污染监测
A. 可以监测环境污染的植物有哪些
利用指示植物还可以监测环境污染的情况。比如，在绿化树种中，树姿优美、常年碧绿的雪松，对二氧化硫和氟化氢很敏感，若空气中有这两种气体存在时，它的针叶就会出现发黄变枯现象。因此，当见到雪松针叶枯黄时，在其周围地区往往可以找到排放二氧化硫和氟化氢的污染源。
科学家研究发现，高大的乔木、低矮的灌木和众多的花草，以及苔藓、地衣等一些低等植物，都可以作为监测环境污染的指示植物。它们是忠实可靠的“监测员”和“报警器”，在空间的不同层次组成了庞大的监测网。这些植物是：紫花苗蓿、雪松、日本落叶松、核桃、向日葵、灰菜、胡萝卜、菠菜、芝麻、栀子花等，可监测二氧化硫。
郁金香、落叶杜鹃、大叶黄杨、桃、杏、唐葛蒲等，可监测氟化氢。海棠、苹果、山桃、毛樱桃、小叶黄杨、油松、连翘、玉米、洋葱等可监测氟化氢。
女贞、樟树、丁香、牡丹、紫玉兰，垂柳、葡萄、苜蓿等可监测臭氧。向日葵、杜鹃、石榴等可监测氧化氮。矮牵牛、烟草、早熟禾等可监测光化学烟雾。
此外，落叶松可监测氯化氢；柳树、女贞可监测汞；紫鸭跖草可监测放射性物质。
B. 什么是航空环境污染监测
按预先设计的区域和时间范围，使用装有专用仪器的飞机、直升机对环境指标和污染项目，进行空中观测的作业飞行。其目的是掌握主要污染背景值长期变化趋势，了解主要污染物在空气、水体和土壤中的分布规律和变化趋势。根据监测目标的不同，可分为航空大气污染监测、航空海洋污染监测和航空陆地污染监测。
航空环境污染监测的基本任务是从空中快速评价环境质量，为制定海洋、大气、陆地环境保护政策提供依据，为环境保护管理提供科学数据。航空环境污染监测是一项负有执法职能的作业。其优点是：可进行大区域宏观污染监测；收集污染数据快；受自然人为影响小。
中国设有对近海海洋污染监测的专门队伍，缩写为“中国海监”，其飞机也涂有该标志，参与对海洋污染调查与执法工作。
C. 放射性污染的监测方法
9.3.2.1 核事故污染的监测
核事故往往造成的污染范围很大，而且给人民生命和国民经济带来巨大的损失，引起全世界的关注。针对核事故的地球物理监测工作大体上可分为两大部分:一是在核事故发生后开始的大区域快速监测工作，及时了解逐日的污染扩散范围和方向并采取相应的防范对策;二是对所有核设施的长年监测工作，以便一旦发生事故时，能够了解原有的放射性背景以及追踪事故后污染逐步消除的过程。
(1)切尔诺贝利核事故监测
早在核电站建成之前，苏联的乌克兰科学院从20世纪60年代初期就通过在基辅的监测站对基辅周围地区(包括切尔诺贝利地区)进行长期放射性环境监测。监测的参数包括γ辐射背景值(用辐射仪测量)、散落物的放射性活度测量(用面积40cm×40cm的平底盘采集，盘底铺一张浸泡过甘油的滤纸，采集持续两周，采集的样品放在瓷坩埚内在电热炉中加温到500℃灰化，然后测定其β辐射强度)、土壤放射性污染检测(在地表下5cm深处用正方形取样器10cm×10cm取样，样品风干、磨碎、过筛后，测定其β辐射强度)。
事故发生前，γ辐射剂量率为10～12μR/h(背景值)，1986年4月26日发生事故后，4月30日升高到5mR/h，比背景值高约500倍。在随后几天内γ辐射值变化强烈，与放射性物质的继续泄漏和天气变化有关。5月9日在反应堆再次爆炸后，γ辐射也再次出现高峰。1986年底，γ辐射降低到50μR/h，1992年(监测经过公布前)再次降低为16～18μR/h，接近事故前的背景值。
土壤中的β放射性活度(按土壤质量计)在事故前为550～740Bq/kg，事故后升高到29600Bq/kg。事故前放射性90Sr的质量活度为3.7～22.2Bq/kg，事故后升高了10倍。
为了了解污染的区域分布，瑞典地质调查所动用了两架地球物理专用飞机，在150m的高度上进行了航空γ能谱测量，1986年5月1～6日的测量结果如图9.12所示。在Gavle附近发现明显的高值。后几天的调查重点移向瑞典南部，以了解是否可以允许奶牛吃该地春天新生的牧草。5月5～8日在瑞典其他地区用100km线距的东西向测线覆盖，发现污染区不断向瑞典－挪威边界的方向扩大。从5月9日～6月9日整个瑞典用50km线距的航空测量覆盖，在一些异常区测线加密到2km。苏联在1986年4月28日以后，在国内面积为527400km的区域内进行过比例尺为1∶10万、1∶20万、1∶50万的航空γ能谱测量，以监测放射性污染弥散的区域。
图9.12瑞典航空γ射线照射量率等值线图 (照射量率单位为μR/h)
(2)追踪核动力卫星
由于卫星在进入大气层后解体成多个碎片，因此监测工作要在降落轨道周围广阔地区内进行，主要依靠航空γ能谱测量，发现异常后再进行地面检查。
苏联的用核反应堆作动力的宇宙－954卫星1977年底～1978年初在加拿大西北部陨落。1978年初加拿大国防部和美国能源部合作，追踪卫星陨落的碎片在加拿大的散落位置。首先根据计算机预测的卫星陨落轨道，划出一条长800km、宽50km陨落区域，由大奴湖东端至哈德逊湾附近的贝克尔湖，并将其分为14段。用4架C－130Heracles(大力神)飞机，以1.853km的线距、500m的离地高度作了航空γ能谱测量。加拿大地质调查所的能谱系统首先在大奴湖东端冰上的一号地段探测到放射源，到1月31日对全区作了普查，发现所有放射性碎片落在一个10km宽的带内，在该带内又以500m线距和250m离地高度作了详查。鉴于大力神飞机的飞行高度不可能再进一步降低，还采用了一套直升机探测系统，在9号地段的冰上发现许多弱的放射源，它们都是在大力神的飞行高度上所不能发现的，后来对这些小片的分析表明它们是反应堆芯的一部分。此后，直升机系统又在沿大奴湖南岸一带发现了更多的放射性碎片(图9.13)，这些碎片随北风飘向预订轨道的南侧。到3月底又在大奴湖的冰上作了一次系统的直升机γ能谱测量，数据分析进一步证明反应堆芯在进入大气层后已全部解体。同年夏天，加拿大原子能监控管理局做了进一步的监测和清理工作，以保证清除所有的有害物质，共回收约3500枚碎片，最远的在卫星轨道以南480km。
9.3.2.2矿山探采和选冶污染的监测
除了铀矿床外，许多有色金属、贵金属、稀有金属、稀土元素和磷矿床等也都伴生有大量放射性元素，对这些矿床的勘探、开采、选矿和冶炼都会导致放射性污染。为了清除这些污染，了解清除的效果，都需要进行监测。
(1)尾矿场地的污染与监测
在地质勘探阶段，矿床虽未交给工业部门开采，但是在勘探过程中使用了水平巷道、竖井和浅井等工程，使矿区受到天然放射性元素的污染。在矿床开采过程中，矿石和废石的堆放与运输造成更大面积的污染，选冶过程中产生的尾矿和炉渣也是不可忽视的污染源。
图9.13大奴湖地区由宇宙－954卫星放射性碎片引起的γ射线总计数的分布
1979～1980年美国能源部在盐湖谷作了航空放射性测量，以便划定尾矿场地范围，并指导地面调查。测量系统安装在直升机上，探测器由20个NaI晶体组成，每个体积645.7cm3，航高46m，线距76m。根据测量数据绘出了照射量率等值线图，如图9.14(a)所示和高于背景值的226Ra含量分布范围图，如图9.14(b)所示。背景照射量率变化于430～645fA/kg(1μR/h=71.667fA/kg)之间。尾矿堆的照射量率最高超过1×105fA/kg。在尾矿堆以北有两个照射量率偏高的突出部分，西面的一个据认为是由尾矿受风吹动造成的，东面的一个沿铁路分布，可能由测量时正在运输的放射性物质或由沿铁路运输散落的矿石或尾矿引起。沿铁路的其他辐射异常据推测也是由散落物引起的。
利用此次航空放射性测量数据，盐湖城卫生局和犹他州卫生厅划定出14个此前未知的放射性异常区，地面检查发现9个地点属于铀选矿厂的尾矿、1个是铀矿石、3个是放射性炉渣，还有1个是储存的选矿设备。在20世纪80年代初查出的这些污染地段都得到了清理。
(2)采煤和燃煤的污染及监测
许多重要的采煤区在采煤过程中形成大面积的放射性污染。例如，德国的鲁尔矿区发现，由煤矿抽向地面的水中226Ra含量所导致的活度浓度达13kBq/m3，流入地下坑道中的水达63kBq/m3。鲁尔区所有煤矿每年抽出的水含226Ra导致的总活度共37GBq。在地面上放射性污染的分布在很大程度上与水的化学成分有关，共有两类含镭的水，A类含硫酸盐甚少或不含硫酸盐，但含Ba2+离子;B类水含大量硫酸盐，但不含Ba2+离子。在B类水中镭不沉淀，而A类水中的镭，当其与硫酸盐混合后，镭与钡同时沉淀，形成放射性沉积物。很多煤矿已采煤百年以上，在矿山废水流经之处形成很厚的沉积层，质量活度达150kBq/kg，并导致土壤和植物的污染，土壤质量活度由0.2～31kBq/kg，在水道两侧的新鲜植物中含226Ra，其质量活度达1kBq/kg。
目前世界上许多发展中国家都以煤作为主要能源，因此粉煤灰成为一种量大面积的放射性污染源。据联合国原子辐射效应科学委员会(UNSCEAR)的统计，一个每天烧煤10t的热电厂，向大气释放的238U放射性活度达1850kBq，一个1000MW的热电厂每年排放粉煤灰5×105t，其中1.4×105t排入大气。调查表明，在热电厂周围由于粉煤灰放射性引起的癌症死亡率比在核电站周围高30倍。
图9.14盐湖谷航空放射性测量
(3)石油开采及运输中的放射性污染和监测
石油开发过程中的放射性污染主要来自放射性测井。在测井中使用的放射性物质主要有中子源、同位素等，如镅铍(241Am－Be)中子源，137Cs，226Ra，131Ba，131I，113Sn，113In伽马源等。测井过程中的放射性污染主要是因操作不当造成的，如:由于操作不慎，配置的活化液溅入外环境;在开瓶分装、稀释及搅拌过程中，有131I气溶胶逸出，造成空气污染;在向注水井注入131I活化液时，由于操作不当，造成井场周围的表面污染;测井过程中玷污井管和井下工具等。
在石油化工生产中，承压设备(如锅炉炉管、液化气球罐、液化气槽车、承压容器、管线等)的探伤、液位控制、液位测量、密度测定、物料剂量、化学成分分析及医疗中的透视、拍片、疾病治疗等，广泛地采用了放射技术。在料位、液面、密度、物料剂量、化学成分分析方面的放射性同位素源的剂量、活度一般是几个毫居里(mCi)，很少超过1000mCi。不过，在正常工作情况下，不论是从事工业探伤的人员还是同位素仪表操作人员，身体健康均不会受到放射性损伤。
油田上放射性污染面积大的地方，甚至可以在1∶50万的航空γ能谱测量中反映出来，污染物以镭及其衰变产物为主，铀、钍含量不超过土壤的背景值。该企业用路线汽车能谱测量在斯塔夫罗波尔边区测过的40个油气田，其地表全被放射性废料污染，发现300多个污染地段，γ射线照射量率为60～3000μR/h，其中大部分在100～1000μR/h范围内。
(4)磷肥的放射性污染及监测
在天然环境中磷和铀之间有着稳定的共生关系，磷肥的原料———磷矿石含有偏高的铀，磷肥的副产品中则含有较多的铀衰变产物，这些都会给磷肥厂周围的环境造成放射性污染。
在西班牙西南部奥迭尔河和廷托河汇合入海处附近有一个大型磷酸厂，用于制造磷酸盐肥料，其原料为磷灰岩，含有大量铀系放射性核素。在西班牙生产磷酸的方法是用硫酸来处理原岩，在此过程中形成硫酸钙沉淀(CaSO4·2H2O)，称为磷石膏，这种副产物或者直接排入奥迭尔河，或者堆在厂房周围。因此，需要估算该厂每年排入周围环境的核素数量。此外，还测定了西班牙西南部几种商品肥料的放射性元素含量，以估计其对农田的放射生态影响。
所有的调查工作均基于测定固体和液体样的U同位素、226Ra和210Po及40K的含量。知道每年产出的磷石膏量及其中U，226Ra，210Po的质量活度平均值，得出工厂附近每年排出的U同位素总活度约0.6TBq，210Po总活度为1.8TBq，226Ra总活度为1.8TBq，各种放射性核素总量的80%存留在磷石膏堆中，其他直接排入奥迭尔河，存放的磷石膏也逐渐被水溶解流入河中。到达廷托河的水238U活度浓度为40Bq/L，226Ra为0.9Bq/L，210Po为9Bq/L。为研究河流的污染，还取了水系沉积物样，样品湿重数千克，烘干、磨碎、混合后在高纯锗探测器上测量，探测器覆盖10cm厚的铅屏，内有2mm的铜衬，以便测得较低的质量活度。
磷肥厂的环境放射性污染在我国亦有发现。核工业总公司在上海市郊进行航空γ能谱测量时，曾发现10×10－6的铀异常，是背景值的45倍，经查是由化肥厂的磷矿粉引起的。
9.3.2.3建筑材料的放射性污染及监测
除了房屋地基的岩石、土壤会逸出氡外，建筑材料中也可能含有某些放射性元素，因此也可能成为放射性污染源。当建筑材料中镭的质量活度高于37Bq/kg时，会成为室内空气中氡的重要来源。有些地方用工业废料作为制造建筑材料的原料，可能将工业废料中的放射性污染物带入室内。例如利用粉煤灰或煤渣制造建筑材料曾被认为是废物利用的好办法，但是当煤的放射性元素含量偏高时，会导致严重的后果。我国核工业总公司曾经对石煤渣所建房屋的室内吸收剂量率做过调查，发现石煤渣砖房屋的γ辐射吸收剂量率比对照组的房屋高出3～9倍。我国用白云鄂博尾矿、矿渣做原料制造水泥的工厂，用其生产的水泥建造的房屋时室内氡的浓度比对照组高出4～6倍。而美国对常用建筑材料放射性的调查结果表明，木材辐射出的氡最少，混凝土最多。
我国居民住宅多用砖作建筑材料，其中放射性40K质量活度最高为148Bq/kg，Ra为37～185Bq/kg，钍为37～185Bq/kg。对于天然建筑材料，建材行业标准(JC518－93)将其分三类，见表9.4。
表9.4我国天然建筑材料核辐射分级标准
俄罗斯勘探地球物理研究所提出用以下参数对建筑材料的辐射室内居民辐射剂量进行监测。
9.3.2.4 核废料处理场地的选址和勘察
各国根据自己的条件来选择适于储存核废料的地质体，但迄今研究得最多的是两种:盐体和深成结晶岩体。盐体被认为是储存核废料得最好地质介质，其优点是未经破坏的盐层干燥，盐体中产生的裂隙易于愈合，盐比其他岩石更易吸收核废料释放的热，盐屏蔽射线的能力强，盐的抗压强度大，而且一般位于地震活动少的地区。而另外一些国家，因为各自的地质条件，主要研究利用深成结晶岩储存核废料。如加拿大和瑞典等国家，大部分领土属于前寒武纪地质，它们研究的对象包括片麻岩、花岗岩、辉长岩等。这些岩体能否储存核废料主要取决于其中地下水的活动情况。由于结晶岩中地下水的唯一通道是裂隙，所以圈定裂隙带并研究其含水性是重要的任务。在具体选择储存场地时考虑以下几个条件:地势平坦、因而水力梯度小，主要裂隙带不要穿过场地，小裂隙带应尽可能少，要避开可能有矿的地点。
其他研究的地质体还有粘土、玄武岩、凝灰岩、页岩、砂岩、石膏，碳酸盐也是可以考虑的目标。一般来说，碳酸盐岩是不适合的，但由不透水岩石包围的碳酸盐岩透镜体是值得研究的。除了陆地上的地质体外，对海底岩石的研究也已经开始。
(1)盐体选址勘察中的地球物理工作
A.盐体普查
为了储存核废料，首先要了解盐层的深度、厚度和构造，圈出适合储存的盐体，一般倾向于把核废料储存在盐丘里。
重力测量。重力法对盐丘能进行有效的勘察。盐的密度稳定，为2.1×103kg/m3，往往低于围岩(2.2×103～2.4×103kg/m3)，在盐丘上可测到n×10～n×100g.u.的重力低。当盐丘上部有厚层石膏时，由于石膏密度大，结果形成弱重力低背景上的重力高。当盐丘为致密火成岩环绕(火成岩在盐丘形成过程中侵入)时，则在重力低的边缘出现环状重力高。盐丘表面起伏可用高精度重力和地震测量综合研究。当盐丘地区的重力场非常复杂时(重力场为盐上、盐下层位、盐层和基底的综合反映)，采用最小化法进行解释:首先根据地质－地球物理资料提出模型，然后自动选择与观测重力异常最吻合的模型曲线，使两者偏差的平方和等于最小值。
电法测量。盐比围岩电阻率高，是电性基准层，以往盐层构造用直流电测深研究，近年来则愈来愈多地采用大地电流法和磁大地电流法。采用大地电流法确定盐体埋藏深度时，利用大地电流平均场强与盐层深度之间的统计关系，因此要掌握少量钻探和地震资料。平均场强的高值区对应于盐丘和盐垣，这样圈出的局部构造很多已被地震或钻探所证实。
地震测量。在构造比较简单的沉积岩区地震反射和折射法探测盐层起伏是很有效的。例如丹麦为储存核废料选择的莫尔斯盐丘，其位置和形态就是根据反射面的分布确定的。在某些情况下地面地震法只能确定盐丘顶部平缓部分的位置。而侧壁的形态和位置难以确定，这可以采用井中地震。
总之，在选址时，为了研究盐层构造，一般先利用重力和电法，两者结合起来能更详细地确定盐层构造在平面上的大小和形态。根据重力和电法结果布置地震测网，通过地震法可准确确定盐体深度，而利用井中地震则可准确确定盐体侧壁的位置和形态。
B.研究盐体的内部结构
为了确定盐体是否适应于储存核废料，必须研究盐体内部结构，即其所含杂质(夹层)数量、含水性和裂隙发育程度。
确定杂质(夹层)的数量。盐的相对纯度是影响其能否储存核废料的一个重要因素，杂质的出现会使盐层的抗压强度减小，屏蔽射线的能力降低。盐体所含杂质包括泥质组分、石膏等，泥质组分有的形成单独的夹层，有的与盐混在一起，形成泥盐。美国得克萨斯州的帕洛杜罗盆地用天然γ测井和密度γ－γ测井评价了中上二叠系盐层的纯度。γ射线强度与泥质含量有关，因为泥质组分中的钍量较高。γ－γ测井求得的密度则与石膏的百分含量之间存在着线性相关关系。计算了每个钻孔每个盐层的γ强度平均值。不到30ft的夹层，其γ强度与盐层一起平均，当夹层厚于30ft时，就把盐层作为两个单独的层处理，据此编制了不同旋回的γ射线强度的等值线图，它实质上就是泥质含量分布图，从中可以选择泥质含量最低的地区作为储存核废料的地点。
在美国盐谷地区还曾利用垂直地震剖面法，根据波速的不同划分盐中的夹层。而在丹麦的莫尔斯盐丘则用井中重力研究了盐内的夹层。
研究含水性。盐体含水对建立核废料是一个潜在的危险，它使部分盐溶解成为卤水，减小盐的机械强度并腐蚀废料容器。测量盐体的含水量可以采用中子测井，以255Cf为中子源。试验表明，在释放的γ射线谱线上氢本身的峰很弱，不能用作评价含水量的尺度，但可利用快中子与Na和Cl原子核的相互作用，以下列参数衡量含水量:Na中子非弹性散射峰与Cl中子俘获峰的比值。非弹性散射是指Na的原子核吸收一个中子并放出一个中子和γ射线，γ射线峰的位置在138keV;中子俘获是指Cl的原子核俘获一个中子并放出γ射线，其峰的位置在789keV。上述比值与水的含量呈正比。美国曾利用瞬变电磁法来确定卤水的位置，在实际探测时发现，卤水的位置与瞬变电磁法一维反演的低阻层位置相当吻合。
了解裂隙发育程度。为了保证核废料库的安全，必须了解盐层的裂隙发育程度。主要方法为井中电法(特别是无线电波法)和声波测井。盐的电阻率高，电磁波传播的损耗小，无线电波法的探测距离大，夹层或裂隙的电阻率或介电常数与盐不同，这些都是应用无线电波法的有利条件。无线电波法包括透视和反射法，透视法测孔间信号的衰减，而反射法的发射和接收天线位于同一孔内，测电磁脉冲的走时和反射层的特征。均匀的盐不会产生明显反射，裂隙增多则反射亦增多。无裂隙的盐电阻率高、衰减小，多裂隙的盐则电阻率低、衰减大。因此，衰减小、反射少的盐体更适于储存核废料。
用声波测井确定裂隙带的位置时可以利用不同的参数，如反射波幅度、声波速度和区间时间。
(2)深成结晶岩体选址和勘察中的地球物理工作
核废料拟储存于花岗岩深成结晶岩体500～1000m深度上类似于矿山的处理洞穴中。在深成结晶岩体的选址和勘察过程中，地球物理工作分为三个阶段，即场地筛选、场地评价和洞穴开挖过程中的勘察。
A.场地筛选
首先开展区域普查来筛选几个地区，作为候选的处理场地，每个地区的面积可达上千平方千米。在筛选过程中，了解深成岩体的形态和深度、周围地质环境、主要不连续面的位置和走向，盖层的特征、岩石的完整性等都是很重要的。由于场地筛选是区域性调查，涉及面积很大，所以要选用快速普查性的地球物理方法，尤其是航空地球物理方法。航空磁测曾被用来确定深成岩体的边界以及岩体中的岩石与构造界面，一般与航空磁测同时开展的航空γ能谱测量也可用于划分花岗岩体的边界，花岗岩体铀的含量可达8×10－6，而围岩往往低于2×10－6。航空电磁法用来填绘裂隙带在近地表的投影以及覆盖层的特征。湖区的裂隙带则可采用船载声呐设备圈定。岩石的完整性可以通过测量岩石的整体电阻率来评价，采用的方法有大地电磁法(MT)、音频大地电磁法(AMT)、瞬变电磁法(TEM)和直流电阻率法等。
地面重力法曾被用来确定深成岩体的形态和深度及其地质环境。图9.15显示一条南北向跨过岩基的39km长的重力剖面，图上包括实测和模型重力曲线以及根据当地常见岩石单元作出的解释剖面。与岩基有关的100g.u.的重力低非常明显，叠加在重力低上的局部重力高很可能是由高密度的包裹体引起。
B.场地评价
场地评价是在经过筛选的较小区域内进行更详细的调查，每个区域的面积可达100km2，总的目标是圈定主要裂隙带，确定其几何形态，进行岩性填图并了解覆盖层的特征。
应用高分辨率地震反射法了解裂隙带的深部情况以及发现深埋的裂隙带。可以探测到宽于地震波主波长1/8的目标，例如在P波速度约5500m/s的花岗岩中，若采用150Hz左右的工作频率，就可以探测到5m宽的裂隙带。但是要求探测离地表1000m以内的反射体意味着有用的反射包含在地震记录的第1s内，然而对高分辨率地震常用的炮检距来说，在这一时间段内也有地滚波到达，为了减小地滚波的影响，需要采用频率滤波、f－k滤波、减小炸药量以保留信号的高频成分，并且选择适当的检波器距使地滚波在叠加时尽量减小。
目前还提出了三种应用地球物理方法估算裂隙的水压渗透性的途径:一是利用裂隙空间的电导率;二是利用裂隙内声波能量的损耗;三是利用地震波通过时钻孔对裂隙压缩的响应。
对于准备开挖的场地来说，层析方法的作用更大，因为在这样的地点钻孔的数目要控制在最低限度，以防在岩体中形成新的地下水通道。
C.开挖阶段的勘察工作
开挖储存核废料洞穴的工作开始以后，需要了解洞穴周围岩体的水文地质条件和地质力学条件。由于本阶段研究的目标减小，所以要采用高分辨率，因而是高频的地球物理方法。雷达、超声波和声辐射方法都曾得到有效的应用。
图9.15跨过岩基的一条南北向重力剖面图和二维重力模型(右侧为北)
利用超声波可以确定开挖破坏带的厚度。利用声辐射测量可以监测开挖的安全性，声辐射参数的变化可以用来预测可能产生的岩爆并确定其位置。此外，声辐射测量还用于追踪向裂隙带内灌浆的进程，这时在裂隙带附近的一系列钻孔内放置加速度计，在灌浆过程中记录的声辐射强度是同灌浆的进展相关的。
总之，在深成结晶岩地区核废料处理场地选址和勘察工作中，地球物理方法既能快速而经济地做到对大片区域的地质构造进行全面的了解，又能对候选场地进行详细评价和勘察。表9.5将各个阶段的地球物理工作加以总结。但在各个阶段的工作中，除地球物理方法外，还应综合应用其他方法，尤其是水文地质、地球化学、地质和岩石力学方法等。由于地球物理方法在解释上的多解性，还应通过钻探来验证。
表9.5深成结晶岩区核废料地质处理中的地球物理工作
D. 水资源污染的监测
(1)无机污染的监测
被无机盐污染的水，由于离子浓度增高，使其电阻率降低。一般来说，地下电阻率与介质孔隙的连通性、孔隙中是否有液体以及液体的电阻率有关。如果孔隙的大小和连通性基本不变，而液体的电阻率只和污染有关，用电法就可以确定污染的范围和程度，通过电测深和时间域电磁法可以确定污染的垂向分布，而通过电剖面法和频率域电磁法可以确定污染的横向范围，用电(磁)测量比只用钻探成本低、效率高。此外，电(磁)测井也是一种辅助手段。
应用地面电法监测污染的基本条件是:污染水与非污染水电阻率有明显差别，埋藏不太深，污染水体有一定的厚度，地表物质电性比较均匀。工作时可先用电测深或时域电磁法确定污染水体顶底板深度，然后按一定系统进行固定极距的电剖面或固定装置和频率的频域电磁测量。电法一般都要与少量监测井互相配合，解释时利用地质、钻探和其他地球物理资料。对工矿废水污染的监测是受到广泛关注的问题，利用地球物理方法对工矿废水进行污染监测有许多成功的实例。
图9.1用电法监测工厂废水对岩溶的加速作用
工厂的废水排入地下，不仅污染水源，而且在某些地区还加速地下岩溶的发育过程。例如在苏联的奥卡河沿岸有一个大的化工厂生产硫酸，酸性废水渗入地下，溶蚀了石膏质的岩石，在这些岩石中形成了岩溶洞穴，老洞穴不断加大、新洞穴不断出现，连续成地下通道，沿着这些通道，溶解的物质流入奥卡河，造成河水污染。通过地面电法测量和河水电阻率测量可以圈定岩溶水的通道位置，并且评价岩溶作用随时间的变化。从图9.1中时间t1和t2两次观测的视电阻率曲线可以看出，低电阻率的范围加宽，是溶洞变宽的结果。河水电阻率测量表明，被溶解物质的流入量明显增加(低电阻率面积扩大)。通过上述测量确定了废水污染的范围和程度，以便采取必要的措施。
矿山和油田废水也是水资源的重要污染源，例如在美国有成千上万口已经废弃的、封闭不好的油气井，由于二次回采而使产油层产生过压，这些井会使注入油田的卤水沿钻孔向上运移而进入浅部的饮用水含水层。在俄克拉荷马州林肯县产油的普鲁砂层附近曾利用可控源音频大地电磁法来圈定卤水的污染。从 20 世纪 30 年代就开始从普鲁砂层采油，从 50 年代开始注入卤水来提高回采率。瓦穆萨组是该区饮水的主要水源层，淡水层的底部深度变化于 40 ～ 135m 之间，固溶物总量低于 500mg/L。1979 年所打的试验井表明在油田上含水层的卤水含量异常高。在该区选出的一些部位按一定网格开展了可控源音频大地电磁法，图 9. 2 是一口废井附近典型的视电阻率拟剖面，它表明深部的良导物质向地表运移，其他一些测线上也检测到另外一些污染体。根据地球物理结果所打的两口试验井的 Br/Cl 比值表明，瓦穆萨组的污染源确实是普鲁砂层的卤水。
图 9. 2 废注水井附近的视电阻率等值线图
(2)有机污染的监测
地下水有机污染的种类较多，其物性特征不尽相同，探测难度较大。来自炼油厂、化肥厂、制药厂等排放的废液多为有机污染，它们在自然环境下不易降解，化学需氧量(COD)、总有机碳(TOD)等指标较高。多数情况下有机污染物与水是非混溶的。轻非水相液体污染物(LNPAL)集中在地下水的表层，而重非水相液体(DNPAL)污染物集中在地下水的底部，这使地下水不同程度地混杂了有机杂质，引起地下水在物理性质和化学性质上的变化。这样可以根据不同的物理性质(化学性质)选取不同的地球物理方法。
20世纪90年代加拿大和美国的学者在加拿大安大略省开展了一项针对乙烯(C2Cl4)的试验研究。乙烯用于服装干洗和金属清洗，仅1986年美国就生产乙烯12×108L。乙烯的特点是密度大，在水中下沉，不太受地下水横向流动的影响。虽然乙烯的溶解度(200mg/L)低，但仍然比世界卫生组织规定的饮水标准(0.01mg/L)高几个数量级，每排放1L乙烯最终可污染1000×104L的地下水。试验场地面积9m×9m，周围用钢板打入地下，穿过3.3m厚的地表含水层进入下伏半隔水层，有效地隔断场地内外的水力联系。通过钻孔向场地内注入770L乙烯，在围绕注入孔的9个监测孔内进行中子、密度和感应测井，还定期测地面和井地电阻率。探地雷达工作频率200MHz，300MHz，500MHz，900MHz，沿测线进行测量。地球物理监测开始于注液前几天，注液延续了3d，注液后观测38d，第一个星期每8h观测一次，以后时间逐渐加长。随后采用表面活化剂清除乙烯，再监测清除的过程。在中子测井曲线上，由于氯俘获中子，出现明显的负峰，如图9.3(a)所示，从电阻率异常的变化上则可以看出乙烯随时间的运移，如图9.3(b)所示。探地雷达测量表明，注入的乙烯先在注入点下1m深左右的界面上汇聚，然后沿该界面向两侧扩散。
图9.3注乙烯后参数变化
地面加油站储油罐和地下储油设施普遍存在腐蚀和泄漏现象，难以发现。北京、沈阳、西安、成都均发生过此类事故。发生在北京地区某加油站的一次漏油事故中，由于污染区面积较大，致使自来水厂停水和地下施工停工。国外此类事故更多，据报道美国对21万个加油站调查发现，在20世纪70年代以前建设的加油站几乎都有渗漏，其中1.8万个已对地下水造成污染。油气渗漏的检测技术较多，其中烃类检测技术(油离烃)、探地雷达技术，能现场实时给出检测结果，且快速、方便;吸收烃乙烷、荧光光谱法探测精度高、结果可靠。图9.4和图9.5分别是北京市某加油站渗漏污染范围的游离烃CH4和吸附烃C2H4检测效果图。
图9.4北京某加油站渗漏污染范围的游离烃CH4检测效果图
图9.5北京某加油站渗漏污染范围的吸附烃C2H4检测效果图
石油污染颇为常见，已有许多利用地球物理方法探测石油污染的实例。例如利用探地雷达探测石油污染、用常规的直流电法和电磁法有可能探测石油污染。石油进入地下介质的孔隙系统后可使其电阻率明显增高。研究人员利用地面低频电磁或电阻率成像方法追索到几十至几百米深处的石油污染。例如在美国俄克拉荷马城的Carlswell空军基地，利用钻孔EM测量数据作出地下电阻率三维分布图像，推断出石油污染的位置，据此所打的钻孔证实了高阻区域与油污染吻合。
图9.6屏蔽体法的室内试验和数学模拟结果
浮在潜水面上的高阻油层对电法测量来说会产生屏蔽作用，因此研究人员提出了“屏蔽体”法(SB)。屏蔽体法是一种井地电法，一个供电电极置于污染层之下，用于确定污染层的范围。室内模拟和数学模拟的结果如图9.6所示。图(a)为室内测得石油污染带上的电位值V(mV);图(b)为数学模拟计算的电位值V(mV);图(c)为数学模拟计算的电位梯度ΔV(mV/m)。室内模拟在电解质槽内进行，数学模拟采用有限元法。在野外试验中采用了电测深和屏蔽法两种方法，其目的是确定石油污染的范围，污染层厚度0.2m，深5.7m，赋存于7m厚的第四系砾－砂沉积中，下伏不渗透的白垩系沉积。电测深AB/2最大为50m，在AB/2=15m时沿一些测线出现了电阻率的升高，为污染带的响应，但最高异常值仅达背景值的15%，难于断定污染带的横向范围，而屏蔽法显示了污染带的范围比电测深要清晰得多，地球物理野外测量结果已被监测孔证实。
澳大利亚CoffeyPartners公司曾提出，用探地雷达和低频电磁法探测石油污染有一定的困难，只有频率在30kHz～5MHz间的电磁波法效果最好。当频率为1.2MHz时，通过土壤和风化岩石的最大探测深度约30m。在南澳的一个大型柴油机车加油站发现在终端泵站和加油点之间有明显漏油。开始用EM31电磁仪作剖面测量和探地雷达探测均未奏效，后改用GRC－2仪器作无线电波剖面法，其垂直发射线圈和水平接收线圈沿剖面移动，两者保持零耦合状态，测量垂直磁场强度，线圈距在工作期间保持不变。结果在柴油污染范围内测出明显垂直磁场强度低值异常，并经钻探和槽探证实。
总之，地下水有机污染浓度较低，物理化学性质上的变化较小，监测难度大，必须采用高分辨率、高密度的方法以及应用地球物理的综合解释方法技术。
(3)地下水污染路径的动态监测
以河北沧州为例。河北沧州地处滨海平原，该区以冲积－湖积的粉细砂松散岩层为主，并夹有多层海积层。自上而下共有五组含水层，且咸、淡水交替出现，地下水含氟量较高(2～7mg/L)，地下水补、经、排条件差，地下水循环交替作用缓慢，垂向补给逐渐被侧向补给所代替。由于集中开采地下水，使得沧州地下水失衡而形成巨大的地下水漏斗(图9.7)。
图9.7沧州漏斗Q2含水组水位下降剖面图
沧州漏斗的形成给地下水资源的开发、利用带来了严重的问题，尤其是地下水严重污染。由于漏斗的形成，加速了地面污水向地下水的倒灌，使地下水造成污染，同时稠密的机井给地表(浅层)污水、咸水和淡水层形成的污染通道，使所利用的含水层遭受不同程度的污染。利用地球物理方法，如用直流电法和探地雷达，在地面监(遥)测地下水漏斗的动态变化、监测地面上工业和生活污水向漏斗迁移的路径，从污染源和污染路径上卡住污染物对地下水的污染。
(4)井中多个含水层之间交叉污染的监测
已经废弃的工业用井和供水用井，以及一些设计得不适当的监测井穿过多个含水带，使得地下水流系统“短路”。如果其中有的含水层已被污染，便会产生水层之间的交叉污染。美国地质调查所和美国环境保护署合作在宾夕法尼亚州东南部三叠纪斯托克顿组地层中利用地球物理方法研究了废弃井中多个含水层之间的交叉污染，测量了井内的垂向水流，取样并分析了井中的液体。所使用的地球物理方法包括井径测井、液体电阻率测井、液体温度测井、自然伽马测井和单点电阻测井。在16个钻孔的45～143之间进行，用以划分岩性、地层，圈定了含水裂隙和井液垂向运移带，测量了垂向液流，确定了井液的运移方向和速度。
(5)地表水污染治理中的地球物理工作
在杭州西湖换水过程中曾经成功地应用了地球物理方法。西湖由于常年污染，湖水的水质和透明度日益变差，市政府决定开凿隧道引钱塘江水更换西湖湖水。为了解江水进入西湖的运移和分布情况、换水的进度和效果，利用电阻率法在换水过程中及其前后进行了动态和静态观测(图9.8)。
在换水之前对江水和湖水的电阻率进行了测量，江水的电阻率变化范围为81～93Ω·m，平均为88Ω·m。西湖由五个相互连通的湖泊组成，其中电阻率最低的变化范围为55～60Ω·m，平均为57Ω·m，最高的变化范围为69.5～75Ω·m，平均为72Ω·m。这是利用电阻率法监测换水过程的基础。水电阻率观测比例尺为1∶5000，线距200～400m，整个湖面均匀发布20条测线。观测仪器为测井全自动记录仪，安装在电瓶驱动船上，用七心电缆连接电源、探测器和自动记录仪。探测器为井液流体电极系，固定在水深约70cm处，换水期间每天沿各测线连续探测水的电阻率一次。根据观测结果，可以得出江水进入西湖后逐日的扩散范围、水流的主要方向，指导了换水工作的进行。同时发现了一些原来未发现的污染源。
(6)地下水污染防护中的地球物理工作
地球物理方法也可用来监测有机化合物污染的治理过程。美国能源部执行了一项“非干旱区土壤和地下水易挥发有机化合物综合示范计划(VOC-NAS)”，向地下注入甲烷与空气的混合物，作为新陈代谢的碳源，以繁殖一种微生物，使三氯乙烯降解。混合物注入地下后，在运移的途径上，由于置换了地层水，使电阻率升高，因而可以通过地下(井间)电阻率层析使运移的途径成像。电阻率层析是在5个钻孔之间进行的，每一孔内有21个电极，从地面到61m深度等距发布，两孔之间的地面有4个电极。结果发现，注入气体流动途径为复杂的三维通道网，有些通道延伸到距注入井30m以外，这些通道在几个月过程中并不稳定，不断有新通道出现，气体注入通道的电阻率随时间而增大。影响微生物繁殖的其他因素还包括大气降水和来自地表的水溶养分。所以，在另一组试验中，水从地面渗入地下并作出渗入前和渗入过程中某一瞬间电阻率差值的图像，这些图像表明，水的入渗也是限于具有三维结构的狭窄通道，水流受地层渗透率变化(砂和泥的分布)的控制，不过水流通道随时间的变化小。这些通道在图像上表现为低阻带。
图9.8西湖初次换水混合流推进图
美国桑迪亚国家实验室提出一种不尽相同的治理方案，并在南卡罗莱纳州的一个场地进行了试验。该场地也被挥发性的三氯乙烯和四氯乙烯污染。为了治理污染，打了两口水平井，由潜水面以下的井注入空气，而由上面的另一口井抽取污染物，当空气通过地下孔隙时溶解挥发性污染物，再被上面的井抽出。空气在地下的分布会直接影响治理的范围并且影响如何对注入气流进行调节。因此，桑迪亚实验室利用监测井井间地震数据，根据注入气体饱和度变化引起的地震波速变化了解空气的分布。为能提高分辨率，选用井间地震层析成像方法，既减少近地表噪声的影响及与近地表物质有关的衰减，又使震源和检波器更接近目标，减少高频波的能量损耗，高频波波长短而具有更高的空间分辨率。为此，在空气注入前后都作了S波和P波层析。S波震源为频率扫描气动可控震源，用井中三分量检波器。震源和检波孔相距27.4m，孔内测点垂向距离1m。
捷克的一家发电厂也进行过类似的监测，他们为了检查粉煤灰堆放池的施工质量，在未敷设防渗层之前先在池底埋设若干条平行长导线作为检测用的供电电极，然后在其上敷设防渗层。施工结束后向池内放水，将设置在防渗层下的长导线作为供电线路的一个极，另外一个极置于无穷远，在小船上用单电位电极进行测量，在池边用经纬仪测量定位。如果测到高电位异常，即为防渗层破漏处，发现率为94%。
E. 大气环境污染监测项目中的必测项目有哪些
绿健君安汝南服务部为你解答：室内主要有甲醛、笨系物（笨、二甲笨、甲笨）TVOC’、氨等六种。
F. 环境污染的检测
地球的表生带是岩石圈演化及其与大气圈、水圈、生物圈相互作用形成的土壤圈的活跃地带。表生带的物理、化学作用，主要是风化作用、地表水和地下水的地球化学作用、沉积作用以及化学元素的迁移作用，在地质学上称之为后生作用过程。工业革命之后，人类对自然改造能力日趋强烈。如地下资源大量开采，废渣、废水、废气大量排放，破坏了物质的自然循环，使表生带的元素迁移远大于后生过程；打破了岩石圈表生带与水圈、大气圈之间化学元素的自然平衡，也就是改变了生物圈的生存环境。
表生带污染，主要是土壤和水体。污染物质分为两类：一类是有机物质，一类是无机物质。在无机污染物质中，主要是重金属元素。采矿和冶炼是向环境中释放重金属的主要污染源。在土壤和水体中的重金属，不能被微生物分解；在土壤中沉积，随环境变化而产生各种化学反应，甚至转化为毒性更强的化合物；通过食物链在人体内积蓄，严重危害人类健康。
目前土壤环境研究中的重金属，主要是汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、砷（As）、铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）、硒（Se）等。其中毒性最大的是汞（Hg），其次是镉、铅、砷等。
土壤环境背景值是指在不受或少受人类活动和污染影响的土壤中的成分值。实际上已经很难找到绝对不受污染的土壤，因此环境背景在时间和空间上都具有相对概念。
1961～1984年美国地质调查局先后分两阶段，对国土背景值进行调查，测量39个元素。英格兰和威尔士土壤调查部1979～1983年进行土壤元素调查，测量19个元素。1978～1984年，日本对全国25个道的土壤进行元素调查，测量8个元素，即Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Mu、Ni、As等。还有前苏联、加拿大等30个国家都进行了环境背景元素研究。
1978年，我国农业部对北京、天津、四川等13个省、市进行了土壤调查，分析12个元素；1982年中国环境监测总站在松辽和湘江谷地，测了8个元素的背景值（Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、Hg、As）。“七五”期间由中国环境保护总局主持，对全国进行土壤调查（4095条剖面），测13个元素。“八五”期间（1995年），中国地质科学院又一次组织调查。
局部（或区域）重金属污染调查，调查的目的在于控制。局部调查都是以排放源为中心，污染物主要随风向，或随地上、地下水流向进行迁移。随着烟气排放，各金属成为大气中颗粒物的重要组成部分，直径小于10μm的称为飘尘，直径大于10μm的称为降尘。由于重力作用，直径大的颗粒物在排放源近处沉降；微细的颗粒物，可以在大气中停留很长时间，分布范围很广。
以固体或液体形式排放的重金属污染物，在土壤中，随着氧化、还原、酸碱度和生物作用的环境变化而转化，随地面或地下水迁移，或被植物吸收。
环境重金属污染，实际是人为重金属的重新分布，是污染的源泉。
背景调查目前使用的元素分析方法主要是光谱分析，分析速度快，成本较低。
区域性污染主要是一个或几个污染物引起的。调查是以污染源为中心的局部区域，由于重金属元素的长时间累积，金属元素含量较高，一般是采集样品进行仪器分析。轻便X射线荧光仪在这一领域应当发挥了重要作用。
1.攀枝花重金属污染研究
攀枝花钢铁公司位于金沙江和雅砻江交汇处（庹先国、滕彦国等，2003）。1965年以来，厂矿大量排放废气、废水和废渣，严重污染环境。该地区1965年森林覆盖率65%以上，到1990年降为30%。除冶金排气和粉尘之外，尾矿堆积3600×104 t以上，废弃物6.8×108 t以上。淋滤产生的重金属元素，沿金沙江而下，对水环境影响直至整个长江中下游，使地下水的硫酸盐增高。
用能量色散X射线荧光分析技术研究该区重金属环境污染是比较有利的。仪器采用小功率X光管和放射性同位素为激发源，以（Si-PIN）为探测器的1024道能谱仪，分析Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、As、Ti、V等。
2000年，在攀枝花900 km2内系统采集土壤样品。其中A层深0～5 cm；B层15～25 cm；C层30～50 cm；D层大于50 cm。
土壤中重金属元素含量如表10-9-1所示。
表10-9-1 土壤中重金属元素统计值（mg/kg）
根据重元素的富集因子值进行分级。富集因子表示为样品中某污染元素和背景值中间类元素含量之比：
核辐射场与放射性勘查
式中：Ci为元素i的浓度值，Cin为标准样品元素i浓度值。
根据富集因子数值大小，Sutherland将元素的污染程度分为五个等级（表10-9-2）。根据表10-9-1的元素值，按照表10-9-2的分级原则得出各元素的污染分布图。以砷和铅污染为例，示于图10-9-1。
表10-9-2 富集因子值与分级
可见砷的污染是比较严重的，文化商业区［5］位于冶金区［4］的下游，砷污染富集最严重。
2002年，系统采集了本区大小21条河流水系沉积物及河流沉积物样品。分析结果列于表10-9-3。各种途径进入水体的重金属视条件变化，有时由沉积转为水体悬浮物，或由悬浮物转为沉积物。
图10-9-1 金沙江局部地区砷与铅浓度分布图
Muller于1997年提出地质累积指数，用以评价污染程度：
核辐射场与放射性勘查
式中：Cn为细粒（＜100目）样品中元素n的含量；CBE，n为平均n元素的背景值（一般取全球页岩平均含量）。地质指数可分为七个级别，如表10-9-4所列。
在攀枝花地区按水系沉积物中7个元素含量，划分出污染程度图。现举其中砷和铅为例示于图10-9-2。
表10-9-3 水系沉积物样品的测试结果
表10-9-4 根据地质指数划分污染级别
图10-9-2 钒、砷浓度分布
2.实例二
城市大气污染物，一般以颗粒物或气溶胶形式存在。大气污染物的测量，一般使用空气取样器，抽取一定量的空气，使沉积物在滤纸上；可以直接使用放射性同位素激发源（如3×109Bq109Cd），使用Si（Li）或其他低能半导体探测器的多道X射线谱仪，进行测量。如图10-9-3所示，为滤纸上收集元素的特征X射线谱。根据谱线可以分析空气中S、K、Ca、Ti、V、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Br、Sr和Pb等多种元素。其中很多元素的检出限可达10ng/cm2量级。
葡萄牙某大学用轻便X射线荧光仪，用55Fe为激发源和充气正比闪烁计数器（GPSC），其分辨率为11.8%；对煤中硫含量进行测量，检出限0.15%。硫含量和其特征X射线计数率呈线性关系，速度快。
图10-9-3 空气中颗粒物X射线谱
G. 大气污染的常规监测和分析
遥感技术的发展与应用，为进行大范围的环境质量评价开辟了新的途径。尤其是彩红外和热红外航空遥感图像可以从不同的侧面比较好地反映出某一地区面状的环境质量的好坏。由于遥感技术是一门新兴的综合性探测技术，目前仍处在不断完善的阶段，它在定量分析评价环境质量上还有一定的困难，因而需通过少量的常规环境监测，并使之与遥感技术相结合，以建立起常规监测定量数据与遥感数据相应的关系，结合植物波谱测试的结果来综合分析评价区域的环境质量。这样就可以取得比较客观、全面和准确的评价结果。
在矿区，主要大气污染是颗粒烟尘、SO2和NOx，宜用综合指数来评定大气的质量，其计算公式如下：
工矿区环境动态监测与分析研究
式中：I综为大气质量综合指数；
Ii为单一污染指数，且
Ci为污染物日均浓度值；
Si为污染物质量标准；
Imax为最大的单一污染指数；
n为参与计算的污染指数个数。
计算公式（3-6）既能比较客观、全面地反映区域常年的大气质量状况，也能突出反映重污染指数的影响。
大气质量的综合指数等级标准可参照国家的有关规定。一般划分为清洁、轻污染、中等污染、重污染和极重污染等五级。
H. 监测环境污染的报警是什么
在南方一些城市的绿化树种中，雪松很受大家喜爱，它树姿优美，常年碧绿。有一次南京市发现某个地段雪松针叶发黄、枯焦，后来查明，这是附近工厂排放二氧化硫和氟化氢所引起的，因为雪松对这两种气体特别敏感。现在人们一见雪松针叶呈现这种症状，就能很快找出二氧化硫和氟化氢的污染源，人们已把雪松作为一个很好的监测大气污染的报警器。
I. 什么是环境污染的“监测员”
姹紫嫣红，满园鲜花；青松、翠竹，绿海无涯。在植物这个奇妙的王国里，还有些植物具有神奇的指示作用。如果你稍加留意的话，就可以发现一个有趣的现像：牵牛花的颜色早晨为蓝色，而到了下午却变成了红色。这是为什么呢?因为牵牛花中含有花青素，这种色素具有魔术师般的本领，当遇碱性时为蓝色，而遇酸性时又变为红色。随着一天从早晨到晚上空气中二氧化碳浓度的增加，牵牛花对它的吸收量也逐渐增加，花朵中的酸性也不断提高，从而造成牵牛花的颜色由蓝变红。由此可见，牵牛花对空气中的二氧化碳的含量具有指示作用，所以称这类植物为“指示植物”。
随着人类对原子能的广泛利用，辐射危害也日益受到人们的重视。有一种叫紫鸭跖草的植物，它的花为蓝色，但受到低强度的辐射后，花色即由蓝变为粉红色，所以紫鸭跖草是测量辐射强度的指示植物。
利用指示植物还可以监测环境污染的情况。比如，在绿化树种中，树姿优美、常年碧绿的雪松，对二氧化硫和氟化氢很敏感，若空气中有这两种气体存在时，它的针叶就会出现发黄变枯现像。因此，当见到雪松针叶枯黄时，在其周围地区往往可以找到排放二氧化硫和氟化氢的污染源。又如，唐菖蒲(剑兰)对氟化氢反应十分敏感，当大气中氟化氢浓度超过环境卫生标准(百万分之0.001)15倍时，24小时后便会出现受害症状，首先在叶尖和叶缘出现油浸状褪色带，渐渐枯黄，再变成昭褐色。因此，唐富蒲是监测大气中氟化氢污染的特灵花卉。
科学家研究发现，高大的乔木、低矮的灌木和众多的花草，以及苔藓、地衣等一些低等植物，都可以作为监测环境污染的指示植物。它们是忠实可靠的“监测员”和“报警器”，在空间的不同层次组成了庞大的监测网。这些植物是：紫花苗蓿、雪松、日本落叶松、核桃、向日葵、灰莱、胡萝卜、菠菜、芝麻、栀子花等，可监测二氧化硫。
郁金香、落叶杜鹃、大叶黄杨、桃、杏、草萄、唐葛蒲等，可监测氟化氢。
海棠、苹果、山桃、毛樱桃、小叶黄杨、油松、连翘、玉米、洋葱等可监测氟化氢。
女贞、樟树、丁香、牡丹、紫玉兰，垂柳、皂英、葡萄、苜蓿等可监测臭氧。
向日葵、杜鹃、石榴等可监测氧化氮。
矮牵牛、烟草、早熟禾等可监测光化学烟雾。
此外，落叶松可监测氯化氢；柳树、女贞可监测汞；紫鸭跖草可监测放射性物质。
那么，指示植物为何能监测环境污染呢?因为不同植物在生理上存在着特异性，故对不同的污染物质，表现出的反应和敏感性也不一样，受害后出现的症状各异。当大气受到二氧化硫、氟化氢、氯气等污染时，这些有害气体可以通过叶片上的气孔进入到植物体内，受害的部位首先是叶片，叶片会出现各种伤斑，不同的有害气体所引起的伤斑也不一样。二氧化硫进入植物体内，伤斑往往出现在叶脉间，呈点状和块状，颜色变成白色或浅褐色；氯能很快地破坏叶绿素，使叶片产生褪色伤斑，严重时甚至全叶漂白脱落；光化学烟雾含有各种氧化能力极强的物质，可使叶片背面变成银白色、棕色、古铜色或玻璃状，叶片正面出现一道横贯全叶的坏死带，严重时整片叶子变色，很少发生点状和块状伤斑；二氧化氮，使叶脉间和近叶缘处，出现不规则的白色或棕色解体伤斑；臭氧往往使叶片表面出现黄褐色或棕褐色斑点；氟引起的伤斑大多集中在叶尖和叶的边缘，呈环状和带状。指示植物不仅能告诉人们大气受到哪种有害气体的污染，同时还能粗略地反映出污染程度的大小。所以人们称赞这些植物是保护环境的“监测员”。根据监测结果，即可采取有效治理措施。
利用指示植物监测环境污染有以下优点：
1.比使用仪器成本低，方法简单，使用方便，预报及时，适于开展群众性监测活动。在工厂的四周栽种上一些指示植物，既可监测污染，又美化了环境，一举两得。例如，一家工厂根据植物的受害症状，发现了管道漏气事故，就可以及时采取有效措施。
2.对污染很敏感，在人还未感觉到，甚至连仪器还测试不出来的时候，一些植物却出现了明显的受害症状——或花朵变色，或叶呈斑点，或枝叶枯黄，等。例如，大气中二氧化硫的浓度达到百万分之一～百万分之五时，人才能闻到气味，浓度为百万分之十一百万分之五时，才对人有明显的刺激作用；但对二氧化硫敏感的植物，在浓度为百万分之零点三时，就会出现明显的反应——在7小时内就会出现受害症状。又如，氟的浓度在百万分之八时，才开始对人体有害；而当氟的浓度为百万分之零点零零五时，敏感植物菖兰就会出现受害症状。
3.植物不仅能监测现时的污染，而且还能指示过去的污染情况。比如，根据一些树木年生长量的变化(从树干的年轮来测定)，估测过去30年中大气污染的程度，结果相当准确。而这些，用一般仪器是测不出来的。
J. 什么是城市空气污染监测
由于许多城市的空气污染在不断加剧，居民开始关心与他们健康息息相关的大气环境，于是城市空气质量预报应运而生。预报是根据空气污染指数来定量地客观评价空气质量的优劣，而指数则是根据对若干种主要污染物的监测数据并参照一定的分级标准而制定的，这也是空气质量评定的“数字化”。主要污染物的选取虽然不尽相同，但SO2、NO2和颗粒含量这三项是不可或缺的，前面已讲过这三种污染物的来源和对人体的危害。环境空气监测采用自动监测系统进行连续监测，如每4分钟测得一组监测数据，然后计算出每天的平均值再加以分级公布。最优秀的为一级，这在一般城市中是罕见的，只有在自然保护区或风景名胜区中才能遇到；二级为优秀级，指数不大于50；三级为良好级，指数不大于100，一般居民区和商业区应在此范围内，但现实情况往往超标：四级表示轻度污染，指数不大于200，人群中可出现刺激症状：五级是中度污染，指数不大于300；五级以外为重度污染，指数大于300，此时人们应留在室内，避免外出。但此种预报和天气预报一样，并非完全准确，也不一定符合于一个大城市中的某一特定区域，而且预报有时偏于乐观，所以只能作为参考。