2.1　场地基本特性简介

2.1.1　土壤基本特性

土壤是历史自然体，是位于地球陆地表面和浅水域底部的具有生命力、生产力的疏松而不均匀的聚积层，是地球系统的组成部分和调控环境质量的中心要素。土壤是一个由固相、液相和气相组成的多孔多相分散体系。土壤剖面分为四个层次：表层→沉积层→母质层→岩石层。

土壤原生矿物为风化过程中未改变化学组成的原始成岩矿物。土壤粗粒部分主要由原生矿物组成：长石类、辉石、角闪石、云母类、方解石、白云石、石英、赤铁矿、褐铁矿、金红石、鳞灰石。常见的土壤级制见表2.1。

次生或黏土矿物为风化成土过程中形成的矿物。黏粒主要由次生矿物组成：高岭石、蒙脱石、伊利石、蛭石、绿泥石、简单盐、氧化物。

根据土壤矿物质与土壤质地将土壤分为黏土、粉质黏土、粉土、砂质粉土、粉质砂土、砂土。土壤矿物质以O、Si、Al、Fe元素为主。土壤有机质中干物质的主要元素组成为碳52%～58%、氧34%～39%、氢3.3%～4.8%、氮3.7%～4.1%；纤维素2%～10%、半纤维素0～2%、木质素30%～50%、蛋白质脂肪28%～35%、树脂等1%～8%。土壤的基本物质组成见图2.1。

土壤生物包括：微生物<0.2mm［微（原生）植物<0.2mm，如细菌、放线菌、丝状菌、藻类；原生动物（<0.2mm微小动物）］；中等动物0.2～2mm，如线虫类、螨虫类；大型动物2～20mm，如蚂蚁科、跳虫类；巨型动物>20mm，如蚯蚓。污染场地营养级与食物网的关系见图2.2。

土壤水分为气态水、固态水（化学结合水与冰）与液态水（吸附水与自由水）。吸附水包括吸湿水（紧束缚水）与膜状水（松束缚水），自由水包括毛细管水（毛细管悬着水与毛细管上升水）、重力水和地下水。如图2.3所示。

土壤吸湿水指固相土粒靠其表面的分子引力和静电引力从大气和土壤空气中吸附气态水，附着于土粒表面成单分子或多分子层。

膜状水：吸湿水达到最大后，土粒还有剩余的引力吸附液态水，在吸湿水的外围形成一层水膜，这种水分称为膜状水。

毛细管水：靠毛管力保持在土壤孔隙中的水分称为土壤毛细管水。

重力水：土壤重力水是过量的水分不能被毛管吸持，而在重力作用下沿着大孔隙向下渗漏成为多余的水。

土壤气体组成与大气相似，但有差别。主要表现在二氧化碳含量高；氧气含量低；相对湿度高；含还原性气体；组成和数量处于变化中。

土壤孔隙度：土壤孔隙度是指单位体积自然状态的土壤中，所有孔隙的容积占土壤总容积的百分数。孔隙度反映土壤孔隙状况和松紧程度。一般粗砂土孔隙度为33%～35%，大孔隙较多。黏质土孔隙度为45%～60%，小孔隙多。土壤孔隙按当量孔径可分为：非活性孔隙（当量孔径小于0.002mm）；毛管孔隙（当量孔径为0.002～0.02mm）；通气孔隙（当量孔径大于0.02mm）。

土壤密度是指单位体积土壤固体质量，土壤密度一般取其平均值2.65g/cm³。土壤容重是指田间自然状态下单位体积的干土重，土壤容重一般为1.0～1.8g/cm³。耕地土壤耕作层容重一般为1.0～1.6g/cm³。

土壤的pH为4.5～8.5，具有“南酸北碱、或东南酸西北碱”的规律。土壤的氧化还原电位（Oxidation-Reduction Potential，ORP） 或Eh可在氧化条件下的600～700mV到还原条件下的-300～-200mV的范围变动。旱地土壤的Eh一般在400～700mV，水稻土则为-300～-200mV。可以以300mV作为氧化还原的分界点，在300mV以上溶解氧在电位方面起重要作用。在300mV以下的还原土壤中，决定电位的主要是有机还原物质，而铁、锰、硫的还原则是与有机还原性物质相作用的结果。

土壤胶体：有机胶体主要为腐殖质；无机胶体（矿质胶体）为层状硅酸盐矿物、含水氧化物和有机无机复合胶体。

阳离子交换作用：

阴离子与土粒表面已经配位结合的某些基团（H₂P、H₃Si、Mo）进行配位交换，称为配位吸附（也叫专性吸附）。带正电荷的胶粒因静电引力吸附阴离子于双电层的外层作为平衡离子（Cl^-、N、Cl），称阴离子的非专性吸附。表2.2～表2.9分别列出了各种土的物理量参数。

土壤污染是指人为因素有意或无意地将对人类本身和其他生命体有害的物质施加到土壤中，使其某种成分的含量明显高于原有含量，并引起现存的或潜在的土壤环境质量恶化的现象。土壤污染的特点：①间接性、隐蔽性与潜伏性，从污染到产生不良后果，有一个很长的、间接的、逐步积累的隐蔽过程；②复杂性与后果严重性，进入土壤的污染物，其转化过程比大气及水体污染物的转化过程更为复杂，速度更慢，但是后果往往更严重；③长期性和不可逆性，特别是有机氯农药、有毒重金属和某些病原微生物等的污染，对动物可产生长期持续的危害，并且难以恢复。

2.1.2　地下水基本特性

地下水是指在地面以下岩石空隙中的水。地下水污染是指人为因素影响下地下水水质的明显恶变。

2.1.2.1　地下水分布特征与地质结构

地下水埋藏条件与分类见表2.10和图2.4。

①包气带/非饱和带是指地表与潜水面之间的地带。

②潜水是指地表以下，第一个稳定隔水层以上具有自由水面的地下水。

③承压水指充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水。其承受压力大于大气压力。包含：a.承压含水层；b.隔水顶板；c.隔水底板；d.承压含水层厚度（M）；e.承压高度（H）；f.测压水位线（面）；g.补给区；h.承压区；i.排泄区；j.自溢区。

上层滞水：当包气带存在局部隔水层（弱透水层）时，局部隔水层（弱透水层）上会积聚具有自由水面的重力水，这便是上层滞水。分布最接近地表，接受大气降水的补给，通过蒸发或向隔水底板（弱透水层底板）的边缘下渗排泄；水量小，动态变化显著，只有在缺水地区才能成为小型供水水源或暂时性供水水源；包气带中的上层滞水，对其下部的潜水的补给与蒸发排泄，起到一定的滞后调节作用；上层滞水极易受污染，利用其作为饮用水源时要格外注意卫生防护。

2.1.2.2　地下水的运动方式主要有以下几种

①渗流：地下水在岩石空隙中的运动称为渗流或渗透。

②稳定流：水在渗流场内运动时，各个运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变，称为稳定流。

③非稳定流：水质点的各个运动要素随时间改变的水流运动。

地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满，形成一个自由水面，称为地下水面（水位），以海拔高度表示，称之为地下水位。地下水面以上部分，包括毛细水带、中间带和土壤水带，岩石中的空隙未被水充满，称为包气带。地下水面以下部分，包括潜水层和承压水层，岩石中的空隙被水充满，称为饱水带。

2.1.2.3　饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力而进行的划分

含水层：是能够透过并给出相当数量水的岩层，如各类砂土、砂岩等。

隔水层：不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的、岩层裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、黏土（致密）。

弱透水层：渗透性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的各种黏土、泥质粉砂岩、砂质页岩。

饱水带中第一个具有自由表面的稳定含水层中的水称为潜水。潜水具有自由表面和稳定特点。自由表面——没有隔水顶板或只有局部隔水顶板，与大气直接相通，除大气压强外不受其他任何附加压强。稳定——具有一定的空间连续性（范围），以与上层滞水区分。

赋存潜水的岩层称为潜水含水层。潜水表面是一个自由的水面。潜水面上任一点的海拔高程为潜水位。从潜水面到隔水底板的垂直距离为潜水含水层厚度。潜水面到地面的垂直距离为潜水埋藏深度。潜水含水层厚度与潜水埋藏深度随潜水面的升降而发生相应的变化。

松散沉积物中的孔隙——孔隙水，坚硬岩石中的裂隙——裂隙水，可溶性岩石中的溶隙——岩溶水。孔隙度是指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。有效孔隙度：指重力水流动的孔隙体积（不包括结合水占据的空间）与岩石体积之比。岩石中的孔隙和水分为支持毛细水和悬挂毛细水。支持毛细水是指存在于饱水带以上并与地下水面相连的毛细空隙中的水。能传递静水压力，当温度低于0℃时结冰。悬挂毛细水是指存在于包气带并与地下水面不相连的毛细空隙中的水。呈悬挂状态，经蒸发后消失。

容水性（容水度）是指岩石能容纳一定数量水的性质。持水性（持水度）是指岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数量水的性质。给水性（给水度）是指饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数量水的性质。透水性（渗透系数）是指岩石允许水通过的性质。渗透系数与岩石的空隙性质有关，渗透系数与水的某些物理性质有关。水流在岩石空隙中运动，需要克服隙壁与水及水质点间的摩擦阻力，例如黏滞性不同的两种液体在同一岩石中运动，则黏滞性大的液体渗透系数就小于黏滞性小的液体。一般情况下当水的物理性质变化不大时，把渗透系数看成单纯说明岩石渗透性能的参数。表2.11列出了地下水动力学中的基本概念。

毛细水（capillary water）指的是地下水受土粒间孔隙的毛细作用上升的水分，是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。其形成过程通常用物理学中毛细管现象解释。分布在土粒内部相互贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一、直径各异、彼此连通的毛细管。毛细水的种类有支持毛细水、悬挂毛细水和孔角毛细水。

由于毛细力的作用，水从地下水面沿着小孔隙上升到一定高度，地下水面以上形成毛细水带，此带的毛细水下部有地下水面支持，故称支持毛细水。毛细水带随地下水面的变化和蒸发作用而变化，但其厚度基本不变。观察表明，毛细带水除了作上述垂直运动以外，由于其性质似重力水，故也随重力水向低处流动，只是运动速度较为缓慢而已。

地下水由细颗粒层次快速降到粗颗粒层次中时，由于上下弯液面毛细力的作用，在细土层中会保留与地下水面不相连接的毛细水，这种毛细水称为悬挂毛细水。

孔角毛细水在包气带中颗粒接触点上或许多孔角的狭窄处，水是个别的点滴状态，在重力作用下也不移动，因为它与孔壁形成弯液面，结合紧密，将水滞留在孔角上。

2.1.2.4　地下水污染途径

间歇入渗型：农田、垃圾填埋场、矿山等。

连续入渗型：排污渠、受污染的地表水体、污水渗坑等。

越流型：已污染的浅层地下水通过层间、天窗及井管的越流。

径流型：海水入侵、污水通过岩溶管道的渗流。

2.1.2.5　地下水污染特点

隐蔽性：浓度低，往往无色无味难以发现。

长期性/滞后性：地下水流动缓慢，污染物迁移更缓慢，有时几十年才迁移几千米（水平方向和垂向上的运移）。

难恢复性/难以逆转性：由于含水层水交替缓慢，因此，即使截断污染源，污染的地下水也很难靠自身的能力更新或净化；地下水深埋地下，难以治理。

2.1.2.6　地下水污染过程

地下水中污染物的迁移与转化通过水动力弥散作用、吸附与阻滞、化学/非生物过程、挥发作用、溶解性有机污染物的生物降解动力学等实现。

水动力弥散=机械弥散+分子扩散。机械弥散主要为纯力学作用的结果。所谓机械作用，就是由于孔隙系统的存在，使得流速在孔隙中的分布无论其大小和方向都不均一。

（1）机械弥散　机械弥散主要为纯力学作用的结果。所谓机械作用，就是由于孔隙系统的存在，使得流速在孔隙中的分布无论其大小和方向都不均一。

①同一孔隙中（图2.5），地下水质点流速不等于实际平均流速。由于流体的黏滞性，使得单个孔隙通道轴处的流速大，固体表面处的流速接近于零，类似于笔直的毛细管中的流体速度的抛物线状分布。

②不同孔隙中地下水质点的实际流速也是不同的（图2.6）。地下水质点的实际流速与平均流速是完全不同的两个概念。

③受相互连通的孔隙空间的形状影响（图2.7），即固体骨架的阻挡，孔隙空间的流线相当于平均流动绕流，使地下水质点的实际运动曲折起伏。

（2） 分子扩散　借助分子微观运动，使组分从浓度高处向浓度低处传递。分子扩散发生在静止流或作层流流动的流体中。

分子扩散速率：可用费克定律——扩散速率正比于浓度梯度，方向沿浓度降低方向。

描述溶质迁移的一维平流-弥散-吸附方程：

式中，C为液相中溶质浓度；D_L为弥散系数；v_x为地下水平均线性流速；X为地下水运动距离；S为固相中吸附态溶质浓度；ρ_b为饱水介质容重；θ为孔隙度；t为时间；下标r是指化学反应和生化反应引起溶质浓度的变化。

滞后因子

线性方程：

Freundlich：

Langmuir：

自然界中的吸附剂：包气带和含水层中广泛分布着各种类型的吸附剂，其主要类型有黏土矿物，如蒙脱石、依利石、高岭石等；铁、铝和锰的氧化物和氢氧化物；有机质。

影响包气带和含水层吸附能力的主要因素：①吸附剂的数量和种类。例如，我国北方土壤中的黏土矿物以蒙脱石和伊利石为主，CEC值较大；而南方的红壤的黏土矿物多为高岭石和铁铝氢氧化物，一般CEC小（小于20meq/100g）。②沉积物颗粒大小。由于吸附是一种表面反应，因此，沉积物比表面积的大小直接影响其吸附能力。一般来说，颗粒越小，比表面积越大。③pH值。固体颗粒表面的电荷，无论其性质和数量都是pH值的函数。当介质pH大于pH_Z时，表面电荷为负电，吸附阳离子；当介质pH小于pH_Z时，表面电荷为正电，吸附阴离子。表2.12列出了某些岩石和矿物的交换容量。

离子交换容量及其影响因素：①土壤和岩石的吸附能力往往以其离子交换容量来衡量。阳离子交换容量是一个重要的吸附参数，它以符号“CEC”（cation exchange capacity）表示，其含义是每百克干土（岩石）所含的全部可交换性阳离子的毫克当量数，其单位为meq/100g。②固体颗粒表面的电荷，无论从其性质和数量都是pH值的函数。pH值低时（低到一定程度），正的表面电荷占优势，吸附阴离子；pH值高时，完全是负的表面电荷，吸附阳离子。pH为一中间值时，颗粒表面电荷为零，这一状态称为电荷零点，该状态下的pH值称为电荷零点pH值，记为pH_Z。pH_Z是表面电荷的分界点。当介质pH大于pH_Z时，表面电荷为负电，吸附阳离子；当介质pH小于pH_Z时，表面电荷为正电，吸附阴离子。某些矿物零点电位pH值（pH_Z）见表2.13。

2.1.3　污染场地的相关参数

污染场地的污染过程及其相关参数主要工作内容包括场地特征参数和受体暴露参数的调查。

①调查场地特征参数：不同代表位置和土层或选定土层的土壤样品的理化性质分析数据，如土壤pH值、容重、有机碳含量、含水率和质地等；场地（所在地）气候、水文、地质特征信息和数据，如地表年平均风速和水力传导系数等。根据风险评估和场地修复实际需要，选取适当的参数进行调查。

②受体暴露参数：包括场地及周边地区土地利用方式、人群及建筑物等相关信息。

调查方法：场地特征参数和受体暴露参数的调查可采用资料查询、现场实测和实验室分析测试等方法。

③土壤筛选值（soil screening levels）：常又称为cleanup criteria，preliminary remediation guideline，soil quality guideline等，国内文献常常翻译为土壤修复基准、土壤质量标准、土壤质量指导值、修复指导值。