基于甲烷土壤气体梯度法的石油污染场地自然源区衰减速率定量研究新方法

推荐：本研究针对石油污染场地中轻质非水相液体（LNAPL）自然源区衰减（NSZD）速率定量难题，提出了一种基于甲烷（CH4 ）土壤气体梯度的创新方法。通过建立包含扩散-平流耦合传输的解析模型，证实甲烷氧化带整体迁移速率范围为0.1-1 m/d，可直接将甲烷通量转化为NSZD速率。该方法避免了传统O2 /CO2 梯度法需校正自然土壤呼吸的局限，为污染场地修复评估提供了更精准的工具。

　　

石油烃污染场地的自然修复过程一直是环境科学领域的研究热点。在地下环境中，轻质非水相液体（LNAPL）如汽油、柴油等污染物会通过复杂的生物地球化学过程自然衰减，这一现象被称为自然源区衰减（Natural Source Zone Depletion, NSZD）。传统评估方法主要依赖氧气（O₂
）消耗、二氧化碳（CO₂
）释放或温度梯度等指标，但这些方法存在明显局限：需要区分污染物降解与自然土壤呼吸的贡献，且测量结果易受环境因素干扰。更关键的是，现有技术难以准确量化甲烷（CH₄
）介导的衰减途径——这一途径实际贡献了90%以上的LNAPL总衰减量。

为突破这些技术瓶颈，研究人员开发了一种基于甲烷土壤气体梯度的全新定量方法。这项发表在《Environmental Pollution》的研究，首次建立了包含扩散和平流耦合传输的解析模型，揭示了甲烷在包气带中的迁移转化规律。通过理论推导和现场验证，证实该方法可直接将甲烷通量转化为NSZD速率，无需校正背景干扰，为污染场地修复决策提供了更可靠的科学依据。

研究团队采用多学科交叉方法开展系统研究。首先基于质量平衡原理建立了一维稳态反应传输方程（公式1），通过解析求解获得甲烷浓度剖面表达式（公式2）。通过Peclet数（Pe）分析量化了扩散与平流的相对贡献（公式9-10），并利用氮气（N₂
）和氩气（Ar）等惰性气体剖面反演平流速率（公式11-13）。关键参数如有效扩散系数（D_e
）通过Millington-Quirk方程计算（公式15），反应长度（L_{R
）则通过实测甲烷梯度确定（公式14）。最终通过化学计量关系（公式26）将甲烷通量转换为以辛烷（C8
H18
）为参比的NSZD速率。}

3.1 Peclet数在氧化层中的分布
通过分析三种典型土壤（砂土、粉土、粘土）在不同湿度条件下的Pe数发现：除高渗透性砂土在压力梯度>1 Pa/m时呈现平流主导（Pe>1）外，绝大多数情况下扩散占绝对优势（Pe<<1）。这一发现支持了长期观测结论——在空气连通的包气带中，甲烷传输主要依赖扩散机制。

3.2 扩散-平流共存条件下的甲烷反应长度
研究显示，当Pe<1时，甲烷反应长度稳定在0.2 m左右（干土）至数厘米（湿土）；而在高Pe数条件下（如砂土Pe>>1），反应长度可增至近1米。这一结果解释了浅层污染场地可能出现的甲烷逃逸现象，为场地监测布点提供了理论依据。

3.3 平流-扩散耦合作用下的甲烷迁移速率
量化分析表明：在典型氧化层条件下，甲烷整体迁移速率（v*）主要受扩散控制，干土中约为1 m/d，湿土中约0.2 m/d。即使在高Pe数情况下，平流贡献仍有限，这颠覆了"高浓度甲烷必然导致显著平流"的传统认知。

3.4 NSZD速率的快速筛查
建立的筛查模型（公式30）显示：当甲烷浓度0.1%-10%时，对应NSZD速率为400-40,000加仑/英亩/年，与文献报道的实测范围高度吻合。应用该模型分析加油站污染案例发现，其估算结果（3,255-39,787 L/ha/yr）显著优于传统O₂
/CO₂
梯度法，与CO₂
通量法差异在3倍以内。

这项研究建立了首个整合扩散-平流耦合过程的甲烷梯度解析模型，解决了NSZD量化中的关键技术瓶颈。其核心价值体现在三方面：方法学上，通过甲烷这一"单一示踪剂"规避了自然呼吸干扰；理论上，阐明了压力梯度与土壤渗透性对传输机制的调控规律；应用上，开发的筛查工具可大幅降低监测成本。尽管在超高甲烷浓度（>10%）或建筑物遮蔽等特殊场景需谨慎应用，但该方法无疑为污染场地风险管理提供了新的技术标杆。研究结果对优化修复策略、评估自然衰减潜力具有重要指导意义，尤其适用于长期监测和大型场地的快速评估。