GSR公开课第十八讲：全周期场地概念模型在复杂场地精准环境调查的应用
主讲人：李培中 正高工
（2022年4月14日）
李培中，博士，北京市科学技术研究院资源环境研究所（原轻工业环境保护研究所），工业场地污染与修复北京市重点实验室，正高工。从事污染场地调查与修复工作14年，主要研究方向为污染场地精准调查和精准修复。参与土壤污染国家重点研发计划等20余项省部级科研项目、“建设用地土壤污染状况调查技术导则”等7项国家环境标准的制定工作。参编专著4本，发表学术论文32篇，申请专利16项。曾荣获北京市科技进步一等奖、北京市职工优秀技术创新成果奖等荣誉。生态环境部土壤中心、中国环保产业协会、北京市、河北省、江西省等省部级土壤污染防治专家库专家。
课程概要：
全周期场地概念模型可以尽可能准确地表征场地实际污染空间分布和赋存状态，有效支撑后期场地精准修复或风险管控工作。本研究首先介绍了精准调查、全周期场地概念模型的定义、适用场景及优劣势，并以某氯代烃污染场地为研究对象，在污染识别、场地初步调查、详细调查和补充调查各阶段分别构建针对性的场地概念模型。采用薄膜界面探测器和高密度电阻率法等现场快速筛查设备的应用，辅助确定了潜在污染源和重点调查区域；同时针对部分位置大量检出氯代有机物代谢产物氯乙烯，判断该场已经发生较为明显的污染物生物降解现象，为精准地掌握该场地实际污染情况提供了良好的工作基础和科学支撑。
课程内容：
一、场地环境精准调查
（一）概念定义
受城市发展、施工扰民等因素的影响，有机污染场地由原本的异位扰动修复转向精准化的原位修复。精准修复除了传统的污染程度、范围外，还要掌握污染物的赋存、总量、浓度梯度变化及迁移转化等细节信息，以HRSC（High-resolution site characterization）和LC-CSM（Life cycle conceptual site model）为代表的精准调查技术快速发展。目前，场地环境精准调查技术虽然应用较多，但还处于发展阶段，还未形成成熟的定义和完整的技术方法体系。因此，结合国内外研究现状和工作实践，初步提出精准调查几点关键特征。
（二）国内、外发展概况
1、高精度场地调查技术（High-resolution site characterization，HRSC）
该技术方法是指通过合适密度的调查采样和测量方法，精准表征污染物的空间分布和赋存条件，从而能够更加准确、高效地支撑污染修复进程。
2、三元调查方法（The triad approach，Triad）
该方法基于SW-846，受到广泛认可，SW-846具有高质量、低效率的特点，三元调查法可以有效提高效率。三元分为：系统项目规划，动态工作计划，现场实时测试技术。其中动态工作计划是指数据管理、快速决策，而现场实时测试技术可以有效支撑动态管理决策。
3、全周期场地概念模型
该模型贯穿调查、评估、修复全过程，以“污染源-暴露途径-潜在受体”作为核心，且需要及时更新场地概念模型。
精准调查关键特征：
（1）准确确定靶点：传统与高精度调查结合；尽可能准确定源、梯度及边界；为后期修复和管控提供“靶点”；
（2）精确直观表征：多技术准确还原，逼近“真值”；直观表征源、途径和受体；有效场地数据管理；
（3）赋存变化趋势：确赋存状态及短期变化趋势，支撑后期修复管控决策；修复过程过程监测和动态优化。
二、适用场景与典型技术
（一）适用场景
该模型适用于复杂场地的详细调查阶段辅助判断，实现提高精准度、降低不确定性。需要进行精准原位修复（单源）、差异性组合修复（多源或多梯度）的补充调查。该模型可以实现原位修复中多因子过程监测和工艺优化。
（二）典型调查技术
1、探地雷达（GPR）
该技术利用不同的介质的反射波信号差异，探测浅层地下环境概况的高分辨率电磁技术。探测NAPLs、垃圾填埋场、重金属等。
2、高密度电阻法（Multi-electrode Resistivity Method）
高密度电阻法是一种阵列勘探方法，由电阻率法发展而来，所不同的是高密度电法在观测中设置了较高密度的测点。以介质电阻率差异为基础，观测供电电流强度和测量电极之间的电位差，进而计算和研究视电阻率，推断地下掩埋的废弃物或可能污染土壤的分布。该方法主要涉及探测地下水位、NAPLs、垃圾填埋场、重金属等。
3、直压测试技术（MIP&OIP，HPT&EC）
加热使得VOC气体挥发，通过氮气负载到地表以后收集并进行测试，测试可以一定程度上分辨出污染物类型。
通过荧光光学的方法——氯代烃染色测试（Dye-LIF）对污染物进行定性判断。传统的激光诱导荧光测试技术仅对含苯环的有机物具有荧光效应，对于氯代烷烃和烯烃等DNAPLs不响应。该方法采用苏丹红或油红O（Oil Red O，ORO）进行专性染色。Dye-LIF探测器的连续探测结果与实验室检测数据一致性较好，证明了该方法的有效性，是高精度调查技术的典型代表。通过表征地下氯代烃类污染物的三维空间分布情况，看出DNAPLs复杂的迁移情况。
4、修复过程监测（Performance monitoring）
5、分子诊断技术
污染调查 à 污染修复 à 环境监测 à 修复验收
三、全周期场地概念模型
（一）场地概念模型（CSM）
场地概念模型（conceptual site model）是场地环境调查与污染修复过程中非常重要的基础工作之一。该模型主要通过文字或图画的方式表现出场地中污染源、受体和暴露途径等完整的环境系统，并且包括影响污染物迁移转化的物理、化学、生物等过程。通过文本、图片、表格和其他有效方式，表征出场地内的物理、化学和生物数据信息的方式，从而能够支撑场地决策。各地区定义略有不同，但总体上均包括污染源和暴露方式。
（二）全周期场地概念模型（LC-CSM）
一般可按照时间序列将CSM分为六个阶段：初步场地概念模型；基础场地概念模型；污染表征场地概念模型；修复设计场地概念模型；修复施工场地概念模型；修复后场地概念模型。针对场地污染治理全过程的全周期场地概念模型，近年来成为场地环境管理领域的热门最佳适用技术之一。LC-CSM在全过程数据缺口弥补、不确定性降低、数据效益最大化等方面重要作用，促进决策者判断。同时精准调查通过场地概念模型进行高效表征，提升治理效率。
1、初步场地概念模型
污染识别阶段，收集、总结信息，是全过程的“奠基石”； 关注污染源区域、污染物释放机制、迁移等；采用表格、简单的示意图、二维图、三维空间分布图等。
2、基础场地概念模型
初步调查阶段；主要进行沟通展示，多场景CSM、多种演绎；以二维图形方式展示场地和环境介质等重要信息。
3、污染表征场地概念模型
详细调查阶段，刻画表征，识别风险和受体；关注污染源位置、污染范围、赋存状态等；完成实际数据管理、三维表征。
4、修复设计场地概念模型
修复过程参数优化；污染浓度范围、污染物预估总量；工程招标和设计方案支持，为期五年的效果评估和长期回顾。
5、修复施工场地概念模型
异常响应、工程优化；修复效果评估，辅助进行全过程档案管理。
6、修复后场地概念模型
修复后长期监督；整理场地再开发需求。
四、典型案例分析
某有机溶剂厂，厂区面积2000 m2，以生产乙二氨、二氯乙烷等有机溶剂为主。停产搬迁时存在废弃物倾倒、遗洒，场地调查前曾发生较大的土壤扰动现象。厂区周边有已建成的小区，调查区域内存在刺鼻气味。该地块的地层为多层砂与粉土交替，由上至下分别为杂填土、粉土夹层和细砂。地下水含水层由中细砂及砂砾组成，埋深约10 m左右。
（一）初步场地概念模型
通过现场踏勘，初步判定该场地存在土壤和地下水污染的可能性。主要污染源为：氯代烃等物料的遗洒、渗漏，部分储罐可能泄漏，潜在污染区域与原生产布局关系较为密切。氯代有机污染物遗洒进入表层土壤，20多年来通过淋滤、渗漏对场地内的土壤和地下水造成污染。
初步调查发现主要污染物为1,1,2-三氯乙烷为主的氯代烃，土壤最大浓度超1000 mg·kg-1，未到达1%（10000 ppm），最大污染深度10.2 m左右。地下水最高浓度超500 mg·L-1，超水的饱和溶解度，可能存在DNAPLs。
（二）基础场地概念模型
西侧存在古河道，地层特点造成污染物垂直向下迁移速度较快，水平迁移后形成相对较大的污染范围。详细调查分两阶段，首先，利用MIP和高密度电阻法进行高密度采样，初步判定污染源的位置及潜在污染边界；然后，再进行加密的土壤和地下水采样，加密点位主要布设在潜在的污染边界区域。
（三）污染表征场地概念模型
发现存在多个潜在污染源，有长期泄露源和新近浅层源；第一含水层中，密度大的氯代有机物容易向下迁移，易在含水层底部富集形成DNAPLs相污染，再通过优势通道向下方和周边区域迁移，可能造成更深的污染。该场地范围第一含水层和第二含水层之前的阻隔层厚度不均匀，可能在区域层面上联通，属于一个大的含水层。
（四）修复设计场地概念模型
图1. 修复设计场地概念模型
上下两层粉粘阻隔层，造成两层氯代有机物富集。至上而下递减，污染降低；二氯、三氯，还原降解。
五、总结应用展望
创新多元技术，实践复杂场地，总结方法理论，完善修复体系。
六、问答环节
1. 中国矿业大学刘汉湖：场地调查是为场地修复服务，由于场地修复涉及水文地质条件与污染物迁移等方面，请问地下水修复的抽出量该如何计算，以及原位修复的应用背景。
回答：抽出处理的估算主要是通过粗略的静态方法，参考水深、面积、孔隙系数、抽水效率等参数。理论上需要完成水位、水质监测与判断，用计算机模型处理获取的数据，通过不断的优化模型而得到抽水量及方式。长江中下流地区的污染地块难以实现抽水处理的修复方法，所以需要采用原位修复，将地下水与土壤共同修复。
课程总结：高铭晓、邓璟菲、董璟琦