一种异质性污染场地地下水修复后反弹潜势预测评估方法与流程

1.本发明涉及属于场地污染调查与风险评估技术领域，具体涉及一种异质性污染场地地下水修复后反弹潜势预测评估方法。


背景技术：

2.根据土壤法的要求，经污染状况调查与风险评估确定的污染风险超过可接受水平的场地，需开展风险管控或治理修复。同时，土壤法也明确要求，土壤污染责任人或土地使用权人应聘请第三方机构对场地风险管控或治理修复的效果开展评估，以确保达到了风险评估报告中确定的管控或修复目标。为此，生态环境部已制定并实施了《污染地块风险管控与土壤修复效果评估技术导则》(hj25.5-2018)《污染地块地下水修复和风险管控技术导则》(hj25.6-2019)，对场地修复效果评估工作的开展提出了相应的技术要求。其中，场地地下水修复效果评估需在修复设施停止运行且场地地下水流场基本稳定的前提下，连续开展2年的监测评估，只有在此期限内地下水中目标污染物浓度未出现明显的反弹升高且未超过相应的修复目标值，方可判断场地地下水修复达标。此技术要求的制定背景主要是考虑到场地水文地质条件的异质性，当场地地下水含水层区域存在非连续的粘土等低渗透透镜体时，如果这些透镜体中存在残留污染物，随着时间的推移，残留污染物可解吸扩散进入含水层造成地下水中目标污染物浓度反弹升高，甚至超过前期风险评估报告中确定的修复目标值。这一技术要求的实施，将场地修复效果评估的时限显著延长，在很大程度上阻碍了场地再开发建设的时序，对地方经济发展带来了不利影响。
3.目前一致认为，造成场地地下水修复设施停止运行后目标污染物浓度反弹升高的主要驱动机制是含水层低渗透土层中残留污染物缓慢解吸，在浓度梯度的驱动下扩散传输至含水层，导致地下水中目标污染物浓度逐渐升高反弹。这一过程受场地水文地质条件、残余污染物浓度与质量、目标污染物在低渗透地层以及含水层中的迁移转化规律等多重因素的影响，即使按hj25.6中的技术要求在修复设施停止运行且场地地下水流场恢复稳定的情境下连续监测2年，依然可能捕捉不到反弹升高后地下水中目标污染物最高浓度，导致对反弹后是否超标做出假阴性的判断，造成场地再开发过程中可能暴露环境风险。
4.现在没有手段能够解决仅依靠两年地下水连续监测判断是否存在目标污染物升高反弹导致结论存在假阴性的技术问题，本发明提供一种异质性污染场地地下水修复后反弹潜势预测评估方法解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种异质性污染场地地下水修复后反弹潜势预测评估方法，解决场地水文地质条件、残余污染物浓度与质量、目标污染物在低渗透地层以及含水层中的迁移转化规律等多重因素耦合影响下仅依靠两年地下水连续监测判断是否存在目标污染物升高反弹导致结论存在假阴性的技术问题。
6.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种异质性污染场地地下水修复后反弹潜势预测评估方法，包括以下步骤：s1，构建场地污染概念模型：收集场地污染物浓度与空间分布数据、地层结构及其渗透性数据和地下水数据，利用三维可视化技术将上述数据进行叠加，构建场地污染概念模型，根据场地污染概念模型推断修复工程实施后残余污染物在场地中潜在的空间分布及其赋存介质；s2，识别潜在污染反弹区域：根据场地污染概念模型，结合污染物的空间分布数据，识别出地下水含水层中低渗透土层，将其划定为会导致地下水污染物潜在反弹区域；s3，潜在污染反弹区域污染调查：在潜在污染反弹区域进行土壤采样；s4，筛选反弹区域：针对s3中在潜在污染反弹区域中采集的土壤样品进行污染物浓度检测及分析，采用公式(1)计算目标污染物在土壤样品孔隙水中的浓度，并将其与潜在反弹区域地下水中对应目标污染物实测浓度进行比较：式中，c
lw
为低渗透层土壤样品孔隙水中目标污染物浓度，mg/l；c
ls
为低渗透层土壤样品中目标污染物中浓度，mg/kg；ρ
ls
为低渗透土壤干密度，kg/l；θ
lw
为土壤样品中水分体积含量，无量纲；θ
la
为土壤样品中空气体积含量，无量纲；h为亨利常数，无量纲；k
ld
为目标污染物平衡状态下土壤-水分配系数，l/kg；根据浓度对比结果，确定污染反弹区域；s5，反弹区低渗透土层污染物残留质量计算：针对s4中确定的污染反弹区域，采用泰森多边形插值划定每个采样点代表的反弹区域面积a
lj
；采用公式(2)计算每个反弹区域低渗透土层中目标污染物的残留质量：式中，m
lk
代表第k个反弹区域低渗透土层中目标污染物残留质量，mg；c
lji
为第k个反弹区域内水平方向第j个土壤采样点低渗透土层垂向上第i个采样位置土样中目标污染物浓度，mg/kg；c
lj(i 1)
为第k个反弹区域内水平方向第j个土壤采样点低渗透土层垂向上第i 1个采样位置土样中目标污染物浓度，mg/kg；a
lj
为第k个反弹区域内水平方向第j个土壤采样点代表的反弹区域低渗透土层面积，m2；l
lji
为第k个反弹区域内水平方向第j个采样点低渗透土层垂向上第i个和第i 1个土壤采样位置之间的距离，m；ρ
lji
为第k个反弹区域内水平方向第j个采样点低渗透土层垂向上第i个和第i 1个土壤采样位置之间的土壤干密度，kg/l；n为第k个反弹区域内水平方向第j个采样点垂向上土壤采样位置数，无量纲；m为第k个反弹区域内低渗透土层水平方向上土壤采样点数量，无量纲；s6，计算反弹区域地下水含水层目标污染物残留质量：针对s4中确定的污染反弹区域，采用公式(3)计算每个反弹区地下水含水层中目标污染物残留质量：m
hk
＝(c
hw
×ahw
×
l
hw
×
θ
hw
k
hd
×chw
×
ρ
hs
×ahw
×
l
hw
)
×
1000
ꢀꢀ
(3)式中，m
hk
为修复设施停止运行后第k个反弹区地下水中目标污染物残留质量，mg；chw
为修复设施停止运行后第k个反弹区地下水中目标污染物平均浓度，mg/l；a
hw
为每个反弹区域面积，m2；l
hw
为每个反弹区域地下水含水层厚度，m；θ
hw
为地下水含水层中土壤样品水分体积含量，无量纲；ρ
hs
为地下水含水层土壤干密度，kg/l；k
hd
为地下水含水层中目标污染物平衡状态下土壤-水分配系数，l/kg；其余符号标记同公式(1)(2)；s7，预测区域反弹潜势：根据质量守恒原理，采用公式(4)预测平衡状况下各反弹区含水层地下中目标污染物的浓度：式中，c
kwa
为平衡状态下第k个反弹区域含水层地下水中目标污染物浓度，mg/l；θ
lji
为第k个反弹区域内水平方向第j个采样点低渗透土层垂向上第i个和第i 1个土壤采样位置之间土壤样品水分体积含量，无量纲；l
hwm
为反弹区域含水层地下水混合带高度，m，通常取值不大于2m；θ
hwm
为反弹区域含水层地下水混合带土壤样品水分体积含量，无量纲；ρ
hsm
为反弹区域含水层地下水混合带土壤干密度，kg/l；k
hdm
为反弹区域含水层地下水混合带目标污染物平衡状态下土壤-水分配系数，l/kg；其余符号标记同公式(1)(2)(3)；s8，评估区域反弹潜势：根据s7的计算结果将c
kwa
与修复后场地地下水中目标污染物浓度cw及其修复目标值进行比较，如c
kwa
大于cw且大于修复目标值，则表明未来该区域地下水中目标污染物浓度会反弹升高，且造成反弹后目标污染物浓度超标的风险较高；如c
kwa
仅大于cw，则表明未来该区域地下水中目标污染物浓度会反弹升高，但造成反弹后目标污染物浓度超标的风险较低；如c
kwa
小于cw，则表明未来该区域地下水中目标污染物浓度会反弹升高的风险较低。
7.进一步地，步骤s1中，场地污染物浓度与空间分布数据包括场地污染状况调查、修复设计、修复工程实施以及修复设施运行监测阶段中获得的污染浓度与空间分布数据，地下水数据包括地下水含水层分布及其流速与厚度数据。
8.进一步地，步骤s3中，土壤采样采用分步分阶段进行，具体方法如下：先进行水平间距大于10m的低密度采样，对采集的土壤样品进行污染物实时检测，然后逐步缩小采样点之间的水平间距至不大于10m的高密度采样；根据污染物实时检测结果对潜在反弹区域进行水平间距不大于10m的高密度采样，并确定出潜在反弹区域；针对潜在反弹区域进行垂向间距不大于1m的采样。
9.进一步地，步骤s4中，当计算的孔隙水中目标污染物浓度低于潜在反弹区域地下水中对应目标污染物的实测浓度时，认为该样品所在局部低渗透土层中残留的污染物不会造成地下水中对应目标污染物浓度反弹；反之，认为样品所在局部低渗透土层中残留的污染物存在造成地下水中对应目标污染物浓度升高反弹的风险，根据后续的定量分析进行确定。
10.进一步地，步骤s4中，根据计算结果在s1中的场地污染概念模型中进一步进行反弹区域的细化筛选，确定反弹区域的具体分布、尺寸和土层的理化性质，以及每个反弹区域地下水含水层的厚度、含水层赋水介质的孔隙度和地下水流速。
11.进一步地，步骤s4的计算过程中，模型参数采用场地实测值而非经验参数。
12.本发明有益效果如下：
针对特定的污染场地，本发明在收集分析场地污染状况调查、修复设计、修复实施与修复设施运行的不同阶段的污染浓度与空间分布信息、地层结构与水文地质条件等信息的基础上，构建场地概念模型，识别潜在反弹区域，并通过污染精细刻画筛选反弹区域；在此基础上，基于质量守恒原理构建平衡状态下反弹区地下水中目标污染物浓度预测模型，据此评估污染物反弹潜势，结果足够保守，且不确定性较低，无需开展地下水中目标污染物浓度变化趋势连续监测，较传统方法有效的避免了地下水修复效果评估周期长、影响场地再开发利用进程、评估结论不确定性高导致再利用过程存在环境安全隐患的缺陷；本发明中的反弹潜势预测方法基于反弹区域地下水含水层及其临近区域低渗透地层中目标污染物质量守恒原理，创建了静态平衡情景下反弹区域含水层地下水中目标污染物浓度的预测模型；该模型为解析模型，求解较传统的数值模型简单，参数均可通过现场实测获取，易于推广应用，且模型预测结果的不确定性低。
附图说明
13.图1为本发明的流程步骤示意图；图2为本发明的场地概念模型示意图；图3为本发明的反弹区域每个采样点代表的反弹面积划定示意图。
具体实施方式
14.下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
16.如图1所示，一种异质性污染场地地下水修复后反弹潜势预测评估方法，包括以下步骤：s1，构建场地污染概念模型：收集场地污染物浓度与空间分布数据、地层结构及其渗透性数据和地下水数据，利用三维可视化技术将上述数据进行叠加，构建场地污染概念模型，根据场地污染概念模型推断修复工程实施后残余污染物在场地中潜在的空间分布及其赋存介质；s2，识别潜在污染反弹区域：根据场地污染概念模型，结合污染物的空间分布数据，识别出地下水含水层中可能存在残留污染物的粉质粘土、粘土低渗透土层，将其划定为会导致地下水污染物潜在反弹区域；s3，潜在污染反弹区域污染调查：在潜在污染反弹区域进行土壤采样；s4，筛选反弹区域：针对s3中在潜在污染反弹区域中采集的土壤样品进行污染物浓度检测及分析，采用公式(1)计算目标污染物在土壤样品孔隙水中的浓度，并将其与潜在反弹区
域地下水中对应目标污染物实测浓度进行比较：式中，c
lw
为低渗透层土壤样品孔隙水中目标污染物浓度，mg/l；c
ls
为低渗透层土壤样品中目标污染物中浓度，mg/kg；ρ
ls
为低渗透土壤干密度，kg/l；θ
lw
为土壤样品中水分体积含量，无量纲；θ
la
为土壤样品中空气体积含量，无量纲；h为亨利常数，无量纲；k
ld
为目标污染物平衡状态下土壤-水分配系数，l/kg；根据浓度对比结果，确定污染反弹区域；s5，反弹区低渗透土层污染物残留质量计算：针对s4中确定的污染反弹区域，采用泰森多边形插值划定每个采样点代表的反弹区域面积a
lj
；采用公式(2)计算每个反弹区域低渗透土层中目标污染物的残留质量：式中，m
lk
代表第k个反弹区域低渗透土层中目标污染物残留质量，mg；c
lji
为第k个反弹区域内水平方向第j个土壤采样点低渗透土层垂向上第i个采样位置土样中目标污染物浓度，mg/kg；c
lj(i 1)
为第k个反弹区域内水平方向第j个土壤采样点低渗透土层垂向上第i 1个采样位置土样中目标污染物浓度，mg/kg；a
lj
为第k个反弹区域内水平方向第j个土壤采样点代表的反弹区域低渗透土层面积，m2；l
lji
为第k个反弹区域内水平方向第j个采样点低渗透土层垂向上第i个和第i 1个土壤采样位置之间的距离，m；ρ
lji
为第k个反弹区域内水平方向第j个采样点低渗透土层垂向上第i个和第i 1个土壤采样位置之间的土壤干密度，kg/l；n为第k个反弹区域内水平方向第j个采样点垂向上土壤采样位置数，无量纲；m为第k个反弹区域内低渗透土层水平方向上土壤采样点数量，无量纲；s6，计算反弹区域地下水含水层目标污染物残留质量：针对s4中确定的污染反弹区域，采用公式(3)计算每个反弹区地下水含水层中目标污染物残留质量：m
hk
＝(c
hw
×ahw
×
l
hw
×
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×chw
×
ρ
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×ahw
×
l
hw
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×
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(3)式中，m
hk
为修复设施停止运行后第k个反弹区地下水中目标污染物残留质量，mg；c
hw
为修复设施停止运行后第k个反弹区地下水中目标污染物平均浓度，mg/l；a
hw
为每个反弹区域面积，m2；l
hw
为每个反弹区域地下水含水层厚度，m；θ
hw
为地下水含水层中土壤样品水分体积含量，无量纲；ρ
hs
为地下水含水层土壤干密度，kg/l；k
hd
为地下水含水层中目标污染物平衡状态下土壤-水分配系数，l/kg；其余符号标记同公式(1)(2)；s7，预测区域反弹潜势：根据质量守恒原理，采用公式(4)预测平衡状况下各反弹区含水层地下中目标污染物的浓度：式中，c
kwa
为平衡状态下第k个反弹区域含水层地下水中目标污染物浓度，mg/l；θ
lji
为第k个反弹区域内水平方向第j个采样点低渗透土层垂向上第i个和第i 1个土壤采样
位置之间土壤样品水分体积含量，无量纲；l
hwm
为反弹区域含水层地下水混合带高度，m，通常取值不大于2m；θ
hwm
为反弹区域含水层地下水混合带土壤样品水分体积含量，无量纲；ρ
hsm
为反弹区域含水层地下水混合带土壤干密度，kg/l；k
hdm
为反弹区域含水层地下水混合带目标污染物平衡状态下土壤-水分配系数，l/kg；其余符号标记同公式(1)(2)(3)；s8，评估区域反弹潜势：根据s7的计算结果将c
kwa
与修复后场地地下水中目标污染物浓度cw及其修复目标值进行比较，如c
kwa
大于cw且大于修复目标值，则表明未来该区域地下水中目标污染物浓度会反弹升高，且造成反弹后目标污染物浓度超标的风险较高，即有较大概率导致目标污染物浓度超标，需要进一步实施修复或风险管控措施；如c
kwa
仅大于cw，则表明未来该区域地下水中目标污染物浓度会反弹升高，但造成反弹后目标污染物浓度超标的风险较低；如c
kwa
小于cw，则表明未来该区域地下水中目标污染物浓度会反弹升高的风险较低，低渗透土层将作为“吸附剂”进一步吸附含水层中流动相的目标污染物，降低目标污染物的迁移扩散风险。
17.进一步地，步骤s1中，场地污染物浓度与空间分布数据包括场地污染状况调查、修复设计、修复工程实施以及修复设施运行监测阶段中获得的污染浓度与空间分布数据，地下水数据包括地下水含水层分布及其流速与厚度数据。
18.进一步地，步骤s3中，土壤采样采用分步分阶段进行，具体方法如下：先进行水平间距大于10m的低密度采样，对采集的土壤样品进行污染物实时检测，然后逐步缩小采样点之间的水平间距至不大于10m的高密度采样；根据污染物实时检测结果对潜在反弹区域进行水平间距不大于10m的高密度采样，并确定出潜在反弹区域；针对潜在反弹区域进行垂向间距不大于1m的采样。
19.优选的，采用膜界面半定量快速探测方式对采集的土壤样品进行污染物实时检测。
20.进一步地，步骤s4中，当计算的孔隙水中目标污染物浓度低于潜在反弹区域地下水中对应目标污染物的实测浓度时，认为该样品所在局部低渗透土层中残留的污染物不会造成地下水中对应目标污染物浓度反弹；反之，认为样品所在局部低渗透土层中残留的污染物存在造成地下水中对应目标污染物浓度升高反弹的风险，根据后续的定量分析进行确定。
21.进一步地，步骤s4中，根据计算结果在s1中的场地污染概念模型中进一步进行反弹区域的细化筛选，确定反弹区域的具体分布、尺寸和土层的理化性质，以及每个反弹区域地下水含水层的厚度、含水层赋水介质的孔隙度和地下水流速。
22.优选的，反弹区域的具体分布为水平和垂向位置数据，尺寸为面积和厚度数据，土层的理化性质为含水率、孔隙度和干密度数据。
23.进一步地，步骤s4的计算过程中，模型参数采用场地实测值而非经验参数以提高预测精度。
24.优选的，步骤s5中采用基于面积与厚度加权的计算方法，预测每个反弹区域低渗透土层中污染物残留质量，有效克服了污染物浓度与水文地质条件各向异性对残留质量预测精度的影响。
25.本发明的具体实施例，某氯苯污染场地地下水修复效果后反弹潜能预测与评估。
场地土壤和地下水主要受氯苯污染，整个场地面积约18000m2，采用原位技术进行修复。修复设施运行约两年后实施单位运行监测结果显示地下水中氯苯浓度已低于修复目标值2.5mg/l。采用本发明的方法对上述场地地下水修复效果开展评估。
26.步骤一，收集数据构建场地概念模型；如图2所示，实施例场地地面以下18m深度范围内的土层由上而下依次是深度为0-3.5m的填土层，深度为3.5-10m的粉质粘土层，深度为10-12m的粘质粉土层，深度为12-18m的粉细砂层和深度为18-20m的粉粘层，其中，地下水主要赋存在粉细砂层。将污染物浓度及其空间分布数据与场地地层及水文地质条件数据进行三维叠加后发现，修复工程实施前，目标污染物主要集中在填土层之下的粉质粘土层以及地下水含水层上界面的粘质粉土层和下界面的粉质粘土层。修复设施运行过程中监测数据显示，地下水含水层上界面的粘质粉土层和下界面的粉质粘土层中氯苯的检出率与检出浓度较其它区域土层高。从平面分布看，主要集中在场地东南角区域。因此初步推测存在残留污染的区域主要是场地东南侧，污染物主要残留在这一区域地下水含水层上、下界面的低渗透土层。
27.步骤二，依据步骤一中构建的场地概念模型；初步识别案例场地地下水潜在的反弹区域主要位于场地东南角，其反弹的主要驱动力是这一区域地下水上覆粘质粉土层以及下伏粉质粘土层中残留的氯苯解吸扩散进入地下水含水层，造成这一局部区域地下水中氯苯浓度反弹升高。
28.步骤三，针对步骤二中识别出的场地地下水潜在反弹区域开展残留污染精细调查；通过高密度布点采样，并配合pid便携式设备快速检测技术，在潜在反弹区域布置土壤采样点31个采集土壤样品总计240个，然后进行氯苯浓度检测，同时设置17口地下水监测井进行氯苯浓度检测。
29.步骤四，采用公式(1)计算这240个土壤样品对应孔隙水中氯苯浓度，并将其与此区域17个地下水监测井地下水中氯苯按监测井代表的面积进行加权的平均浓度360μg/l进行对比，进一步筛选案例场地反弹区域。结果显示，仅11个点位地下水含水层下伏的粉质粘土层中氯苯孔隙水中浓度大于360μg/l，存在反弹的可能。具体点位信息如表1所示，这些采样点主要位于场地东南角区域，总面积约1653m2，可能造成地下水氯苯浓度反弹的下伏粉质粘土低渗透污染土层厚度约1～1.5m；反弹区域地下水含水层厚度6米，赋水介质为粉砂，因实施例的场地周围已建设止水帷幕，可认为场地内地下水流速为0。
30.表1土壤孔隙水中氯苯浓度预测结果
步骤五，如图3所示，针对步骤四筛选确定的反弹区域，采用多边形插值划定反弹区域每个采样点代表的反弹区域面积。
31.采用公式(2)计算反弹区域低渗透土层中氯苯的残留质量，如表2所示。
32.表2反弹区域低渗透土层氯苯残留质量
步骤六，采用公式(3)计算反弹区地下水含水层中氯苯残留质量，其中，反弹区域地下水中氯苯浓度(c
hw
)取值为此区域氯苯按面积加权的平均值0.36mg/l，反弹区域的面积为(a
hw
)1653m2，每个反弹区域地下水含水层厚度(l
hw
)为6m，地下水含水层中土壤样品水分体积含量(θ
hw
)为0.4，地下水含水层土壤干密度(ρ
hs
)为1.7kg/l，地下水含水层中目标污染物平衡状态下土壤-水分配系数(k
hd
)2.05l/kg。将以上参数带入公式(3)计算的含水层中氯苯残留质量为13871314.8mg。
33.步骤七，采用公式(4)预测平衡状况下各反弹区域含水层中氯苯浓度，结果为2.03mg/l。对比可知，因局部区域地下水含水层下伏低渗透粉质粘土层中残留有氯苯，案例场地地下水修复设施停止后赋存在这些低渗透粉质粘土层中的氯苯将缓慢解吸，在浓度梯度的驱动下扩散传输进入地下水含水层，可能导致地下水中氯苯浓度反弹升高至2.03mg/l，但依然低于该场地地下水氯苯的修复目标值2.5mg/l。表明未来该区域地下水中氯苯浓度回反弹升高的可能性较低。
34.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。