趙龍 韓占濤 孔祥科 黃爽兵 李玉梅

摘要：在污染場地調(diào)查中，快速、準確地確定污染物的分布特征是調(diào)查工作的重點。作為新興的污染場地調(diào)查技術(shù)，直接推進鉆探技術(shù)可以用來進行包氣帶和含水層土壤樣品采集、地層滲透系數(shù)探測，以及直接測定地層中污染物組成，具有快速、準確、不引起交叉污染的優(yōu)點。該文對直接推進鉆探當前研究進展進行介紹，并對技術(shù)改進方向進行敘述。

關(guān)鍵詞：直接推進鉆探；土壤及地下水；污染調(diào)查；薄膜界面探測；激光誘導熒光；滲透系數(shù)

中圖分類號：X508；P634.5文獻標識碼：A文章編號：

16721683（2014）02010704

Application of Direct Push Technology in the Investigation of Contaminated Site

ZHAO Long1，2，3，HAN Zhantao1，2，KONG Xiangke1，2，HUANG Shuangbing1，2，LI Yumei1，3

（1.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，Shijiazhuang 050061，China；

2.Hebei Key Laboratory of Groundwater Remediation，Shijiazhuang 050061，China；

3.Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang 050031，China）

Abstract：Accurate and rapid determination of the distribution of contaminants is the main task for the investigation work of a contaminated site.As a new surveying tool for contaminated sites，direct push technology can be used for soil sample collection in the vadoze zone and aquifer，detection of aquifer parameters，and determination of pollutants.It has the advantages of fast，accurate，and free of crosscontamination.In this paper，the development and research progress of direct push technology was introduced，and the technology innovation was discussed.

Key words：direct push；soil and groundwater；contamination investigation；membrane interface probe；laser induced fluorescence；hydraulic conductivity

1研究背景

進入21世紀以來，隨著我國城市化進程的加快，許多城市工業(yè)區(qū)外遷，原有的工業(yè)區(qū)土地利用類型發(fā)生變更，轉(zhuǎn)變?yōu)榫用裼玫鼗蛏虡I(yè)用地[1]。工業(yè)生產(chǎn)過程中造成的各種土壤和地下水污染物可通過多種途徑對周圍的居民和動植物產(chǎn)生危害，因此必須對此類污染場地進行調(diào)查和修復。

直接推進鉆探技術(shù)（Direct Push Technology，DPT）作為一種新興的場地調(diào)查技術(shù)，以其快速、精確及節(jié)約資金等優(yōu)點在發(fā)達國家污染場地調(diào)查中得到了廣泛應用，美國環(huán)保署（EPA）在2005年總結(jié)發(fā)布了直接推進技術(shù)應用指南，詳細介紹了利用直接推進技術(shù)進行土壤、土壤氣體及地下水樣品采集和監(jiān)測的方法[2]，以指導其在污染場地調(diào)查中的應用。

DPT是通過貫入、推進和振動將內(nèi)附取樣器的小直徑的空心鋼管直接壓入地層，實現(xiàn)對代表性的土壤，土壤氣體及地下水樣品的采集，或攜帶特定探頭對地下物理、化學情況進行探測的系列工具[3]。

2直接推進技術(shù)功能及應用現(xiàn)狀

DPT具有土層連續(xù)取樣、土層滲透系數(shù)探測、半定量探測及識別場地污染物類型和污染層位、建立永久性或臨時性監(jiān)測井等功能。在過去20多年間[4]，針對復雜的第四紀沉積地層，人們基于直接推進平臺開發(fā)了多種適合于不同場地的探測、取樣鉆頭。例如，對于砂相沉積地層，可使用淤沙驅(qū)動頭克服砂體流動，降低探測、取樣難度；通過裝備超級膨脹黏土驅(qū)動頭及內(nèi)桿驅(qū)動頭，可以解決黏土沉積層取樣的困難。在實際操作中可借鑒EPA的相關(guān)報告指南或Geoprobe及AMS公司的使用說明。

2.1土層連續(xù)取樣

土層連續(xù)取樣是直接推進技術(shù)的主要功能（圖1）該取樣方法取出的樣品雖然在推進過程中受到了壓縮，但是深度定位準確，并且由于不使用泥漿和水，避免了土樣受到污染，這對于污染場地調(diào)查至關(guān)重要。因此，直接推進技術(shù)在我國污染場地調(diào)查中逐漸得到廣泛應用。

筆者在滄州某污染場地應用DPT進行場地調(diào)查過程中，針對不同地層開發(fā)了不同的鉆進和取樣方法。該場地表層0～3 m為雜填土形成的不均勻堆積地層，下部主要為粉質(zhì)黏土與粉土互層，并伴有粉砂、黏土夾層的自然沉積地層。在進行DPT鉆進過程中，發(fā)現(xiàn)鉆頭可將大塊的磚塊，煤渣切成小塊，順利鉆進取樣；對于含有粉質(zhì)黏土或黏土的地層，通過提高液壓錘震蕩頻率，并采取內(nèi)桿驅(qū)動頭定深取樣，可避免由于土體阻力造成的采樣管崩裂問題，提高取芯率；對于粉砂、粉細砂地層中由于砂體流動導致提芯率不高（<40%）的問題，可通過添加提芯帽的方法提高提芯率。

以上是針對第四紀松散沉積地層采取的技術(shù)改進，而對于含有大塊礫石的松散地層或巖層，目前的DPT技術(shù)還難以應用[5]。

圖1連續(xù)取樣示意圖

Fig.1Schematic diagram of continuous sampling

2.2滲透系數(shù)探測

滲透系數(shù)（K）的空間分布對于理解和預測地下水系統(tǒng)的溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化具有重要作用[6]。 DPT平臺可以通過裝配探測器實現(xiàn)對地層滲透系數(shù)測定。目前利用DPT對地層滲透系數(shù)進行原位探測包括兩種方法，分為注水法和靜力觸探試驗法（Cone Penetration Test ，CPT）。

2.2.1注入法

相比于傳統(tǒng)抽水試驗方法，注入法不用建井，對地層干擾小，定性得出高分辨率的垂向滲透系數(shù)。該方法是通過地表或驅(qū)動桿攜帶的傳感器記錄注水速率和注水誘導壓力，使用相關(guān)公式估算出K值[7]。但是，DPIL僅能定性地描述K值，而在同一土層進行DPP注水測試則可以將定性DPILK值結(jié)果進行定量轉(zhuǎn)化[8]。

穩(wěn)定注水條件下K值計算公式：

KDPIL=Qπr4 Pinjπr4-8QLη（1）

式中：Pinj為傳感器測量的壓力與水柱高度壓力之和；r為套管的半徑；L為壓力傳感器與篩管之間的距離；Q為流量；η為注入液體的動態(tài)黏滯度。

非穩(wěn)定流：KDPIL=Q Pinj-mQ2-Qb（2）

式中：m、b為參數(shù)，可通過不同的流量與壓力值測得。

Lessoff 等[9]和Vienken 等[10]在德國Lauswiesen試驗場，使用注水法獲得了高度非均質(zhì)地層的滲透系數(shù)。Liu等[11]在美國密西西比州哥倫比亞空軍基地的MADE（Macrodispersion Experiment）試驗場使用此技術(shù)也獲得了高分辨率的垂向滲透系數(shù)。但對于這些高度非均質(zhì)地層，注入法k值探測限度僅為10 m/d[8]，其一方面原因是注入引起的摩擦損失，通過壓降測試方法對數(shù)據(jù)進行矯正，矯正后的滲透系數(shù)可提高6倍之多[1213]。筆者認為注入探測時需向井內(nèi)注入大量水，這可能會導致監(jiān)測井內(nèi)水樣受到污染。目前，科學家們正在研究通過瞬時改變鉆孔內(nèi)氣壓，然后監(jiān)測氣壓的恢復來測定地層滲透率的技術(shù)。需要指出的是，通過氣壓法獲得的滲透率需要轉(zhuǎn)換為水的滲透系數(shù)，加大了計算的難度。但可預計該方法，可顯著提高K值探測限度。

2.2.2靜力觸探法

應用于原位探測的靜力觸探法，可結(jié)合其它地球物理探測技術(shù)，以更精確的方式計算地層滲透系數(shù)，其計算公式為[1415]：

k=KDUαγw 4σv0KD=1 BqQt

式中：k為滲透系數(shù)；γw為水的容重；σν0為初始垂向有效應力；U為圓錐貫入率；a為圓錐儀半徑；KD為水力傳導指數(shù)；Bq為孔隙水壓力比；Qt為頂尖阻力。

盡管觸探法探測出的k值范圍有限，但通過此技術(shù)可以獲得高分辨率的垂向滲透系數(shù)[16]。目前CPT技術(shù)發(fā)展主要涉及到兩個方面，一方面是對原有的CPT探頭進行改進以克服鉆進過程中由于機器的原因?qū)е陆Y(jié)果偏差，同時增強該技術(shù)的探測能力，如CPTu（CPT with Pore Pressure Dissipation Test）可以解決由于壓縮作用，人為的造成滲透系數(shù)偏低問題；SCPT（CPT with Geophone）通過攜帶地震檢波器，可增強CPT對污染物及地層巖芯的探測能力[17]。Bennett，P等[18]和Gloaguen E等[19]先后使用了CPT及CPTu技術(shù)在原位進行滲透系數(shù)表征，均獲得高分辨率的滲透系數(shù)。另一方面是對經(jīng)驗公式的改進，最早的一些研究人員是以鉆頭尖端角度為90°作為假設(shè)條件進行經(jīng)驗公式推算的，因此60°或其他角度的鉆頭尖端角度不適合該經(jīng)驗公式。Wang等[20]提出了新的計算方法，該方法對任何鉆頭尖端角度均適用，可更精確的對土壤滲透系數(shù)進行計算。

2.3有機污染物探測

DPT技術(shù)可以通過在鉆頭上安裝探測儀，半定量探測地層中污染物的濃度。原位污染探測技術(shù)包括：激光誘導熒光技術(shù)（Laser Induced Fluorescence，LIF）和薄膜界面探測技術(shù)（Membrane Interface Probe，MIP）。

2.3.1激光誘導熒光

LIF 包括激發(fā)源、探測系統(tǒng)兩部分。激發(fā)源發(fā)射的紫外激光經(jīng)過光纖線到達光纖探頭，探頭頂端的分子被激活并發(fā)出熒光；探測系統(tǒng)根據(jù)收集到的不同熒光強度來探測污染物質(zhì)[2122]。LIF技術(shù)可以探測的污染物包括：石油、木餾油、五氯苯酚以及其它能發(fā)出熒光的苯酚類[23]。

LIF進行污染場地探測案例已有報道。Lee等[24]在實驗室使用人工配置的砂、粉土/黏土土柱、多環(huán)芳香烴（包括菲和芘）模擬污染場地，并使用激光誘導熒光（LIF）和最小二乘回歸分析法（PLS）研究LIF數(shù)據(jù)與土壤特征之間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)LIF對多環(huán)芳香烴探測結(jié)果與高效液相色譜法的測定結(jié)果具有高度相關(guān)性，而且LIF數(shù)據(jù)與多環(huán)芳香烴的熒光波長有關(guān)。盡管LIF能較準確半定量地識別有機物，但是LIF還存在以下缺點：不能探測出非水相液體（NAPL）存在的狀態(tài)（自由相或殘留相）；只能對可以發(fā)出熒光的物質(zhì)進行探測；探測信號容易受土層巖心變化、土壤含水量影響，導致污染物探測結(jié)果發(fā)生偏差。 因此，研發(fā)LIF可搭載的探測器（如紅外光譜儀）以增強對地層中污染物的探測能力，同時設(shè)計更精確的LIF校正方法（去除土壤物質(zhì)組成及水分含量影響）是未來研究工作的重點。

2.3.2薄膜界面探測

在直推技術(shù)鉆機上配備MIP可以實時的半定量地獲取場地污染分布特征及范圍[25]。其原理見圖2。

圖2膜界面探測原理示意圖

Fig.2Schematic diagram of membrane interface probe

MIP在國外應用已經(jīng)比較廣泛。例如，McAndrews等[26]在對懷俄明州空軍基地、田納西州機密安全生產(chǎn)場三氯乙烯污染羽的探測中使用了薄膜探測技術(shù)（MIP），發(fā)現(xiàn)相比于DPT取樣技術(shù)，MIP生成的數(shù)據(jù)可以更全面地了解地下情況，同時MIP可以減少土壤和地下水取樣的數(shù)量。但是試驗中發(fā)現(xiàn)MIP對于較低的污染物存在探測限制，需要進行輔助土壤及地下水室內(nèi)樣品分析。為了精確地了解MIP的探測限度及MIP系統(tǒng)的敏感性，Bronders 等[27]使用攜帶不同配置探測器的MIP系統(tǒng)在場地及實驗室進行試驗性研究，結(jié)果表明MIP系統(tǒng)探測敏感性受污染物濃度及接觸時間影響，對甲苯的探測限度分別為：FID為4 ppm、PID為10 ppm；對于脂肪族氯代烴（CAHs）的探測限度為：FID為10 ppm、PID為4～50 ppm。并提出了當配備2 mL取樣環(huán)-毛細管柱和吹掃捕集系統(tǒng)-毛細管柱后可以提高檢測精度。Jan Bumberger[28]、Gerstner[29]等進行原位實驗時發(fā)現(xiàn)，MIP探測信號有明顯的重疊現(xiàn)象，Jan Bumberger認為由

于輸出管中揮發(fā)性有機物殘留所致，并通過對比試驗提出使用雙探測器及連接可移動質(zhì)譜儀，可解決信號重疊現(xiàn)象，他還指出使用加熱型輸出管，可更徹底的解決有機物殘留問題。

MIP可結(jié)合連續(xù)取樣技術(shù)對研究區(qū)進行污染羽精確刻畫，同時通過結(jié)合直推成井技術(shù)可進行污染物自然衰減及地下水有機污染修復監(jiān)測[3032]。Huang W Y等[33]對臺灣氯乙烯污染場地調(diào)查時，采用MIP結(jié)合直推鉆進連續(xù)取樣室內(nèi)分析，對污染源范圍進行圈定。Cooper E等[34]使用MIP結(jié)合直推成井及高精度探測技術(shù)，對北卡羅來納州某污染場地進行調(diào)查，他指出高精度污染范圍的獲得，可使修復劑注入量減少了40%，同時減少了35%的修復費用。

3結(jié)論

直接推進鉆探技術(shù)是污染場地調(diào)查的重要手段，具有鉆機輕便、推進迅速、靈活方便、對地層干擾小等優(yōu)點，可在場地進行土層連續(xù)取樣，探測地層滲透系數(shù)，還可以半定量探測地層中的有機污染物。然而DPT技術(shù)也存在一些固有的缺點，直接推進所需的驅(qū)動力比傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進要大，鉆進過程中會產(chǎn)生土層壓縮，探測結(jié)果受污染物質(zhì)濃度、土層巖性、土壤含水量等影響。另外當鉆探深度較大時，鉆桿與孔壁產(chǎn)生的摩擦力會形成巨大的阻力，因此直接推進的鉆探深度較小，這在很大程度上限制了它各項功能的應用。

我國東部的東北平原、華北平原、長江中下游平原和珠江三角洲是我國最發(fā)達的經(jīng)濟帶，也是主要的污染場地分布區(qū)。由于這些平原第四系地層厚度大，一些重金屬和/或DNAPL污染物在長期的污染歷史中可能通過優(yōu)勢通道滲透到較深的地層，DPT鉆進技術(shù)將很難有效完成該深度的探測工作。因此，在這類場地的調(diào)查中，需要將DPT技術(shù)與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)相結(jié)合，才能完全刻畫污染物的分布。

隨著我國污染場地的披露，調(diào)查過程中DPT結(jié)合其它高精度探測技術(shù)，可節(jié)約成本并能精確刻畫污染羽范圍，對后續(xù)修復技術(shù)方案選擇，提供有效的數(shù)據(jù)。但目前使用的DPT鉆機均為進口，價格昂貴。隨著我國對該類鉆機需求量的增加，需要加大自主研制力度，發(fā)展較大功率、鉆探深度較大、口徑較大的DPT鉆機。

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