土壤气体测试在污染范围圈定中的应用

摘要：钻探、监测井安装及取样分析是当前环境调查过程中普遍采用的方法，但采用这些方法往往伴随的是周期长，费用高，特别是要反复取样确定污染羽描绘时。土壤气体筛查是一种快速定性的污染调查的方法，在调查过程中通过快速筛查地下土壤气体中VOC的存在，来帮助确定土壤地下水取样位置，从而减少调查费用的支出，节约调查时间。
关键词： 土壤气体筛查， 污染羽描绘， 环境背景调查
中图分类号：TE991.3 文献表示码：A 文章编号：2095-672X（2017）03-0136-03
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.03.070
Abstract： drilling， installation and sampling monitoring wells analysis is a commonly used method in the current environment in the process of investigation， but the use of these methods is often accompanied by a long cycle， high cost， especially to determine the pollution plume when describing repeated sampling. Soil gas screening is a rapid method for qualitative pollution investigation， in the investigation process through the rapid screening of the underground gas in the presence of VOC， to help determine the soil and groundwater sampling location， so as to reduce the cost of the investigation costs， save time of investigation.
Keywords： soil gas screening， pollution plume mapping， environmental background investigation
1 背景
近年来，随着国家对土壤和地下水污染问题的重视，场地土壤和地下水调查案例越来越多。传统的钻探取土样的方法来初步确立场地信息是费用高而且耗时。
有一个代替这种高花费的土壤地下水采集办法的方法来确立场地特征。不是通过采集土壤地下水样品，而是收集从土壤中挥发出的气体并进行分析。土壤气调查方法是采集从潜在污染的包气带土壤或者相对浅层的污染地下水挥发出的气体。土壤气样品一般采集在地下深度大约1～2米处，然后经过光电离检测器快速得到定性结果。此方法，可以在相对短的时间内得到大量的数据。另外，如果配备，使用车载的分析仪器，分析测试的结果可以立即得到。这样不需要数天或者数周时间，可以在一两天内完成一个大型场地的特征分析。
目前，国内没有土壤气体调查的规范，场地应用实践文献也不多，本文基于此种现状，以笔者曾经工作过的一污染场地调查为例，介绍土壤气体调查工作的应用研究及评述。
2 方法介绍
2.1 仪器装备
土壤气调查所需的仪器包括钻杆组件、气体快速检测仪；钻杆组件包括钻头、金属滤网管、钻杆和钻杆接头；钻杆内置有沿其轴向布置的气体收集芯孔，钻杆接头内设有通气孔，金属滤网管为可伸缩式滤网管；钻杆的下端依次与金属滤网管、钻头相连接，上端与钻杆接头的下端相连接；钻杆接头的上端连接于下压动力装置；通气孔的进口与气体收集芯孔的上端相连通，出口与三通阀的进口相连接；气体快速检测仪与三通阀的一出口相连接，如需要采样，样品收集器与三通阀的另一出口相连接。土壤气调查所需的仪器和设备可以通过货车或者小卡车方便携带。
气液或人工的方式将土壤气探头深入地下。探头本身的材质是一种硬金属如钢铁。连接探头底部的开槽部分或可移除段允许土壤气传送至便捷式场地调查仪器（光电离检测器）。光离子化技术就是利用光电离检测器（PHOTOIONIZATION DETECTOR，简称PID）来电离和测特定的易挥发有机化合物（VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS，简称VOC）。光电离检测器可探测那些气体电离势能在紫外光源辐射能量水平之下的气体，其高能紫外辐射可使空气中大多数有机物和部分无机物电离，但仍保持空气中的基本成分如N2、O2、CO2、H20不被电离。光离子化一个最显著的特点就是气体被检测后，离子重新复合成原来的气体和蒸气，也就是说它是不具破坏性的检测器。可以通俗地讲，PID就是一台没有色谱柱的便携式色检测极低浓度的挥发性有机化合物和其它有毒气体。因而对VOC检測具有极高灵敏度的PID就在应急事故的理中有着无法比拟的优越性。随着科技的发展，它已经成为环境保护、痕量检测和实时检测污染等方面的强有力工具。
2.2 应用
土壤气调查是一个相对简单的方法，但是需要严格的操作和质保/质控来保证数据的准确性和有效性。当收集的土壤气经过分析得到关注污染物的浓度就可以生成一个等浓度线图。这个等浓度线图可以用于现场潜在热点和迁移模式分析。根据这些数据，一个高精确度的水平方向污染物特征可以估计出来。
现场使用钻机然后实验室分析可以用来验证土壤气数据的准确性。可以在场地的热点位置使用钻机采集不同深度的土壤样品来描绘污染物垂直方向的特征。因此，土壤气调查不仅仅缩减了现场钻探时间，还更好的充分利用了时间。相比使用现场钻探采集样品进行实验室分析确定可能的水平方向污染物特征，使用土壤气调查可以更快捷的确定水平和垂直方向上污染物的特征。
2.3 局限性
土壤气调查具有快捷和经济的优势，但也有它的局限性。土壤气调查只能检测挥发性的物质如汽油和溶剂。重油如柴油只能在很高的浓度下才能被检测出来。
土壤气调查最适用于包气带是干燥、多孔隙、含少量有机碳的场地。一个含大量细微粒或粘性材料的场地不适宜土壤气调查。在粘性土场地使用土壤气调查就如同使用吸管从冰淇淋中吸空气。包气带异常会干扰土壤气的调查。上层滞水，粘土透镜体或掩埋的地基都会遮盖住下面潜在的污染物。污水管线，沟渠或其他被掩埋的线路也会作为土壤气的导管。但是这样的管道也会被土壤气调查检测
3 案例研究
3.1 背景调查
一个青岛的化工公司拟关闭其位于黄岛的黄酸盐生产厂，其为了了解该地块当前的土壤和地下水状况，进行了场地环境和地下水调查。在首期调查时，总计选取了16个土孔进行钻探取样工作，采集了24个土样送到实验室进行相关的分析。其中有三个样品（MW-1/0.4-0.6m， MW-4/0.3-0.5m and HA-8/0.1-0.3m）中检出了浓度较高的四氯化炭、异丁醇、异丙醇、黄原酸钾，S8、酯类等其他与场地前期生产经营活动相关的材料。
为了确定这些化学物质在场地土壤中的分布范围和影响程度，特别进行了补充调查。如果采取传统的钻探、取样、送到实验室分析的方法，则调查周期会拉长，费用会大幅增加。考虑该场地基岩比较浅，受化学物质影响的主要是浅层的土壤，故补充调查主要采用土壤气调查作为手段。整个场地面积较小，基本被泥覆盖，水泥平均厚约20公分。水泥下主要为杂填土以及残积土，厚约0.2～1.2m。残积土下主要为风化岩层。
3.2 土壤气调查工作布设
土壤气体点位主要根据前期调查异常点的分布，以及围绕几个重点关注区域，如原生产区域，原污水处理车间来布设，并在调查过程中根据实事调查结果进行调整。每个位置，SVS距潜在污染源或前期调查发现污染的钻孔约5米，当PID有读数时，则向推移一定距离增加SVS测试，如果PID没有读数，则在该点的内侧增加调查点。根据SVS调查结果，现场确定取土样的点位，以定量的确认污染边界范围。本次调查共进行SVS点位调查48个点，根据SVS调查结果，确定了16个钻探取样点。SVS点位布设见图1。
本次SVS调查方法如下，首先，使用将钻杆和下压动力源连接，上部连接手柄，将钻杆下压直至钻头到达目标土层。此时钻头与钻杆间的进气口受压力收拢在管壁内，进气口与外部土壤没有直接接触，呈关闭状态。
然后，在顶部将钻杆略微上提，进气口的缝隙暴露在土壤介质，使土壤气体与钻杆内壁相通；同时将通气管连接至钻杆接头上的螺纹连接采气口上，密切关注土壤气体快速检测仪（PID或其他类别皆可，根据关注污染物种类进行选择）上的读数。一般每20公分，读取一个数字。钻至目标层位后（根据读数和下伏基岩情况），将钻杆提出至地面，清洁钻杆、进气口及钻头。
SVS测试结果成果见图2，
从表和图中可以看出：
在前生产区域的周边的点位 SVS 2-1， 2-2， 3-1， 3-4， 4-1， 4-4， 5-1， 6-3， 7-1， 7-2， 7-3， 7-4发现了很高的PID读数；
在前污染水处理厂周边的SVS-6-9发现了很高的PID读数；
在前地上储油罐区域的点位SVS1-1， 1-6中发现了很高的PID读数。
根据SVS调查结果，场地污染范围基本上圈定出来，并选定16个点进行采土样分析确认。
3.3 土壤分析結果
根据SVS调查，采取了16个土壤样，从而定量的圈定了污染物四氯化炭、异丁醇、异丙醇、黄原酸钾，S8、酯类等的分布范围。根据取样分析结果，四氯化炭的污染范围圈定如图3。
经过SVS调查及辅助的取样分析，污染范围和方量得到了精确的估算，为制定修复方案和进行修复费用估算节省了大量的材力，并节约了时间。
4 总结
随着环境调查和修复成本的日益增加，土壤气调查是一个精确而经济的选择相比于钻大量的钻孔。在合适的条件下，土壤气调查不应该被忽视其在场地调查的应用。土壤气调查也不应该被当做一种确定真实地下水质量或土壤污染物含量情况的替代方法。但是，结合场地历史记录和必要的钻探，使用土壤气调查方法可以节省大量的成本。
参考文献
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收稿日期：2017-05-03
作者简介：孙海波（1979-）， 男，本科，工程师，研究方向为环境地质。