重建（污染）源历史工具的实际应用

王飞 关海峰 邓祺文

摘要：污染物通过扩散迁移到低渗透系数区，产生浓度与深度的关系，可用于源衰变导致的浓度随时间衰减的证据。本文使用的數据来源于我国南方某场地，基于传输的电子表格工具，用于生成符合剖面的源历史推测值，并将其拟合已获得的土壤浓度与深度数据。该工具生成的源历史推测类似于使用更密集的分析或数值反建模方法生成的源历史推测，包括存在致密非水相液体（或怀疑存在）的地点确认恒定的源史，以及在发生源隔离或衰减的地点确认下降的源史。此建模工具提供了一种比现有方法更简单、更动态的方法来理解源行为。

关键词：源历史;低渗透区;污染场地;建模工具

中图分类号：X11 文献标识码：A 文章编号：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

土壤污染物的迁移转化过程受许多因素的影响，在地质条件不均匀的区域，污染物的数值模拟预测更加不易刻画，研究表明，透水层与弱透水性地层的接触界面在源区和污染物羽流演化过程中发挥着重要作用[1]。水相污染物浓度很高的透水层与弱透水层相接触时，随着时间的推移，污染物会通过扩散作用从透水区迁移至弱透水区（低渗透系数区），在低渗透区内以溶解、吸附/反吸附的形式赋存污染物。

帕克和切里（1995）首次提出在低渗透系数区使用污染物剖面来估算源区的平均值，类似地，Liu和Ball等人基于某场地估算了源浓度随时间的变化[2]。这些研究中的预测多依赖于复杂的解析解、反演建模、地下水流动和溶质迁移数值模型，这些模型虽然非常强大，但均未考虑扩散到相邻低渗透系数层的实际情况，仅关注于在透水层内梯度下降的弥散渗流[3]。

本文利用一种源历史工具：Source History Tool，通过低渗透区的剖面数据来重建源历史，推算初始污染物的释放。通过系统地采取代表性污染物剖面，并使用这些数据校准建模工具，用于估算浓度历史，生成浓度-时间曲线，从而帮助决策者得到最能代表土壤浓度分布的源历史推测。

1 概念模型

在扩散过程占主导地位的低渗透区，污染物剖面的性质可以用来推断界面的浓度历史。这是因为扩散迁移规律表明，随界面处污染物浓度随时间的降低，界面附近低渗透区的土壤浓度也会随之下降，这些变化在低渗透区浓度剖面上也会随着时间的推移而表现出来。

图1展示了数十年前某场地发生致密非水相液体（DNAPL）污染时的土壤污染浓度分布，三种源强模式分别代表DNAPL残留、已进行修复、自然衰减。其中，图1（a）高渗透层与低渗透层界面浓度-时间曲线显示了以下三种不同情况：1恒源;220年后浓度可以忽略不计的有限源（对污染源进行了完全去除或隔离）;310年内污染源不变，然后浓度线性下降（污染源自然枯竭）。图1（b）显示了40年后的土壤浓度-深度分布曲线。

对于第一种情况，恒定的源导致随着时间的推移，浓度梯度始终为正，从而在界面处产生土壤浓度最高的剖面，该剖面随着进入低渗透系数层的距离的增加而减小。对于第二和第三种情况，源强的减小逆转了浓度梯度，从而通过反向扩散逐渐降低了土壤界面附近的浓度，土壤浓度剖面呈典型的驼峰状，峰值出现在低渗透系数层的某一深度。第二种和第三种情况的主要区别在于，第三种情况下由于源荷载下降速度较慢，渗透量增加，土壤峰值浓度较高。

2 工具简介

本源历史工具模拟污染物在低渗透区的迁移时，补充了具有垂直平流项和一阶衰减项的一维扩散方程，以便评估除扩散和吸附之外这些过程对污染物运移的潜在影响。建模方法基于Fick第二定律的一维扩散方程（此处不为研究重点，因此不作展开），该定律定义了化学物质在溶液中响应浓度梯度的扩散。针对具体场景采用叠加原理，对于无反应扩散的情况，将不同界面浓度溶液叠加，得到低渗透层浓度之和;对于有/没有反应的平流，以类似的方式叠加，以获得低渗透层中的浓度分布。该方法的目的是使场地浓度分布（在转换为等效孔隙浓度后）与模型生成的低渗透区浓度分布拟合，以评估界面处的浓度历史和与该分布匹配的最佳时间。

2.1 参数输入

本源历史工具允许用户提供界面浓度的初始推测值，也可以由工具创建。使用这些初始推测值，可以自动计算低渗透区的净浓度分布。然后系统地调整在多个单独时间间隔中的界面浓度历史，直到在实际（测量的）和建模的数据之间获得代表性的“最佳”拟合（两个数据集之间的均方根（RMS）误差用于整体模型校准，以获取较好的拟合度）。

除不同深度的离散的土壤浓度数据外，所需输入参数还包括：土壤总孔隙度、传输类型、水力传导率（K）、垂直水力梯度（i）、组成自由溶液分子扩散系数（Do）、曲折因子指数（p）、土壤容重（ρb）、一部分有机碳（foc）、有机碳半衰期（t1/2）、分区系数（Koc）和成分。

2.2 参数调整

图1描述了各种输入参数值的增加或减少是如何影响模拟得到的土壤浓度-深度曲线的，以便于更好的拟合实际土壤数据。对于这种一维模拟方法，参数主要影响以下因素：（a）污染物的浓度（例如，通过改变吸附相和水相之间的分布）;（b）污染物渗透到低渗透层的程度（例如，通过调整弯曲度来实现基于扩散的传输过程）。

2.3 不确定性分析

工具中包含的模块使用蒙特卡罗方法分析各种输入参数的测量或推测的不确定性。在该方法中，此工具为用户输入的上述参数的每个值生成随机数，然后使用这组随机输入来计算低渗透区的点位浓度。重复该过程多次产生概率分布（选择为正态，对数正态或均匀），从中可以获得诸如均值，百分位数和方差的统计特征。

3 案例使用

选择适合使用这种建模方法的场地，获得低渗透区的高分辨度土壤浓度数据集，利用该工具使用数值建模的方法推测源历史。评估的目的是比较以前的推测与使用该工具生成的推测值是否一致;对于没有现有源历史估算的监测点，目标只是评估工具生成的估算值是否与已知的监测值一致。

本文模型使用的数据来源于我国南方某受污染场地。场地符合源历史工具应用范围，经场地初步调查和详细调查后选择了4个监测点（M1～M4）进行现场MIP（Membrane Interface Probe）测试，可获得了连续不同深度的土壤污染物浓度数据，根据获得的数据进行源历史浓度拟合。根据剖面信息，选择M4点位的数据进行污染物泄露方式及泄漏量的拟合。

图2 场地调查布点平面示意图

图3 场地典型剖面污染情况示意图

根据剖面信息，选择M4点位（TCE浓度信息）进行污染物源历史估算：

（a）输入土壤浓度与深度信息;（b）输入剩余输入参数的已知或推测值（例如，n，R）;（c）试图拟合数据。

虽然这种方法引入了一些误差（例如，并非所有输入参数都是已知的），但它提供了数据集的合理表示，并且被认为适合于这种类型的评估。

出于评估的目的，仅使用一个推测（基本上最佳拟合）来与工具生成的結果进行比较。源历史推测使用强度逐渐下降模式和恒定源模式两种模式拟合实测污染物浓度分布，获得拟合曲线（图4）。在源强不变的情况下，显然拟合曲线和实测浓度不匹配，可以看出在源衰减情况下拟合效果较好（与场地测量结果基本一致）。TCE的源历史推测显示在顶部面板中，并且模型拟合（实线黑色）与测量的土壤数据（圆圈）显示在底部面板中。

对建模的M4位置的源历史推测都以源强度随时间下降为特征。对该点位的苯系物数据也进行了拟合，但无法达到较好的拟合效果（图5），土壤不同深度苯系物浓度无明显规律，这可能与土壤微生物的降解有关。但依据浓度-深度分布散点图，可以随着深度的增加，土壤中苯系物浓度有升高趋势，并在地面以下12米左右浓度快速下降，据调查显示，此处地质条件发生明显变化，地表12米以下为渗透性不良的粘土层。

4 结论

通过对实际场地的模拟，证明了可以使用简单的分析建模工具来估算基于场地一个或多个位置的高分辨率低渗透系数区污染物分布的污染源历史。可以利用模型模拟出的浓度-深度、浓度-时间的关系，基于包含扩散、垂直平流和退化的一维传输模型，工具尝试捕获源历史的可能模式，并找到最佳污染源模式。使用来自场地实测的污染物浓度数据集，可生成与现有估计值类似或与可用监测点信息一致的源历史记录。

源历史工具非常适合开发和测试概念性监测点模型[5]，其中许多模型缺乏长期的浓度趋势数据，当结果表明源衰减正在发生时，源历史方法可能更有价值。从这个角度，对于研究从源区消耗质量减少其强度的自然过程，可用作支持选择监测的自然衰减（MNA）作为长期修复措施的证据，而节省大量资金。

参考文献

[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

作者简介：王飞（1992-），女，硕士研究生，研究方向为场地环境调查、风险评价与修复。