技术前沿：地下水污染物质通量和物质排放

来源：宝航环境修复

大多数有关污染地下水场地的决策都是由污染物浓度决定的。现在，这些决策也可以通过考虑污染物的物质排放和物质通量来改进。物质排放和通量估算量化了给定时间和地点的污染源或污染羽强度，即每单位时间在地下水中移动的污染物质量，可以改进对自然衰减的评价和对污染下游受体(如供水井或地表水体)构成的风险的评估。

首先，区分这两个术语是很重要的。物质通量是一种对于特定区域的速率测量，通常是污染羽流横截面。因此，物质通量表示为质量/时间/面积(例如，g•d-1•m-2)。物质排放是一个综合的物质通量估计(即整个污染羽中所有物质通量测量的总和)，因此代表了地下水通过一个确定平面输送的任何溶质的总质量。因此，物质排放表示为质量/时间(例如，g/d)。除了确定污染源强度和污染羽衰减率外，物质通量估算还可以确定大部分污染物正在移动通过的平面区域。这些信息在污染场地管理的几乎所有方面都是有价值的。

将浓度数据与地下水流速相结合计算出物质排放。通过评价一个场地的物质排放，从而考虑浓度和地下水流速对污染物运动的综合影响，管理人员将对场地有更全面的了解，这将改进有关场地管理优先次序或修复设计和操作的决策。例如，污染物浓度本身不能提供控制污染羽行为过程的完整图像，因为地下水流速(在同一个场地也有不同流速)也是污染羽行为的一个组成部分。然而，将物质排放信息纳入场地概念模型可提高修复效率并缩短修复时间，特别是在具有多个污染源区域或污染羽跨越多个地层单元的场地。

在这种情况下，三个含水层具有相同的污染物浓度和水力梯度，但水力渗透系数不同，因此地下水流速也不同。仅考虑浓度数据表明，修复所有三层地下水同样重要。但是，物质通量估算清楚地确定了构成最大地下水下游风险的水层，并证明了首先对砾石砂层进行修复的理由。

物质通量和物质排放估算可以帮助管理人员更准确地回答几个关键问题：

• 污染羽是稳定的、扩展的还是收缩的?

• 拟议的修复措施将如何影响污染物未来的分布、传输和/或归宿?

• 在可预见的未来，在不同的点会有哪些风险和接触?

• 在过渡到其他技术(如原位生物修复或允许监测自然衰减来完成场地修复)之前，需要去除多少部分的污染源?

当然，在大多数情况下，物质通量和物质排放数据将不是解决这些问题所需的唯一信息。清晰考虑物质质量信息可以增加时间浓度数据(例如，在评估污染羽稳定性时)。一个常见的经验是，测量场地的物质通量和排放可以改善总体场地概念模型，从而更好地理解潜在风险，并帮助管理人员确定场地的最高优先级部分。

然而，物质通量和物质排放估算确实也有局限性。收集必要的数据来计算两者都会增加项目的总成本。对于基于现有数据的模型或数学分析的估算，成本可能相对较低，但对于所谓的高精准率制图(沿着一个或多个截面测量间隔相对较近的监测点的通量，在每个采样点以多个深度间隔采样)来说，成本可能很高。在物质通量和物质排放估算中所涉及的不确定性可能很大，在可能的情况下应加以量化。然而，它也应该相对于浓度数据进行评估，这可能至少是不确定的。可靠的物质通量和物质排放估算往往需要比通常在大多数场地获得的更详细的水力渗透系数和地下水流场特征。最终，物质通量或排放量估算所需的准确程度应根据估算的计划用途来确定。在某些情况下，初始近似值可能足够，如果需要，可以稍后收集更高精准率的测量值。

测量物质通量和/或物质排放的基本方法有三种:

• 截面法，利用各个监测点整合浓度和流量数据

• 井捕获/泵试验试方法，它依赖于抽取地下水和测量井的流量和物质排放

• 被动通量计，是最近发展起来的直接在井中估算物质通量的装置

物质排放和通量也可以通过分析现有场地数据来估计。这样的估计可以通过(a)沿着垂直于等值线的截面(或沿着现有监测井的截面)或(b)通过使用需要流量和浓度数据作为输入参数的溶质传输模型来分析流速和浓度来获得。在许多已经实施了土壤气抽提或地下水抽出处理系统的场地，历史上已经确定了大量物质排放数据。这些数据通常用于评估污染源枯竭率，在某些情况下，渐近和大量排放趋势已被用于确定过渡到新技术或管理战略的时间。

本文概述了地下水物质排放和通量的基本概念、它们的潜在应用以及这些指标的使用案例研究。对案例研究的分析表明，物质排放和通量估算对若干场地管理目标是有用的，评估物质排放和通量可以改善场地概念模型并导致更有效的修复措施。案例研究分析的具体结果包括:

• 物质排放和通量数据优化了决策。例如，它们被用来触发技术之间的转换。

• 物质排放和通量数据降低了修复成本。例如，物质通量估算已被用于确定分层含水层中的高优先层，从而导致更具成本效益的修复工作。

• 物质排放和通量数据已用于确定场地的优先级。例如，责任方已经使用大量排放估算来确定受多个污染源影响的区域地下水流系统中需要进一步表征和修复的场地。

• 物质排放和通量数据被用来预测修复效果。物质排放、高精准率制图和可用的分析工具为估计自然衰减率、对污染源处理的污染羽响应和修复时间框架提供了基础。

• 截面测试是迄今为止最常用的方法，并且截面已被证明对场地管理很有用。使用截面带可以提供更可靠的自然衰减率估计，而不是依靠沿水流路径的监测井线路的更典型的做法，因为截面数据不太容易受到流动方向和强度的时间变化的影响。

物质通量和物质排放数据的其他用途包括风险评估，特别是在评估潜在的下游受体的风险或评估蒸气侵入位于地下水污染上方的建筑物的风险时。在许多情况下，这些信息在基础模型中使用，但其重要性未被认识到，并且估算可能高度不确定。

从物质通量和物质排放概述中得出的主要结论如下:

• 物质通量和排放估算已证明对污染场地的管理是有价值的，应更经常地加以使用。

• 随着物质通量和排放信息的好处得到更广泛的认识，使用将迅速增加。

• 特定的评估方法可能更适合特定的场地条件和目标，因此考虑可用方法的优点和局限性是很重要的。

• 有用的物质排放和通量估计通常可以从现有场地数据和/或有限的场地采样中得出，通常费用相对较低。

• 所有物质通量和流量估计方法都涉及不确定性，在考虑使用参数时，应在可行的范围内识别和量化不确定性。然而，仅用浓度数据可能具有类似或更大的不确定性。

• 管理不确定性的策略包括预先表征和分阶段取样。

• 物质排放也可以在监管决策中发挥重要作用，并且在某些目的上可能比浓度数据更有优势。例如，决定何时从积极修复转向自然衰减；评价重非水相液体污染源修复工作；或者甚至确定何时不需要在场地上进行进一步的操作。