基于柱实验和数值模型模拟研究土壤气体对流对于蒸汽入侵过程的影响

Vapor intrusion is a hot research topic in contaminated site remediation. In traditional site conceptual model, contaminated vapor migrates through soil layer mainly via diffusion, however, recent studies suggest that advection may also play an important role under certain circumstances. If the fermentative biodegradation of subsurface contaminants is so fast that results in accumulations of biogenic gas near the source zone, advective soil gas flow would occur, which would significantly increase the upward mass flux of contaminant vapors, thus leading to a higher vapor intrusion risk. In this project, we plan to use an experimental column and a numerical model to investigate this important but previously neglected vapor intrusion pathway. For the column study, we plan to investigate how source gas pressure build-up affect the distribution of soil gas pressure, the distribution of contaminant vapor concentration and the vapor mass flux across the soil surface. Results of the column study will be used to calibrate a three-dimensional numerical vapor intrusion model (ASU model), which will be used to simulate vapor intrusion processes when advective soil gas flow exists. In order to assess reliability of our simulation results, sensitivity and uncertainty analysis will be conducted for ASU model. This project aims to demonstrate an important but previously neglected vapor intrusion pathway and clarify what site conditions are conducive to such pathway. This project will improve current understanding on the vapor intrusion processes and help to establish a solid theoretical foundation to improve the environmental risk assessment and field investigation approaches for contaminated sites in China.

蒸汽入侵是目前场地修复领域的研究热点。传统观点认为气态物质在土壤中的迁移以扩散为主，但最新研究显示在某些情形下对流也会起到重要的作用。当污染物的厌氧发酵降解活动强烈时，发酵产生的气体会推动土壤气体产生自下而上的对流运动，这会增加挥发性物质向地面的通量以及蒸汽入侵风险。本项目拟联合柱实验和模型模拟两种手段验证这种新的蒸汽入侵途径。通过柱实验研究污染源的气压差对土壤气压分布、挥发性物质浓度分布及挥发性物质通量的影响。根据柱实验的数据校正ASU三维数值模型，利用该模型将柱实验的研究拓展，模拟研究不同场地条件下（土壤类型、建筑物特征、污染源位置等）对流传质对于蒸汽入侵的影响。通过对该模型的敏感性和不确定性分析，系统评估模拟结果的可靠性，为合理解读模拟结果提供依据。本项目旨在揭示并验证一种新的蒸汽入侵途径，分析其容易产生的场地条件，为修正传统场地概念模型、完善现有环境风险评价体系奠定理论基础。

蒸气入侵是污染场地中挥发性污染物（VOCs）最主要的人体暴露途径之一。传统的观点认为气体在土壤中的迁移主要通过扩散，而对流只是在建筑物地基附近才起一定的作用。然而最新的研究结果显示：当污染物的厌氧降解速率足够快，短时间内会产生大量的甲烷和二氧化碳气体，这些发酵气体如不能及时扩散就会积累在污染源附近，推动土壤气体产生自污染源向地面的对流运动，这会显著增加污染蒸汽到达地面的通量，进而增大其蒸汽入侵风险。本项目通过的研究进一步证明了对流对于是VOCs蒸气入侵过程重要的传质机制之一。另外由于蒸汽入侵的复杂性，现有的数学模型还无法做到百分之百精确地模拟实际污染场地的情形，其计算结果也不可避免地带有某种程度的偏差，因此系统地评估模型的可靠性是正确使用该模型和对模拟结果进行合理解读的前提。本研究对目前最先进的蒸气入侵三维数值模型系统地进行了敏感性和不确定性分析，为模型的正确使用以及合理解读模拟结果提供理论依据。通过这一过程，建立了一套系统评估蒸气入侵模型模拟结果可靠性的方法。同时我们还利用该模型模拟了1，2-二溴乙烷（EDB）、1，2-二氯乙烷（DCA）、甲基叔丁基醚（MTBE）、甲基叔戊基醚（TAME）、乙基叔丁基醚（ETBE）等几种新型VOC在非饱和带的迁移、转化、归趋，并且评估了其蒸气入侵风险。以上成果不但有助于进一步推进对蒸气入侵机理的认识，也有会对基于模型对实际污染场地进行环境风险评估的工程实践提供理论指导。