建設(shè)場地石油烴污染高密度電法探測應(yīng)用研究★

朱 黎 明

(上海勘察設(shè)計研究院(集團)有限公司，上海 200438)

0 引言

隨著現(xiàn)階段制造業(yè)的規(guī)模不斷擴大，城市化建設(shè)水平也在持續(xù)提升，社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，但隨著建設(shè)影響的范圍逐步擴大，也導(dǎo)致了土壤、空氣、水污染的產(chǎn)生和加劇，而在土壤污染中石油烴污染出現(xiàn)很多、危害很大[1,2]。對于被污染場地，在進行治理和重新開發(fā)前，需要對場地污染情況進行調(diào)查并加以評估。但是由于現(xiàn)階段多數(shù)石油烴污染場地內(nèi)的污染物在平面和深度方向的分布范圍很難明確，給后期場地的評估、修復(fù)以及重新開發(fā)利用帶來了極大的難度。如何方便、快捷、精確的圈定石油烴在平面和深度上的分布范圍、確定其污染程度大小，是一項非常具有工程意義的研究。對于建設(shè)場地的石油烴污染檢測，現(xiàn)階段多采用地面高密度電阻率法進行檢測[3-6]，通過在污染場地內(nèi)布置多條交叉測線，獲取各測線的電阻率數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理和軟件反演得到相應(yīng)的高密度電法剖面[7,8]，進行分析和解釋并判斷石油烴污染在地下空間的分布情況[7-11]。

1 高密度電法探測原理

本研究中的各項試驗采用了直流高密度電法，由于正常地層與石油烴污染在電性上存在較大差異，從理論角度來說，通過向地層供電觀測地下電流場的分布形態(tài)可以較好的識別出石油烴產(chǎn)生的電性異常。再者鑒于高密度電法在礦產(chǎn)的普查勘探和水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、供水源勘查及礦井水害防治等多個領(lǐng)域已有良好的探測效果，本研究將其引入建設(shè)場地石油烴污染檢測領(lǐng)域中來，并通過一定的裝備改良和數(shù)據(jù)處理改良，以期達到同樣良好的探測效果。

本研究根據(jù)實測的視電阻率數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理與反演成像，得到地層中電阻率分布情況，并通過對電阻率分布中相對高異常圈閉進行識別以判斷是否存在石油烴污染現(xiàn)象。現(xiàn)場探測時主要采用了溫納和斯倫貝謝爾裝置方式，同時記錄現(xiàn)場存在的各類干擾因素，為后期數(shù)據(jù)處理和反演提供參考。圖1為溫納四極裝置布置示意圖。

2 數(shù)值模擬的模型構(gòu)建

探測模擬是以上海某地區(qū)某石油烴污染場地為例進行模型設(shè)計，包含均勻淺層表面介質(zhì)下部無污染和存在石油烴污染兩種情況的正反演模擬試驗。模型中的土層和石油烴污染采用數(shù)值均通過現(xiàn)場土樣室內(nèi)電阻率測試獲取，圖2，圖3分別為具有前述兩種情況特征的地電模型及其正演結(jié)果，其中模型的各項基本參數(shù)設(shè)定為：第①層為填土層，層厚1.35 m，電阻率ρ1=25 Ω·m；第②層為粉質(zhì)粘土層，層厚2.5 m，電阻率ρ2=18 Ω·m；第③層為淤泥質(zhì)粘土層，層厚2.0 m，電阻率ρ3=12 Ω·m；第④層為砂層，層厚2.5 m，電阻率ρ4=7 Ω·m，石油烴污染的電阻率ρ5=60 Ω·m，規(guī)模范圍如上述圖件所示。由前述數(shù)據(jù)可知原狀土層與石油烴污染的電阻率在數(shù)值上存在較大的差異，這些差異為高密度電法在石油烴污染探測中提供了較好的地球物理前提。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本次數(shù)值模擬計算采用了二維有限元法數(shù)值模擬方法，水平方向使用電極數(shù)為51個，電極距為1 m，設(shè)定地層厚度8.35 m。正演結(jié)果見圖2，圖3的下半部分。

為模擬實際的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集條件，在后期正演計算過程中加入10%的干擾噪聲。正演結(jié)果表明，當圖層均勻且下部不存在污染時，其視電阻率特征按層狀有規(guī)律的分布，且不同層位的反演特征各不相同，由于噪聲的加入，層位反演結(jié)果表現(xiàn)出由上至下受到的影響逐漸減小，但是整體模型結(jié)構(gòu)仍成層狀結(jié)構(gòu)(見圖4，圖5)。通過使用robust和雅克比矩陣迭代兩種方式進行反演計算，最終得到了兩組模型的電阻率剖面。由圖4，圖5可見，兩種模型中四層水平層狀結(jié)構(gòu)分布基本一致，無污染模型介質(zhì)層厚更加均勻一致，存在石油烴污染的模型中存在污染的異常位置也較為收斂，而異常的大小與位置和初始模型存在的局部差異是由高密度電阻率法測試分辨率導(dǎo)致。整體來看，在均勻土層中存在石油烴污染時，其電性反差較大，通過高密度電法可以進行識別，且效果較好。這說明利用高密度電法進行污染場地內(nèi)石油烴污染檢測具有可行性和適用性。

4 方法應(yīng)用

上海某地塊需進行重新開發(fā)利用，但由于其中曾存在一加油站，導(dǎo)致土壤受到石油烴污染，現(xiàn)需要確定石油烴污染的分布范圍，以便后期修復(fù)處理。為了確定石油烴污染在地下空間中的分布情況，采用高密度電法對該區(qū)域進行了檢測工作，采集裝置為溫納四極裝置。測線布置如圖6所示。

將測線01和測線02采集得到數(shù)據(jù)進行處理和反演后得到相應(yīng)的高密度電法反演斷面圖，見圖7，圖8。

從圖7中可見，測線01從13 m～25 m，34 m～35 m，45 m～50 m三處位置，深度從地表至埋深1.3 m左右處，均存在明顯的相對高電阻率異常圈閉，13 m～25 m段尤為明顯；測線02的24 m～30 m段，深度由地表至埋深2.5 m，47 m～53 m段，深度由地表至埋深1.3 m，這兩段也同樣存在相對高電阻率異常圈閉，經(jīng)過與室內(nèi)實驗結(jié)果對比，表明這些相對高電阻率異常區(qū)內(nèi)存在石油烴污染。這也表明了高密度電法在石油烴污染的檢測中具有較好的適用性。

5 結(jié)語

通過對石油烴污染地層模型的數(shù)值模擬以及部分現(xiàn)場試驗結(jié)果研究表明，利用高密度電法對地層受石油烴污染的分辨效果較好，具有可行性和適用性。它可作為解決此類污染問題的一種方法和途徑。但對于高密度電法成像的分辨率問題仍需進一步探討，數(shù)據(jù)處理方法和圖像識別提取技術(shù)有待深入研究。同時，還可以考慮其他綜合污染檢測技術(shù)(如地質(zhì)雷達法、電磁感應(yīng)法、高精度磁法等)，與高密度電法相配合，不斷提高檢測效率、精度和覆蓋面，并將其擴展應(yīng)用于土層的其他類污染檢測中。