2.1　場地基本特性簡介

2.1.1　土壤基本特性

土壤是歷史自然體，是位于地球陸地表面和淺水域底部的具有生命力、生產力的疏松而不均勻的聚積層，是地球系統的組成部分和調控環境質量的中心要素。土壤是一個由固相、液相和氣相組成的多孔多相分散體系。土壤剖面分為四個層次：表層→沉積層→母質層→巖石層。

土壤原生礦物為風化過程中未改變化學組成的原始成巖礦物。土壤粗粒部分主要由原生礦物組成：長石類、輝石、角閃石、云母類、方解石、白云石、石英、赤鐵礦、褐鐵礦、金紅石、鱗灰石。常見的土壤級制見表2.1。

次生或黏土礦物為風化成土過程中形成的礦物。黏粒主要由次生礦物組成：高嶺石、蒙脫石、伊利石、蛭石、綠泥石、簡單鹽、氧化物。

根據土壤礦物質與土壤質地將土壤分為黏土、粉質黏土、粉土、砂質粉土、粉質砂土、砂土。土壤礦物質以O、Si、Al、Fe元素為主。土壤有機質中干物質的主要元素組成為碳52%～58%、氧34%～39%、氫3.3%～4.8%、氮3.7%～4.1%；纖維素2%～10%、半纖維素0～2%、木質素30%～50%、蛋白質脂肪28%～35%、樹脂等1%～8%。土壤的基本物質組成見圖2.1。

土壤生物包括：微生物<0.2mm［微（原生）植物<0.2mm，如細菌、放線菌、絲狀菌、藻類；原生動物（<0.2mm微小動物）］；中等動物0.2～2mm，如線蟲類、螨蟲類；大型動物2～20mm，如螞蟻科、跳蟲類；巨型動物>20mm，如蚯蚓。污染場地營養級與食物網的關系見圖2.2。

土壤水分為氣態水、固態水（化學結合水與冰）與液態水（吸附水與自由水）。吸附水包括吸濕水（緊束縛水）與膜狀水（松束縛水），自由水包括毛細管水（毛細管懸著水與毛細管上升水）、重力水和地下水。如圖2.3所示。

土壤吸濕水指固相土粒靠其表面的分子引力和靜電引力從大氣和土壤空氣中吸附氣態水，附著于土粒表面成單分子或多分子層。

膜狀水：吸濕水達到最大后，土粒還有剩余的引力吸附液態水，在吸濕水的外圍形成一層水膜，這種水分稱為膜狀水。

毛細管水：靠毛管力保持在土壤孔隙中的水分稱為土壤毛細管水。

重力水：土壤重力水是過量的水分不能被毛管吸持，而在重力作用下沿著大孔隙向下滲漏成為多余的水。

土壤氣體組成與大氣相似，但有差別。主要表現在二氧化碳含量高；氧氣含量低；相對濕度高；含還原性氣體；組成和數量處于變化中。

土壤孔隙度：土壤孔隙度是指單位體積自然狀態的土壤中，所有孔隙的容積占土壤總容積的百分數。孔隙度反映土壤孔隙狀況和松緊程度。一般粗砂土孔隙度為33%～35%，大孔隙較多。黏質土孔隙度為45%～60%，小孔隙多。土壤孔隙按當量孔徑可分為：非活性孔隙（當量孔徑小于0.002mm）；毛管孔隙（當量孔徑為0.002～0.02mm）；通氣孔隙（當量孔徑大于0.02mm）。

土壤密度是指單位體積土壤固體質量，土壤密度一般取其平均值2.65g/cm³。土壤容重是指田間自然狀態下單位體積的干土重，土壤容重一般為1.0～1.8g/cm³。耕地土壤耕作層容重一般為1.0～1.6g/cm³。

土壤的pH為4.5～8.5，具有“南酸北堿、或東南酸西北堿”的規律。土壤的氧化還原電位（Oxidation-Reduction Potential，ORP） 或Eh可在氧化條件下的600～700mV到還原條件下的-300～-200mV的范圍變動。旱地土壤的Eh一般在400～700mV，水稻土則為-300～-200mV。可以以300mV作為氧化還原的分界點，在300mV以上溶解氧在電位方面起重要作用。在300mV以下的還原土壤中，決定電位的主要是有機還原物質，而鐵、錳、硫的還原則是與有機還原性物質相作用的結果。

土壤膠體：有機膠體主要為腐殖質；無機膠體（礦質膠體）為層狀硅酸鹽礦物、含水氧化物和有機無機復合膠體。

陽離子交換作用：

陰離子與土粒表面已經配位結合的某些基團（H₂P、H₃Si、Mo）進行配位交換，稱為配位吸附（也叫專性吸附）。帶正電荷的膠粒因靜電引力吸附陰離子于雙電層的外層作為平衡離子（Cl^-、N、Cl），稱陰離子的非專性吸附。表2.2～表2.9分別列出了各種土的物理量參數。

土壤污染是指人為因素有意或無意地將對人類本身和其他生命體有害的物質施加到土壤中，使其某種成分的含量明顯高于原有含量，并引起現存的或潛在的土壤環境質量惡化的現象。土壤污染的特點：①間接性、隱蔽性與潛伏性，從污染到產生不良后果，有一個很長的、間接的、逐步積累的隱蔽過程；②復雜性與后果嚴重性，進入土壤的污染物，其轉化過程比大氣及水體污染物的轉化過程更為復雜，速度更慢，但是后果往往更嚴重；③長期性和不可逆性，特別是有機氯農藥、有毒重金屬和某些病原微生物等的污染，對動物可產生長期持續的危害，并且難以恢復。

2.1.2　地下水基本特性

地下水是指在地面以下巖石空隙中的水。地下水污染是指人為因素影響下地下水水質的明顯惡變。

2.1.2.1　地下水分布特征與地質結構

地下水埋藏條件與分類見表2.10和圖2.4。

①包氣帶/非飽和帶是指地表與潛水面之間的地帶。

②潛水是指地表以下，第一個穩定隔水層以上具有自由水面的地下水。

③承壓水指充滿于兩個隔水層（弱透水層）之間的含水層中的水。其承受壓力大于大氣壓力。包含：a.承壓含水層；b.隔水頂板；c.隔水底板；d.承壓含水層厚度（M）；e.承壓高度（H）；f.測壓水位線（面）；g.補給區；h.承壓區；i.排泄區；j.自溢區。

上層滯水：當包氣帶存在局部隔水層（弱透水層）時，局部隔水層（弱透水層）上會積聚具有自由水面的重力水，這便是上層滯水。分布最接近地表，接受大氣降水的補給，通過蒸發或向隔水底板（弱透水層底板）的邊緣下滲排泄；水量小，動態變化顯著，只有在缺水地區才能成為小型供水水源或暫時性供水水源；包氣帶中的上層滯水，對其下部的潛水的補給與蒸發排泄，起到一定的滯后調節作用；上層滯水極易受污染，利用其作為飲用水源時要格外注意衛生防護。

2.1.2.2　地下水的運動方式主要有以下幾種

①滲流：地下水在巖石空隙中的運動稱為滲流或滲透。

②穩定流：水在滲流場內運動時，各個運動要素（水位、流速、流向等）不隨時間改變，稱為穩定流。

③非穩定流：水質點的各個運動要素隨時間改變的水流運動。

地下一定深度巖石中的空隙被重力水所充滿，形成一個自由水面，稱為地下水面（水位），以海拔高度表示，稱之為地下水位。地下水面以上部分，包括毛細水帶、中間帶和土壤水帶，巖石中的空隙未被水充滿，稱為包氣帶。地下水面以下部分，包括潛水層和承壓水層，巖石中的空隙被水充滿，稱為飽水帶。

2.1.2.3　飽水巖層中，根據巖層給水與透水能力而進行的劃分

含水層：是能夠透過并給出相當數量水的巖層，如各類砂土、砂巖等。

隔水層：不能透過與給出水或透過與給出的水量微不足道的、巖層裂隙不發育的基巖、頁巖、板巖、黏土（致密）。

弱透水層：滲透性很差，給出的水量微不足道，但在較大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的各種黏土、泥質粉砂巖、砂質頁巖。

飽水帶中第一個具有自由表面的穩定含水層中的水稱為潛水。潛水具有自由表面和穩定特點。自由表面——沒有隔水頂板或只有局部隔水頂板，與大氣直接相通，除大氣壓強外不受其他任何附加壓強。穩定——具有一定的空間連續性（范圍），以與上層滯水區分。

賦存潛水的巖層稱為潛水含水層。潛水表面是一個自由的水面。潛水面上任一點的海拔高程為潛水位。從潛水面到隔水底板的垂直距離為潛水含水層厚度。潛水面到地面的垂直距離為潛水埋藏深度。潛水含水層厚度與潛水埋藏深度隨潛水面的升降而發生相應的變化。

松散沉積物中的孔隙——孔隙水，堅硬巖石中的裂隙——裂隙水，可溶性巖石中的溶隙——巖溶水。孔隙度是指某一體積巖石（包括孔隙在內）中孔隙體積所占的比例。有效孔隙度：指重力水流動的孔隙體積（不包括結合水占據的空間）與巖石體積之比。巖石中的孔隙和水分為支持毛細水和懸掛毛細水。支持毛細水是指存在于飽水帶以上并與地下水面相連的毛細空隙中的水。能傳遞靜水壓力，當溫度低于0℃時結冰。懸掛毛細水是指存在于包氣帶并與地下水面不相連的毛細空隙中的水。呈懸掛狀態，經蒸發后消失。

容水性（容水度）是指巖石能容納一定數量水的性質。持水性（持水度）是指巖石在重力釋水后能在空隙中保持一定數量水的性質。給水性（給水度）是指飽水巖石在重力作用下能自由排出一定數量水的性質。透水性（滲透系數）是指巖石允許水通過的性質。滲透系數與巖石的空隙性質有關，滲透系數與水的某些物理性質有關。水流在巖石空隙中運動，需要克服隙壁與水及水質點間的摩擦阻力，例如黏滯性不同的兩種液體在同一巖石中運動，則黏滯性大的液體滲透系數就小于黏滯性小的液體。一般情況下當水的物理性質變化不大時，把滲透系數看成單純說明巖石滲透性能的參數。表2.11列出了地下水動力學中的基本概念。

毛細水（capillary water）指的是地下水受土粒間孔隙的毛細作用上升的水分，是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。其形成過程通常用物理學中毛細管現象解釋。分布在土粒內部相互貫通的孔隙，可以看成是許多形狀不一、直徑各異、彼此連通的毛細管。毛細水的種類有支持毛細水、懸掛毛細水和孔角毛細水。

由于毛細力的作用，水從地下水面沿著小孔隙上升到一定高度，地下水面以上形成毛細水帶，此帶的毛細水下部有地下水面支持，故稱支持毛細水。毛細水帶隨地下水面的變化和蒸發作用而變化，但其厚度基本不變。觀察表明，毛細帶水除了作上述垂直運動以外，由于其性質似重力水，故也隨重力水向低處流動，只是運動速度較為緩慢而已。

地下水由細顆粒層次快速降到粗顆粒層次中時，由于上下彎液面毛細力的作用，在細土層中會保留與地下水面不相連接的毛細水，這種毛細水稱為懸掛毛細水。

孔角毛細水在包氣帶中顆粒接觸點上或許多孔角的狹窄處，水是個別的點滴狀態，在重力作用下也不移動，因為它與孔壁形成彎液面，結合緊密，將水滯留在孔角上。

2.1.2.4　地下水污染途徑

間歇入滲型：農田、垃圾填埋場、礦山等。

連續入滲型：排污渠、受污染的地表水體、污水滲坑等。

越流型：已污染的淺層地下水通過層間、天窗及井管的越流。

徑流型：海水入侵、污水通過巖溶管道的滲流。

2.1.2.5　地下水污染特點

隱蔽性：濃度低，往往無色無味難以發現。

長期性/滯后性：地下水流動緩慢，污染物遷移更緩慢，有時幾十年才遷移幾千米（水平方向和垂向上的運移）。

難恢復性/難以逆轉性：由于含水層水交替緩慢，因此，即使截斷污染源，污染的地下水也很難靠自身的能力更新或凈化；地下水深埋地下，難以治理。

2.1.2.6　地下水污染過程

地下水中污染物的遷移與轉化通過水動力彌散作用、吸附與阻滯、化學/非生物過程、揮發作用、溶解性有機污染物的生物降解動力學等實現。

水動力彌散=機械彌散+分子擴散。機械彌散主要為純力學作用的結果。所謂機械作用，就是由于孔隙系統的存在，使得流速在孔隙中的分布無論其大小和方向都不均一。

（1）機械彌散　機械彌散主要為純力學作用的結果。所謂機械作用，就是由于孔隙系統的存在，使得流速在孔隙中的分布無論其大小和方向都不均一。

①同一孔隙中（圖2.5），地下水質點流速不等于實際平均流速。由于流體的黏滯性，使得單個孔隙通道軸處的流速大，固體表面處的流速接近于零，類似于筆直的毛細管中的流體速度的拋物線狀分布。

②不同孔隙中地下水質點的實際流速也是不同的（圖2.6）。地下水質點的實際流速與平均流速是完全不同的兩個概念。

③受相互連通的孔隙空間的形狀影響（圖2.7），即固體骨架的阻擋，孔隙空間的流線相當于平均流動繞流，使地下水質點的實際運動曲折起伏。

（2） 分子擴散　借助分子微觀運動，使組分從濃度高處向濃度低處傳遞。分子擴散發生在靜止流或作層流流動的流體中。

分子擴散速率：可用費克定律——擴散速率正比于濃度梯度，方向沿濃度降低方向。

描述溶質遷移的一維平流-彌散-吸附方程：

式中，C為液相中溶質濃度；D_L為彌散系數；v_x為地下水平均線性流速；X為地下水運動距離；S為固相中吸附態溶質濃度；ρ_b為飽水介質容重；θ為孔隙度；t為時間；下標r是指化學反應和生化反應引起溶質濃度的變化。

滯后因子

線性方程：

Freundlich：

Langmuir：

自然界中的吸附劑：包氣帶和含水層中廣泛分布著各種類型的吸附劑，其主要類型有黏土礦物，如蒙脫石、依利石、高嶺石等；鐵、鋁和錳的氧化物和氫氧化物；有機質。

影響包氣帶和含水層吸附能力的主要因素：①吸附劑的數量和種類。例如，我國北方土壤中的黏土礦物以蒙脫石和伊利石為主，CEC值較大；而南方的紅壤的黏土礦物多為高嶺石和鐵鋁氫氧化物，一般CEC小（小于20meq/100g）。②沉積物顆粒大小。由于吸附是一種表面反應，因此，沉積物比表面積的大小直接影響其吸附能力。一般來說，顆粒越小，比表面積越大。③pH值。固體顆粒表面的電荷，無論其性質和數量都是pH值的函數。當介質pH大于pH_Z時，表面電荷為負電，吸附陽離子；當介質pH小于pH_Z時，表面電荷為正電，吸附陰離子。表2.12列出了某些巖石和礦物的交換容量。

離子交換容量及其影響因素：①土壤和巖石的吸附能力往往以其離子交換容量來衡量。陽離子交換容量是一個重要的吸附參數，它以符號“CEC”（cation exchange capacity）表示，其含義是每百克干土（巖石）所含的全部可交換性陽離子的毫克當量數，其單位為meq/100g。②固體顆粒表面的電荷，無論從其性質和數量都是pH值的函數。pH值低時（低到一定程度），正的表面電荷占優勢，吸附陰離子；pH值高時，完全是負的表面電荷，吸附陽離子。pH為一中間值時，顆粒表面電荷為零，這一狀態稱為電荷零點，該狀態下的pH值稱為電荷零點pH值，記為pH_Z。pH_Z是表面電荷的分界點。當介質pH大于pH_Z時，表面電荷為負電，吸附陽離子；當介質pH小于pH_Z時，表面電荷為正電，吸附陰離子。某些礦物零點電位pH值（pH_Z）見表2.13。

2.1.3　污染場地的相關參數

污染場地的污染過程及其相關參數主要工作內容包括場地特征參數和受體暴露參數的調查。

①調查場地特征參數：不同代表位置和土層或選定土層的土壤樣品的理化性質分析數據，如土壤pH值、容重、有機碳含量、含水率和質地等；場地（所在地）氣候、水文、地質特征信息和數據，如地表年平均風速和水力傳導系數等。根據風險評估和場地修復實際需要，選取適當的參數進行調查。

②受體暴露參數：包括場地及周邊地區土地利用方式、人群及建筑物等相關信息。

調查方法：場地特征參數和受體暴露參數的調查可采用資料查詢、現場實測和實驗室分析測試等方法。

③土壤篩選值（soil screening levels）：常又稱為cleanup criteria，preliminary remediation guideline，soil quality guideline等，國內文獻常常翻譯為土壤修復基準、土壤質量標準、土壤質量指導值、修復指導值。