石油烴類污染土壤監(jiān)測(cè)中高密度電阻率法的應(yīng)用研究

張文俊

（廣州匯標(biāo)檢測(cè)技術(shù)中心，廣東 廣州 510000）

經(jīng)濟(jì)的迅猛增長(zhǎng)推動(dòng)了石油化工相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，使得石油開(kāi)采規(guī)模更加龐大，石油加工處理量增多，而不論是原油的開(kāi)采，還是石油產(chǎn)品的加工與制造，均會(huì)對(duì)土壤或周圍水體造成污染。美國(guó)有研究發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有環(huán)境污染治理項(xiàng)目中，石油污染治理項(xiàng)目最多，占比達(dá)到了60%，其中絕大多數(shù)是對(duì)石油污染淺層地下水的修復(fù)。與此同時(shí)，我國(guó)也存在嚴(yán)重的石油污染問(wèn)題，如在石油輸送與使用時(shí)，石油會(huì)滴落到土壤及水體中，從而引發(fā)石油污染問(wèn)題。由于石油中含有大量烴類物質(zhì)，不僅干擾植物的正常生長(zhǎng)，還會(huì)對(duì)周圍居民生活造成影響，容易誘發(fā)各種疾病。針對(duì)這一情況，在石油開(kāi)采或相關(guān)產(chǎn)品加工時(shí)，環(huán)境監(jiān)測(cè)部門通常會(huì)對(duì)周圍土壤進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤中出現(xiàn)的石油污染問(wèn)題，為石油污染問(wèn)題的防治提供依據(jù)。在以往很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，相關(guān)人員通常采用鉆井取芯法進(jìn)行檢測(cè)，雖然可以得到較為良好的應(yīng)用效果，但芯材成本較高，檢測(cè)周期較長(zhǎng)，在一定程度上影響石油烴類污染問(wèn)題的監(jiān)測(cè)效果。為了獲得更好的石油烴類污染土壤檢測(cè)效果，環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域提出了一種全新的監(jiān)測(cè)方法：高密度電阻率法，為石油烴類污染問(wèn)題的治理提供支持。

1 高密度電阻率法概述

在現(xiàn)代環(huán)境治理領(lǐng)域內(nèi)，存在多種類型的土壤檢測(cè)方法，如高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)法、鉆井取芯法等，每種方法具有不同的特點(diǎn)，可應(yīng)用到不同的土壤監(jiān)測(cè)工程當(dāng)中。其中，高密度電阻率法是當(dāng)前較為常見(jiàn)的一種，指的是通過(guò)對(duì)土壤電阻率的計(jì)算，推斷出土壤中相應(yīng)成分的含量，從而判斷土壤是否出現(xiàn)污染問(wèn)題。相對(duì)于其他土壤檢測(cè)方法來(lái)說(shuō)，高密度電阻率法具備以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：（1）電極布設(shè)一次完成，為野外數(shù)據(jù)的快速采集和自動(dòng)或半自動(dòng)化測(cè)量奠定了基礎(chǔ)；（2）能自動(dòng)進(jìn)行多種電極排列方式的掃描測(cè)量，從而獲得較豐富的地電斷面結(jié)構(gòu)特征和地質(zhì)信息；（3）在野外可對(duì)資料進(jìn)行預(yù)處理并顯示剖面曲線形態(tài)，還能自動(dòng)繪制和打印各種成果圖件；（4）與傳統(tǒng)的電阻率法相比，具有成本低、效率高、信息豐富以及解釋方便等優(yōu)勢(shì)。正是由于該檢測(cè)方法存在這些優(yōu)勢(shì)，使其被廣泛應(yīng)用到地質(zhì)勘探、土壤成分檢測(cè)等多項(xiàng)工作當(dāng)中[1]。

2 石油烴類成分對(duì)土壤電阻率的影響

2.1 污染土壤電阻率特征分析

土壤是自然界中最常見(jiàn)的物質(zhì)之一，具有一定的導(dǎo)電性，其導(dǎo)電性能的強(qiáng)弱與諸多因素有關(guān)，如土壤性質(zhì)、孔隙率、含水率與飽和度等，同時(shí)，若土壤中浸入烴類物質(zhì)，會(huì)使土壤中各種成分占比出現(xiàn)一定變化，從而改變了土壤的導(dǎo)電性。目前，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，研究人員均對(duì)土壤電阻率與石油烴類物質(zhì)間的關(guān)系展開(kāi)了研究，通過(guò)這些研究發(fā)現(xiàn)，若土壤出現(xiàn)石油烴類污染后，土壤的電阻率會(huì)呈現(xiàn)出顯著提升的態(tài)勢(shì)，但也有一些人認(rèn)為，石油污染土壤后，土壤的電阻率將會(huì)適當(dāng)降低[2]。

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，石油烴類污染土壤介質(zhì)的電阻率受不同濃度與擴(kuò)散形態(tài)的污染物影響，表現(xiàn)出非常復(fù)雜的特征。相關(guān)研究指出，在不同的石油烴類污染土壤當(dāng)中，電阻率呈現(xiàn)出不同的特征，具體為：在侵油干層當(dāng)中，電阻率呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)；在侵油潤(rùn)濕層當(dāng)中，電阻率呈微弱降低態(tài)勢(shì)；在飽和水黏土層當(dāng)中，電阻率則呈現(xiàn)出大幅度下降的態(tài)勢(shì)[3]。

2.2 電阻率與土壤成分相關(guān)性分析

土壤濕潤(rùn)度、孔隙度與飽和度的不同，會(huì)使其具備不同的電阻率，為了更準(zhǔn)確地了解這一情況，本研究擬采用Archie公式，分析上述三種因素與土壤電阻率的關(guān)聯(lián)性，詳見(jiàn)式（1）：

其中，F(xiàn)表示土壤地層因素，R0表示正常狀態(tài)下的土壤電阻率；Rw表示土壤電阻率的測(cè)量值；α表示比例系數(shù)，可根據(jù)巖土類型而定，對(duì)于淺層砂土來(lái)說(shuō)，通常處于1.1～1.4范圍內(nèi)；m表示膠結(jié)指數(shù)，在不同巖土當(dāng)中，由于膠結(jié)程度存在差異，使得該指數(shù)也略有不同，在土壤淺層當(dāng)中，由于膠結(jié)程度最低，因而該指數(shù)數(shù)值最小；ψ表示巖土的孔隙率，含水純砂巖中，通常存在很高的孔隙率，因而周圍水電阻率較小，膠結(jié)程度較低，因此使得土壤電阻率非常低。

對(duì)上述公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，可得到公式（2）：

其中，S0表示土壤中的含油飽和度；n表示飽和度系數(shù)；Sw表示含水飽和度；b為固定系數(shù)。對(duì)巖土濕潤(rùn)特征進(jìn)行分析時(shí)，可根據(jù)其構(gòu)成情況，劃分為三個(gè)部分：水相、油相與氣相，三個(gè)部分含量的不同，均會(huì)使巖土電阻率出現(xiàn)改變。其中，對(duì)于油相來(lái)說(shuō)，飽和度與巖土電阻率成正相關(guān)關(guān)系，即含油飽和度越高，巖土電阻率也會(huì)越大[4]。

此外，由上述公式可知，在地下水層當(dāng)中，土壤的含油飽和度越高，其電阻率也會(huì)越大，但未達(dá)到地下水層時(shí)，則與此正好相反，具體原理有待深入研究。

3 高密度電阻率法檢測(cè)石油烴類污染土壤的方法概述

3.1 檢測(cè)原理

通過(guò)該方法對(duì)土壤成分進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，主要原理為：以一般直流電阻率檢測(cè)方位為基礎(chǔ)，逐漸融入三維地震勘探原理，從而得到全新的電法勘探技術(shù)。具體操作時(shí)，主要依據(jù)的是巖土在不同情況下具有不同導(dǎo)電性的原理。測(cè)量人員根據(jù)相關(guān)理論，在土壤中構(gòu)建出人工電場(chǎng)，然后通過(guò)相應(yīng)的設(shè)備對(duì)該電場(chǎng)予以檢測(cè)，以得出電場(chǎng)的分布情況，進(jìn)而分析出土壤的成分。

在構(gòu)建人工電場(chǎng)時(shí)，工作人員在地面選取兩個(gè)位置，分別插入A、B電極，使電極、地面形成一個(gè)回路，然后向該回路內(nèi)加載一定的電流I，使得地面出現(xiàn)一定的電場(chǎng)；待電場(chǎng)保持穩(wěn)定后，利用儀器設(shè)備測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的電位差；最后，通過(guò)公式（3）的計(jì)算，即可得到該土壤的電阻率。

其中，ρs表示電阻率；K表示轉(zhuǎn)算常數(shù)，可通過(guò)相關(guān)資料查詢獲得；表示兩點(diǎn)間的電位差；I表示土壤中加載的電流值。在戶外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，工作人員要選擇大量的電極點(diǎn)位，并通過(guò)電纜使各電極點(diǎn)位與多路轉(zhuǎn)換器連接到一起，以使各點(diǎn)位采集到的信息準(zhǔn)確傳輸至轉(zhuǎn)換器內(nèi)，在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器的處理后，將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)內(nèi)相應(yīng)的軟件進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，從而得到最終的檢測(cè)結(jié)果。該方法檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 高密度電阻率法檢測(cè)原理圖

3.2 工藝流程

高密度電阻率法在檢測(cè)過(guò)程中，根據(jù)操作方法與原理的不同，可將其流程劃分為三個(gè)步驟，（1）實(shí)地探測(cè)。即按照上述所示方法，在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，插入電極，并通入一定的電流，以在現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建出相應(yīng)的電場(chǎng)。（2）數(shù)據(jù)分析。通過(guò)對(duì)人工電場(chǎng)點(diǎn)位間電位差的測(cè)量，分析并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電阻率。（3）獲得結(jié)果。通過(guò)對(duì)電阻率的進(jìn)一步分析，確定待測(cè)現(xiàn)場(chǎng)土壤的具體情況。所以，為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在檢測(cè)之前，工作人員應(yīng)針對(duì)檢測(cè)需求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇最佳的電極點(diǎn)位，以構(gòu)建出合理的人工電場(chǎng)。一般來(lái)說(shuō)，在條件允許的情況下，盡量設(shè)置較多的點(diǎn)位，以使各測(cè)點(diǎn)間的距離較小，以提升檢測(cè)能力。其次，在儀器測(cè)量時(shí)，工作人員應(yīng)確保儀器無(wú)故障及其他問(wèn)題，并將刻度調(diào)節(jié)到“0”位置處，防止因儀器問(wèn)題而引發(fā)測(cè)量誤差。

3.3 數(shù)據(jù)處理

石油為液體資源，當(dāng)其滴落到土壤中，會(huì)逐漸深入到地層內(nèi)部，破壞地層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)生物生長(zhǎng)與人類生存均具有一定危害。與此同時(shí)，由于地層內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，工作人員在使用高密度電阻率法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，很容易受到各種因素的影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果并不準(zhǔn)確，具有較大誤差，不利于工作人員對(duì)污染土壤進(jìn)行評(píng)估與判斷。所以，在得到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果后，工作人員應(yīng)進(jìn)一步對(duì)檢測(cè)結(jié)果予以處理，即：對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行正演或反演推算，以去除測(cè)量結(jié)果中的誤差，從而達(dá)到提升測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的目的。與一般電阻率檢測(cè)方法相同，高密度電阻率法反演處理后，數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，也將會(huì)對(duì)后續(xù)分析造成干擾。為了解決這一問(wèn)題，工作人員應(yīng)在反演處理后，對(duì)數(shù)據(jù)開(kāi)展正演處理，與此同時(shí)，在一定區(qū)間當(dāng)中，對(duì)反演后的數(shù)據(jù)予以光滑約束處理。其中，對(duì)于正演處理來(lái)說(shuō)，主要是針對(duì)已知的地下檢測(cè)介質(zhì)物性參數(shù)空間分布信息，通過(guò)物理、數(shù)學(xué)等方面的理論知識(shí)，迭代對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行推演，以此得到更加合理的參數(shù)數(shù)據(jù)。而對(duì)于反演處理來(lái)說(shuō)，則是針對(duì)已知的物性參數(shù)信息，反向進(jìn)行推演，以確定地下介質(zhì)物性參數(shù)空間分布情況，這一過(guò)程也采用數(shù)據(jù)與物理原理。

4 石油烴類污染土壤高密度電阻率法檢測(cè)實(shí)例分析

本研究選取某化工廠作為研究對(duì)象，進(jìn)一步對(duì)該方法進(jìn)行分析。對(duì)某化工廠土壤進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，共采用了兩種方法，一種為高密度電阻率法，另一種為探地雷達(dá)法，以評(píng)估該區(qū)域地下室土壤污染的分布情況。兩種方法測(cè)量出最終結(jié)果后，通過(guò)兩個(gè)結(jié)果間的對(duì)比，判斷高密度電阻率法的監(jiān)測(cè)精確度。

4.1 實(shí)例介紹

某化工廠屬于石油化工領(lǐng)域，其通過(guò)對(duì)原油的處理與加工，生產(chǎn)各種油類產(chǎn)品，如汽油、柴油及其他相關(guān)附屬產(chǎn)品。該化工廠在運(yùn)行過(guò)程中，受到設(shè)備、人員操作等多方面因素的影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)油液滴落的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多年油液的不斷滴落與積累，對(duì)化工廠內(nèi)部土壤造成了較大破壞。通過(guò)對(duì)該化工廠的地質(zhì)勘察，并結(jié)合相關(guān)資料進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)該區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為均勻，共由三層構(gòu)成，分別為（1）表層，厚度在0.5～1.0 m范圍內(nèi)，屬于人工填土層，以粉砂質(zhì)黏土為主，其中包含少量的卵礫石，含水量相對(duì)較高，土壤較為濕潤(rùn)，結(jié)構(gòu)密度一般。（2）卵石層，厚度在1.0～12.0 m范圍內(nèi)，含水量相對(duì)較高，土壤較為濕潤(rùn)，結(jié)構(gòu)密度較低，主要成分為各種卵石，如花崗巖、石英巖等。（3）最下層為泥、卵石結(jié)合層，處于地層12 m之下，濕度較高，含水率飽和，結(jié)構(gòu)非常密實(shí)，以各種卵石為主，且在卵石之間含有一定量的淤泥，卵石主要包括灰?guī)r、砂巖等。

4.2 實(shí)例分析

在對(duì)實(shí)例進(jìn)行測(cè)量時(shí)，選擇化工廠內(nèi)的C1測(cè)線作為最終的研究對(duì)象，由北向南，按照直線的方式布置電極點(diǎn)位，整個(gè)測(cè)量線路全長(zhǎng)為560 m，以2 m為間隔，均勻設(shè)置各電極點(diǎn)位，總計(jì)281個(gè)點(diǎn)位。具體操作地點(diǎn)處于周邊的綠化帶當(dāng)中，工作人員按照上述原理與方法，對(duì)各點(diǎn)位間的電位差進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出土壤的電阻率，之后將這些計(jì)算結(jié)果自動(dòng)輸入到相應(yīng)軟件中進(jìn)行反演處理，得到如圖2所示結(jié)果。通過(guò)該圖能夠發(fā)現(xiàn)，在本研究所選擇的污染土壤區(qū)域內(nèi)，電阻率背景值在100 Ω左右，在110 m、165 m、360 m及420 m左右處，出現(xiàn)了電阻增加的情況，最高可到1 000 Ω·m，探測(cè)深入到3.5 m左右，由此判定該區(qū)域?yàn)檩斢凸芫€。其中，在165 m與360 m處，電阻率增高情況并無(wú)明顯規(guī)律，呈現(xiàn)出漏斗狀，以此判定該區(qū)域管道出現(xiàn)了泄露，導(dǎo)致這一區(qū)域的污染問(wèn)題較嚴(yán)重。

圖2 某化工廠污染土壤高密度電阻率法檢測(cè)結(jié)果

5 總結(jié)

綜上所述，隨著石油應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，使得土壤被石油烴類物質(zhì)污染的問(wèn)題愈加嚴(yán)重，對(duì)植物生長(zhǎng)、人類生存及社會(huì)發(fā)展具有較大危害，所以，在石油行業(yè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，環(huán)境監(jiān)測(cè)部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高密度電阻率法的重視程度，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)石油化工區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)土壤進(jìn)行檢測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤污染問(wèn)題，并找出污染源，制定出相應(yīng)的解決方案等。