土壤電阻率影響因素分析及NAPLs污染土壤電阻率特征初探

陳太聰 張輝 孫從軍 李靜

摘要：考慮影響土壤電阻率的因素很多，通過室內(nèi)實驗主要分析了土壤含水飽和度、土壤顆粒組成、NAPLs污染物種類以及含量等與土壤電阻率之間的相關(guān)關(guān)系以及變化趨勢。實驗結(jié)果表明：土壤電阻率隨著含水飽和度的增加逐漸降低，粘粒含量越多電阻率越低，且隨著NAPLs污染物含量增加土壤電阻呈指數(shù)形勢上升。以期為今后利用電阻率法快速調(diào)查土壤污染問題提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：土壤電阻率；飽和度；NAPLs污染物

中圖分類號：X820.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16749944（2016）08006904

1 引言

我國環(huán)境保護(hù)部連同國土資源部在2005年4月～2013 年12月首次關(guān)于全國土壤污染狀況調(diào)查的結(jié)果顯示[1]，全國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問題突出，而大量石油化工企業(yè)的地下儲油罐滲漏的有機(jī)污染物是地下水和土壤污染主要來源之一[2]。目前，將泄漏于土壤或含水層且與水不溶的有機(jī)液體（NAPLs）統(tǒng)稱為油類。由于石油化工企業(yè)的存在，此類物質(zhì)不可避免的會滲入土壤而造成污染[3～6]。因此，對油類污染土壤進(jìn)行檢測和修復(fù)是亟待解決的問題。電阻率法是通過監(jiān)測電阻率差異來確定土壤介質(zhì)導(dǎo)電性，作為判斷土壤污染的依據(jù)。土壤電阻率是土壤的一種基本物理特性[7]，指在單位長度土壤在一定電場作用下電阻的平均值。一般用ρ表示土壤電阻率，單位為Ω·m。

電阻率法調(diào)查土壤污染具有快速無損等特點，近年在土壤污染調(diào)查中也扮演著重要角色[8～13]。目前，在土壤污染調(diào)查中已存在電阻率法的應(yīng)用實例，如2005年，臺灣國立中央大學(xué)的王子賓[14]使用高密度電阻率法對一DNAPLs污染場地探測并取得了較理想的效果。說明電阻率法調(diào)查土壤污染問題是具有可行性的。

通過實驗了解了土壤電阻率的主要影響因素，結(jié)合室內(nèi)NAPLs污染土模擬實驗探究污染土的電阻率變化特征關(guān)系，可為今后利用電阻率法判斷污染場地的污染程度提供理論依據(jù)，進(jìn)而提高污染場地調(diào)查效率。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

實驗所用土樣選取上海某地區(qū)常見的不同深度的淺層土，編號為1號土樣和2號土樣，在進(jìn)行實驗前需對土樣進(jìn)行風(fēng)干，粉碎，過2mm孔徑篩子等預(yù)處理。土壤的基本性質(zhì)指標(biāo)見表1。并進(jìn)行室內(nèi)模擬NAPLs污染實驗，選取的NAPLs污染物為毒性較小的正己烷和四氯乙烯，正己烷與輕質(zhì)油類污染物類似，屬于常見的LNAPLs污染物，四氯乙烯為DNAPLs污染物。

2.2 實驗方法

測定土壤電阻率使用的是改良過的米勒土壤盒（Miller Soil Box），材質(zhì)為有機(jī)玻璃（見圖1）。其內(nèi)部尺寸長、寬、高分別為16 cm、5 cm、4 cm。兩端電極是厚度為0.2 mm的銅片；中間兩電極為長6 cm、直徑2 mm的銅導(dǎo)線，兩電極間之的距離為8 cm。測量電源由12 V交流電適配器提供，測量數(shù)值由多功能數(shù)字萬用表顯示。土壤電阻率測量的方法為四極法，該法是土壤污染研究中較理想且常用的方法之一，其測試電路見圖2。在A、B之間引入電流IAB，測量M、N之間的電壓UMN，以UMN /IAB作為電阻值，被測土壤樣品的電阻率ρ根據(jù)式（1）進(jìn)行計算。

2.3 實驗內(nèi)容

土壤的導(dǎo)電過程主要涉及兩種途徑：通過孔隙水導(dǎo)電和顆粒表面導(dǎo)電。筆者主要從土壤類型，含水飽和度，土壤顆粒組成，污染物種類及含量等因素探究土壤電阻率的變化規(guī)律。實驗包括以下內(nèi)容：①為探究土壤含水飽和度變化（主要從干土到飽和土壤）與土壤電阻率之間的響應(yīng)特征關(guān)系，筆者進(jìn)行了一系列室內(nèi)模擬實驗。將土壤的含水率配制為5.0%、7.5%、10.0%、12.5%、15.0%，依此類推直至土壤達(dá)到飽和，通過（3）式將含水率換算成土壤含水飽和度，分別計算在不同飽和度條件下的1號和2號土樣的電阻率；②通過比重計法分析土壤顆粒組成，實驗方法參照NY/T1121.3-2006；③室內(nèi)模擬典型NAPLs污染物侵入土壤電阻率變化實驗，選取兩種常見的NAPLs有機(jī)污染物正己烷和四氯乙烯。稱取等量烘干未污染的1號和2號土樣各兩份，在室內(nèi)裝入米勒盒內(nèi)。依次加入0、2.5、5.0、7.5、10.0、15.0、20.0、25.0 mLNAPLs污染物，計算各土樣電阻率值。

3 結(jié)果與討論

3.1 飽和度與土壤電阻率特征關(guān)系

圖3為電阻率與飽和度的響應(yīng)關(guān)系曲線，可知，兩種土壤電阻率都是隨著飽和度的增加而逐漸降低。理論上而言，當(dāng)飽和度達(dá)到某一值時，飽和度繼續(xù)增加導(dǎo)致的土壤電阻率變化已不明顯，電阻率降低趨勢逐漸趨于平緩，這一數(shù)值，通常稱為飽和度臨界值Scr，即保持土壤顆粒周圍能夠形成連續(xù)水膜的土體最小含水量，當(dāng)土壤含水量小于臨界值時，土壤的電阻率增加明顯。

從圖3可以看出，1號土的飽和度臨界值Scr約為70.0%，對應(yīng)的電阻率為15.8 Ω·m，2號土的飽和度臨界值Scr約為60.0%，對應(yīng)的電阻率為52.5 Ω·m，在相同含水飽和度條件下1號土樣的電阻率始終大于2號土樣的電阻率，對于不同土壤而言，其飽和度臨界值并不相同，對應(yīng)的電阻率也存在較大差異。

3.2 土壤顆粒組成分析

根據(jù)前人已有研究成果知，土壤電阻率主要有兩部分組成：孔隙水的電阻率和土壤顆粒的電阻率[16～18]。土壤顆粒電阻率與土壤的顆粒組成相關(guān)，因此進(jìn)一步對兩種實驗土壤作顆粒組成分析。

圖4為實驗土樣的粒徑分布曲線。經(jīng)計算1號土樣中粒徑為0.02～2 mm顆粒占總量的11.0%，0.002～0.02 mm顆粒占總量的53.0%，<0.002 mm顆粒含量的36.0%；2號土樣中粒徑為0.02～2 mm顆粒占總量的9.0%，0.002～0.02 mm顆粒占總量的51.0%，<0.002 mm顆粒含量占總量的40.0%。比較可知，2號土樣細(xì)顆粒多于1號土樣，其中兩者粘粒（<0.002 mm顆粒）含量相差4.0%，且通過飽和度和電阻率的實驗結(jié)果可知，同一飽和度下，1號土樣電阻率始終大于2號土樣電阻率，如飽和度為60.0%，1號土樣電阻率為52.5 Ω·m，2號土樣電阻率為15.8 Ω·m。土中粘粒的存在可通過三個途徑來影響土的電阻率：①粘粒含量的增加導(dǎo)致孔隙率的降低，從而增加了土的電阻率；②粘粒的存在意味著含有導(dǎo)電性粘土礦物，這將導(dǎo)致土的電阻率降低；③粘粒含量的增加導(dǎo)致整個土的比表面積增大，有利于土壤電導(dǎo)率的增加，電阻率降低[18]。正是基于上述3個影響因素，同一飽和度下測定的2號土樣電阻率結(jié)果低于1號土樣的。

3.3 NAPLs污染物對土壤電阻率的影響

采用正己烷和四氯乙烯作為典型的LNAPLs和DLNAPLs污染物加入1號和2號土壤中，觀察土壤電阻率的變化特征。

圖5為正己烷和四氯乙烯在加入1號和2號土壤后，污染物含量與土壤電阻率之間的變化關(guān)系曲線，隨著污染物侵入量的增加，1號土樣和2號土樣的電阻率都呈現(xiàn)指數(shù)形勢增大。其中1號土電阻率與正己烷含量相關(guān)關(guān)系為y=29.663e0.0167x，R2=0.783，與四氯乙烯含量相關(guān)關(guān)系為y=11.963e0.0024x，R2=0.921；2號土電阻率與正己烷含量相關(guān)關(guān)系為y=27.386e0.013x，R2=0.9717，與四氯乙烯含量相關(guān)關(guān)系為y=12.468e0.0084x，R2=0.9198，相關(guān)性較高。這是由于污染成分的介入使得水中成分增加或孔隙水被NAPLs污染物代替，導(dǎo)致污染土的電阻率和正常土電阻率存在差異。因為NAPLs污染物的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土壤介質(zhì)，當(dāng)其侵入土壤后與土壤孔隙水接觸，發(fā)生遷移且NAPLs污染物不溶于水，使得土壤孔隙水之間形成隔膜降低了孔隙水的連通性，使原本連續(xù)性好的孔隙水形成間斷，導(dǎo)電性能下降，從而使得整個土體電阻率呈現(xiàn)增大的趨勢，這與白蘭等[19]關(guān)于汽油污染土壤電阻率的變化特征類似。

從圖5可以看出，1號土在加入25 mL正己烷和四氯乙烯后土壤電阻率分別增加了64.6%和39.7%，而2號土增加了24.1%和24.0%，1號土樣土電阻率隨著污染物的量增加變化幅度明顯大于2號土樣，這是因為1號土的黏粒含量小于2號土，孔隙度相對較大，所以污染物更易侵入到孔隙中，從而導(dǎo)致整個土壤體系電阻率變大明顯。

比較1號土加入正己烷（LNAPLs）和四氯乙烯（DNAPLs）的電阻率變化趨勢，發(fā)現(xiàn)加入正己烷的土壤電阻率變化程度要大于加入四氯乙烯土壤，在加入25 mL正己烷時，1號土和2號土電阻率分別為42.5 Ω·m和14.4 Ω·m，分析這一變化的原因，可能是實驗所用正己烷的電導(dǎo)率要小于四氯乙烯，一般而言純正己烷的電導(dǎo)率約為1.0×10-18 S/cm，而四氯乙烯的電導(dǎo)率5.55×10-6 S/cm，四氯乙烯的電導(dǎo)率值遠(yuǎn)大于正己烷，因此當(dāng)土壤中侵入等量的正己烷和四氯乙烯時，含有正己烷土壤的電阻率要大于四氯乙烯土壤。

同樣地，2號土加入正己烷后的土壤電阻率變化程度要大于加入四氯乙烯土壤，但是整體變化幅度要小，這是由土壤本身的電阻率特性所決定的，2號土的電阻率遠(yuǎn)小于1號土，因此侵入污染物后，引起電阻率絕對值變化要小。

4 結(jié)論

簡要介紹了電阻率法測土壤電阻率的方法和原理，通過室內(nèi)模擬實驗深入分析了影響土壤電阻率的主要因素，揭示了土壤電阻率主要影響因素有土壤類型、含水飽和度、顆粒組成等。并進(jìn)行了室內(nèi)模擬NAPLs污染土隨污染物增加電阻率的變化特征關(guān)系。獲得的結(jié)論主要有以下幾點。

（1）土壤電阻率隨著含水飽和度的增加逐漸降低，在含水飽和度較小時，較小的飽和度增加會使得土壤電阻率大幅度降低，且當(dāng)飽和度達(dá)到某一數(shù)值后，土壤電阻率變化趨于平穩(wěn)。

（2）不同土壤電阻率存在差異，這與土壤含水飽和度、孔隙度以及顆粒組成等因素有關(guān)。通過1號和2號土樣的顆粒粒徑分析結(jié)果可知，土壤細(xì)顆粒含量越多，尤其是粘粒含量越多，其土體電阻率越小。

（3）模擬NAPLs污染土壤實驗表明，土壤電阻率隨NAPLs污染物含量增加呈指數(shù)形式上升，且不同土壤其電阻率變化范圍存在較大差異。對于不同種類污染物，同種土壤其電阻率變化特征類似，但土壤電阻率變化幅度存在一定差異。

本研究證實了應(yīng)用電阻率法調(diào)查土壤NAPLs污染情況是切實可行的，可為今后應(yīng)用電阻率法探測污染土壤的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]佟訊. 全國土壤污染狀況調(diào)查公報發(fā)布[N]. 中國國土資源報， 2014（4）： 18（001）.

[2]李 純， 武 強(qiáng). 有機(jī)污染的研究進(jìn)展[J]. 工程勘察， 2007（1）： 27～30.

[3]陳先華， 唐輝明. 污染土的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 地質(zhì)與勘探， 2003（1）：77～80.

[4]Haskell K， Gambellin D， Daleiden T. The use of electrical leak location surveys in improving the performace of landfill liner systems[M]. Italy： Environmental Sanitary Engineering Centre， 2003

[5]Mark L K. Complex NAPL site characterization using fluorescence Part1： selection of excitation wave length based on NAPL composition[J]. Soil & Sediment Contamination， 2004（3）： 103～118.

[6]郭秀軍， 孟慶生， 王基成，等. 地球物理方法在含油工業(yè)污水管道滲漏探測中的應(yīng)用[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展， 2007（1）：279～282.

[7]婁國偉. 土壤電阻率的影響因素及測量方法的研究[J]. 黑龍江氣象， 2011（4）：37～38.

[8]周 蜜， 王建國， 黃松波，等. 土壤電阻率測量影響因素的試驗研究[J]. 巖土力學(xué)， 2011（11）：3269～3275.

[9]韓立華， 劉松玉， 杜延軍. 一種檢測污染土的新方法—電阻率法[J]. 巖土工程學(xué)報， 2006（8）：1028～1032.

[10]孫亞坤， 能昌信， 劉玉強(qiáng)，等. 鉻污染土壤電阻率特性及其影響因素研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報， 2011（9）：1992～1998.

[11]孫亞坤， 劉玉強(qiáng)， 能昌信，等. 污染土電阻率特性及電阻率法檢測的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)， 2011， S2： 16 5-171

[12]Innovations in Site Characterization： Geophysical Investigation at Hazardous WasteSites[R]. United States Environment Protection Agency Office of soil waste and Emergency Respons.2000（8）.

[13]Rucker D F， Fink J B， Loke M H. Environmental monitoring of leaks using time-lapsed long electrode electrical resistivity[J]. Journal of Applied Geophysics， 2011， 74（4）： 242～254.

[14]王子賓. 結(jié)合地電阻影像剖面法及透地雷達(dá)法調(diào)查DNAPLs之案例研究[D]， 臺灣： 中央大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2005

[15]唐大雄， 孫素文. 工程巖土力學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社， 1985（30）：68～69.

[16]徐紹輝， 劉建立. 估計不同質(zhì)地土壤水分特征曲線的分形方法[J].水利學(xué)報， 2003（1）：78～82.

[17]查甫生， 劉松玉， 杜延軍，等. 非飽和黏性土的電阻率特性及其試驗研究[J]. 巖土力學(xué)， 2007， 28（8）： 1671～1676.

[18]查甫生， 劉松玉. 土的電阻率理論及其應(yīng)用探討[J]， 工程勘察， 2006（5）：10～15.

[19]白 蘭， 周仲華， 張虎元，等.污染土的電阻率特征分析[J]. 環(huán)境工程， 2008， 26（8）： 66～69.

Abstract： Soil resistivity is influenced by many factors.Through the indoor experiment，we mainly analyzed the respectivecorrelation and change trend between soil resistivity and water saturation， soil particle composition， NAPLs pollutanttypes and content.The results indicated that the soil resistivity gradually reduced with the increase of water saturation and the more content of clay. As NAPLs pollutants increased， the soil resistivity was in exponentially rising situation.This provided the reference for rapidly investigating the problem of soil pollution by resistivity methods.

Key words： soilresistivity；sautration；NAPLs pollutants