高密度電阻率法在土壤污染監(jiān)測中的應用

楊德敬

（北京思路智園科技有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

土壤是各類生產(chǎn)活動賴以生存的重要物質(zhì)基礎，在經(jīng)濟迅猛發(fā)展的過程中，土壤不斷遭受各類物質(zhì)的污染。根據(jù)統(tǒng)計資料，在現(xiàn)今土壤污染治理項目中，石油類污染治理項目占絕大比重。石油類產(chǎn)品中含有大量烴類物質(zhì)，侵入土壤后既影響植物正常生長，又會對地下水資源、地下生物資源造成嚴重危害。為此，在石油資源開采及相關油類產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，相關部門均較為重視對周圍土壤的監(jiān)測和防治。過去常用的鉆井取芯監(jiān)測技術監(jiān)測周期長，芯材成本高，缺乏普遍適用性。為便于石油烴類污染土壤監(jiān)測效率的提升，高密度電阻率法便在環(huán)境監(jiān)測領域得到一定程度的應用。

1 污染土壤電阻率分析

土壤具備一定導電性能，其導電性能的強弱主要與土壤類型、孔隙率、飽和度及含水率等有關；當土壤中侵入石油烴類污染物質(zhì)，土壤既有成分含量會發(fā)生一定程度改變，導電性也會受到一定影響。結(jié)合已有研究成果，受到石油烴類污染后的土壤電阻率與污染物質(zhì)之間存在一定關系，從本質(zhì)上看，受石油烴類污染的土壤電阻率與污染物質(zhì)濃度及擴散形態(tài)密切相關，且作用機理較為復雜[1]；受不同石油烴類污染的土壤電阻率特征也不盡相同，總體而言，對于侵油干層，電阻率呈升高態(tài)勢；而對于侵油濕潤層，電阻率呈緩慢降低趨勢；對于飽和水黏土層，電阻率降幅較大。

為準確反映土壤成分與電阻率的關系，本文通過Archie 公式表示土壤飽和度、孔隙率、含水率與土壤電阻率之間的關系，具體如式（1）：

式中：F 為土壤地層因素；R0為未受污染土壤的電阻率；Rw為土壤電阻率實測值；α 為土壤類型系數(shù)，根據(jù)土壤類型確定。一般情況下，淺層砂土取1.1～1.4；m為膠結(jié)指數(shù)，淺層土壤膠結(jié)程度最低，膠結(jié)指數(shù)取值越小；φ 為土壤空隙率，對于含水純砂巖孔隙率較高，周圍水具備較高電阻率，膠結(jié)程度低，土壤電阻率也不高。

在分析土壤含水率時，應根據(jù)土壤具體構(gòu)成將其劃分成氣相、油相和水相等部分，不同部分含水率存在明顯差異，電阻率自然相差較大。其中，油相飽和度和土壤電阻率為正相關關系。此外，對于地下水層，電阻率隨著土壤含油飽和度的升高而增大；對于地下水層以上的土壤，則情況正好相反。

2 高密度電阻率法監(jiān)測原理

當前，隨著人們對環(huán)境治理重視程度的不斷提高，土壤污染監(jiān)測方法越來越多，每種方法監(jiān)測原理及作用機理不盡相同，適用范圍、監(jiān)測效率及準確程度也存在差異。高密度電阻率法是通過計算待測土壤電阻率，推測土壤中相應成分的具體含量，并判斷土壤污染類型及嚴重程度的一種監(jiān)測技術。與其他監(jiān)測技術相比，高密度電阻率法具備以下技術優(yōu)勢：一次進行電極布設，便于野外快速測試及自動化測量；可自動以多種電極排列方式展開掃描測量，取得翔實的地電斷面結(jié)構(gòu)及地質(zhì)特征信息；可預處理野外觀測資料并自動顯示剖面曲線[2]。

2.1 工作原理

應用高密度電阻率法監(jiān)測土壤污染情況時，一般基于直流電阻率檢測方位，并融入三維地震勘探技術原理，展開全新的電法勘探。在操作過程中，借助不同類型土壤導電性能不同的原理，在土壤中構(gòu)建起人工電場，借助相關設備檢測電場，根據(jù)對電場分布情況的分析得出土壤主成分及污染信息。

在進行人工電場構(gòu)建時，應在測區(qū)土壤中插入A、B 電極，從而形成1 個包括電極、土壤等在內(nèi)的電流回路，向該回路加載電流I 后，土壤內(nèi)便形成一定電場；等電場達到穩(wěn)定狀態(tài)，借助儀器進行兩個電極插入點間電位差的測量；進而通過式（2）推求土壤電阻率：

式中：ρs為待測土壤電阻率；K 為轉(zhuǎn)算常數(shù)；ΔUAB為兩測點間電位差；I 為土壤內(nèi)所加載的電流值。為保證各電極電位和多路轉(zhuǎn)換器通過電纜有效連接，與此同時，來自各點位的信息均能快速高效傳輸至轉(zhuǎn)換器，必須選用大量電極點位，同時借助相應軟件存儲并分析所采集的數(shù)據(jù)信息。應用高密度電阻率法監(jiān)測土壤污染的系統(tǒng)構(gòu)成見圖1，監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理部分組成。前者包括高密度主機、電極轉(zhuǎn)換器，后者則包括計算機硬件設施、預處理軟件及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

圖1 高密度電阻率法檢測系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 應用流程

根據(jù)工作原理及操作方法，高密度電阻率法監(jiān)測土壤污染的工作流程如下：1）實地探測：即根據(jù)以上原理，在測區(qū)內(nèi)布置測點，并插入電極，通入電流后構(gòu)建電場；2）數(shù)據(jù)采集及分析：在測量人工電場點位電位差的基礎上，展開相應電阻率計算；3）根據(jù)計算結(jié)果及監(jiān)測結(jié)果，對土壤電阻率展開深入分析，并給出準確的土壤污染結(jié)論。為保證監(jiān)測結(jié)果的真實準確，應在情況許可的范圍內(nèi)，設置盡可能多的點位，縮小測點間距。

2.3 數(shù)據(jù)處理

土壤遭受石油等液體入滲污染后地層內(nèi)部結(jié)構(gòu)會受到破壞，并對生物生長起到危害作用。此外，地層結(jié)構(gòu)較為復雜，在應用高密度電阻率法展開土壤污染監(jiān)測時受干擾較多，測量結(jié)果的準確性較難保證，甚至會影響操作人員對污染情況的預估與判斷。為此，必須在監(jiān)測過程中，對測量數(shù)據(jù)實施正演和反演推算，消除結(jié)果誤差，提升準確度。其中，正演處理主要是對所取得的地下監(jiān)測介質(zhì)物理性能參數(shù)空間分布信息進行物理、數(shù)學方面的迭代及推演，得出更為合理的參數(shù)值；反演處理主要是對已知物理性能參數(shù)信息實施反向推演，以得出地下介質(zhì)物理力學參數(shù)空間分布[3]。與其他監(jiān)測方法不同的是，高密度電阻率法實施數(shù)據(jù)反演推算后，數(shù)據(jù)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)的可能性較大，操作人員在展開正演處理的同時，還應在既定區(qū)間中，對反演推算結(jié)果進行光滑約束處理。

3 實例分析

一石油化工廠主要加工、處理原油，并生產(chǎn)汽油、柴油及附屬油類產(chǎn)品。該石化廠在運行期間因設備、人員等方面的原因，油液滴落現(xiàn)象普遍存在，長期以來，對廠區(qū)內(nèi)部土壤造成較大污染。結(jié)合近期地質(zhì)勘查結(jié)果及所取得的相關資料，得知該廠區(qū)內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)均勻，由上至下為：1）地表人工填土層：厚度為0.6～1.1 m，主要為粉砂質(zhì)黏土，夾雜少量卵礫石，含水量在49～68%之間，結(jié)構(gòu)松散；2）石英巖、花崗巖卵石層：厚度為1.4～13.2 m，含水率在31～45%之間，結(jié)構(gòu)松散；3）地層13.1 m 以下的泥土卵石結(jié)合層，含水率在84%～99%之間，結(jié)構(gòu)硬質(zhì)密實，灰?guī)r、砂巖等卵石間夾雜少量淤泥。

在展開廠區(qū)土壤污染監(jiān)測時，從南向北以直線形式布置測線，全長為740 m，并按照2.0 m 間距設置電極點位，共設置370 個監(jiān)測點位。實際操作地點位于廠區(qū)周邊綠化帶內(nèi)，操作人員依據(jù)操作規(guī)程及方案對各監(jiān)測點位之間的電位差展開測量，求得土壤電阻率；將相關數(shù)據(jù)及計算結(jié)果輸入軟件進行反演，得出土壤污染監(jiān)測結(jié)果。

通過對監(jiān)測結(jié)果的分析看出，該石化廠土壤污染區(qū)域內(nèi)，電阻率背景值為100 Ω 左右，在土壤深度3.5、10、15 m 等處均存在電阻率增大趨勢，最高增至1 000 Ω·m。其中地下3.5m 處為輸油管線，其余深處電阻率增大呈漏斗狀，且無明顯規(guī)律性，由此可以判定此類區(qū)域均存在較為嚴重的土壤污染。

4 結(jié)語

綜上所述，高密度電阻率法在監(jiān)測土壤污染的過程中，操作較為簡便，對于土壤結(jié)構(gòu)復雜，受各類物質(zhì)污染后土壤電阻率數(shù)值波動幅度大的情形較為適用。通過對監(jiān)測結(jié)果的分析與反演，可以得到較為準確的污染類型、污染源、污染程度等結(jié)果，為土壤污染治理方案的制定提供可靠依據(jù)。