土壤氣及土壤氣中揮發性有機物的監測基礎

土壤氣及土壤氣中揮發性有機物的監測基礎

北極星環境監測網訊:一、什麼是土壤氣

土壤氣是土壤結構組成空間的空隙中所存在的氣體。在一般土壤中，土壤氣主要包含了氮氣、氧氣、二氧化碳等。在部分地下環境中，一些汙染氣體會擴散進入土壤氣，例如垃圾掩埋場、採礦和石油所產生的揮發性有機物（VOCs）等。涉及有毒有害物質的土壤氣體可以擴散進入建築物中，從而對人體健康產生影響。

圖1 地下水與土壤中揮發性有機物引起的氣體入侵概念圖

二、土壤氣中VOCs監測與土壤及地下水中VOCs監測的區別

通常情況下，地下環境中的VOCs有多種存在形式。土壤氣，土壤，地下水中VOCs的監測可以測定不同存在形式的VOCs。

VOCs可以直接吸附於土壤顆粒，或溶解於土壤水中，或以自由相形式存在，或通過相分配作用，賦存於土壤孔隙氣體即土壤氣中。土壤中VOCs的測定包含了以自由相形式存在、吸附於土壤顆粒、溶解於土壤水和賦存於土壤氣中VOCs的量。地下水中VOCs的測定包含了溶解於地下水中和以自由相形式存在的VOCs的量。土壤氣中VOCs的測定僅測定土壤氣中VOCs的量。

圖2 地下水與土壤中揮發性有機物存在形式

圖2 地下水與土壤中揮發性有機物存在形式

近幾年來國內外專家在評估地下環境中VOCs呼吸吸入風險時，已不大推薦採用基於其在土壤或地下水中的濃度為基礎進行人體健康風險評估，而更傾向於基於土壤氣中 VOCs實測濃度進行評定。這主要是由於：首先，基於土壤中VOCs濃度的評估會因為土壤取樣時的擠壓、篩選土壤樣品等操作影響土壤樣本中VOCs的檢測值，從而導致評估結果與實際風險的偏差；其次，基於地下水中VOCs濃度的評估需要耗費許多時間與成本去判斷地下水的水位和地下水汙染程度，影響了場地信息調查的可行性和項目進程；再次，通過相平衡理論以及氣體遷移擴散理論由土壤或者地下水中VOCs的濃度來計算土壤氣中VOCs的濃度存在較大的不確定性。

若直接採集土壤包氣帶中的土壤氣進行VOCs的分析，則可直接有效的提取其中與健康危害有關的汙染物有效信息，並用於確定汙染物的存在、組成、來源和分布狀況。而且土壤氣檢測提供了相對快速和低成本的場地汙染信息，可指導下一步的採樣方案和研究如何挑選更為實惠及準確的調查和適合的修復技術。

三、 幹擾土壤氣監測的因素

土壤氣的監測結果受到很多環境因素的影響，比如大氣壓力，降水，溫度（環境空氣和土壤氣體），風速/風向，地下水水位埋深，採樣位置離地面距離等，具體介紹如下：

a) 大氣壓力

大氣壓力降低可提高氣體排放速度,大氣壓力增加則可具有相反效應,其效應的變化幅度取決於土壤滲透性和壓力變化率。

b) 降水與土壤溼度

乾旱期土壤開裂，特別是由黏性土覆蓋的場地,會提高表面的氣體排放。潮溼天氣會使黏性土變溼並膨脹，裂隙封閉，會降低表層土壤的通氣性，導致土壤中氣體濃度增加，並促進其橫向運移。另外土壤溼度還可影響收集基質對有機物質的吸附。此外，土壤水飽和會限制氣體移動性，如果鑽孔底部的土壤孔隙水分飽和，則不能對底部土壤進行採樣。

c) 溫度

低溫環境會對土壤氣體採樣造成諸多困難。土壤溫度下降會影響有機化合物揮發並降低汙染物的蒸汽壓和擴散率，因而會導致較低的觀測濃度。土壤冰凍會極大程度上限制土壤氣體和蒸汽的移動性，阻礙其向大氣排放，並導致其在最冷區域富集。

d) 風速

因為土壤是一個開放系統，與大氣不斷進行氣體交換。氣壓、溫度、降雨或灌溉和風力等，都可以造成土壤與大氣間壓力差，從而引起土壤氣與大氣產生對流交換。對流現象在孔隙度大的表層土壤中尤為明顯。另外，表層土壤還能通過擴散機理與大氣進行換氣作用，所以位於表層土壤中的土壤氣受到大氣的幹擾較明顯。

e) 地下水水位埋深

降雨等引起的地下水位升高,對氣體施加壓力並將其壓到地表,同時也會堵塞運移通道。表層土壤飽和能夠限制氣體向大氣的排放,也會改變氣體壓力和濃度。

此外，降水或地下水位上升產生的滲濾水可以淋洗孔隙空間，並因此去除一些VOCs。

f) 採樣位置離地面距離

對於土壤氣體的常規監測，最小採樣深度宜不小於1m。當採集土壤中靠近表面的氣體時，需考慮環境空氣滲入的影響。

四、土壤氣採樣位置的選擇

土壤VOCs氣體採樣的深度取決於調查要求和場地條件，如巖土結構、地下水位、運移路徑等，這些條件應在土壤氣採樣規劃之前確定。

《土壤質量 土壤氣體採樣指南 GB/T 36198-2018/ISO 10381-7:2005》中指出，土壤氣的採樣位置最淺不宜小於地下約1m，最深不宜與地下水最高水位距離小於1m。土壤是一個開放系統，與大氣不斷進行氣體交換，所以位於表層土壤中的土壤氣受到大氣的幹擾較明顯，土壤氣的採樣位置最淺不宜小於地下約1m。土層中地下水位上方由於毛細現象所潤溼的範圍稱為毛細水帶。毛細水帶根據形成條件和分布狀況可分為3種，即正常毛細水帶、毛細網狀水帶和毛細懸掛水帶，他們會隨著地下水位的變化和降雨情況而上下移動。在此過程中，毛細管水淋洗孔隙空間，並因此會去除一些VOCs。所以，土壤氣採樣位置最深不宜與地下水最高水位距離小於1m。

五、薄層粘性土包氣帶土壤氣的監測

對於黏土豐富的土層或由於地下水位較淺造成的溼度接近飽和的包氣帶，土壤氣中VOCs濃度檢測值通常都會比較低。對於這種情況，Cal/EPA採用McAlary等研究的主動式土壤氣採集方法對土壤氣進行監測或者用被動式土壤氣採樣方法。為了避免大氣壓和溫度因素導致地表附近的氣體對土壤表層土壤氣的幹擾，Cal/EPA規定採樣深度距地表至少5尺（約1.5米）。另外，檢測探頭應安裝在蒸汽讀數較高的深度。檢測探頭的垂直放置深度可以從表層直到不再遇到氣相汙染物深度區間選擇。如果需要對地下進行垂直特徵描述，最深的土壤氣採樣點可以設置在毛細管邊緣附近。但是土壤氣監測井和其探頭不能太靠近地下水水位，因為隨著溼度增高會導致影響VOCs從氣相分配到液相中，造成VOCs氣體檢測值偏低。

六、土壤氣監測的不足

土壤氣VOCs分析通常只產生相對的結果，不能定量地確定土壤和地下水中對應VOCs的濃度,不能與目前國內相關的標準值直接比較，對土壤或地下水中的實際汙染亦不能做出直接結論。

根據壓力和溫度條件,VOCs 以液相或氣相進人土壤孔隙,它們以溶於水或吸附於固體土壤顆粒,或閉蓄在毛細管等形式存在。由於物質的相分布具有多樣性以及對平衡隨時間的影響，每次對土壤氣汙染物進行測定僅能提供其「當前」狀態，所有對土壤的幹擾因素都會以不同的方式影響分布平衡和土壤氣監測結果。

七、上海地區土壤氣的監測

圖3 上海地區包氣帶厚度及覆蓋層巖性分布圖

上海市地處於長江三角洲的東緣，蘊藏著豐富的地下水資源。一般潛層含水層的埋深在1-2m，離地面較近，且地表包氣帶涉及很大一部分的雜填土層。所以，對於潛水含水層埋深小於2m的場地，監測土壤氣的意義不大，因為這種情況下土壤氣中VOCs的監測極易受到大氣，毛細管水和地下水的幹擾。

對於極少部分潛水含水層埋深相對較深（>2m）場地，如果的確有特殊需要進行土壤氣的監測時，可參考Cal/EPA的低通氣性高地下水位的土壤氣監測方法。

原標題:土壤氣及土壤氣中揮發性有機物的監測基礎

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