基于電阻率層析成像的LNAPL污染場地調(diào)查

崔承洋 劉宇 謝思敏 李鴻源 江文彬

摘要：隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，一些工業(yè)場地的土壤和地下水可能會發(fā)生污染，對居民的身心健康和周邊生態(tài)環(huán)境安全造成影響。工業(yè)場地的污染物類型眾多，其中輕質(zhì)非水相液體涉及的范圍最廣泛，如果該類污染物處置不當(dāng)，會對環(huán)境和公共安全造成重大威脅。對污染場地進(jìn)行治理和修復(fù)之前需要對場地進(jìn)行調(diào)查，傳統(tǒng)的污染場地調(diào)查方法主要包括鉆孔取樣和監(jiān)測井技術(shù)等，但這些傳統(tǒng)方法存在局限性，需要采用新思路和新方法對其進(jìn)行完善。鑒于場地污染后，土壤及地下水的物理特征會發(fā)生較大改變，因此可以將地球物理勘探的方法引入場地調(diào)查。鑒于輕質(zhì)非水相液體污染物的電阻率與普通土壤或地下水差異明顯，采用電阻率層析成像法對污染場地進(jìn)行調(diào)查，突破傳統(tǒng)污染場地調(diào)查方法的局限性，較好地確定污染范圍和污染程度，了解污染場所的現(xiàn)狀及后期可能的發(fā)展趨勢，可為治理和修復(fù)污染提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：場地調(diào)查；輕質(zhì)非水相液體（LNAPL）；電阻率層析成像（ERT）；地球物理勘探

中圖分類號：X523；S152.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）35-0136-04

Investigation of LNAPL Contaminated Sites Based on Electrical Resistivity Tomography

CUI ChengyangLIU YuXIE SiminLI HongyuanJIANG Wenbin

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450046）

Abstract： With the rapid development of China’s social economy and the continuous expansion of urbanization， the soil and groundwater of some industrial sites may be polluted， affecting the physical and mental health of residents and the safety of surrounding ecological environment. There are many types of pollutants in industrial sites， among which light non-aqueous phase liquid （LNAPL） is the most widely involved. If such pollutants are not disposed prop？ erly， they will pose a major threat to the environment and public safety. The contaminated site needs to be investi？ gated before treatment and restoration. The traditional methods of contaminated site investigation mainly include borehole sampling and monitoring well technology. However， these traditional methods have limitations and need to be supplemented and improved by new ideas and methods. Since the physical characteristics of soil and groundwater will change greatly after polluted， geophysical exploration methods can be introduced into site investigation. In view of the obvious difference between the resistivity of LNAPL pollutants and ordinary soil or groundwater， using ERT to investigate the contaminated site can make up for the limitations of traditional survey methods of contaminated sites， better distinguish the pollution scope and degree， and understand the current situation and possible development trend of contaminated sites in the later stage. The results can provide scientific basis and technical support for pollu？ tion control and remediation.

Keywords： site survey；Light Non-Aqueous Phase Liquids（LNAPL）；Electrical Resistivity Tomography（ERT）；geophysi？ cal exploration

我國工業(yè)體系的逐漸完善推動(dòng)了國家經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，但在這個(gè)過程中，土壤與地下水污染問題隨著工業(yè)結(jié)構(gòu)的變化而越來越嚴(yán)重。一些工業(yè)產(chǎn)品可能由于自然災(zāi)害、突發(fā)性事故、工業(yè)廢物處置不當(dāng)、管線或儲罐老化腐蝕等問題發(fā)生泄漏，對土壤和地下水造成污染，嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)、生活安全和生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展。因此，需要對可能造成污染的重點(diǎn)隱患場所進(jìn)行定期監(jiān)測和評估，對已經(jīng)造成污染的場所進(jìn)行全面檢測，了解污染場所的現(xiàn)狀及后期發(fā)展趨勢，從而為治理和修復(fù)污染提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐[1]。

水土污染存在多種類型，有機(jī)污染物污染范圍廣、危害程度大，被列為環(huán)境中需要優(yōu)先控制的潛在污染物。鑒于有機(jī)污染問題的廣泛性和嚴(yán)重性，為確保土壤和地下水資源的可持續(xù)利用，有必要對有機(jī)類污染物在地下環(huán)境系統(tǒng)中的運(yùn)移規(guī)律開展研究[2]。

在國家法律法規(guī)及相應(yīng)政策的引領(lǐng)下，國內(nèi)外眾多從業(yè)者和學(xué)者除了利用傳統(tǒng)的方法開展地下水土污染調(diào)查之外，也在積極嘗試將其他一些學(xué)科的方法引入污染調(diào)查，特別是地球物理勘探的一些技術(shù)手段逐漸被引入場地污染調(diào)查[3-8]。其中：連晟等應(yīng)用探地雷達(dá)和高密度電阻率法，在冀中平原中部某典型石油烴類污染場地進(jìn)行探測，得到了淺源石油烴類污染物的異常特征，通過對探地雷達(dá)和高密度電法資料的分析，得出石油烴類污染物呈現(xiàn)低電阻率、低介電常數(shù)特性，并根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)圈定出此污染場地內(nèi)儲油池區(qū)域的污染擴(kuò)散暈[9]；黃程鴻在上海某化廠場地水土污染快速調(diào)查中，利用電阻率法分析了淺部土層電阻率變化趨勢[10]，評價(jià)了電阻率法在上海對于不同水土污染類型探測的適用性；邱小峰以上海某廢棄化工企業(yè)土壤污染分析為例，利用高密度電法區(qū)分了污染土層和未受污染土層的分界面，并較好地圈定了污染源在地下的發(fā)育位置和規(guī)模[11]；胡開友綜合高密度電法反演結(jié)果和水化結(jié)果，確定了地下水污染源和污染物的擴(kuò)散范圍[12]。

隨著物探方法在污染場地調(diào)查應(yīng)用中的不斷深入，各種物探方法尤其是電阻率層析成像法在應(yīng)用過程中取得了較好的效果，值得廣泛推廣和進(jìn)一步研究。

1LNAPL污染場地特征

工業(yè)場地的污染物種類繁多，包括有機(jī)污染源、無機(jī)污染源、熱污染源、生物污染源和固體廢棄物污染源等。不同污染物進(jìn)入土壤和地下水系統(tǒng)存在不同的形態(tài)，其中難溶于水的有機(jī)污染物在地下水環(huán)境中的濃度超過溶解度時(shí)，就會形成非水相液體（Non-Aqueous Phase Liquids，NAPLs）。NAPLs泄漏到地下后，主要在重力作用下向下遷移，穿過包氣帶，其中密度比水小的叫作輕質(zhì)非水相液體（Light Non-Aqueous Phase Liquids，LNAPL），密度比水大的叫作重質(zhì)非水相液體（Dense Non-Aqueous Phase Liquids，DNAPL）。LNAPL一般有石油烴類、苯系物等，常見于加油站、煉油廠、石油化工企業(yè)等涉及油類使用和儲存的場地，主要來源是汽油、柴油、原油等油類物質(zhì)。LNAPL滲入地下，可以同時(shí)橫向或縱向轉(zhuǎn)移，直到接觸地下水。少量的LNAPL泄漏會相對固定地殘留在土壤的孔隙之中，而大量的LNAPL泄漏更可能在土壤中留下固定殘留后再遷移到地下水層，形成長期污染源，對鄰近的土壤、氣體和地下水造成污染。LNAPL的不當(dāng)使用、滲漏及后期不當(dāng)處置等會造成嚴(yán)重的土壤和地下水污染，對環(huán)境和公共安全造成重大威脅。

2場地調(diào)查的方法與種類

2.1傳統(tǒng)場地調(diào)查方法

傳統(tǒng)地下污染調(diào)查的一般流程包含3個(gè)不同且逐級遞進(jìn)的階段。第一階段：污染識別，主要任務(wù)是識別存在污染問題的潛在污染區(qū)域。該階段的主要工作內(nèi)容包括：①資料收集與文件審核；②現(xiàn)場踏勘；③相關(guān)人員訪談；④地下環(huán)境污染初步分析；⑤編寫第一階段環(huán)境污染評價(jià)報(bào)告。第二階段：確認(rèn)環(huán)境是否污染，進(jìn)一步分為污染確認(rèn)采樣和詳細(xì)采樣兩個(gè)不同階段，主要任務(wù)是采樣與分析。該階段的主要工作內(nèi)容包括：①制定采樣計(jì)劃；②現(xiàn)場采樣；③實(shí)驗(yàn)室分析；④采樣結(jié)果評價(jià)；⑤編寫第二階段報(bào)告。第三階段：環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)評估與治理措施，主要任務(wù)是根據(jù)現(xiàn)場采樣結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，再由風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)確定是否修復(fù)并制定合理的修復(fù)方案。

在第二階段污染確認(rèn)中，目前主要的調(diào)查技術(shù)有鉆孔取樣技術(shù)、監(jiān)測井技術(shù)和地球物理探測技術(shù)。雖然用傳統(tǒng)方法進(jìn)行地下污染測量得到的污染物含量數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，但這些方法存在時(shí)效性差、花費(fèi)高等缺點(diǎn)，難以連續(xù)、準(zhǔn)確地刻畫出地下污染羽的空間狀態(tài)，需要利用地球物理勘探技術(shù)對原有的污染探測方法進(jìn)行補(bǔ)充。

2.2地球物理勘探技術(shù)

隨著場地污染調(diào)查要求的不斷提高和地球物理勘探技術(shù)的不斷進(jìn)步，地球物理勘探方法的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，已從最初的地質(zhì)領(lǐng)域、工程領(lǐng)域發(fā)展到現(xiàn)在的質(zhì)量檢測、環(huán)境調(diào)查、水文調(diào)查、考古等。近年來，地球物理勘探技術(shù)在場地污染調(diào)查方面的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。各種地球物理勘探方法，如電阻率法、自然電位法、激發(fā)極化法、地震波法、探地雷達(dá)、放射性及重磁法等在地下污染探測中都進(jìn)行了相應(yīng)的應(yīng)用和分析[13-17]，極大地推動(dòng)了地球物理技術(shù)在此領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著人們對地下環(huán)境問題物理實(shí)質(zhì)的認(rèn)識和觀測儀器的發(fā)展，地球物理勘探技術(shù)的應(yīng)用從地面發(fā)展到井中、空中，探測方式由一維發(fā)展到二維、三維。在地下污染區(qū)調(diào)查和污染區(qū)擴(kuò)散過程監(jiān)測中，它呈現(xiàn)出快速、連續(xù)及有效等特點(diǎn)。

在以往的研究中，雖然多種物探方法都可以用來進(jìn)行場地污染評價(jià)，但是由于電阻率對污染區(qū)與非污染區(qū)、污染物濃度的大小等因素反應(yīng)靈敏，因此電阻率法被認(rèn)為是地下環(huán)境污染探測最有效的方法之一。

3電阻率層析成像法的應(yīng)用

電阻率層析成像法是地球物理勘探中常用的一種方法，主要探測參數(shù)是地下介質(zhì)的電阻率。在LNAPL污染場地中，電阻率對污染物的反應(yīng)極為靈敏。因此，電阻率層析成像在地下污染探測中的應(yīng)用效果較好。

3.1電阻率層析成像法原理

電阻率法是一種重要的物探方法，以地下巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工建立的地中穩(wěn)定直流電場的分布規(guī)律能夠得到電阻率異常的分布規(guī)律[18]。

電阻率層析成像（Electrical Resistivity Tomography，ERT）起源于20世紀(jì)70年代的陣列電法探測思想。20世紀(jì)80年代，日本相關(guān)地質(zhì)研究所在野外通過電極轉(zhuǎn)換裝置（電極轉(zhuǎn)換板）成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而使得電阻率層析成像邁向自動(dòng)化，率先實(shí)現(xiàn)了電阻率層析成像的實(shí)際應(yīng)用。后來，隨著技術(shù)、軟件和材料的進(jìn)步，高密度電阻率法得以快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了從二維到三維的軟硬件技術(shù)進(jìn)步。

電阻率層析成像的主要特點(diǎn)是集電剖面與電測深于一體。如圖1所示，采用高密度布點(diǎn)進(jìn)行二維地電斷面測量，利用地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異來分析地質(zhì)層位的發(fā)育情況，根據(jù)野外實(shí)測視電阻率值，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理分析、解釋，最終獲得地層劃分和異常圈定等地質(zhì)信息。野外測量時(shí)將測線上的所有電極一次性布好，設(shè)置好儀器的采集參數(shù)和裝置參數(shù)，即可自動(dòng)進(jìn)行斷面視電阻率值的測量和存儲記錄。室內(nèi)將儀器內(nèi)的數(shù)據(jù)回放至計(jì)算機(jī)，用成圖軟件將斷面上的視電阻率值轉(zhuǎn)換成地電擬斷面圖，異常形態(tài)清晰明了。

電阻率層析成像法的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①電極布設(shè)一次完成，減少了因電極設(shè)置而引起的故障和干擾，為野外數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)測量奠定了基礎(chǔ)；②能有效進(jìn)行多種電極排列方式的測量，可以獲得較豐富的地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息；③野外數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化或半自動(dòng)化，采集速度快（每一測點(diǎn)需2～5 s），避免了手工操作引起的錯(cuò)誤；④與傳統(tǒng)的電阻率法相比，成本低、效率高，信息豐富，解釋方便，勘探能力顯著提高；⑤電阻率層析成像測量時(shí)電極間距小、測點(diǎn)密度大。相對來講，地形起伏對觀測成果的影響比常規(guī)電法小，異常連續(xù)，是電阻率層析成像測量時(shí)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。

3.2電阻率層析成像法的主要應(yīng)用

LNAPL的主要來源是汽油、柴油、原油等油類物質(zhì)，污染場所常位于油庫、輸油管線及加油站等場地及其周邊。根據(jù)電阻率層析成像法在多個(gè)油庫及加油站場所獲得的探測結(jié)果，可對場地的污染情況進(jìn)行分析。

3.2.1場地地質(zhì)情況。在對污染場地進(jìn)行調(diào)查時(shí)，需要了解場地的基本地質(zhì)情況及地下構(gòu)筑物的情況。由于污染場地相對較小，大的區(qū)域地質(zhì)可能不太準(zhǔn)確，加之場地一般為工業(yè)用地場所，地下各種管線和構(gòu)筑物等眾多，如果不了解場地的基本情況，后續(xù)的成果分析可能會存在誤判。因此，可以根據(jù)不同測線的電阻率成果圖和場地基礎(chǔ)資料分析場地的地質(zhì)情況和地下構(gòu)筑物分布情況。圖2為某油庫測線1電阻率反演成果。

從圖2可以看出，總體上測線1的地層分層性好，連續(xù)性強(qiáng)，基本無異常，但在120～140 m處有一個(gè)規(guī)模較小的低阻異常體。根據(jù)前期收集的場地基礎(chǔ)資料，分析認(rèn)為是掩埋的地下管線導(dǎo)致的。整體上電阻率較低，可能是由于水位較高導(dǎo)致的。從反演成果上看，水位大致在地下7～10 m的位置。

3.2.2場地污染情況。場地的具體污染分布情況是場地調(diào)查最核心的問題，利用反演電阻率的分布情況可以對場地的污染分布進(jìn)行評價(jià)。圖3是某油庫測線電阻率反演成果。

測線2的反演成果圖顯示：在24～32 m內(nèi)存在一個(gè)埋深較淺的相對高阻異常體，該區(qū)域的相對高阻可能是柴油泄漏引起的；在44～48 m內(nèi)的地下存在一個(gè)高阻體，分析可能是地下掩埋體引起的；其他位置無明顯異常存在。

測線3與測線2位于一條直線上，間隔一條寬約5 m的水泥硬化路。測線3在22～50 m處存在一明顯異常高阻體，分析認(rèn)為該區(qū)域的相對高阻可能是柴油泄漏引起的；在88～110 m處近地表存在一些間隔規(guī)范的小范圍高阻體，分析認(rèn)為可能是地下管線或特殊構(gòu)筑物引起的；其他位置無明顯異常存在。

測線4垂直于測線2和測線3，近似位于二者之間。在測線4的48～52 m處的近地表存在一個(gè)異常高阻，分析認(rèn)為該區(qū)域的相對高阻可能是柴油泄漏引起的。其他位置無明顯異常存在。

可見，根據(jù)電阻率層析成像的結(jié)果和部分取樣結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地劃出場區(qū)LNAPL的污染范圍，可為后期的治理提供技術(shù)支撐。

4結(jié)語

國家對環(huán)境保護(hù)越來越重視，對污染場地進(jìn)行調(diào)查非常有必要。傳統(tǒng)的高密度鉆孔、取樣、分析等方法在時(shí)效性上存在較大的不足，而地球物理勘探方法的特點(diǎn)是時(shí)效性強(qiáng)、費(fèi)用低，但存在多解性，需要結(jié)合其他資料對結(jié)果進(jìn)行約束，提高解釋準(zhǔn)確率。因此，綜合兩類方法進(jìn)行場地調(diào)查能夠最大限度地滿足污染場地調(diào)查的要求。

LNAPL污染是目前存在較多的一種污染類型。鑒于LNAPL污染物區(qū)與非污染區(qū)的電性特征存在明顯差異，采用電阻率層析成像的方法能夠較好地區(qū)分出場地的污染分布情況，再用鉆孔取樣的分析結(jié)果進(jìn)行校正，就能夠較為準(zhǔn)確地劃分出污染區(qū)帶。但是，由于地下介質(zhì)的復(fù)雜性與污染物的特殊性，還需要加強(qiáng)對LNAPL滲流機(jī)理和空間分布特征的理論及基于電性參數(shù)的污染質(zhì)模型等方面的研究。

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