)遷移至弱透水區(qū)（低滲透系數(shù)區(qū)），在低滲透區(qū)內(nèi)以溶解、吸附/反吸附的形式賦存污染物。

帕克和切里（1995）首次提出在低滲透系數(shù)區(qū)使用污染物剖面來估算源區(qū)的平均值，類似地，Liu和Ball等人基于某場地估算了源濃度隨時間的變化[2]。這些研究中的預(yù)測多依賴于復(fù)雜的解析解、反演建模、地下水流動和溶質(zhì)遷移數(shù)值模型，這些模型雖然非常強大，但均未考慮擴散到相鄰低滲透系數(shù)層的實際情況，僅關(guān)注于在透水層內(nèi)梯度下降的彌散滲流[3]。

本文利用一種源歷史工具：Source History Tool，通過低滲透區(qū)的剖面數(shù)據(jù)來重建源歷史，推算初始污染物的釋放。通過系統(tǒng)地采取代表性污染物剖面，并使用這些數(shù)據(jù)校準(zhǔn)建模工具，用于估算濃度歷史，生成濃度-時間曲線，從而幫助決策者得到最能代表土壤濃度分布的源歷史推測。

1 概念模型

在擴散過程占主導(dǎo)地位的低滲透區(qū)，污染物剖面的性質(zhì)可以用來推斷界面的濃度歷史。這是因為擴散遷移規(guī)律表明，隨界面處污染物濃度隨時間的降低，界面附近低滲透區(qū)的土壤濃度也會隨之下降，這些變化在低滲透區(qū)濃度剖面上也會隨著時間的推移而表現(xiàn)出來。

圖1展示了數(shù)十年前某場地發(fā)生致密非水相液體（DNAPL）污染時的土壤污染濃度分布，三種源強模式分別代表DNAPL殘留、已進行修復(fù)、自然衰減。其中，圖1（a）高滲透層與低滲透層界面濃度-時間曲線顯示了以下三種不同情況：1恒源;220年后濃度可以忽略不計的有限源（對污染源進行了完全去除或隔離）;310年內(nèi)污染源不變，然后濃度線性下降（污染源自然枯竭）。圖1（b）顯示了40年后的土壤濃度-深度分布曲線。

對于第一種情況，恒定的源導(dǎo)致隨著時間的推移，濃度梯度始終為正，從而在界面處產(chǎn)生土壤濃度最高的剖面，該剖面隨著進入低滲透系數(shù)層的距離的增加而減小。對于第二和第三種情況，源強的減小逆轉(zhuǎn)了濃度梯度，從而通過反向擴散逐漸降低了土壤界面附近的濃度，土壤濃度剖面呈典型的駝峰狀，峰值出現(xiàn)在低滲透系數(shù)層的某一深度。第二種和第三種情況的主要區(qū)別在于，第三種情況下由于源荷載下降速度較慢，滲透量增加，土壤峰值濃度較高。

2 工具簡介

本源歷史工具模擬污染物在低滲透區(qū)的遷移時，補充了具有垂直平流項和一階衰減項的一維擴散方程，以便評估除擴散和吸附之外這些過程對污染物運移的潛在影響。建模方法基于Fick第二定律的一維擴散方程（此處不為研究重點，因此不作展開），該定律定義了化學(xué)物質(zhì)在溶液中響應(yīng)濃度梯度的擴散。針對具體場景采用疊加原理，對于無反應(yīng)擴散的情況，將不同界面濃度溶液疊加，得到低滲透層濃度之和;對于有/沒有反應(yīng)的平流，以類似的方式疊加，以獲得低滲透層中的濃度分布。該方法的目的是使場地濃度分布（在轉(zhuǎn)換為等效孔隙濃度后）與模型生成的低滲透區(qū)濃度分布擬合，以評估界面處的濃度歷史和與該分布匹配的最佳時間。

2.1 參數(shù)輸入

本源歷史工具允許用戶提供界面濃度的初始推測值，也可以由工具創(chuàng)建。使用這些初始推測值，可以自動計算低滲透區(qū)的凈濃度分布。然后系統(tǒng)地調(diào)整在多個單獨時間間隔中的界面濃度歷史，直到在實際（測量的）和建模的數(shù)據(jù)之間獲得代表性的“最佳”擬合（兩個數(shù)據(jù)集之間的均方根（RMS）誤差用于整體模型校準(zhǔn)，以獲取較好的擬合度）。

除不同深度的離散的土壤濃度數(shù)據(jù)外，所需輸入?yún)?shù)還包括：土壤總孔隙度、傳輸類型、水力傳導(dǎo)率（K）、垂直水力梯度（i）、組成自由溶液分子擴散系數(shù)（Do）、曲折因子指數(shù)（p）、土壤容重（ρb）、一部分有機碳（foc）、有機碳半衰期（t1/2）、分區(qū)系數(shù)（Koc）和成分。

2.2 參數(shù)調(diào)整

圖1描述了各種輸入?yún)?shù)值的增加或減少是如何影響模擬得到的土壤濃度-深度曲線的，以便于更好的擬合實際土壤數(shù)據(jù)。對于這種一維模擬方法，參數(shù)主要影響以下因素：（a）污染物的濃度（例如，通過改變吸附相和水相之間的分布）;（b）污染物滲透到低滲透層的程度（例如，通過調(diào)整彎曲度來實現(xiàn)基于擴散的傳輸過程）。

2.3 不確定性分析

工具中包含的模塊使用蒙特卡羅方法分析各種輸入?yún)?shù)的測量或推測的不確定性。在該方法中，此工具為用戶輸入的上述參數(shù)的每個值生成隨機數(shù)，然后使用這組隨機輸入來計算低滲透區(qū)的點位濃度。重復(fù)該過程多次產(chǎn)生概率分布（選擇為正態(tài)，對數(shù)正態(tài)或均勻），從中可以獲得諸如均值，百分位數(shù)和方差的統(tǒng)計特征。

3 案例使用

選擇適合使用這種建模方法的場地，獲得低滲透區(qū)的高分辨度土壤濃度數(shù)據(jù)集，利用該工具使用數(shù)值建模的方法推測源歷史。評估的目的是比較以前的推測與使用該工具生成的推測值是否一致;對于沒有現(xiàn)有源歷史估算的監(jiān)測點，目標(biāo)只是評估工具生成的估算值是否與已知的監(jiān)測值一致。

本文模型使用的數(shù)據(jù)來源于我國南方某受污染場地。場地符合源歷史工具應(yīng)用范圍，經(jīng)場地初步調(diào)查和詳細調(diào)查后選擇了4個監(jiān)測點（M1～M4）進行現(xiàn)場MIP（Membrane Interface Probe）測試，可獲得了連續(xù)不同深度的土壤污染物濃度數(shù)據(jù)，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)進行源歷史濃度擬合。根據(jù)剖面信息，選擇M4點位的數(shù)據(jù)進行污染物泄露方式及泄漏量的擬合。

圖2 場地調(diào)查布點平面示意圖

圖3 場地典型剖面污染情況示意圖

根據(jù)剖面信息，選擇M4點位（TCE濃度信息）進行污染物源歷史估算：

（a）輸入土壤濃度與深度信息;（b）輸入剩余輸入?yún)?shù)的已知或推測值（例如，n，R）;（c）試圖擬合數(shù)據(jù)。

雖然這種方法引入了一些誤差（例如，并非所有輸入?yún)?shù)都是已知的），但它提供了數(shù)據(jù)集的合理表示，并且被認為適合于這種類型的評估。

出于評估的目的，僅使用一個推測（基本上最佳擬合）來與工具生成的結(jié)果進行比較。源歷史推測使用強度逐漸下降模式和恒定源模式兩種模式擬合實測污染物濃度分布，獲得擬合曲線（圖4）。在源強不變的情況下，顯然擬合曲線和實測濃度不匹配，可以看出在源衰減情況下擬合效果較好（與場地測量結(jié)果基本一致）。TCE的源歷史推測顯示在頂部面板中，并且模型擬合（實線黑色）與測量的土壤數(shù)據(jù)（圓圈）顯示在底部面板中。

對建模的M4位置的源歷史推測都以源強度隨時間下降為特征。對該點位的苯系物數(shù)據(jù)也進行了擬合，但無法達到較好的擬合效果（圖5），土壤不同深度苯系物濃度無明顯規(guī)律，這可能與土壤微生物的降解有關(guān)。但依據(jù)濃度-深度分布散點圖，可以隨著深度的增加，土壤中苯系物濃度有升高趨勢，并在地面以下12米左右濃度快速下降，據(jù)調(diào)查顯示，此處地質(zhì)條件發(fā)生明顯變化，地表12米以下為滲透性不良的粘土層。

4 結(jié)論

通過對實際場地的模擬，證明了可以使用簡單的分析建模工具來估算基于場地一個或多個位置的高分辨率低滲透系數(shù)區(qū)污染物分布的污染源歷史?？梢岳媚Ｐ湍M出的濃度-深度、濃度-時間的關(guān)系，基于包含擴散、垂直平流和退化的一維傳輸模型，工具嘗試捕獲源歷史的可能模式，并找到最佳污染源模式。使用來自場地實測的污染物濃度數(shù)據(jù)集，可生成與現(xiàn)有估計值類似或與可用監(jiān)測點信息一致的源歷史記錄。

源歷史工具非常適合開發(fā)和測試概念性監(jiān)測點模型[5]，其中許多模型缺乏長期的濃度趨勢數(shù)據(jù)，當(dāng)結(jié)果表明源衰減正在發(fā)生時，源歷史方法可能更有價值。從這個角度，對于研究從源區(qū)消耗質(zhì)量減少其強度的自然過程，可用作支持選擇監(jiān)測的自然衰減（MNA）作為長期修復(fù)措施的證據(jù)，而節(jié)省大量資金。

參考文獻

[1]Adamson， D. T.， Chapman， S. W.， Farhat， S. K.， Parker， B. L.， deBlanc， P.， & Newell， C. J. （2015）.Characterization and source history modeling using low-k zone profiles at two source areas.Groundwater Monitoring & Remediation. doi： 10.1111/gwmr.12090.

[2]Newell， C. J.， & Adamson， D. T. （2005）. Planning-level source decay models to evaluate impact of source depletion on remediation time frame. Remediation， 15， 27–47.

[3]McGuire， T. M.， Newell， C. J.， Looney， B. B.， Vangelas， K. M.， & Sink， C. H. （2004）. Historical analysis of monitored natural attenuation： A survey of 191 chlorinated solvent sites and 45 solvent plumes. Remediation， 15（1）， 99–112.

[4]David T. Adamson， Steven W. Chapman， Shahla K. Farhat，. Beth L. Parker ， Phillip C. deBlanc ， Charles J. Newell .（2015）.Simple Modeling Tool for Reconstructing Source History Using High Resolution Contaminant Profiles From Low-k Zones .Remediation DOI： 10.1002/rem

[5]Parker， B. L.， Chapman， S. W.， & Guilbeault， M. A. （2008）. Plume persistence caused by back diffusion from thin clay layers in a sand aquifer following TCE source-zone hydraulic isolation. Journal of Contaminant Hydrology， 102， 86–104.

收稿日期：2019-03-18

作者簡介：王飛（1992-），女，碩士研究生，研究方向為場地環(huán)境調(diào)查、風(fēng)險評價與修復(fù)。