基于電阻率綜合測試的污染場地快速診斷方法研究

夏 群，王 蓉，李 韜（上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032）

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基于電阻率綜合測試的污染場地快速診斷方法研究

夏 群，王 蓉，李 韜
（上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032）

摘 要：通過地球物理探測方法測試土層電阻率，利用電阻率的異常判別篩查場地污染分布范圍，是國內(nèi)環(huán)境巖土工程領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題。本文基于現(xiàn)場試驗(yàn)與工程應(yīng)用，探討高密度電法、電阻率CT、電阻率靜力觸探（RCPT）對污染土診斷的適用性。結(jié)果表明，電阻率測試可快速診斷場地潛在污染區(qū)域，操作簡單、結(jié)果可靠、成本較低，在污染場地初步調(diào)查中有較高的應(yīng)用價(jià)值與優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：污染場地；快速診斷；土層電阻率；電阻率靜力觸探（RCPT）；高密度電法；電阻率CT法

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在污染場地再開發(fā)的過程中，由于土壤與地下水污染而引發(fā)的健康、生態(tài)和建設(shè)工程安全事故時(shí)有發(fā)生［1］，為防控此類嚴(yán)重影響，對污染場地的管理與修復(fù)提供必要的數(shù)據(jù)支撐，全面而準(zhǔn)確的場地調(diào)查顯得十分重要。

我國工業(yè)污染場地環(huán)境狀況特征為：（1）場地歷經(jīng)多次轉(zhuǎn)讓變更，生產(chǎn)歷史難以查清，特征污染物不明，因而背景資料嚴(yán)重不足；（2）污染源及污染物種類繁多、構(gòu)成復(fù)雜，污染識別困難，很難準(zhǔn)確、全面選擇監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行測定［2］。以上海為例，由于工業(yè)污染多為點(diǎn)源污染，加之上海地區(qū)淺部地質(zhì)條件以低滲透性土層為主，污染范圍通常呈斑塊化分布［3，4］。這些為調(diào)查布點(diǎn)與監(jiān)測因子的選擇造成很大困難。

環(huán)保領(lǐng)域開展場地調(diào)查一般以傳統(tǒng)的鉆探取樣結(jié)合便攜式測試設(shè)備快速篩查后，依據(jù)室內(nèi)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行污染判別。該方法雖可實(shí)現(xiàn)污染物質(zhì)的定量鑒別，但也存在明顯不足：（1）手段單一、成本昂貴、周期長；（2）受采樣點(diǎn)布設(shè)精度與數(shù)量的限制，對污染范圍的判斷具有顯著不確定性；（3）鉆孔采樣可能造成污染物沿鉆孔向深處運(yùn)移，造成污染擴(kuò)散［5］。因此，迫切需要借助快速、有效的篩查手段輔助判別場地污染的空間分布范圍，為后續(xù)評估與修復(fù)治理提供可靠的依據(jù)。

近年來，隨著原位測試技術(shù)與裝備的迅速發(fā)展，地球物理探測等方法的研究與初步應(yīng)用有望成為傳統(tǒng)方法的有益補(bǔ)充。本文基于土電阻率快速測試與污染診斷技術(shù)的研究成果，探討了高密度電法、電阻率CT和電阻率靜力觸探法（RCPT）應(yīng)用于污染場地的技術(shù)適用性，并結(jié)合應(yīng)用案例分析了綜合多種方法的污染土快速診斷體系。

1 基于電阻率測試的污染場地快速診斷技術(shù)

地球物理探測技術(shù)應(yīng)用于污染場地調(diào)查的探測基礎(chǔ)依賴于物性變化，即滲入土壤和地下水中的污染物通過物理、化學(xué)和生物作用，使污染區(qū)域土水的物理性質(zhì)發(fā)生改變。采用地球物理方法能夠?qū)ι鲜鲎兓M(jìn)行檢測，常用的方法主要包括電法（包括直流電法、電磁法、磁法、地質(zhì)雷達(dá)等），針對不同的調(diào)查目標(biāo)，可選用不同方法或多方法的有效結(jié)合。

1.1 技術(shù)適用性

隨著經(jīng)濟(jì)與社會的可持續(xù)發(fā)展，地球物理探測技術(shù)將是探測地下污染源及其污染介質(zhì)分布范圍的新型學(xué)科，可應(yīng)用于解決環(huán)境污染的監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境變化預(yù)測、環(huán)境治理措施的效果檢查等方面［5］。

對于無機(jī)污染物，易從土壤萃取出部分離子或次生鹽類，使地下水中固體溶解物增多，導(dǎo)電性增強(qiáng)，為地下水的電法勘探（電阻率法、激發(fā)極化法）提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。酸性溶液溶蝕，增加了固體溶解物含量和孔隙度，在水位升降作用下，大量固體物和可溶性顆粒聚集在潛水面附近，形成透鏡狀或?qū)訝町惓ｓw，強(qiáng)化電磁反射能力。

有機(jī)污染物（主要為碳?xì)浠衔铮B入包氣帶，進(jìn)入地下水，對于不溶于水且密度較輕的有機(jī)物，主要存在于潛水面之上的土壤毛細(xì)帶或被包氣帶內(nèi)多孔隙土壤吸附而富集，能夠使電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)發(fā)生變化。電阻率法、電磁法、激發(fā)極化法和地質(zhì)雷達(dá)等可有效探測辨識；對于不溶于水且密度大于水的有機(jī)污染物，進(jìn)入地下后穿過含水層滯留于隔水層頂部，用地表和孔間雷達(dá)或地質(zhì)雷達(dá)層析技術(shù)，可以進(jìn)行有效的探測（圖1、圖2）。

1.2 電阻率法測試研究現(xiàn)狀

圖1　高密度電法污染快速識別Fig.1 Fast identifcation of high density electrical method

圖2　三維電阻率CT工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of 3D resistivity CT

電阻率法可測量地下物體電性特征，它與孔隙度、飽和度、流體導(dǎo)電性密切相關(guān)，因此，電阻率法已被廣泛應(yīng)用于地下水、土的污染調(diào)查。常用的方法有直流電阻率法、高密度電法和電阻率CT法。

（1）基于物探技術(shù)的電阻率測試研究

國際上自20世紀(jì)70年代開始嘗試采用直流電阻率法和電磁法、電阻率CT等地球物理測試方法探測水、土體污染范圍，顯示出了快速、連續(xù)、有效的優(yōu)點(diǎn)。美國、加拿大、韓國、日本在利用物探新技術(shù)解決污染土檢測方面處于領(lǐng)先地位。Zeyad等應(yīng)用電阻率法成功檢測了某場地的灰?guī)r質(zhì)土壤與地下水有機(jī)氯殺蟲劑污染范圍［6］；Aristodemou等應(yīng)用直流電阻率法在垃圾填埋場中監(jiān)測污染物運(yùn)移，并依據(jù)電阻率的顯著差異區(qū)分出了垃圾填埋場分別接收不同類型廢棄物的部分［7］；Reinhard等利用一維直流電法研究有機(jī)物污染場地滲透區(qū)的電阻率變化特征，繪制了污染羽流，調(diào)查結(jié)果與地質(zhì)鉆孔資料一致［8］。

國內(nèi)的環(huán)境地球物理調(diào)查技術(shù)雖然起步較晚，但是近年來發(fā)展較快。程業(yè)勛等采用高密度電阻率法、探地雷達(dá)等對兩個(gè)垃圾填埋場垃圾滲漏液的擴(kuò)散范圍、深度進(jìn)行了原位測試，發(fā)現(xiàn)高密度電阻率法在探測土壤和地下水污染方面效果顯著，且與其他方法具有良好的相關(guān)性［9］；郭秀軍等對電阻率層析成像探測技術(shù)在污染土測試方面進(jìn)行了研究，在污染土電性理論、探測剖面圖像重建技術(shù)、探測剖面異常解譯技術(shù)、污染在線監(jiān)測技術(shù)等方面做了初步探索［10］；董路等應(yīng)用電阻率成像技術(shù)圈定了某污染場地的硫酸廢液滲入土壤中的范圍和污染土壤的體積［11］；許麗萍等針對高密度電法和電阻率CT法，通過10余個(gè)場地的實(shí)測對比，研究了其對上海地區(qū)污染場地篩查的適用性，獲得了良好的效果［3，4］。

（2）直接貫入式的電阻率測試技術(shù)研究

靜力觸探是巖土工程勘察中一種成熟的原位測試技術(shù)，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。荷蘭從20世紀(jì)70年代中期就開始應(yīng)用靜力觸探（CPT）附加電阻率傳感器來測量圈定污染土范圍，并發(fā)展了RCPT設(shè)備。研究表明，RCPT可作為評價(jià)土壤污染特征的手段之一，具有便捷、高效、經(jīng)濟(jì)的多重優(yōu)勢。Campanella等應(yīng)用UBC的電阻率探頭對加拿大Richmond Fraser River河口三角洲地區(qū)鹽水入侵到砂土中的情況進(jìn)行了勘測。

隨著國內(nèi)對污染場地調(diào)查與研究的不斷深入，部分單位率先引入了RCPT調(diào)查設(shè)備，開展取樣及現(xiàn)場調(diào)查分析研究。東南大學(xué)劉松玉課題組借助引進(jìn)的美國Vertek-Hogentogler多功能RCPT測試系統(tǒng)，嘗試污染土電阻率的原位測試［12］。

許麗萍等自2008年起就開始研究RCPT技術(shù)，至2015年，已研制了借助靜力觸探壓入設(shè)備進(jìn)行電阻率原位測試的探頭（圖3）。通過對上海地區(qū)近20個(gè)場地的實(shí)測，在與多種電阻率物探技術(shù)、采樣室內(nèi)試驗(yàn)分析結(jié)果進(jìn)行了反復(fù)對比測試后，得出RCPT電阻率測試方法開展污染土的快速診斷是適用的［3，4］。針對上海淺層土電阻率測試的基本規(guī)律，對于重金屬污染場地，隨著重金屬濃度的增加電阻率顯著減?。粚τ谟袡C(jī)物污染的場地，電阻率變化規(guī)律相對復(fù)雜，但隨著污染物濃度的增加，土電阻率的變化率將顯著增大（圖4）。

圖3　HogentoglerRCPTU電阻率探頭與測試曲線Fig.3 Hogentogler RCPTU probe and testing curve

圖4　重金屬與有機(jī)污染場地測試成果Fig.4 Test results of heavy metal and organic contaminated sites

1.3 測試方法特點(diǎn)對比

通過多方法測試對比，并與環(huán)境測試結(jié)果對標(biāo)，高密度電法、電阻率CT、RCPT電阻率測試用于場地污染的快速診斷時(shí)，具有如下特點(diǎn)：

（1）高密度電法測試操作快速便捷，測試范圍廣，測試斷面數(shù)量可控，但建筑垃圾對該法干擾大；隨深度增加，辨識能力有所下降；費(fèi)用低于電阻率CT，但高于其他測試方法；

（2）電阻率CT測試精度高，能夠清晰反映沿深度土體電阻率數(shù)值有明顯的差異性，可據(jù)其變化初步劃分土層變化及場地受污情況。與高密度電法結(jié)果相比，電阻率CT法對淺層雜填土抗干擾能力更強(qiáng)、測試深度更深、測試結(jié)果更可靠。但受預(yù)成孔及測孔間距的限制，其診斷范圍相對較小，成本相對高于其他測試方法，不適用于大面積篩查。

（3）RCPT電阻率測試準(zhǔn)確度較好，與電阻率CT相當(dāng)，費(fèi)用較低。但該方法僅實(shí)現(xiàn)單孔不同深度的測試，污染區(qū)域測試效率有限，可用于對給定位置的土體污染情況的診斷。

2 電阻率綜合測試工作流程

國外大量研究表明，物探方法是對污染場地進(jìn)行快速診斷的有效途徑。國內(nèi)李勝濤等在冀中平原某污灌場地，探索性地開展了高密度電法、鉆探調(diào)查、便攜式儀器現(xiàn)場測試的組合調(diào)查方法應(yīng)用實(shí)例研究［13］。

污染土快速診斷方法的基本思路是：污染后土體的含水量、孔隙比、重度、強(qiáng)度指標(biāo)、電阻率等物理性質(zhì)指標(biāo)均可能發(fā)生變化，這些物性指標(biāo)的變化與化學(xué)指標(biāo)變化之間具有相關(guān)性，借助鉆探取樣和室內(nèi)試驗(yàn)可進(jìn)一步建立對應(yīng)關(guān)系；應(yīng)用地球物理探測方法可原位獲取土體電阻率等指標(biāo)，根據(jù)其變化情況，結(jié)合與化學(xué)指標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系，即可快速判斷污染可能性并對污染程度做定性評價(jià)，隨后輔之以實(shí)驗(yàn)室定量分析進(jìn)一步明確?；谕翆与娮杪实奈廴究焖僭\斷方法的判別方法體系與工作流程，見圖5。

圖5　污染場地快速診斷工作流程Fig.5 Process of rapid diagnosis of contaminated sites

3 案例分析

3.1 場地概況

某農(nóng)藥廠有機(jī)農(nóng)藥生產(chǎn)歷史40余年，擬重新開發(fā)為商辦和居住用地，故需對場地土壤污染現(xiàn)狀開展調(diào)查評估。

由于生產(chǎn)中的原料和過程產(chǎn)物主要為多種有機(jī)物，這些物質(zhì)的殘留造成一定的場地污染，部分土壤顏色異常，伴有刺鼻農(nóng)藥氣味，部分區(qū)域地表積水呈黃色，水面漂有油花狀物質(zhì)，如圖6所示。經(jīng)檢測，主要污染物為苯、氯苯等。

圖6　場地環(huán)境現(xiàn)狀Fig.6 Site environment situation

該場地屬濱海平原相，淺層主要由黏性土組成，局部夾薄層粉砂，具水平層理。埋深20m以淺的地層基本情況為：第①層填土，層底埋深約2.3m；第②1層褐黃—灰黃色黏土，層底埋深約3.3m；第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層底埋深8.2m；夾③夾層薄層粉砂，分布于深度4.2～5.9m范圍；第④層灰色淤泥質(zhì)黏土，層底埋深約11.0m，偶夾少量薄層粉砂；第⑤層灰色黏土，層底埋深14.0m，局部夾薄層粉性土；第⑥層暗綠色粉質(zhì)黏土，層底埋深一般約14.3～18.7m左右。

3.2 污染范圍預(yù)分析

根據(jù)場地的地質(zhì)條件和特征污染物類型，初步分析該場地污染分布特征及變化趨勢。

（1）污染區(qū)域：根據(jù)信息搜集及踏勘情況初步判斷，農(nóng)藥廠原辦公區(qū)域?yàn)槲次廴緟^(qū)，原生產(chǎn)車間區(qū)域?yàn)闈撛谖廴緟^(qū)。

（2）污染深度：根據(jù)地質(zhì)條件和土層滲透性特征，污染物質(zhì)有三種可能的遷移深度分別是第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層頂、底部和第⑥層粉質(zhì)黏土層頂部（存在DNAPLS時(shí)）。據(jù)此確定一般調(diào)查深度約為8m，最大調(diào)查深度約為14～18m。

3.3 電阻率綜合測試

（1）測試方案

根據(jù)污染場地特點(diǎn)分析，電阻率綜合測試方案如圖7所示。

圖7　電阻率綜合測試方案布設(shè)Fig.7 Layout of resistivity comprehensive test

在原生產(chǎn)車間區(qū)域，首先采用高密度電法進(jìn)行大范圍測試篩查，判斷可疑區(qū)域，共布設(shè)4個(gè)測試剖面；

對高密度電法圈定的電阻率異常區(qū)針對性地采用電阻率CT進(jìn)行精細(xì)探測，布設(shè)測孔4個(gè)（6個(gè)電阻率CT剖面）；

在原未污染的辦公區(qū)域，布設(shè)電阻率靜探測試孔1個(gè)，采集電阻率背景值。

（2）測試結(jié)果

綜合高密度電法及電阻率CT的測試結(jié)果，兩者結(jié)論基本吻合（圖8）。

圖8　高密度電法及電阻率CT的測試結(jié)果對比Fig.8 Testing results comparison of high density resistivity method and resistivity CT

在埋深2m以淺的填土層區(qū)域電阻率值較高（15 ～25Ωm），這主要受雜填土干擾和易于富集污染物質(zhì)等因素影響。2～16m之間，有局部區(qū)域電阻率異常增大的現(xiàn)象（4～10Ωm），與未污染場地的經(jīng)驗(yàn)值相比明顯偏高。初步判斷為受到有機(jī)物污染所致，最大污染深度可能達(dá)到地下10m以下，主要涉及第②層、第③層、第③夾層土，局部不排除穿透第④層的可能，電阻率值分布曲線見圖9。

圖9　電阻率測試曲線對比Fig.9 Comparison of resistivity measurement curves

（3）結(jié)論驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證判斷的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了土壤樣品環(huán)境指標(biāo)的測試。樣品檢出有機(jī)物主要有苯、甲苯、氯苯及苯酚，其中苯、氯苯濃度超出了荷蘭土壤干涉值標(biāo)準(zhǔn)，見表1。主要污染深度為4m以淺的土層，5m以下存在部分的污染向下遷移現(xiàn)象，至最深采樣深度9.0m處污染物濃度仍為超標(biāo)狀態(tài)，因未獲取進(jìn)一步的深層采樣信息與數(shù)據(jù)，深部污染情況不明。

表1　土壤樣品超標(biāo)污染物測試結(jié)果Table 1 Test results of excessive pollutants in soil samples

電阻率CT與高密度電法測試顯示，電阻率CT與高密度電法測試結(jié)果對污染土的識別是敏感的，在4m以淺及7～10m深度數(shù)值異常增大（見圖10），其與環(huán)境測試結(jié)果相匹配。

圖10　電阻率異常的空間分布Fig.10 Spatial distribution of anomaly soil resistivity

4 結(jié)論

本文探討了電阻率綜合測試方法在污染場地快速診斷中的技術(shù)適用性，研究證明綜合采用多種電阻率測試方法快速診斷污染場地是可行、有效的，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)相對簡單，實(shí)施較為方便，對污染土檢測具有高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)；依靠原位測試方法，可減少實(shí)際工程中采樣進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)分析的工作量與成本；數(shù)據(jù)處理量少，結(jié)合野外、室內(nèi)電阻率測試規(guī)律，可以在較短時(shí)間內(nèi)獲得土壤受污染與否以及污染范圍、污染程度的基本信息，分析快捷。

鑒于各種測試方法的適用性與經(jīng)濟(jì)性各異，在污染場地調(diào)查初期的快速診斷中，宜根據(jù)污染源分布位置、地層分布特征，先用高效、便捷、測試范圍廣、更適用于淺部區(qū)域電阻率識別的高密度電法進(jìn)行大面積的測試，依據(jù)其反映出的可疑區(qū)域，再結(jié)合RCPT設(shè)備、電阻率CT等方法進(jìn)行針對性區(qū)域測試。

綜合使用多種測試方法優(yōu)勢互補(bǔ)，能有效克服單一方法調(diào)查的各種限制條件，能夠滿足污染區(qū)域的辨識要求，且有效減少分析周期與成本，將成為污染場地調(diào)查技術(shù)發(fā)展的新途徑與新趨勢。

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Research on rapid diagnostic methods based on electrical resistivity comprehensive tests for contaminated sites

XIA Qun， WANG Rong， LI Tao
（Shanghai Geotechnical Investigations & Design Institute Co.，Ltd， Shanghai 200032， China）

Abstract:In the domestic environmental geotechnical engineering field， abnormal soil electrical resistivity values are used to discriminate and screen contaminated soils using geophysical exploration methods.Based on in situ experiments and engineering applications， this study discusses the applicability of the high density electrical method， the resistivity computerized tomography method， and the resistivity cone penetration test （RCPT） for contaminated soil diagnosis.The results show that electrical resistivity testing can be applied to rapidly diagnose the potential contaminated area.It is simple to operate， provides reliable results at a low cost， and has high application value and advantages in the preliminary investigation of contaminated sites.

Key words:contaminated site； rapid diagnostic； soil electrical resistivity； resistivity cone penetration test （RCPT）； highdensity electrical method； electrical resistivity computerized tomography method

中圖分類號：P642.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1329（2016）02-0065-05

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.016

收稿日期:2016-03-08

修訂日期:2016-05-24

作者簡介:夏群（1971-），男，高級工程師，主要從事環(huán)境巖土工程等研究.

基金項(xiàng)目:上海市科委科技支撐項(xiàng)目（1323120 2300）