陳小華，沈根祥，胡雙慶，錢曉雍，付 侃，郭春霞，白玉杰，顧海蓉，王振旗，趙慶節(jié)

上海市環(huán)境科學(xué)研究院, 上海 200233

如何科學(xué)調(diào)查診斷和有效管控城市再開發(fā)場地污染風(fēng)險(xiǎn)，是土壤污染防治工作的關(guān)鍵之一[1]。場地環(huán)境具有高度復(fù)雜性，土壤地下水污染隱蔽性強(qiáng)，且空間異質(zhì)性高。傳統(tǒng)環(huán)境調(diào)查監(jiān)測手段存在布點(diǎn)隨機(jī)性大、實(shí)驗(yàn)室測試周期長、調(diào)查監(jiān)測費(fèi)用高等問題，基于少量離散點(diǎn)的環(huán)境調(diào)查工作對場地實(shí)際污染的甄別存在一定難度，容易遺漏污染區(qū)，導(dǎo)致場地后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)評估和治理修復(fù)估算不準(zhǔn)確[2-4]。地球物理探測技術(shù)與傳統(tǒng)環(huán)境調(diào)查技術(shù)的跨學(xué)科融合應(yīng)用，為高效、精準(zhǔn)、低成本地開展復(fù)雜場地環(huán)境調(diào)查提供可能。

頻率域電磁感應(yīng)技術(shù)(FDEMI)是一種非接觸式(無損)的地層物探技術(shù)，運(yùn)用電磁感應(yīng)原理實(shí)時(shí)、快速測量地層視電導(dǎo)率(ECa)、磁化率等參數(shù)，分析與評價(jià)地質(zhì)環(huán)境特征[5-7]。該技術(shù)已在土壤鹽度[8-10]、含水率[11-13]、有機(jī)質(zhì)含量[14]、土壤質(zhì)地[15-16]、土層厚度[17]等土地性質(zhì)的快速調(diào)查評估研究中得到廣泛運(yùn)用。隨著FDEMI技術(shù)靈敏度和環(huán)境穩(wěn)定度進(jìn)一步提升，近些年該技術(shù)開始被運(yùn)用到場地環(huán)境污染調(diào)查工作中[18-20]。使用FDEMI對場地進(jìn)行全覆蓋、快速、無損探測，類似于使用PET-CT等先進(jìn)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)對人體進(jìn)行全身掃描，以便發(fā)現(xiàn)病癥異常靶區(qū)。該技術(shù)可快速獲取全場的地層特性圖像，識別潛在污染區(qū)和管線、儲(chǔ)槽等地下掩埋體，實(shí)現(xiàn)全場潛在污染風(fēng)險(xiǎn)分級分區(qū)的目標(biāo)。FDEMI具有快速高效、良好實(shí)時(shí)性及重現(xiàn)性、信息量豐富、低成本等技術(shù)優(yōu)勢，可有效提升復(fù)雜場地調(diào)查的效率與精準(zhǔn)度，降低污染區(qū)遺漏的概率，優(yōu)化鉆孔布點(diǎn)方案，從“面”上彌補(bǔ)離散點(diǎn)取樣所帶來的評估結(jié)果隨機(jī)性問題，提升監(jiān)管部門對場地風(fēng)險(xiǎn)管控的決策能力[21]。

該研究采用便攜式FDEMI對上海市典型化工類場地和金屬制品行業(yè)場地開展場地環(huán)境調(diào)查研究，通過全覆蓋掃描診斷場地污染狀況，初步排查、判斷污染源位置及污染羽空間分布態(tài)勢。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行針對性布點(diǎn)、鉆孔取樣及測試分析，驗(yàn)證FDEMI對場地土壤及地下水環(huán)境質(zhì)量空間分布的判別準(zhǔn)確度，以期為中國場地污染風(fēng)險(xiǎn)管控探索一種“點(diǎn)面結(jié)合”的低成本、快速、高效調(diào)查技術(shù)方法體系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)概況

研究涉及2個(gè)典型污染場地：一是位于上海市西部的化工類企業(yè)場地(A)，二是位于上海市東部的金屬加工類企業(yè)場地(B)。場地A占地面積約為1.46 ha，曾主營有機(jī)溶劑生產(chǎn)，入場調(diào)查時(shí)，場地A內(nèi)所有建筑和地坪都已清拆，場地完成了平整(土層受擾動(dòng))。場地B占地面積約為0.75 ha，曾主營金屬材料加工、建筑材料生產(chǎn)等，入場調(diào)查時(shí)，場地B的地面建筑已拆除，但混凝土地坪仍保持原樣，未擾動(dòng)原狀土層。2個(gè)場地的建廠時(shí)間均在20世紀(jì)80—90年代，生產(chǎn)歷史變遷頻繁，可獲得的背景信息不足，適合采用FDEMI開展場地全覆蓋環(huán)境調(diào)查。2個(gè)場地的潛水面埋深接近，均為1 m左右，但土壤質(zhì)地有區(qū)別，場地A以粉質(zhì)粘土為主，場地B以砂質(zhì)粉土為主。

1.2 FDEMI設(shè)備及測量分析

1.2.1 FDEMI設(shè)備工作原理

研究使用的FDEMI設(shè)備為捷克GF Instruments公司生產(chǎn)的CMD-4型電磁感應(yīng)儀，最大有效探測深度為6 m。測定原理是由固定在儀器一端的“發(fā)射線圈”向地面發(fā)出一定頻率的正弦波磁場，該原生磁場誘導(dǎo)出地層中的電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生次生電磁場，由固定在儀器另一端的“接收線圈”所捕獲，并記錄次生磁場的強(qiáng)度。通過比較原生磁場和次生磁場之間的相位偏移/延滯，計(jì)算出地層土壤或物質(zhì)的導(dǎo)電性。次生磁場信號可被分成同相分量(與原生磁場具有同相位)和正交分量(與同相分量相互垂直，即相位相差90°)。 當(dāng)?shù)貙覧Ca增加時(shí)，相位延滯會(huì)增加。簡而言之，當(dāng)導(dǎo)電性增加時(shí)，正交分量相應(yīng)減少，同相分量相應(yīng)增加。

1.2.2 現(xiàn)場測量

首先對照場地地形圖，在現(xiàn)場布置移動(dòng)路徑。正式測量工作由2名工作人員完成，其中一人操作FDEMI儀器，采取網(wǎng)格單點(diǎn)測量法，平均網(wǎng)格大小為5 m×5 m(測桿長6 m，實(shí)現(xiàn)全覆蓋)；另一人使用高精度的RTK-GPS同步讀取每個(gè)點(diǎn)的空間位置。地理坐標(biāo)體系選用上海城市平面坐標(biāo)系(坐標(biāo)原點(diǎn)為國際飯店)。為便于比對，對場地進(jìn)行疑似污染區(qū)識別，在目標(biāo)場地周邊數(shù)公里范圍內(nèi)選取歷史上長期耕作的旱地，作為空白對照區(qū)(背景區(qū))，隨機(jī)布置50個(gè)以上點(diǎn)位進(jìn)行定點(diǎn)測量，ECa變異系數(shù)控制在10%以內(nèi)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

將CMD-4電磁感應(yīng)儀記錄的數(shù)據(jù)保存為ASCII 文件格式(.txt或.dat)，采用專業(yè)網(wǎng)格化繪圖軟件Surfer v13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，網(wǎng)格數(shù)據(jù)插值方法選擇自然鄰點(diǎn)插值法，制作地層ECa平面分布圖。ECa數(shù)值接近空白對照區(qū)平均數(shù)值的區(qū)域定義為“信號正常區(qū)”(相對清潔區(qū))，相對空白對照區(qū)平均數(shù)值高出1倍以上或低于50%以上區(qū)域定義為“信號異常區(qū)”(疑似污染區(qū))。

1.3 采樣測試分析

依據(jù)FDEMI的場地全覆蓋掃描探測情況，并結(jié)合現(xiàn)場踏勘與歷史資料，制定場地土壤和地下水采樣點(diǎn)位方案，重點(diǎn)在“信號異常區(qū)”(疑似污染區(qū))布點(diǎn)，“信號正常區(qū)”(相對清潔區(qū))作為參照布點(diǎn)。鉆孔取樣方法依據(jù)《場地環(huán)境監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25-2—2014)，土壤和地下水樣品送第三方實(shí)驗(yàn)室檢測，根據(jù)場地企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)確定檢測因子，包含重金屬、TPH、VOCs、SVOC等。土壤中銅、鋅、鉻、鎳采用火焰原子吸收分光光度法(GB/T 17138—1997、GB/T 17139—1997、 HJ 491—2009)測定，鉛、鎘采用石墨爐原子吸收分光光度法(GB/T 17141—1997)測定，總汞采用原子熒光法(GB/T 22105.1—2008)測定。土壤中銻、鈹、銀、鉈、錳、砷使用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(USEPA 6020A—2007，USEPA 200.8—1994)測定。水中重金屬全部使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP/AES)法(GB/T 5750.6—2006)測定。土壤和地下水中的TPH采用氣相色譜法(USEPA 8015C—2007)測定，VOCs和SVOC采用氣相色譜/質(zhì)譜法(USEPA 8260C—2006 和USEPA 8270D—2007)測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 場地A環(huán)境調(diào)查

2.1.1 基于FDEMI的場地全覆蓋快速污染篩查

首先使用CMD-4 電磁感應(yīng)儀在場地以北2 km處選取2塊長年耕作旱地作為背景區(qū)域，隨機(jī)選取了85個(gè)點(diǎn)位測定背景區(qū)土壤電導(dǎo)特性，ECa平均值為72.5 mS/m，變異系數(shù)為8.7%。隨后針對目標(biāo)場地A均勻布置了950個(gè)點(diǎn)位，采用單點(diǎn)測定法實(shí)施場地全覆蓋的ECa實(shí)時(shí)探測，ECa數(shù)據(jù)范圍為0～400 mS/m，平均值和中位數(shù)分別為161.5、120.7 mS/m?；赟urfer成圖軟件對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格插值，形成ECa平面分布圖(圖1)，反映出潛在風(fēng)險(xiǎn)等級的空間分布。相對于背景區(qū)ECa平均值(72.5 mS/m)，場地中西部存在ECa的大片“異常高值區(qū)”，且ECa值自西向東逐漸降低，此區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)關(guān)注的疑似高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。場地南部存在一處面積較小的“異常低值區(qū)”，需鉆孔核實(shí)是否由地下污染物引起。

2.1.2 鉆孔點(diǎn)位布置

依據(jù)FDEMI的地層ECa空間分布圖，按照污染潛勢等級，分區(qū)布置6個(gè)鉆孔點(diǎn)位(圖1)。ECa“異常高值區(qū)”(疑似重污染區(qū))布置3個(gè)點(diǎn)位：①、②、③，對應(yīng)的ECa數(shù)據(jù)范圍分別為380～500、250～300、180～200 mS/m；④號點(diǎn)位位于“異常高值區(qū)”外圍，對應(yīng)ECa值為100～120 mS/m；⑤號點(diǎn)位位于“異常低值區(qū)”，對應(yīng)ECa數(shù)據(jù)范圍為0～20 mS/m；⑥號點(diǎn)位位于“信號正常區(qū)”，其ECa值范圍(60～80 mS/m)與區(qū)域背景場平均值基本接近。為了解地下水污染情況，在“異常高值區(qū)”的①和③號點(diǎn)位、“信號正常區(qū)”的⑥號點(diǎn)位布置地下水監(jiān)測井。

圖1 場地A的FDEMI地層ECa空間分布Fig.1 Spatial distribution diagram of apparent electrical conductivity with FDEMI at site A

2.1.3 “點(diǎn)面結(jié)合”污染風(fēng)險(xiǎn)分析

通過鉆孔取樣與實(shí)驗(yàn)室測試分析，位于ECa“異常高值區(qū)”內(nèi)的①、②和③號點(diǎn)位土壤均存在嚴(yán)重污染，2.5～4.0 m深度土壤Mn濃度高達(dá)900～1 100 mg/kg，是其他點(diǎn)位的2～3倍；0～2.5 m深度的淺層土壤TPH含量較高(630～1 500 mg/kg)。③號點(diǎn)位近表層土壤的乙苯最大濃度(141 mg/kg)達(dá)到《上海市場地土壤環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評估篩選值(試行)》敏感用地篩選值(6.8 mg/kg)的20余倍，且氯代芳烴、苯系物濃度超過篩選值?！爱惓８咧祬^(qū)”外圍的④號點(diǎn)位受輕度有機(jī)污染，TPH含量(76～318 mg/kg)明顯低于①～③號點(diǎn)位，同時(shí)也檢測出較低濃度的苯系物和氯代芳烴污染。⑤和⑥號點(diǎn)位土壤未受到污染，各項(xiàng)重金屬接近區(qū)域背景值，且有機(jī)污染指標(biāo)均未檢出?，F(xiàn)場鉆孔發(fā)現(xiàn)⑤號點(diǎn)位地下1 m處有鋼筋混凝土塊，說明該點(diǎn)位的ECa異常低值(0～20 mS/m)為金屬器件的非污染因素引起。

對3個(gè)地下水井進(jìn)行水樣采集分析，點(diǎn)位①和③的地下水受到嚴(yán)重的Mn污染和有機(jī)污染，Mn含量高達(dá)1.5～2.9 mg/L，遠(yuǎn)超《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，③號點(diǎn)位的地下水中TPH濃度達(dá)到16.7 mg/L，氯代芳烴含量達(dá)到3.4 mg/L，另檢出苯系物、苯酚、萘類物質(zhì)，⑥號點(diǎn)位地下水未受到污染，14項(xiàng)重金屬指標(biāo)和有機(jī)污染指標(biāo)均符合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)的Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。

該場地FDEMI探測的ECa值空間分布特征與土壤/地下水實(shí)際污染濃度水平總體一致，ECa高值區(qū)對應(yīng)的土壤/地下水污染最重，可能有以下3個(gè)原因：①重金屬的導(dǎo)電性會(huì)使地層呈現(xiàn)較高的導(dǎo)電率[22]，比如ECa高值區(qū)內(nèi)①～③號點(diǎn)位的土壤和地下水中重金屬M(fèi)n濃度也最高；②氯代芳烴分子結(jié)構(gòu)中，由于碳鹵鍵(C-X)是極性的，氯原子有較大的電負(fù)性[23]，有利于提高ECa，該場地ECa高值區(qū)內(nèi)的土壤中氯代芳烴濃度較高；③雖然TPH物質(zhì)本身是低電導(dǎo)特性，但它在持續(xù)的自然降解(微生物作用)過程中可能釋放大量離子，反而能提高土壤的ECa值[22,24-25]。綜合FDEMI全覆蓋掃描結(jié)果和鉆孔取樣測試分析結(jié)果，采取“點(diǎn)面結(jié)合”方式對全場進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級分區(qū)，確定場地西北部及中部為有機(jī)物-重金屬的復(fù)合污染區(qū)，占總面積的28%(圖1)，其他區(qū)域?yàn)橄鄬η鍧崊^(qū)或非污染區(qū)。

2.2 場地B環(huán)境調(diào)查

2.2.1 基于FDEMI的場地全覆蓋快速污染篩查

使用CMD-4 電磁感應(yīng)儀在場地以東1.5 km處選取1塊長年耕作旱地作為背景區(qū)域，隨機(jī)選取了70個(gè)點(diǎn)位測定背景區(qū)土壤電導(dǎo)特性，ECa平均值為60.5 mS/m，低于場地A附近背景場的ECa值。這可能與場地B所在的上海東部地區(qū)(浦東)的粘土顆粒比例低于場地A所在西部地區(qū)(浦西)有關(guān)，粘土顆粒本身帶有電荷，其ECa值要高于粉土和砂土顆粒[17,26]。背景場的ECa差異還可能與2個(gè)區(qū)域的土壤含水率、含鹽量、孔隙度等因素的空間差異有關(guān)[27]。隨后在目標(biāo)場地內(nèi)均勻布置890個(gè)點(diǎn)位，采用單點(diǎn)測定法實(shí)施場地全覆蓋的ECa實(shí)時(shí)探測，ECa數(shù)據(jù)范圍為12.9～507.5 mS/m，平均值為122.9 mS/m，中位數(shù)為97.1 mS/m?；赟urfer成圖軟件對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格插值，形成全場ECa平面分布圖(圖2)，呈現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)等級的空間分布。相對于背景區(qū)ECa平均值(60.5 mS/m)，場地中部存在明顯的ECa“異常高值區(qū)”，此區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)關(guān)注的疑似高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，ECa值由中央向四周呈逐漸下降趨勢，反映地下疑似污染的平面擴(kuò)散趨勢。

圖2 場地B的 FDEMI地層ECa空間分布圖Fig.2 Spatial distribution diagram of apparent electrical conductivity with FDEMI at site B

2.2.2 鉆孔點(diǎn)位布置

依據(jù)FDEMI的地層ECa空間分布圖，按照污染潛勢等級，分區(qū)布置的5個(gè)鉆孔點(diǎn)位(圖2)中，1#和2#分布在ECa“異常高值區(qū)”核心部位，對應(yīng)ECa平均值分別為395、450 mS/m；3#和4#分布在“異常高值區(qū)”的外圍邊界，對應(yīng)ECa平均值分別為220、125 mS/m；5#位于“信號正常區(qū)”，其ECa值范圍(45～65 mS/m)接近區(qū)域背景場的ECa平均值。同時(shí)在點(diǎn)位1#、3#和5#同時(shí)布置了地下水監(jiān)測井。

2.2.3 “點(diǎn)面結(jié)合”污染風(fēng)險(xiǎn)分析

通過鉆孔取樣與實(shí)驗(yàn)室測試分析，ECa“信號正常區(qū)”的5#點(diǎn)位土壤和地下水均未受污染，土壤中Cu、Cr、Ni、Zn的垂向平均值分別為18.2、50.0、20.2、60.5 mg/kg，接近上海市土壤重金屬背景值。而位于ECa“異常高值區(qū)”(疑似重污染區(qū))的1#和2#點(diǎn)位出現(xiàn)重金屬重度污染，1#點(diǎn)位土壤重金屬污染深度為地下0～5 m，Cu、Cr、Ni和Zn垂向濃度范圍分別為48.0～1 650.0、314.5～1 280.5、79.6～754.0、82.6～382 mg/kg，分別達(dá)到5#點(diǎn)位各指標(biāo)平均濃度的2.6～90.7、6.3～25.6、3.9～37.3和1.4～6.3倍。2#點(diǎn)位土壤重金屬污染深度達(dá)0～6.5 m，Cu、Cr、Ni和Zn垂向濃度范圍分別為204.0～1 880.0、114.0～308.0、144.0～791.0和183.0～1 380.0 mg/kg，分別達(dá)到5#點(diǎn)位各指標(biāo)平均濃度的11.2～103.3、2.3～6.2、7.1～39.1、3.0～22.8倍。而“異常高值區(qū)”外圍的3#和4#點(diǎn)位，只有近表層土壤(深度為0～1.0 m)出現(xiàn)輕中度Cu、Cr、Ni、Zn污染，其最大濃度分別達(dá)到5#點(diǎn)位土壤各項(xiàng)指標(biāo)平均值的5.2、17.5、7.5、16倍。對各監(jiān)測點(diǎn)土壤的重金屬最大濃度值與該點(diǎn)的ECa值作Pearson相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)土壤Cu、Ni、Zn最大濃度值與ECa值均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.95、0.92和0.72，說明FDEMI能很好地反映土壤/地下水中重金屬的線性電導(dǎo)特性[22]。

地下水重金屬污染與地層ECa的空間分布特征也表現(xiàn)出高度一致。1#點(diǎn)位地下水Ni、Cu、Pb、Zn、Cd、Be、Mn污染嚴(yán)重，尤其是Ni含量超過地下水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)值(大于0.1 mg/L)的2 067倍。3#地下水中絕大部分重金屬指標(biāo)和有機(jī)污染指標(biāo)均符合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，只有Ni濃度(0.15 mg/L)略超過Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。5#點(diǎn)位地下水未受到污染，各項(xiàng)指標(biāo)符合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。

綜合FDEMI全覆蓋掃描結(jié)果和鉆孔取樣測試分析結(jié)果，采取“點(diǎn)面結(jié)合”方式對全場進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級分區(qū)，明確場地中部ECa“異常高值區(qū)”即為重金屬的重度污染區(qū)，占全場總面積的23%，其他區(qū)域?yàn)榉俏廴緟^(qū)。

3 結(jié)論

1)運(yùn)用低成本FDEMI技術(shù)對典型化工企業(yè)場地(A)和金屬制品類企業(yè)場地(B)分別進(jìn)行全覆蓋掃描探測，依據(jù)地層ECa空間分布特征，能快速定位土壤/地下水疑似污染區(qū)，并合理布置鉆孔取樣點(diǎn)位。取樣測試分析結(jié)果顯示土壤/地下水實(shí)際污染空間分布與地層ECa值平面分布高度一致。

2)綜合FDEMI全覆蓋掃描和鉆孔取樣測試分析結(jié)果，采取“點(diǎn)面結(jié)合”方式對全場進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級分區(qū)，確定場地A的西北部及中部為有機(jī)物-重金屬的復(fù)合污染區(qū)，占全場總面積的28%；場地B的中部為重金屬(Cr、Cu、Ni和Zn)重度污染區(qū)，占全場總面積的23%。

3)土壤/地下水中重金屬線性電導(dǎo)特性、污染物質(zhì)的極性、有機(jī)物自然降解過程釋放離子等可能是引起FDEMI測定ECa值空間變化的主要影響因素。土壤質(zhì)地、含水率、含鹽量、孔隙度及地下干擾物等其他因素對ECa影響特征有待深入研究。