地質雷達應用于石油類有機污染場地調查的可行性研究

葛 佳，陳 敏

（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

地質雷達應用于石油類有機污染場地調查的可行性研究

葛 佳，陳 敏

（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

石油類物質會通過滲漏方式進入土壤，改變土壤物性和結構，對土壤、地下水環境以及人類健康產生嚴重影響，由此造成的地下污染已成為當前普遍關注的地質環境問題。地質雷達技術在地下油類污染區的調查中，顯示有原位、無損、快速、經濟等顯著特點。為進一步探討地質雷達應用于石油類有機污染場地調查的可行性，本文從地質雷達的應用原理、適用條件、實用結果等方面，分析其探測石油類有機污染的能力，并對其探測的不足和局限性進行討論。

石油類有機污染；污染場地調查；地球物理勘探；地質雷達技術

石油類物質是有機污染土中污染物的主要來源[1]。近些年，石油作為一種重要能源在整個經濟發展過程中占據著重要的位置，其應用范圍不斷擴大，消耗量與日劇增，同時也帶來了嚴重的土壤污染問題[2]。

目前，針對地下水和土壤中石油類有機物污染的勘探和檢測，主要采用的是傳統打井取樣，依靠化學分析的方法[3～7]，不僅存在時間效率低下，測試費用高昂的局限性，而且會對污染場地產生破壞，可能導致污染物向更深處運移，造成二次污染。近幾十年來，隨著新興的地球物理方法不斷發展，地球物理勘探方法作為新興的非侵入性檢測方法，具有無損、快速、安全、簡便、成本低等優點，在探測時既不會對污染場地進行破壞，也不會造成二次污染，因而在污染場地調查過程中能夠發揮重要作用[8]。本文分析地質雷達探測石油類有機污染的能力，對其不足和局限性進行討論，以提高地質雷達作為淺層地下污染探測手段的技術應用。

1 應用原理與條件

1.1 地質雷達的基本工作原理

地質雷達（Ground Penetrating Radar, GPR）是通過定向發送高頻電磁波（1M～1G Hz），當遇到存在電性差異的介質或目標體時，電磁波便發生反射，返回地面后由天線接收并據此判讀解譯。由于地下介質往往具有不同的物理特性，如介電性、導電性及導磁性差異，因而對電磁波具有不同的波阻抗，進入地下的電磁波在穿過地下各地層或其它目標體時，由于界面兩側的波阻抗不同，電磁波在介質的界面上會發生反射和折射，反射回地面的電磁波脈沖其傳播路徑、電磁波場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態而變化。在對接收的雷達波進行分析和處理的基礎上，根據所接收的雷達波波形、強度、相位及幾何形態進行分析，從而達到對目標體的探測，地質雷達的工作原理如圖1所示。

圖1 地質雷達工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of ground penetrating radar(GPR)

1.2 探測石油烴污染的原理

石油類物質滲入三相介質（固體顆粒、水、空氣）構成的土壤后，會導致土體介電性的改變，而地質雷達探測有機污染物的可能性主要取決于它們的相對介電常數，如果它們與周圍介質的介電常數有明顯差異，就可以形成反射。石油類物質進入地下后不易擴散，以累積方式穿過不飽和帶，主要存在于潛水面之上的土壤毛細作用帶，或被不飽和帶內多孔隙、低透水性土壤吸附而富集，它們相對介電常數是2～30（表1），而水的介電常數在25℃為80，兩者存在很大差異，由于地下環境一般都會有地下水的存在，所以應用地質雷達探測油類污染土具有物性理論基礎[9,10]。

表1 不同有機液體的介電常數Table 1 Dielectric constant of different organic liquids

1.3 影響地質雷達探測的因素

影響地質雷達的探測深度、分辨率以及精度的因素主要是環境的電導率、介電常數以及探測方法（包括探測所采用的頻率，采樣速度等）[11]。

（1）環境電導率

環境電導率是影響地質雷達探測深度的重要因素，高頻電磁波在地下介質的傳播過程中會發生衰減。環境的電導率越低，高頻電磁波的衰減越慢，探測深度越大。一般來說，低電導率環境（σ＜l0-7S/m）是較適合應用地質雷達的條件，如空氣、混凝土等；l0-7S/m＜σ＜l0-2S/m為一般適合應用地質雷達的條件，如純水、干黏土等；σ＞l0-2S/m為不太適合應用地質雷達的條件，如濕黏土，海水等。

（2）介電常數

由于地質雷達通過接受反射波的信息來探測目標體，而反射信號的強弱取決于介電常數的差異，若地質材料與污染物質之間的介電常數差異越大，對于探測幫助也越大。介質含水量以及孔隙率是與介電常數相關的兩個主要因素。表2為工程勘察中常見介質的相對介電常數及雷達波速。

表2 常見介質的相對介電常數與傳播速度Table 2 Common relative permittivity of the mediumand propagation velocity

（3）探測頻率

探測頻率主要影響探測的深度和分辨率，一般探測頻率越高，探測深度越淺，探測的分辨率越高。由于電磁波傳播過程中發生衰減這一因素的存在，且高頻電磁波在地下傳播過程中比低頻電磁波更易發生衰減，因此應考慮到目標體的可能深度來選用合理的探測頻率。淺層地下水及土壤的污染調查，探測深度通常在10m以內，頻率可選擇100MHz以上。

2 應用結果與實例

2.1 應用結果（電性異常特征）

污染水土介質的電阻率特征及電磁特征十分復雜，不同濃度和擴散形態的污染物，其電磁波特征不盡相同。通過對大量實測剖面數據的分析和研究，總結出了針對淺源石油烴類污染物的電性異常特征（表3），可以根據物探特征識別出對應的土壤介質及其污染物賦存情況[12]。

表3 淺源石油烴類污染物的電性異常特征Table 3 Electrical anomaly characteristics of shallow petroleum hydrocarbons pollutants

2.2 應用實例

1995年，美國學者Benson在亞利桑那州和猶他州的應用結果表明，根據地質雷達資料可圈出烴類污染的范圍，據此設計了監測井，通過井中水樣分析結果對比發現，地質雷達圖像與烴類污染之間有良好的相關關系[13]，這主要是因為受污染的地下水與普通的地下水相比較具有較高的電阻率，由此也就構成了不同雷達圖像的反映。

1998年，西密歇根大學的Sauck等對位于密歇根州腹地Carson市西北的Crystal煉油廠，使用地質雷達法對地下石油烴污染羽生物降解造成的含水層介質電導性變化進行了調查。結果顯示：地下環境中大量存在的碳氫化合物污染羽，在自然環境中會因生物降解而導致電導率或電阻率隨時間變化，從而影響所占據的地層介質并使其導電性發生變化[14]。LNAPLs長時間的生物降解將導致原本高阻地帶因生物氧化還原作用而變為低阻地帶，地質雷達剖面如圖2：

圖2 石油烴污染生物降解低阻帶地質雷達剖面Fig.2 The low resistance zone of GPG profile from biodegradation of petroleum hydrocarbon pollution

2000年，研究人員應用地質雷達探測了巴西福塔萊薩一個加油站地下存在的石油烴污染物，并輔以水文地質資料和采樣分析結果，確定了石油烴污染的程度和范圍[15]。

近年來，國內對于地質雷達的探索及應用正在展開，在“長江三角洲地區地下水污染綜合研究”項目中，對宜興地區地下儲油罐滲漏的石油烴污染現狀進行探測與評價，效果良好[16]；對垃圾填埋場等污染場地進行探測并分析了該技術方法探測地下污染物的適用性[17]；對已知石油烴污染場區進行探測，判斷出了潛水面和石油烴污染區域（圖3）[18]。

圖3 石油烴污染區域地質雷達探測剖面（250Hz, 35～45m）Fig.3 The GPR detection profile of petroleum hydrocarbon pollution area (250Hz, 35～45m)

3 討論

地質雷達探測石油類有機污染仍存在許多不足和局限性，有待相關工作者開展進一步研究和實踐，以提高地質雷達應用于石油類有機污染場地調查的可行性和可靠性。

3.1 探測深度

地質雷達技術使用的一個局限性是在探測深度方面。地質雷達發射的電磁波頻率越高，電磁波在地下介質中衰減越厲害，探測距離越小，同時分辨率越低。因此，在不增加地質雷達體積和重量的情況下，如何提高其發射功率和分辨率有待深入研究。

3.2 探測干擾

地質雷達受地面金屬體、電線等干擾較大，這是地質雷達技術使用的另一個局限。通常，采用地質雷達進行有機污染場地探測，會受到許多因素干擾，例如周圍人車流量大，各種電、磁和震動干擾多，且具有隨機性，而且周圍或場地內（地下）建筑物較為密集，消除和避免這些干擾和影響因素，給現場工作和探測資料的處理與解釋提出更高要求。消除或減小電磁干擾仍然是提高探測效果所面臨的主要問題。

3.3 成果解釋

地質雷達探測污染物的可靠性很大程度上取決于對探測成果的解釋，而探測成果的解釋往往依賴于佐證資料的正確性和解釋者的經驗水平，對復雜地質環境條件下的探測目標，不同的人甚至可得出完全不同的解釋結果。對于多解性問題，最常見的是不同介質的的反射特征可能發生重合，導致同一結果可能有多種不同的解釋。另一種情況是同一介質在不同條件下其反射特征也可能不同，這使成果解釋變得更為困難和復雜。例如：大多數有機污染物在液態下都是高電阻物質，理論情況下，氣態也是高阻物質，但研究表明，包氣帶內石油烴的汽化也有可能使電磁波快速衰減。因此，需要采用有效的數據成果處理軟件，加深對不同污染物和目標介質的特征信號的研究，建立污染物的特征數據庫；同時，綜合考慮污染物特點、賦存環境、遷移路徑等條件，從而提高對地質雷達的探測成果解釋的正確性。

4 結論

地質雷達技術作為一種非破壞性的地表原位探查技術，能夠現場提供實施剖面記錄，圖像清晰直觀，工作效率高，重復性好。在地下水及土壤有機污染探測方面，與傳統方法相比，具有更高的時間和經濟效率，在圈定污染物擴散范圍、擴散通道及追蹤污染源方面更具有全局性，并在一定程度上對傳統化探手段具有先期指導意義。但是當地下有機污染物濃度較低時，物性變化小，探測難度會很大，并且目前地質雷達的數據解釋主要依靠經驗判斷，受主觀人為影響較大，其在成果解釋和抗干擾能力方面還有待提高，所以還需要和傳統方法如測井、化學取樣分析等手段配合使用。隨著各國學者對地下污染探測的研究加深，污染物的特征數據庫不斷完善，相信地質雷達將會在有機污染調查工作中發揮更大的作用。

References)

[1] 葉為民,孫風慧. 土壤石油污染的生物修復技術[J]. 上海地質, 2002,23(4):22-24,57. Ye W M, Sun F H. Bioremediation technology used to treat oil contaminated soil[J]. Shanghai Geology, 2002,23(4):22-24,57.

[2] 田素軍. 石油類污染建筑場地的環境調查與治理[J]. 上海國土資源,2011,32(2):36-39. Tian S J. Environmental investigation and remediation of hydrocarbon contaminated site[J]. Shanghai Land & Resources, 2011,32(2):36-39.

[3] 李金柱. 上海地區淺層地下水有機污染基本特征[J]. 上海國土資源,2012,33(2):25-28. Li J Z. The contamination of phreatic water in Shanghai by organic compounds [J]. Shanghai Land & Resources, 2012,33(2):25-28.

[4] 許麗萍,解子軍,李韜. 污染土的現場測試方法適用性評價[J]. 上海國土資源,2012,33(3):54-56. Xu L P, Xie Z J, Li T. Applicability evaluation of in-situ testing methods for contaminated soil[J]. Shanghai Land & Resources, 2012,33(3):54-56.

[5] 許麗萍,李韜. 建設場地污染土綜合評價方法探討[J]. 上海國土資源,2012,33(2):29-33. Xu L P, Li T. A comprehensive approach to the evaluation of contaminated building sites[J]. Shanghai Land & Resources, 2012,33(2):29-33.

[6] 許麗萍,解子軍,李韜. 典型污染場地地基土的測試成果與分析[J]. 上海國土資源,2012,33(4):52-55. Xu L P, Xie Z J, Li T. Testing of typical contaminated subsoil[J]. Shanghai Land & Resources, 2012,33(4):52-55.

[7] 李金柱. 上海潛水有機組份采樣方式及對檢測結果的影響分析[J]. 上海國土資源,2012,33(4):56-59,67. Li J Z. Impact of Sampling method on analysis of the organic components of phreatic water in Shanghai[J]. Shanghai Land & Resources, 2012,33(4):56-59,67.

[8] 朱海龍. 環境地球物理學及其研究現狀[J]. 石油物探譯叢,1999, (1):1-7. Zhu H L. Environmental geophysics and its current research[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 1999,(1):1-7.

[9] 程業勛,楊進,趙章元. 環境地球物理學的現狀與發展[J]. 地球物理學進展,2007,22(4):1364-1369. Cheng Y X, Yang J, Zhao Z Y. Status and development of environmental geophysics[J]. Progress in Geophysics, 2007,22(4):1364-1369.[10] Daniels J J, Roberts R, Vendl M. Ground penetrating radar for the detection of liquid contaminants[J]. Journal of Applied Geophysics, 1995,33(1-3):195-207.

[11] 戴前偉,呂紹林,肖彬. 地質雷達的應用條件探討[J]. 物探與化探,2000,24(2):157-159. Dai Q W, Lü S L, Xiao B. A discussion on the applied condition of GPR[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2000,24(2):157-159.

[12] 連晟,查恩來,王春輝,等. 物探方法在淺源石油烴類污染探測中的應用[J]. 物探與化探,2012,36(5):865-868. Lian S, Zha E L, Wang C H, et al. Geophysical anomaly interpretation and analysis in shadow buried hydrocarbon contamination investigation[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2012,36(5):865-868.

[13] Benson A K. Applications of ground-penetrating radar in assessing some geologic hazards-examples of groundwater contamination, faults, and cavities[J]. Journal of Applied Geophysics, 1995, 33:177-193.

[14] Atekwana E A, Sauck W A, Werkema D D. Investigations of geoelectrical signatures at a hydroc-arbon contaminated site[J]. Journal of Applied Geophysics, 2000,44(2/3):167-180.

[15] Castro D L, Branco R M G C. 4-D ground penetrating radar monitoring of a hydrocarbon leakage site in Fortaleza (Brazil) during its remediation process: a case history[J]. Journal of Applied Geophysics, 2003,54:127-144.

[16] 周迅. 蘇南地區加油站地下儲油罐滲漏污染研究[D]. 北京:中國地質科學院碩士學位論文,2007. Zhou X. Leakage contamination of underground oil storage tank in south Jiangsu province[D]. The thesis for master degree. Beijing: Chinese Academy of Geological Sciences, 2007.

[17] 白蘭. 物探方法在污染場地中的應用研究[D]. 蘭州大學碩士學位論文,2008. Bai L. Study on geophysical methods used in polluted sites[D]. The thesis for master degree. Lanzhou University, 2008.

[18] 張輝. 地質雷達在加油站滲漏污染監測中的應用研究[D]. 上海:東華大學碩士學位論文,2013. Zhang H. Study on ground penetrating radar used in monitoring oil leakage of gas stations[D]. The thesis for master degree. Shanghai: Donghua University, 2013.

Feasibility study for the use of ground-penetrating radar in petroleum-contaminated site investigations

GE Jia, CHEN Min
(Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration, Shanghai 200072, China)

A petroleum leakage can change the physical properties and structure of soil, posing a serious threat to underground water and human health. Pollution caused by underground oil has thus become a widespread concern in the field of environmental geology. Over many years, theoretical research and practical applications of ground penetrating radar (GPR) techniques have achieved good results in the survey of underground oil pollution, and have the benefit of being in situ, nondestructive, and rapid. In order to study the feasibility on GPR for petroleum contaminated site investigations, this paper analyzes the extent to which petroleum contamination is detectable using GPR. This includes a discussion of GPR principles, results, and examples, along with its deficiencies and limitations.

petroleum organic pollution; contaminated site investigation; geophysical exploration; ground penetrating radar

P641.69；P631

A

2095-1329(2015)01-0073-03

2014-09-25

2014-12-20

葛佳(1988-),女,碩士,主要從事環境調查技術研究與應用.

電子郵箱: brenda-ge@hotmail.com

聯系電話: 021-56336163

上海市科學技術委員會科研計劃項目(14231200503)

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.01.017