上海地区浅层土壤中污染物运移特征分析

葛 佳，陈 敏

（1. 上海市岩土地质研究院有限公司，上海 200072；2. 上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

上海地区浅层土壤中污染物运移特征分析

葛 佳1，陈 敏2

（1. 上海市岩土地质研究院有限公司，上海 200072；2. 上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

结合上海地区浅层土地质特征与现场实验，分析了重金属和有机物等污染物在浅部土壤中的运移及污染羽形成特征，对污染分布及其运移规律进行了初步研究，为水土污染防治提供借鉴。

土壤环境调查；土壤污染；污染运移；污染分布；污染羽；污染防治

上海拥有150多年近代工业发展的历史，从开埠至解放前夕，其工业规模、生产水平均居全国之首。随着改革开放与经济发展，上海的城市规模迅速扩大，工业企业的生产规模不断扩大。由于早期环保意识淡漠、设备陈旧及监管薄弱，导致工业企业的“三废”排放无序，给厂区土壤造成不同程度的污染。近年来，上海市积极响应国家号召，相继出台了环保规章制度，其中《关于保障工业企业及市政场地再开发利用环境安全的管理办法》（沪环保防[2014]188号）和《上海市经营性用地和工业用地全生命周期管理土壤环境保护管理办法》（沪环保防[2016]226号），对工业场地的土壤环境调查提出了强制性措施。

然而，目前污染场地调查多数关注污染土壤本身，而对整体场地地质环境考虑缺乏一定的全局观念。场地作为污染载体，其地质特性与场地污染成因、污染物运移等有着密切的相关性。因此，为了查明场地土壤中污染物的空间分布情况，需要对场地浅层土地质特征、浅层土壤中污染物运移规律进行深入研究。

本文根据重金属和有机物等污染物在土壤中的运移规律，结合上海地区浅层土地质特征，分析上海地区浅层土壤中污染运移及污染羽形成，并以上海某场地为例，对浅层土中污染分布进行初步研究，以期为更好地开展上海地区场地土壤环境调查提供参考。

1 浅层土壤中污染物运移规律

1.1 污染物在土壤中运移机理

污染物在土壤中的运移主要有地下水的机械过滤作用、离子吸附交替作用和溶解沉淀作用等。由于地质、水文地质环境及污染物的持续时间较长，污染物在土壤环境中的运移非常复杂，往往是多种因素共同起控制作用。

（1）机械过滤作用：因非饱和包气带中的空隙相对较大，污染流体中较大的悬浮颗粒可以被包气带的地层过滤，这一作用通常发生在包气带上部，污染物附着于包气带地层中。

（2）离子吸附交替作用[1]：包气带介质中，往往带有正或负电荷的颗粒，如纯净的石英砂带有负电荷、部分情况下介质表面被污染的正电荷覆盖等，可以吸附带异性电荷的颗粒或离子，如绝大部分有机胶体和细菌等带负电荷，产生离子吸附交替作用，也是包气带“净化”污染流体的一个重要作用。

（3）溶解沉淀作用：污染流体通常具有一定的酸碱性、矿化度和离子强度，通过包气带中的介质时易发生溶解作用，产生新的污染物；部分流体中含有比重较大的离子，在包气带中易产生沉淀作用，滞留在包气带空隙中。

1.2 重金属在土壤中迁移规律

土壤重金属作为土壤溶质，在土壤中的迁移实质上受到重金属随土壤水分的迁移，在土壤中的扩散，与土壤颗粒之间、重金属及其他溶质不同组分之间的化学反应变化，以及被植物吸收等多因素制约和影响。重金属在土壤中的迁移转化形式主要有三种类型：（1）物理迁移，即土壤溶液中的重金属离子或络离子可以随水迁移至地面水体；（2）物理化学迁移和化学迁移，即土壤环境中的重金属污染物与土壤无机胶体结合，发生的迁移及重金属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质（如富里酸、胡敏酸）的影响；（3）生物迁移，土壤环境中重金属的生物迁移，主要是指植物通过根系从土壤中吸收某些化学形态的重金属，并在植物体内积累起来。

1.3 有机污染物在土壤中迁移规律

有机污染物在土壤中的运动过程十分复杂，污染物进入地下水系统要经过三个阶段：通过包气带的渗漏；由包气带进一步向饱水带扩散；进入饱水带污染地下水。有机污染物进入包气带中，使土壤饱和后，在重力作用下向潜水面垂直运移。在向下运移的过程中，一部分滞留在土壤的孔隙中，对土壤也构成了污染。有机污染物通过包气带运移时，在低渗透率地层上易发生侧向扩散；而在渗透率较高的地层中有机污染物会在重力作用下垂直向下运移至毛细带顶部。到达毛细带的有机污染物在毛细力、重力作用下发生侧向及垂向运移，在毛细带区形成一个污染界面。在这里部分有机污染物进入包水带对地下水构成污染，部分有机污染物滞留在毛细带附近。随着降雨的淋溶作用，滞留在包气带及毛细带的有机污染物会进一步随雨水进入地下水中，导致地下水污染。对一部分不溶于水的有机污染物中的低密度非水相流体（LNAPL），以液相、气相形态赋存于地下潜水的表层，会随地下水位的上下变化而上下移动[2]，当水位经历一个来回的波动后，都会扩大分布范围[3]。对一部分不溶于水的有机污染物，如高密度非水相流体（DNAPL），存在于潜水位的底部，地下水的上下波动和水平渗流，也会携带部分污染物通过水位波动和扩散残留于土壤中，由于这部分污染物的密度较大，扩散范围相对有限。受污土壤经大气降水或灌溉等作用，有害物质随入渗水污染浅层地下水，使地下水环境质量受到一定影响[4～6]。

2 上海地区浅层土壤中污染物运移研究

2.1 浅层土地质特征

上海市位于长江三角洲前缘，全区主要是在全新世海侵旋回和构造沉降背景基础上，通过由长江携带的泥沙为主的水流与潮流的共同作用，逐渐堆积形成平坦的滨海平原，其三面环水，内陆河网发育，地势低平，略呈东高西低缓倾，地面高程一般在2.2～4.5m；其中高程在4.0m以下的地区约占全区总面积的50%左右。与土壤污染相关的土层主要分布在20m以内，上海地区土层特性见表1所示[7,8]。

2.2 污染物运移及污染羽形成

上海地区的浅层土壤主要由回填土、第②层褐黄色黏性土、明暗浜淤泥质土组成。回填土比较复杂，有渣土、垃圾、砖块碎石等，空隙较大，是污染物向下运移的通道，对污染物的“储存”能力较弱。第②层褐黄色黏性土由②1、②2、②3层组成；其中②1、②2层为黏性土为主，呈可塑—软塑状，渗透性小，对污染物的“储存”能力强。②3层受吴淞江等古河道切割影响而广泛分布，以粉性土、粉砂为主，呈松散—稍密状，具有渗透性大的特性，污染物随降雨向下渗透能力强；适当条件时②3层还易产生“流砂”，污染物则随流砂扩散，扩散范围较大。明暗浜淤泥质土呈流塑状，具有高压缩性、高灵敏度、弱渗透性、流变等特性，污染物不易渗透和扩散，对污染物的“储存”能力较强。

表1 上海浅部土层基本特性Table 1 Basic characteristics of the soil layer in Shanghai

根据上海地区浅部土层和地下水特征，污染物泄漏产生的污染运移及污染羽形成，如图1所示。污染源泄漏以后首先通过路面层的空隙、裂隙向下渗漏；穿过回填土层，一般来说，回填土孔隙度高，含水量低，处于包气带中，主要以垂直方式向下运移进入②1层褐黄色黏性土层；在②1层中地下水作用下向周围扩散，一部分比重较轻的污染物经机械过滤、离子交换吸附作用，悬浮在黏性土层中，另一部分比重较大或溶解于水中的污染物随地下水扩散进入②3层粉性土粉砂层中；该层含砂量较大，处于潜水层中，地下水渗透系数相对较大，污染物扩散范围大，形成羽状扩散形态；部分比重较大的污染物沉淀于②3层中，另一部分随地下水继续向下及周围扩散，进入第③层淤泥质土层，部分污染物与淤泥质土层中的物质发生氧化还原、络合、酸碱及生化等作用，部分如重金属沉淀于该层中，污染羽的范围继续扩大。在这一作用过程中，随着时间的推移，渗漏量不断扩大，在地下水的往复升降作用下，污染浓度逐渐增加[9]。

图1 污染物运移及污染羽形成示意Fig.1 Pollution migration and pollution feathers formation

3 上海某场地实例研究

3.1 项目概况

项目场地位于上海市某工业区，原为染料化工厂，始建于20世纪50年代，于2008年底停产，停产后场地内各种建筑均已拆除，现场地内长满了芦苇及杂草。对场地进行土壤环境调查，共布设了113个土壤采样点，每个采样点采集2～4层土壤样品，具体采样深度根据现场观测和筛查确定，采集362个土壤样品，分析参数包括重金属（银、砷、铍、镉、铬、铜、镍、铅、锑、硒、铊、汞和锌，共13种）和有机污染物（挥发性有机物、半挥发性有机物和总石油烃）。调查结果表明，该场地受到重金属和有机污染物复合污染。

3.2 场地浅层土工程地质特征

本场地勘察最大深度为10.0m，从其结构特征、土性不同和物理力学性质上的差异可划分为4个工程地质层及其亚层，各层地基土的基本情况见表2。

表2 场地土层基本情况Table 2 Basic situation of soil layer in the site

由土层特性表可知，该场地①1、①2层极易受到污染；②层一般受上层杂填土层中的污染物淋洒作用而被污染，且管线、沉淀池、生产设备等基础均置于或涉及该层；③层易发生纵横向不同性的污染，受沉淀池等污染水排放影响使该层可能会受到一定程度的污染；④层除沉淀池基础埋深可能涉及该层而局部受到污染外，一般污染不易穿越该层。依据场地浅层土工程地质条件分析可知，污染物易在①1、①2、②层中迁移存在，本次场地调查的取样深度主要位于①1、①2、②层，部分采样点取样深度达到③层。

3.3 污染分布与地层的关系

结合本次工程地质剖面和污染物超标水平范围调查结果，以污染超标较严重的土壤采样点为重点，选取了A-A’和B-B’2个断面，断面内土壤样品的评价结果见表3，并将场地污染物超标范围与地层结合，形成场地污染分布断面图（图2）。

从图中可以看出，在现有采样深度条件下，以《展览会用地土壤环境质量评价标准》A级标准为界定标准，本场地土壤污染物超标范围主要涵盖①1、①2、②层，部分达到③层。此外，超过《展览会用地土壤环境质量评价标准》B级标准，土壤污染较严重的采样点大多位于填土层（①层）。由此可见，土壤中污染物（重金属和有机污染物）超标范围与工程地质条件有一定关系，但由于场地内地层结构变化不大，污染物超标范围无显著差异。此外，场地内污染物超标情况主要呈区域分布，超标污染物水平及垂向分布范围并未主要位于暗浜内，暗浜内污染情况无明显较暗浜外严重的现象。

表3 场地土壤质量评价Table 3 Soil quality assessment in the site

4 结论

场地作为污染载体，其地质特性与场地污染成因、污染物运移等有着密切的相关性。根据浅层土壤污染物迁移规律和上海地区浅层土地质特征的初步研究可知，污染物泄漏产生的污染运移及污染羽先后到达回填土层、②1层褐黄色黏性土层、②3层粉性土粉砂层、③层淤泥质土层，根据不同污染物的特征以及运移机理，污染羽的范围继续扩大。同时，随着时间的推移，渗漏量不断扩大，在地下水的往复升降作用下，污染浓度逐渐增加。

通过对上海某场地浅层土地质条件与污染分布分析可知，土壤中污染物（重金属和有机污染物）超标范围与场地地质条件有一定关系，但由于场地内地层结构变化不大，污染物分布范围与场地地质条件的相关性不够显著。此外，由于上海地区工业污染多为点源污染，加之浅部地质条件以低渗透性土层为主，污染范围通常呈斑块化分布，掌握浅层土地质特征与污染分布关系有一定难度。因此，为了查明场地土壤中污染物的空间分布情况（水平和垂向），需要通过更多的实例分析，对上海地区浅层土壤中污染物运移进行更为深入的研究。

图2 场地土壤污染剖面图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,硕士,主要从事城市环境地质研究..

电子邮箱:brenda-ge@hotmail.com

联系电话:021-56063480

上海市科学技术委员会科研计划项目(14231200503)