国内外非水相液体污染场地调查评估及风险管控研究进展*

田亦琦 陈 征 王文杰#

(1.中国环境科学研究院，北京 100012；2.生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心，北京 100012)

随着“退二进三”产业结构调整等战略的实施，城市工业企业搬迁遗留的环境污染问题逐渐成为社会热点[1]。近年我国土壤地下水非水相液体(NAPL)污染形势愈加严峻，NAPL不完全与水混溶，属于有机污染，根据密度是否比水大，NAPL可分为轻质非水相液体(LNAPL)和重质非水相液体(DNAPL)[2]。常见LNAPL包括汽油、煤油、柴油等，DNAPL包括氯代烃、多氯联苯、煤焦油等。NAPL污染物一旦进入地下，污染源会不断释放溶解态和气态污染物，如果污染长期得不到治理，将严重影响生态环境并增加污染物转移扩散的风险，使地下水和土壤受到长期污染。由于NAPL迁移行为复杂，难以察觉且广泛存在于化工类企业地块，已成为土壤和地下水污染的重要来源，国家逐渐重视起对它的研究。

国外对NAPL的研究已有近40年历程，发展了一系列成熟的调查技术和设备[3]、较为完善的针对土壤和地下水污染的法律法规、NAPL调查评估技术导则以及适用于各种条件的先进治理技术方法。而国内NAPL研究起步较晚，在理论研究和工程治理等各方面借鉴了国外的先进经验，但仍有很多不足。

虽然已有学者对国内外部分NAPL调查及修复技术研究进展进行了综述[4-5]，但尚未较为系统地对NAPL研究进行全面综述，因此，本研究梳理国内外NAPL调查、评估、风险管控理论方法进展，并在此基础上提出未来研究展望，以期对NAPL研究提供支撑。

1 NAPL污染场地调查评估及风险管控

1.1 国内外NAPL污染场地调查技术

NAPL调查技术是研究热点，按调查介质分为土壤气调查、地下水调查和土壤调查，按调查方法分为地球物理探测和非地球物理探测方法。传统调查方法是利用土芯或监测井采样，并利用已有监测井进行井间雷达[6]、垂直感应剖面[7]或分区井间示踪剂测试[8]，但探测周期长，探测范围与成本难以兼顾，可能造成深层含水层污染；20世纪90年代中期发展的直推式技术，能大幅提高调查效率，同时降低成本，但仅适用于砂土、粉土、黏土的地层，在含有卵砾石层中，不宜采用这种技术；土壤气调查技术方便成熟且成本低，可提供非饱和带NAPL的源区范围信息，但不能对NAPL进行定量分析；后来发展的基于示踪剂的方法能估算非饱和带中NAPL的位置、数量和分布，但成本高昂，并可能产生二次污染。因此，科学家提出使用氡-222作为环境示踪剂，用于残留NAPL污染的定位和评估。氡-222示踪法能有效划定NAPL污染源区[9-10]，但不适用于非饱和带、非均质性和NAPL老化等情况[11]。

上述调查方法是依赖于侵入式钻探和取样的非地球物理探测方法，仅提供有限的空间和时间数据[12]。为此，学者提出非侵入式地球物理探测方法探测NAPL，如此既能了解污染物迁移转化路径，也能调查大范围污染场地，并测量土壤及地下水相关物理性质。

DNAPL污染场地地球物理探测技术中探地雷达技术(GPR)和电磁波探测技术(EM)应用较广泛。GPR主要适用于重度污染场地，无法监测轻微污染，需与其他技术配合，其技术可靠性受土壤水分及黏土层厚度影响较大。EM基于不同地层电性特征的差异，依靠电磁原理判断DNAPL污染分布情况，该方法需要详细的地下水文地质资料，应用较少。此外，地电阻影像剖面探测技术(RIP)也适用于DNAPL污染带调查，成本低且探测快速，可绘制显示污染位置的电阻分布图。

LNAPL污染场地地球物理探测方法中低频地电法应用最广泛，主要包括自电位法(SP)、电阻率层析成像(ERT)和激发极化技术(IP)[13]。SP是一种被动地球物理探测方法，使用一组非极化电极绘制电位分布图，能监测污染物羽流[14]。试验表明电阻率随含水量及LNAPL量变化而变化，因此，电阻率法可用于监测LNAPL泄漏情况。ERT能对NAPL污染区进行快速区域性探测，有效反映污染区的分布范围[15-16]，但难以进一步分析评价污染区的演化程度[17]。此外，EM与GPR同样也适用于LNAPL污染场地。

除上述非侵入和侵入式地下调查技术外，过去20年中，提出了根据现场数据预测源区结构的多种反演技术[18-19]。尽管它们在识别污染物羽流分布方面很有效，但其中许多技术具有计算高度密集、对源区的位置和几何形状有很强假设性的特点。源区质量精细描绘带来的挑战推动了平均表征指标的开发和应用，例如NAPL质量空间矩、池分数和轨迹平均饱和度统计，可以表征质量分布的显著特征[20-21]。但由于NAPL质量分布的不连续性和异质性，利用稀疏钻孔数据估计这些指标非常困难。一般的做法是采用确定性和随机羽流插值方法，估计未采样位置的污染物浓度，如克里金法[22]是广泛用于污染物羽流表征的随机方法之一，能够在现场点位观测值之间进行插值，但克里金法在处理不连续数据场方面有局限性[23]。过去20年中，基于马尔可夫链模型(MCM)和马尔可夫随机场 (MRF) 等更复杂的表征方法已被用于处理稀疏采样数据[24]。

国内对NAPL污染调查已有一定的研究，文献[5]综述了DNAPL污染的最新判定调查技术及进展。但上述调查方法对技术要求较高且成本较高，只有在污染较严重的区域才使用。目前国内主要通过监测井进行剖面取样，再经过实验室样品分析，确定污染区域与污染程度，然而，前期预留的监测井一般不足以绘制完整的污染调查图，无法提供足够多的数据。

1.2 国内外NAPL污染场地风险评估

风险评估作为场地风险管理决策的判断依据必不可少。国外风险评估发展由来已久，已有一套成熟的评估体系，包括决策技术框架、专项技术导则，基础技术方法和具体应用指南。NAPL意外释放到环境中难以从水和土壤中去除，将长期对人类健康构成高度潜在风险[25]，它的存在会导致土壤异质性的增加[26]。溢出的NAPL从地表向下通过渗流区迁移，形成复杂的污染源，饱和度和渗透率数据之间几乎不存在空间相关性。环境模型通常用于确定污染程度和相关的环境风险，对于NAPL污染，这些模型必须考虑NAPL的渗透、再分布、溶解和挥发。质量分布的不连续性和异质性使得从稀疏的钻孔数据中获得评估所需特征指标非常困难。另外，地下NAPL大多是多种成分组成的混合物，因此迁移更加复杂，需要同时分析NAPL及其各个组分的迁移，以评估风险和环境影响，是一项具有挑战性的任务。

目前NAPL污染场地风险评估主要依据美国材料与试验协会(ASTM)针对石油泄漏的《基于风险的纠正措施(RBCA)标准》[27]规定的传统程序。2014年密歇根市环境质量部门公布《石油释放的NAPL特性、修复和管理》；2018年美国环境保护署(EPA)更新了《现场污染评估和修复指南》；2020年ASTM发布指南《释放到地下的LNAPL的概念性现场模型和修复策略的制定》。传统的ASTM-RBCA方法建立在各种简化假设条件下，评估结果较为保守，具有较大的不确定性。因此一些学者开发了预测NAPL污染物行为与浓度的筛选工具和工程技术方法，可直接在RBCA框架中实施，能更真实地评估NAPL相关风险[28]。NAPL评估的研究始于1990年前后，当前研究集中于描述污染源[29]、制定风险评估目标[30]、评估蒸汽入侵风险[31]、描述化学品混合物风险[32]、计算风险因子[33]、评估油泄漏事故和量化不确定性[34]等方面。

评估污染物在环境中的迁移及其在环境介质之间的分配需要使用模型，环境介质和人体暴露介质之间的相互作用也可以通过建模进行预测。目前主流模型发展方向按研究过程不同可分为复杂模型与筛选模型，按复杂程度可分为分析模型、半分析模型和数值模型。

用于风险评估的分析模型通常使用稳态Domenico解或时变等效Ogata-Banks解[35]求解一维平流扩散方程，将羽流源浓度设定为恒定输入[36]，这种假设适用于相对较短的模拟释放时间尺度。分析和半分析模型主要用于模拟单一成分NAPL的源区损耗，有必要扩展这些半分析模型，以考虑多组分NAPL，并纳入其他质量去除机制[37]。实地研究表明，对于预测污染场地长期风险而言，包含衰减源项的数值模型更为适用。

复杂多相流和传输模型包括密歇根土壤蒸汽提取修复(MISER)模型、多相流地下运移(STOMP)模型、NAPL模拟器、非饱和地下水流及热流传输(TOUGH)模型、德克萨斯大学化学成分模拟器(UTCHEM)等，大多基于局部平衡假设[38]，这些模型对NAPL运移规律进行模拟，需采用化学及物理方法，对地下水文场进行详细分析。个别模型受现场试验技术条件限制，参数获取较为困难，因此，开发了几种筛选模型作为替代方案，包括BIOSCREEN、OILSFSM、碳氢化合物泄漏筛选模型(HSSM)、NAPL-SCREEN、NAPL-ADV、LNAPL溶解和传输筛选工具(API-LNAST)等。筛选模型通过结合概化场地水文地质条件，将多相流迁移等复杂问题简单化，设置简化假设条件如均质渗透率、简单的含水层流场等[39]，使计算所需数据及时间减少。

经过十几年的探索，我国已初步建立起污染地块环境管理的制度框架，生态环境部陆续发布了系列政策文件和技术导则，指导和规范我国污染地块调查评估与修复管控工作，但大多是借鉴国外发达国家的经验，针对NAPL污染风险评估的研究较少[40-41]，且没有形成具体评估方案。

许多研究表明，NAPL在地下的迁移归宿受到天然或人为的多种不确定性的显著影响，从而影响模型定量预测的准确性。因此，NAPL风险评估需要有适当的具有量化不确定性的预测模型支持。不确定性通常来自水文地质环境的异质性、暴露参数不确定性和相关数据的缺乏[42]。地下建模中广泛应用的不确定性计算方法主要包括区间分析、模糊建模和概率分析[43]。目前的研究主要集中在选择适当的统计和随机方法评估地下水流动和运输模拟系统中的不确定性以及比较由NAPL迁移、人类暴露及健康风险建模引起的不确定性的相对重要性等方面[44-45]。理想情况下，在评估污染场地时应使用综合不确定性分析，将信息从地下传输建模传递到暴露和风险计算[46]。

1.3 国内外NAPL污染场地风险管控

污染场地风险管控是通过削减、清除、固定污染源，切断污染物迁移扩散途径和保护风险受体3种方式达到控制污染风险的目的，降低污染对人体健康影响的污染场地治理理念[47]。国外早期对风险管控技术定义比较狭窄，局限于作为土壤治理与修复的补充手段[48]。20世纪以来，基于风险管理处理污染场地的理念逐步发展。美国、加拿大、英国、荷兰等对风险管控技术进行了长期研究，建立了系统的风险评估方法和风险管控技术标准体系[49]，包括立法、标准制定、治理方案设计、技术路线选取等。风险管控理念已贯穿污染场地修复的整个过程。

我国2016年发布的《土壤污染防治行动计划》提出土壤污染“风险管控”的理念，明确指出构建土壤环境质量标准及与风险管控相关的规范和导则，污染场地风险管控技术研究成为当前污染场地科学研究和管理中的热点。我国污染场地风险管控体系构建及研究仍处于起步阶段，自《土壤污染防治行动计划》发布以来，我国学者在土壤环境质量标准、场地风险评估导则、风险管控技术指南、监管与效果评估方法等多个方面进行了大量研究[50-51]，但对实际场地风险管控方案研究较少。风险管控技术主要包括制度控制、工程控制和监测自然衰减。当前NAPL风险管控相关研究集中于石油烃污染场地，土壤气相抽提和自然衰减通常用于清除此类污染物，地下水拦截沟技术也可有效拦截地下污染羽的迁移[52]。我国是仅次于美国的全球第二大炼油国，对石油烃污染土壤和地下水的保护与治理十分重视，但目前针对石油烃污染场地的风险评估方法尚不完善，场地土壤与地下水石油烃衰减机制不明确，风险管控仍缺少成熟的工作模式。

2 讨论与结论

2.1 讨 论

(1) NAPL调查：国外对NAPL调查技术及设备已进行了深入研究，且形成了系列化产品，如岩芯取样法、石油组学、氡示踪技术、激光荧光测井、分区单元间跟踪程序测试等技术及薄膜界面探测器、光学图像分析器等设备，国内应推广这些新型调查技术及设备在场地调查中的使用；国内学者主要采用一维土柱和二维土槽装置研究 NAPL在土壤中的运移和分布，数值模拟研究大致始于20世纪90年代末期，大多是利用三维有限元和有限差分法进行数值模拟，基于STOMP、TOUGH、TMVOC等模型模拟NAPL在实际土壤中运移分布规律及水-气-油多相流本构关系的研究较少，未来应加强多相流数值模拟软件的开发及推广，并开展基于全周期场地概念模型的场地环境精准调查。

(2) NAPL评估：国内技术导则大多针对单个化学污染物，风险评估技术体系及风险评估模型多是借鉴国外的经验，方法过于笼统，无法做到精细化评估；所用数值模型没有对不同污染源污染物降解特点等相关参数进行设置，难以反映真实的土壤环境质量状况，计算得出的污染物风险控制值过于保守；在NAPL污染场地简化模型的基础上做出决策时应分析不确定性影响，国内外已有部分关于消除不确定性影响的方法，但参数之间的依赖关系问题至今还没有解决；NAPL污染场地风险评估中生态风险评估的应用较少。未来应着重多相流数值模拟软件的功能性扩展、污染物的分类、风险评估用地类型精细化，基于污染物生物可利用性的健康风险评估及生态风险评估方面的研究，并进一步完善模型参数的设置。

(3) NAPL风险管控：我国需坚持走可持续的风险管控和治理修复道路，从管理-工程-技术协同突破污染场地绿色可持续修复管理与技术体系。污染场地风险管控是一种经济实用的措施，在我国NAPL污染场地管理领域有极为广阔的应用前景。未来应立足本国NAPL污染场地风险管控需求，参照国外相关研究进展及案例经验，开展NAPL污染场地风险管控技术体系方法构建研究，系统建立排放源清单，加强区域环境质量监管预警，同时建立全方位、立体化综合信息系统，实现一站式数据采集传输存储、分析和展现的综合管理分析平台。采用信息分层、地理信息系统(GIS)等多种手段描绘NAPL污染分布及程度。另外，由于DNAPL密度比水大，且具有低黏度和高挥发性等特点，其污染范围并不受地下水流向所限制，因此，在污染场地调查及治理修复上，DNAPL较LNAPL更困难，今后应更加注重针对DNAPL现场尺度迁移转化的研究及调查和管理方法的创新。

(4) 法律法规和技术规范建设：发达国家已形成了一套完整的土壤污染防治体系。而我国土壤和地下水污染防治仍面临法律法规不完备、配套技术规范落后、管理体系不成熟等问题，未来应广泛调研国际典型NAPL污染事件，学习防控治理经验，在本国国情基础上完善法律制度和标准体系建设，以规范和指导场地调查、风险评估和修复管理，应实施配套管理和技术机构建设、场地全生命周期监管、企业场地污染防控资金保障机制建设等方面的场地污染防治策略。

2.2 结 论

(1) NAPL污染场地调查研究从定性到定量，从实验到数值模拟，从非地球物理探测到地球物理探测，从孤立至系统不断深入。国外对NAPL调查技术及设备已进行深入研究，且形成了系列化产品。国内对于NAPL污染调查的技术发展较晚，主要通过实验室对采集的地下水、土壤气及土壤样品进行分析，仅在污染较严重的区域采用地球物理探测技术。

(2) NAPL污染场地风险评估从研究溶解传质过程预测建模到场地修复性能评估，由实验室规模研究发展到现场规模测试，由利用NAPL单指标风险评估到分组风险评估，由认识参数敏感性到定量研究参数不确定性影响，由单独建模到集成建模，由复杂模型到筛选模型。研究集中于描述污染源、制定风险评估目标、评估蒸汽入侵风险、描述化学品混合物风险、计算风险因子、量化不确定性等方面。国外风险评估发展已久，形成了一套成熟的评估体系。我国针对NAPL污染的风险评估研究较少，没有形成具体评估方案。

(3) 风险管控技术主要包括制度控制、工程控制和监测自然衰减。发达国家风险管控技术已经成熟完善，风险管控理念已经贯穿污染场地修复整个过程。我国污染场地风险管控体系构建及研究仍处于起步阶段，目前研究主要集中于土壤污染场地风险管控，与NAPL相关的风险管控主要集中在石油烃污染场地管理方面，但仍缺少成熟的工作模式。