粵港澳大灣區(qū)典型化工地塊地下水分層調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估*

劉麗麗 鄧一榮# 林 挺 陸海建 李朝暉 盧光遠(yuǎn)

(1.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東省污染場(chǎng)地環(huán)境管理與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，粵港澳環(huán)境質(zhì)量協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510045；2.深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 深圳 518001；3.香港科技大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳 518057)

有機(jī)化工行業(yè)作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)支柱之一，相關(guān)企業(yè)廣泛分布于各大中城市[1-2]。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和“退二進(jìn)三”舊城改造的推進(jìn)，大量重污染化工企業(yè)被關(guān)停和搬遷[3-5]。由于化工地塊殘留大量苯系物、多環(huán)芳烴等有機(jī)污染物，導(dǎo)致土壤與地下水存在較高的有機(jī)污染風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境、人居環(huán)境安全和公眾健康構(gòu)成不同程度的威脅[6-10]。2019年4月生態(tài)環(huán)境部、自然資源部等五部委發(fā)布的《地下水污染防治實(shí)施方案》提出污染地塊實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)管控措施或修復(fù)應(yīng)包括地下水的內(nèi)容[11]，污染地塊地下水的調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是判斷地下水是否需要修復(fù)或風(fēng)險(xiǎn)管控的基礎(chǔ)，也是針對(duì)相應(yīng)地塊制定后續(xù)精準(zhǔn)修復(fù)方案的實(shí)施依據(jù)[12-13]。

傳統(tǒng)地下水污染調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作多采用單一混合層采樣技術(shù)[14-16]，但我國(guó)華南地區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，不同深度地下水中污染物分布具有較大差異，因此亟需開展分層研究工作。以往部分研究開展了分層采樣技術(shù)的應(yīng)用，如房吉敦等[17]和鄭繼天等[18]開展了分層采樣調(diào)查地下水污染的研究，證實(shí)分層調(diào)查污染物具有更好的準(zhǔn)確性和可靠性，但由于未進(jìn)一步進(jìn)行分層健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，導(dǎo)致修復(fù)范圍過大，修復(fù)成本較高。分層風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在土壤研究中應(yīng)用較多，如許偉等[19]和房吉敦等[20]對(duì)復(fù)合型化工廠進(jìn)行分層健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估發(fā)現(xiàn)，重金屬僅在表層土壤中存在風(fēng)險(xiǎn)，揮發(fā)性有機(jī)物的修復(fù)目標(biāo)值隨土層深度增加而變大；董敏剛等[21]對(duì)某有機(jī)污染地塊開展分層風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，降低了修復(fù)成本。然而，目前鮮有針對(duì)地下水開展分層風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的應(yīng)用報(bào)道。

基于此，本研究以粵港澳大灣區(qū)某有機(jī)污染地塊為研究對(duì)象，采用叢式井方式開展不同深度地下水中苯含量的分層調(diào)查，并利用分層風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法確定地下水的健康風(fēng)險(xiǎn)水平和修復(fù)目標(biāo)值，通過插值確定修復(fù)范圍，以期為此類污染地塊的地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與修復(fù)管理工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究對(duì)象為粵港澳大灣區(qū)某市郊區(qū)一大型有機(jī)化工污染地塊，該地塊運(yùn)行時(shí)期主要生產(chǎn)內(nèi)容為石油類加工，占地約3×105m2，關(guān)停后由工業(yè)用地性質(zhì)調(diào)整為居住用地。污染區(qū)域的地層分布見圖1，根據(jù)地層概化情況，場(chǎng)地所在區(qū)域地層結(jié)構(gòu)主要分為5層，自上而下依次為0～6 m填土、6～13 m為沖積層(粉質(zhì)黏土)、13～16 m為殘積層(砂質(zhì)黏性土)，下覆基巖為燕山期粗粒斑狀花崗巖(全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖)。其中，填土中地下水主要受降雨補(bǔ)給，季節(jié)變化明顯；全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中地下水局部承壓，其頂板埋深約16 m。調(diào)查期間地下水平均埋深約為2.74 m，地下水朝南偏西方向流動(dòng)。

1.2 采樣與分析

在研究地塊共布置了35組地下水監(jiān)測(cè)井(見圖2)。叢式井是指在一個(gè)點(diǎn)位布置多口水井，將篩管放置于不同深度以采集不同深度的地下水[22]。根據(jù)地塊土壤污染垂向分布特征，在每個(gè)點(diǎn)位布設(shè)兩口水井，篩管分別放置于填土和全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。苯為低密度非水溶性有機(jī)物污染物(密度小于水，與水不相溶)，因此其中一個(gè)地下水井在地下水水位附近(填土)設(shè)置篩管，以采集含水層頂部地下水；由于地塊在全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中污染最重，且全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中地下水局部承壓，因此將另一個(gè)地下水井篩管設(shè)置于全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。本研究中將從填土采集的地下水稱為上層地下水，從全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖采集的地下水稱為下層地下水。成井示意圖見圖3。

圖1 污染區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.1 Hydrogeological conceptual model of contaminated area

圖2 布點(diǎn)圖Fig.2 Layout of sampling points

圖3 叢式井縱向結(jié)構(gòu)Fig.3 Vertical structure diagram of cluster well

將采集的地下水樣品于低溫(≤4 ℃) 密封保存并及時(shí)送至實(shí)驗(yàn)室分析檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目為苯，采用吹掃捕集—?dú)庀嗌V/質(zhì)譜聯(lián)用的方法進(jìn)行分析，具體參照《采用氣相色譜/質(zhì)譜法測(cè)定揮發(fā)性有機(jī)化合物》(USEPA 8260C)。樣品采集、運(yùn)輸和實(shí)驗(yàn)室分析過程均采取質(zhì)量控制措施。由于研究地塊所在區(qū)域的地下水功能區(qū)保護(hù)目標(biāo)中水質(zhì)類別為Ⅲ類，因此地下水篩選值采用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)[23]。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型與參數(shù)取值

為簡(jiǎn)化計(jì)算，本次健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估只考慮地下水中苯對(duì)人體的致癌風(fēng)險(xiǎn)，暫不考慮土壤對(duì)人體的健康風(fēng)險(xiǎn)及地下水中苯對(duì)人體的非致癌危害商。地塊所在區(qū)域的地下水被禁止開發(fā)利用，地下水不會(huì)被飲用，因此不考慮地下水飲用途徑。采用《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.3—2019)推薦的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[24-25]，地下水的暴露途徑為吸入室內(nèi)空氣中來自地下水的氣態(tài)污染物途徑和吸入室外空氣中來自地下水的氣態(tài)污染物途徑。

本研究中致癌風(fēng)險(xiǎn)可接受水平取1.00×10-6。參數(shù)參照HJ 25.3—2019，具體見表1。

表1 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)1)

2 結(jié)果與討論

2.1 地下水中苯的分布特征

不同深度地下水苯含量調(diào)查結(jié)果見表2，上層地下水中有17個(gè)樣品檢出苯，苯的平均質(zhì)量濃度為347.4 μg/L，最大質(zhì)量濃度為7 440.0 μg/L；下層地下水中有14個(gè)樣品檢出苯，苯的平均質(zhì)量濃度為2 179.8 μg/L，最大質(zhì)量濃度為30 000.0 μg/L。通常，在地下水多孔介質(zhì)中，苯比水輕，且在水中的溶解度較小，苯以浮苯和溶解態(tài)苯兩種狀態(tài)存在，由于重力分異的結(jié)果使得越靠近地下水面苯的濃度越高[26-27]。但由于本地塊上層地下水和下層地下水間存在弱透水層，污染物向上遷移受阻，下層污染物在弱透水底部聚集。調(diào)查結(jié)果證實(shí)該地塊地下水污染嚴(yán)重，且相較于上層地下水，下層地下水中苯污染程度更為嚴(yán)重。

如圖4所示，不同含水層中苯的空間分布上存在較大差別，尤其是高值區(qū)不重疊，存在較大差異，這說明上層和下層地下水之間可能存在不同的污染來源。結(jié)合地塊土壤污染分布特征，判斷上層地下水可能是由于污染物以“跑冒滴漏”形式進(jìn)入土壤和地下水中，造成上層地下水局部污染，并呈擴(kuò)散趨勢(shì)。而下層地下水可能是由于污染物通過帶壓下滲或通過局部存在的優(yōu)先途徑進(jìn)入。

2.2 地下水健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

地下水健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果見表3，不論是分層評(píng)估還是不分層評(píng)估，苯的風(fēng)險(xiǎn)水平均超過可接受風(fēng)險(xiǎn)水平1.00×10-6。不分層評(píng)估情景下苯的最大致癌風(fēng)險(xiǎn)水平為2.56×10-5；分層評(píng)估情景下上層地下水中苯的最大致癌風(fēng)險(xiǎn)為6.34×10-6，下層地下水為6.99×10-6。由此可知，分層評(píng)估時(shí)該地塊地下水的最大致癌風(fēng)險(xiǎn)水平降低了約一個(gè)數(shù)量級(jí)；在分層評(píng)估情景下，盡管下層地下水中苯含量比上層地下水高數(shù)倍，但兩者的風(fēng)險(xiǎn)水平基本一致，在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是因?yàn)樯蠈拥叵滤裆钶^淺，較易與人體接觸，對(duì)人體健康產(chǎn)生直接危害，其風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高；但隨著地下水埋深的增大，污染物遷移受到土壤阻隔，排除地下水飲用方式外，與人體直接接觸風(fēng)險(xiǎn)逐漸降低。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(USEPA)研究[28]也證實(shí)，污染源埋深對(duì)污染物擴(kuò)散系數(shù)影響較大，對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物在土壤中的擴(kuò)散遷移速率影響較為顯著，由此導(dǎo)致受污染的地下水對(duì)人體產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)也不同。

參照《污染地塊地下水修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.6—2019)要求[29]反推修復(fù)目標(biāo)值，各情景下的修復(fù)目標(biāo)值見表3。不分層評(píng)估情景下地下水苯的修復(fù)目標(biāo)值為1 174.0 μg/L；分層評(píng)估情景下上層地下水中苯修復(fù)目標(biāo)值為1 174.0 μg/L，下層為4 288.0 μg/L?？梢?，分層評(píng)估情景下，下層地下水修復(fù)目標(biāo)值提高了約2.7倍。

表2 地下水樣品苯檢測(cè)結(jié)果分析

圖4 地下水中苯分布Fig.4 Distribution of benzene in groundwater

表3 地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算結(jié)果

2.3 不同暴露途徑的貢獻(xiàn)率分析

吸入室內(nèi)空氣中來自地下水的氣態(tài)污染物途徑和吸入室外空氣中來自地下水的氣態(tài)污染物途徑的風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率見表4。苯的主要暴露途徑均為吸入室內(nèi)空氣中氣態(tài)污染物的途徑，貢獻(xiàn)率在99%以上。這主要是因?yàn)槭覂?nèi)換氣率低、空氣流動(dòng)比較弱，相對(duì)于室外，室內(nèi)空氣對(duì)揮發(fā)性有機(jī)污染物的稀釋作用小[30-31]。因此，對(duì)地下水苯污染場(chǎng)地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制與管理時(shí)，應(yīng)避免和減少吸入室內(nèi)空氣以降低污染物對(duì)人體產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 地下水修復(fù)范圍的確定

本研究采用ArcGIS 10.1軟件對(duì)地下水中的苯濃度進(jìn)行空間插值，以表3中計(jì)算的修復(fù)目標(biāo)值為基準(zhǔn)進(jìn)行屬性提取，確定地下水的修復(fù)區(qū)域，估算修復(fù)面積，結(jié)果見圖5。分層評(píng)估情景下，上層地下水修復(fù)面積為29 100 m2，下層為38 600 m2；若不進(jìn)行分層評(píng)估，上層地下水修復(fù)面積沒有變化，但下層修復(fù)面積高達(dá)61 000 m2，比分層評(píng)估增加58%?？梢姡瑢?duì)地下水進(jìn)行分層風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可大大減少修復(fù)工作量，降低修復(fù)成本。

2.5 基于分層評(píng)估的地下水修復(fù)策略

地下水修復(fù)技術(shù)分為異位和原位修復(fù)技術(shù)。常用的異位修復(fù)技術(shù)主要包括抽出處理修復(fù)技術(shù)和兩相抽提技術(shù)，原位修復(fù)技術(shù)包括可滲透反應(yīng)墻、熱脫附、化學(xué)氧化/還原、監(jiān)控條件下的自然衰減技術(shù)等[32]。參考相關(guān)研究構(gòu)建地塊地下水修復(fù)篩選矩陣[33-34]，并對(duì)指標(biāo)進(jìn)行打分[35-37]。地塊的篩選矩陣見表5，綜合考慮地下水修復(fù)目標(biāo)值、地塊水文地質(zhì)及技術(shù)得分，上層地下水最佳修復(fù)技術(shù)為抽出處理，下層地下水為原位化學(xué)氧化/還原修復(fù)技術(shù)。

表4 地下水暴露途徑風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率分析

圖5 不同深度地下水修復(fù)范圍Fig.5 Remediation area of groundwater in different depth

表5 地下水苯修復(fù)技術(shù)篩選矩陣

3 結(jié) 論

(1) 分層調(diào)查結(jié)果證實(shí)研究地塊上層和下層地下水中苯濃度空間分布存在顯著差異，高值區(qū)表現(xiàn)為非疊加狀態(tài)，表明其潛在污染源有所不同。因此，開展地下水調(diào)查時(shí)需根據(jù)其水文地質(zhì)情況進(jìn)行分層調(diào)查。

(2) 地下水分層健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明，上層和下層地下水中苯的健康風(fēng)險(xiǎn)值均高于可接受風(fēng)險(xiǎn)水平1.00×10-6。盡管下層地下水中苯含量比上層地下水高數(shù)倍，但兩者的風(fēng)險(xiǎn)水平基本一致，且下層地下水修復(fù)目標(biāo)值遠(yuǎn)大于上層。分層評(píng)估適用于存在揮發(fā)性有機(jī)污染物的污染地塊，在風(fēng)險(xiǎn)可控前提下，分層評(píng)估考慮了深度變化及污染物遷移能力對(duì)地下水健康風(fēng)險(xiǎn)的影響，評(píng)估結(jié)果有利于有效篩選修復(fù)目標(biāo)值，精準(zhǔn)核定修復(fù)工程量。

(3) 苯的主要暴露途徑為吸入室內(nèi)空氣中氣態(tài)污染物途徑，因此風(fēng)險(xiǎn)管控階段應(yīng)避免和減少吸入室內(nèi)空氣以降低人體健康風(fēng)險(xiǎn)?；诜謱釉u(píng)估結(jié)果，上層地下水修復(fù)可優(yōu)先考慮抽出處理技術(shù)，下層地下水修復(fù)為原位化學(xué)氧化/還原修復(fù)技術(shù)?？梢姡謱釉u(píng)估有利于后續(xù)的地塊修復(fù)技術(shù)方案篩選，對(duì)此類污染地塊修復(fù)工作具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義。