電阻率靜力觸探技術(shù)在軟土地區(qū)水土污染調(diào)查中的應用

黃程鴻

(上海市巖土工程檢測中心，上海 200436)

1 引 言

隨著城市化建設步伐的不斷加快，各種因工業(yè)生產(chǎn)導致的水土污染問題也日趨嚴重，給城市生態(tài)及居民身體健康都帶來了不利的影響，同時也嚴重阻礙了城市土地的開發(fā)利用。水土污染治理與修復將是未來相當長時間內(nèi)城市建設和管理工作的重點之一，其中快速準確地測定污染場地的水土污染區(qū)域，是無害化治理工作的首要前提。

常規(guī)水土污染的調(diào)查方法主要是通過化學探測法分析測區(qū)水樣及土樣的污染物含量，進而進行環(huán)境污染評價。該方法準確直觀，但因檢測樣本數(shù)量有限，無法快速獲取區(qū)域性的連續(xù)探測資料，工作效率偏低。地球物理方法[1-8]作為環(huán)境調(diào)查的新技術(shù)，具有效率高、成本低、信息連續(xù)等優(yōu)勢。但此類方法受到反演多解性的制約[9-13]，其成果常需結(jié)合其他勘探手段驗證，其中電阻率法因其抗干擾能力強、成果解譯便捷等特點，在水土污染調(diào)查中應用最為廣泛[14-17]?？紤]到污染物在土壤中含量常為微量級、污染前后土體物性差異較小，故原狀土的電性背景值對電阻率法圈定水土污染范圍就顯得極為重要，若原狀土的電阻率背景值較低，對污染后形成的低阻異常探測不利；反之，對高阻異常不利。本文依托均勻分布于上海全區(qū)的73個鉆孔孔內(nèi)土層電阻率測試，統(tǒng)計了對水土污染調(diào)查相關(guān)度最高的淺表土層電阻率分布，同時探討了一種新型巖土測井方法——電阻率孔壓靜力觸探技術(shù)(RCPTU)[18-20]在有機污染、無機污染的適用性。

2 上海地區(qū)水文地質(zhì)概況及淺表土層電阻率分布

上海地區(qū)對水土污染有影響的地下水類型主要有淺部土層中的潛水，淺部粉性土或砂土中的微承壓水，含水層厚度為20～30 m左右。在沿江、沿海地區(qū)地下水埋深約2～4 m，一般地區(qū)0.5～2 m。

鉆探施工過程中常在孔深度3 m以上施加金屬套管，以防止松散的回填土造成塌孔事故，因此金屬套管段的地層電阻率無法測量。根據(jù)已經(jīng)揭露的鉆孔資料，套管以下的首層土層有②1層的黏土、②2粉質(zhì)黏土、②3層砂質(zhì)土及③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④層淤泥質(zhì)土等，基本上反映了上海地區(qū)表層回填土以下原狀土層，其套管以下首層土的電阻率值具有一定的代表性，反映了上海地區(qū)深度3.7 m以下土層電阻率的背景值。由于套管以下首層土與水土污染關(guān)系最為密切，所以把套管以下首層土作為研究的重點。

圖1為上海地區(qū)鉆孔測井首層電阻率平均值平面分布。如圖1所示，靠近杭州灣的近海區(qū)域，電阻率值一般在2 Ω·m以下，反映了海水入侵使得含水層的礦化度增加，地下水呈咸水或半咸水狀況，導致首層土的導電性增強，電阻率降低。例如，浦東新區(qū)臨港新城SH48孔為1.07 Ω·m及蘆潮港SH49孔為1.76 Ω·m，奉賢區(qū)五四農(nóng)場SH58孔為1.96 Ω·m及拓林鎮(zhèn)SH71孔為1.64 Ω·m。而位于浦東新區(qū)的長江口沿線首層土的電阻率比杭州灣區(qū)域略高，為1.88～3.51 Ω·m之間，地下水可能呈現(xiàn)半咸水狀態(tài)。遠離杭州灣、長江口區(qū)域的電阻率相對較高，主要分布在5～7 Ω·m之間，這是因為離開海域的距離逐漸增加，含水層的鹽分減少，礦化度降低，電阻率逐漸升高。

圖1 上海地區(qū)鉆孔測井首層電阻率平均值Fig.1 Average resistivity of the first layer of borehole logging in Shanghai area

圖2為上海地區(qū)73個鉆孔套管以下首層土的各孔平均電阻率值的區(qū)間范圍，如圖2所示，電阻率值1～8 Ω·m之間的鉆孔數(shù)量有64只，占鉆孔總數(shù)的87.6 %；其中又以4～6 Ω·m之間的占比最多；73個鉆孔的平均值約5.0 Ω·m，上海地區(qū)由于受沉積環(huán)境及海水侵入等影響，故20 m以淺地層的電阻率總體偏低。

圖2 鉆孔測井首層電阻率平均值區(qū)間分布Fig.2 Interval distribution of average resistivity of the first layer in borehole logging

在電阻率測井工作中還發(fā)現(xiàn)，首層土的下部地層層位、電阻率與首層土具有相似性，深度20 m以內(nèi)地層的電阻率變化較小，例如浦東合慶鎮(zhèn)的SH16號孔、青浦商榻鎮(zhèn)SH75號孔及浦東臨港新城的SH48號孔。如圖3所示，SH16孔首層粉砂層的電阻率變化范圍為0.3～3.46 Ω·m，其下層粉質(zhì)黏土的電阻率變化范圍為0.23～1.15 Ω·m；SH75孔首層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層的電阻率變化范圍為10.54～12.81 Ω·m，其下層粉質(zhì)黏土的電阻率變化范圍為6.11～10.54 Ω·m；SH48孔首層粉砂層的電阻率變化范圍為0.4～1.74 Ω·m，其下層淤泥質(zhì)黏土的電阻率變化范圍為0.29～1.3 Ω·m，第三層黏土的電阻率變化范圍為0.87～3.93 Ω·m。

圖3 鉆孔測井曲線對比Fig.3 Comparison of borehole logging curves

以上分析結(jié)果表明，在土層低阻背景情況下，對于有機物污染，電阻率會升高，意味著低阻環(huán)境下尋找高阻，對高密度電法等探測相對較為有利，但是對于有機類污染濃度較低時，電阻率差異不大，探測難度也會增加。而對于油類等有機污染，污染濃度相對較大，同時比重較小，污染深度相對較淺，對高密度電法等探測方法是有利的。

3 RCPTU在土體污染調(diào)查的應用

電阻率靜力觸探是根據(jù)歐姆定律現(xiàn)場測試土體電阻率的原位測試技術(shù)(圖4)，其通過測試恒定電流下兩個電極之間的電位差為ΔU(V)，土的豎向電阻率ρ可表示為：

圖4 多功能車載式RCPTU測試設備Fig.4 Multifunctional vehicle mounted RCPTU test equipment

式中，S為電極面積(m2)；L為電極間距(m)；I為電流強度(A)。

在上海某化工廠場地進行了RCPTU探測試驗，該化工場地內(nèi)污染種類繁多，主要有有機物苯、二甲苯的污染，重金屬離子Fe3+的污染等，現(xiàn)場共完成鉆孔6個，孔號從RCJK1～RCJK6依次編號，孔深在10～15 m之間。前期化探成果表明除RCJK4與RCJK5附近土體為輕微污染外，其余RCPTU探測孔布置位置均為嚴重污染區(qū)域。

將輕微污染的RCJK4和RCJK5兩個孔的電阻率測試值的平均值作為背景值，與污染較重的RCJK1、RCJK2、RCJK3和RCJK6電阻率測試值的平均值作為對比。在1～3.6 m土層范圍內(nèi)，嚴重污染土的電阻率約7.5 Ω·m，大于輕微污染土的電阻率平均值約6 Ω·m；而在深度3.6～9.6 m范圍內(nèi)，嚴重污染土的電阻率約9 Ω·m，小于輕微污染土的電阻率平均值11 Ω·m，據(jù)此可推斷，RCJK1、RCJK2、RCJK3和RCJK6的1～3.6 m范圍內(nèi)主要為有機物污染?；浇Y(jié)果表明，此深度范圍內(nèi)二氯苯濃度為0.45 mg/kg，超標約6倍。在深度3.6～9.6 m范圍內(nèi)主要為重金屬污染，重金屬離子濃度以Fe3+離子濃度為主，在RCJK3孔的濃度為最高為25 000 mg/L。

圖5 6個RCPTU孔電阻率測試值對比Fig.5 Comparison of resistivity test values of six RCPTU holes

不同深度土層遭遇污染類型不同的原因在于有機物苯的比重較低，以漂浮作用為主，受地下水的作用，有機污染物主要富集于3.6 m以淺土層中，從土壤電阻率RCPTU測試結(jié)果來看，在3.6 m以淺嚴重污染土的電阻率大于輕微污染土的電阻率平均值，呈現(xiàn)高阻異常；而無機污染以重金屬離子污染為主，F(xiàn)e3+等重金屬離子在重力作用下，以沉淀作用為主，伴隨著地下水常年往復變化逐年往下遷移，其污染主要影響范圍在3.6～9.6 m的深部區(qū)域，深部區(qū)域嚴重污染土的電阻率小于輕微污染土的電阻率。

4 結(jié) 論

1)上海地區(qū)淺層土體為低電阻率特征，電阻率分布范圍約0.6～11.68 Ω·m，主要分布在4～6 Ω·m之間，其中杭州灣近海區(qū)域低于2 Ω·m，遠離近海區(qū)域的電阻率相對較高， 在淺層低阻背景下，電阻率法對于探測油類、涂料等有機物的高阻異常效果較為顯著。

2)首層土的下部地層層位、電阻率與首層土具有相似性，深度20 m以內(nèi)地層的電阻率變化較小。

3)電阻率觸探法是將電阻率測量技術(shù)與靜力觸探相結(jié)合的土壤原位快速測試技術(shù)，本文案例表明其對淺層(1.0～3.6m)的二氯苯等有機物產(chǎn)生的高阻異常及深部(3.6～9.6 m)的Fe3+等無機物產(chǎn)生的低阻異常有良好反映。