土壤气及土壤气中挥发性有机物的监测基础

一、什么是土壤气

土壤气是土壤结构组成空间的空隙中所存在的气体。在一般土壤中，土壤气主要包含了氮气、氧气、二氧化碳等。在部分地下环境中，一些污染气体会扩散进入土壤气，例如垃圾掩埋场、采矿和石油所产生的挥发性有机物（VOCs）等。涉及有毒有害物质的土壤气体可以扩散进入建筑物中，从而对人体健康产生影响。

图1 地下水与土壤中挥发性有机物引起的气体入侵概念图

二、土壤气中VOCs监测与土壤及地下水中VOCs监测的区别

通常情况下，地下环境中的VOCs有多种存在形式。土壤气，土壤，地下水中VOCs的监测可以测定不同存在形式的VOCs。

VOCs可以直接吸附于土壤颗粒，或溶解于土壤水中，或以自由相形式存在，或通过相分配作用，赋存于土壤孔隙气体即土壤气中。土壤中VOCs的测定包含了以自由相形式存在、吸附于土壤颗粒、溶解于土壤水和赋存于土壤气中VOCs的量。地下水中VOCs的测定包含了溶解于地下水中和以自由相形式存在的VOCs的量。土壤气中VOCs的测定仅测定土壤气中VOCs的量。

图2 地下水与土壤中挥发性有机物存在形式

图2 地下水与土壤中挥发性有机物存在形式

近几年来国内外专家在评估地下环境中VOCs呼吸吸入风险时，已不大推荐采用基于其在土壤或地下水中的浓度为基础进行人体健康风险评估，而更倾向于基于土壤气中 VOCs实测浓度进行评定。这主要是由于：首先，基于土壤中VOCs浓度的评估会因为土壤取样时的挤压、筛选土壤样品等操作影响土壤样本中VOCs的检测值，从而导致评估结果与实际风险的偏差；其次，基于地下水中VOCs浓度的评估需要耗费许多时间与成本去判断地下水的水位和地下水污染程度，影响了场地信息调查的可行性和项目进程；再次，通过相平衡理论以及气体迁移扩散理论由土壤或者地下水中VOCs的浓度来计算土壤气中VOCs的浓度存在较大的不确定性。

若直接采集土壤包气带中的土壤气进行VOCs的分析，则可直接有效的提取其中与健康危害有关的污染物有效信息，并用于确定污染物的存在、组成、来源和分布状况。而且土壤气检测提供了相对快速和低成本的场地污染信息，可指导下一步的采样方案和研究如何挑选更为实惠及准确的调查和适合的修复技术。

三、 干扰土壤气监测的因素

土壤气的监测结果受到很多环境因素的影响，比如大气压力，降水，温度（环境空气和土壤气体），风速/风向，地下水水位埋深，采样位置离地面距离等，具体介绍如下：

a) 大气压力

大气压力降低可提高气体排放速度,大气压力增加则可具有相反效应,其效应的变化幅度取决于土壤渗透性和压力变化率。

b) 降水与土壤湿度

干旱期土壤开裂，特别是由黏性土覆盖的场地,会提高表面的气体排放。潮湿天气会使黏性土变湿并膨胀，裂隙封闭，会降低表层土壤的通气性，导致土壤中气体浓度增加，并促进其横向运移。另外土壤湿度还可影响收集基质对有机物质的吸附。此外，土壤水饱和会限制气体移动性，如果钻孔底部的土壤孔隙水分饱和，则不能对底部土壤进行采样。

c) 温度

低温环境会对土壤气体采样造成诸多困难。土壤温度下降会影响有机化合物挥发并降低污染物的蒸汽压和扩散率，因而会导致较低的观测浓度。土壤冰冻会极大程度上限制土壤气体和蒸汽的移动性，阻碍其向大气排放，并导致其在最冷区域富集。

d) 风速

因为土壤是一个开放系统，与大气不断进行气体交换。气压、温度、降雨或灌溉和风力等，都可以造成土壤与大气间压力差，从而引起土壤气与大气产生对流交换。对流现象在孔隙度大的表层土壤中尤为明显。另外，表层土壤还能通过扩散机理与大气进行换气作用，所以位于表层土壤中的土壤气受到大气的干扰较明显。

e) 地下水水位埋深

降雨等引起的地下水位升高,对气体施加压力并将其压到地表,同时也会堵塞运移通道。表层土壤饱和能够限制气体向大气的排放,也会改变气体压力和浓度。

此外，降水或地下水位上升产生的渗滤水可以淋洗孔隙空间，并因此去除一些VOCs。

f) 采样位置离地面距离

对于土壤气体的常规监测，最小采样深度宜不小于1m。当采集土壤中靠近表面的气体时，需考虑环境空气渗入的影响。

四、土壤气采样位置的选择

土壤VOCs气体采样的深度取决于调查要求和场地条件，如岩土结构、地下水位、运移路径等，这些条件应在土壤气采样规划之前确定。

《土壤质量 土壤气体采样指南 GB/T 36198-2018/ISO 10381-7:2005》中指出，土壤气的采样位置最浅不宜小于地下约1m，最深不宜与地下水最高水位距离小于1m。土壤是一个开放系统，与大气不断进行气体交换，所以位于表层土壤中的土壤气受到大气的干扰较明显，土壤气的采样位置最浅不宜小于地下约1m。土层中地下水位上方由于毛细现象所润湿的范围称为毛细水带。毛细水带根据形成条件和分布状况可分为3种，即正常毛细水带、毛细网状水带和毛细悬挂水带，他们会随着地下水位的变化和降雨情况而上下移动。在此过程中，毛细管水淋洗孔隙空间，并因此会去除一些VOCs。所以，土壤气采样位置最深不宜与地下水最高水位距离小于1m。

五、薄层粘性土包气带土壤气的监测

对于黏土丰富的土层或由于地下水位较浅造成的湿度接近饱和的包气带，土壤气中VOCs浓度检测值通常都会比较低。对于这种情况，Cal/EPA采用McAlary等研究的主动式土壤气采集方法对土壤气进行监测或者用被动式土壤气采样方法。为了避免大气压和温度因素导致地表附近的气体对土壤表层土壤气的干扰，Cal/EPA规定采样深度距地表至少5尺（约1.5米）。另外，检测探头应安装在蒸汽读数较高的深度。检测探头的垂直放置深度可以从表层直到不再遇到气相污染物深度区间选择。如果需要对地下进行垂直特征描述，最深的土壤气采样点可以设置在毛细管边缘附近。但是土壤气监测井和其探头不能太靠近地下水水位，因为随着湿度增高会导致影响VOCs从气相分配到液相中，造成VOCs气体检测值偏低。

六、土壤气监测的不足

土壤气VOCs分析通常只产生相对的结果，不能定量地确定土壤和地下水中对应VOCs的浓度,不能与目前国内相关的标准值直接比较，对土壤或地下水中的实际污染亦不能做出直接结论。

根据压力和温度条件,VOCs 以液相或气相进人土壤孔隙,它们以溶于水或吸附于固体土壤颗粒,或闭蓄在毛细管等形式存在。由于物质的相分布具有多样性以及对平衡随时间的影响，每次对土壤气污染物进行测定仅能提供其“当前”状态，所有对土壤的干扰因素都会以不同的方式影响分布平衡和土壤气监测结果。

七、上海地区土壤气的监测

图3 上海地区包气带厚度及覆盖层岩性分布图

上海市地处于长江三角洲的东缘，蕴藏着丰富的地下水资源。一般潜层含水层的埋深在1-2m，离地面较近，且地表包气带涉及很大一部分的杂填土层。所以，对于潜水含水层埋深小于2m的场地，监测土壤气的意义不大，因为这种情况下土壤气中VOCs的监测极易受到大气，毛细管水和地下水的干扰。

对于极少部分潜水含水层埋深相对较深（>2m）场地，如果的确有特殊需要进行土壤气的监测时，可参考Cal/EPA的低通气性高地下水位的土壤气监测方法。