基于电阻率综合测试的污染场地快速诊断方法研究

夏 群，王 蓉，李 韬（上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200032）



基于电阻率综合测试的污染场地快速诊断方法研究

夏 群，王 蓉，李 韬
（上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200032）

摘 要：通过地球物理探测方法测试土层电阻率，利用电阻率的异常判别筛查场地污染分布范围，是国内环境岩土工程领域关注的热点问题。本文基于现场试验与工程应用，探讨高密度电法、电阻率CT、电阻率静力触探（RCPT）对污染土诊断的适用性。结果表明，电阻率测试可快速诊断场地潜在污染区域，操作简单、结果可靠、成本较低，在污染场地初步调查中有较高的应用价值与优势。

关键词：污染场地；快速诊断；土层电阻率；电阻率静力触探（RCPT）；高密度电法；电阻率CT法

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在污染场地再开发的过程中，由于土壤与地下水污染而引发的健康、生态和建设工程安全事故时有发生［1］，为防控此类严重影响，对污染场地的管理与修复提供必要的数据支撑，全面而准确的场地调查显得十分重要。

我国工业污染场地环境状况特征为：（1）场地历经多次转让变更，生产历史难以查清，特征污染物不明，因而背景资料严重不足；（2）污染源及污染物种类繁多、构成复杂，污染识别困难，很难准确、全面选择监测指标进行测定［2］。以上海为例，由于工业污染多为点源污染，加之上海地区浅部地质条件以低渗透性土层为主，污染范围通常呈斑块化分布［3，4］。这些为调查布点与监测因子的选择造成很大困难。

环保领域开展场地调查一般以传统的钻探取样结合便携式测试设备快速筛查后，依据室内分析数据进行污染判别。该方法虽可实现污染物质的定量鉴别，但也存在明显不足：（1）手段单一、成本昂贵、周期长；（2）受采样点布设精度与数量的限制，对污染范围的判断具有显著不确定性；（3）钻孔采样可能造成污染物沿钻孔向深处运移，造成污染扩散［5］。因此，迫切需要借助快速、有效的筛查手段辅助判别场地污染的空间分布范围，为后续评估与修复治理提供可靠的依据。

近年来，随着原位测试技术与装备的迅速发展，地球物理探测等方法的研究与初步应用有望成为传统方法的有益补充。本文基于土电阻率快速测试与污染诊断技术的研究成果，探讨了高密度电法、电阻率CT和电阻率静力触探法（RCPT）应用于污染场地的技术适用性，并结合应用案例分析了综合多种方法的污染土快速诊断体系。

1 基于电阻率测试的污染场地快速诊断技术

地球物理探测技术应用于污染场地调查的探测基础依赖于物性变化，即渗入土壤和地下水中的污染物通过物理、化学和生物作用，使污染区域土水的物理性质发生改变。采用地球物理方法能够对上述变化进行检测，常用的方法主要包括电法（包括直流电法、电磁法、磁法、地质雷达等），针对不同的调查目标，可选用不同方法或多方法的有效结合。

1.1 技术适用性

随着经济与社会的可持续发展，地球物理探测技术将是探测地下污染源及其污染介质分布范围的新型学科，可应用于解决环境污染的监测、生态环境变化预测、环境治理措施的效果检查等方面［5］。

对于无机污染物，易从土壤萃取出部分离子或次生盐类，使地下水中固体溶解物增多，导电性增强，为地下水的电法勘探（电阻率法、激发极化法）提供了物质基础。酸性溶液溶蚀，增加了固体溶解物含量和孔隙度，在水位升降作用下，大量固体物和可溶性颗粒聚集在潜水面附近，形成透镜状或层状异常体，强化电磁反射能力。

有机污染物（主要为碳氢化合物）渗入包气带，进入地下水，对于不溶于水且密度较轻的有机物，主要存在于潜水面之上的土壤毛细带或被包气带内多孔隙土壤吸附而富集，能够使电导率和相对介电常数发生变化。电阻率法、电磁法、激发极化法和地质雷达等可有效探测辨识；对于不溶于水且密度大于水的有机污染物，进入地下后穿过含水层滞留于隔水层顶部，用地表和孔间雷达或地质雷达层析技术，可以进行有效的探测（图1、图2）。

1.2 电阻率法测试研究现状

图1　高密度电法污染快速识别Fig.1 Fast identifcation of high density electrical method

图2　三维电阻率CT工作原理图Fig.2 Working principle diagram of 3D resistivity CT

电阻率法可测量地下物体电性特征，它与孔隙度、饱和度、流体导电性密切相关，因此，电阻率法已被广泛应用于地下水、土的污染调查。常用的方法有直流电阻率法、高密度电法和电阻率CT法。

（1）基于物探技术的电阻率测试研究

国际上自20世纪70年代开始尝试采用直流电阻率法和电磁法、电阻率CT等地球物理测试方法探测水、土体污染范围，显示出了快速、连续、有效的优点。美国、加拿大、韩国、日本在利用物探新技术解决污染土检测方面处于领先地位。Zeyad等应用电阻率法成功检测了某场地的灰岩质土壤与地下水有机氯杀虫剂污染范围［6］；Aristodemou等应用直流电阻率法在垃圾填埋场中监测污染物运移，并依据电阻率的显著差异区分出了垃圾填埋场分别接收不同类型废弃物的部分［7］；Reinhard等利用一维直流电法研究有机物污染场地渗透区的电阻率变化特征，绘制了污染羽流，调查结果与地质钻孔资料一致［8］。

国内的环境地球物理调查技术虽然起步较晚，但是近年来发展较快。程业勋等采用高密度电阻率法、探地雷达等对两个垃圾填埋场垃圾渗漏液的扩散范围、深度进行了原位测试，发现高密度电阻率法在探测土壤和地下水污染方面效果显著，且与其他方法具有良好的相关性［9］；郭秀军等对电阻率层析成像探测技术在污染土测试方面进行了研究，在污染土电性理论、探测剖面图像重建技术、探测剖面异常解译技术、污染在线监测技术等方面做了初步探索［10］；董路等应用电阻率成像技术圈定了某污染场地的硫酸废液渗入土壤中的范围和污染土壤的体积［11］；许丽萍等针对高密度电法和电阻率CT法，通过10余个场地的实测对比，研究了其对上海地区污染场地筛查的适用性，获得了良好的效果［3，4］。

（2）直接贯入式的电阻率测试技术研究

静力触探是岩土工程勘察中一种成熟的原位测试技术，在国内外得到广泛应用。荷兰从20世纪70年代中期就开始应用静力触探（CPT）附加电阻率传感器来测量圈定污染土范围，并发展了RCPT设备。研究表明，RCPT可作为评价土壤污染特征的手段之一，具有便捷、高效、经济的多重优势。Campanella等应用UBC的电阻率探头对加拿大Richmond Fraser River河口三角洲地区盐水入侵到砂土中的情况进行了勘测。

随着国内对污染场地调查与研究的不断深入，部分单位率先引入了RCPT调查设备，开展取样及现场调查分析研究。东南大学刘松玉课题组借助引进的美国Vertek-Hogentogler多功能RCPT测试系统，尝试污染土电阻率的原位测试［12］。

许丽萍等自2008年起就开始研究RCPT技术，至2015年，已研制了借助静力触探压入设备进行电阻率原位测试的探头（图3）。通过对上海地区近20个场地的实测，在与多种电阻率物探技术、采样室内试验分析结果进行了反复对比测试后，得出RCPT电阻率测试方法开展污染土的快速诊断是适用的［3，4］。针对上海浅层土电阻率测试的基本规律，对于重金属污染场地，随着重金属浓度的增加电阻率显著减小；对于有机物污染的场地，电阻率变化规律相对复杂，但随着污染物浓度的增加，土电阻率的变化率将显著增大（图4）。

图3　HogentoglerRCPTU电阻率探头与测试曲线Fig.3 Hogentogler RCPTU probe and testing curve

图4　重金属与有机污染场地测试成果Fig.4 Test results of heavy metal and organic contaminated sites

1.3 测试方法特点对比

通过多方法测试对比，并与环境测试结果对标，高密度电法、电阻率CT、RCPT电阻率测试用于场地污染的快速诊断时，具有如下特点：

（1）高密度电法测试操作快速便捷，测试范围广，测试断面数量可控，但建筑垃圾对该法干扰大；随深度增加，辨识能力有所下降；费用低于电阻率CT，但高于其他测试方法；

（2）电阻率CT测试精度高，能够清晰反映沿深度土体电阻率数值有明显的差异性，可据其变化初步划分土层变化及场地受污情况。与高密度电法结果相比，电阻率CT法对浅层杂填土抗干扰能力更强、测试深度更深、测试结果更可靠。但受预成孔及测孔间距的限制，其诊断范围相对较小，成本相对高于其他测试方法，不适用于大面积筛查。

（3）RCPT电阻率测试准确度较好，与电阻率CT相当，费用较低。但该方法仅实现单孔不同深度的测试，污染区域测试效率有限，可用于对给定位置的土体污染情况的诊断。

2 电阻率综合测试工作流程

国外大量研究表明，物探方法是对污染场地进行快速诊断的有效途径。国内李胜涛等在冀中平原某污灌场地，探索性地开展了高密度电法、钻探调查、便携式仪器现场测试的组合调查方法应用实例研究［13］。

污染土快速诊断方法的基本思路是：污染后土体的含水量、孔隙比、重度、强度指标、电阻率等物理性质指标均可能发生变化，这些物性指标的变化与化学指标变化之间具有相关性，借助钻探取样和室内试验可进一步建立对应关系；应用地球物理探测方法可原位获取土体电阻率等指标，根据其变化情况，结合与化学指标之间的对应关系，即可快速判断污染可能性并对污染程度做定性评价，随后辅之以实验室定量分析进一步明确。基于土层电阻率的污染快速诊断方法的判别方法体系与工作流程，见图5。

图5　污染场地快速诊断工作流程Fig.5 Process of rapid diagnosis of contaminated sites

3 案例分析

3.1 场地概况

某农药厂有机农药生产历史40余年，拟重新开发为商办和居住用地，故需对场地土壤污染现状开展调查评估。

由于生产中的原料和过程产物主要为多种有机物，这些物质的残留造成一定的场地污染，部分土壤颜色异常，伴有刺鼻农药气味，部分区域地表积水呈黄色，水面漂有油花状物质，如图6所示。经检测，主要污染物为苯、氯苯等。

图6　场地环境现状Fig.6 Site environment situation

该场地属滨海平原相，浅层主要由黏性土组成，局部夹薄层粉砂，具水平层理。埋深20m以浅的地层基本情况为：第①层填土，层底埋深约2.3m；第②1层褐黄—灰黄色黏土，层底埋深约3.3m；第③层灰色淤泥质粉质黏土，层底埋深8.2m；夹③夹层薄层粉砂，分布于深度4.2～5.9m范围；第④层灰色淤泥质黏土，层底埋深约11.0m，偶夹少量薄层粉砂；第⑤层灰色黏土，层底埋深14.0m，局部夹薄层粉性土；第⑥层暗绿色粉质黏土，层底埋深一般约14.3～18.7m左右。

3.2 污染范围预分析

根据场地的地质条件和特征污染物类型，初步分析该场地污染分布特征及变化趋势。

（1）污染区域：根据信息搜集及踏勘情况初步判断，农药厂原办公区域为未污染区，原生产车间区域为潜在污染区。

（2）污染深度：根据地质条件和土层渗透性特征，污染物质有三种可能的迁移深度分别是第③层淤泥质粉质黏土层顶、底部和第⑥层粉质黏土层顶部（存在DNAPLS时）。据此确定一般调查深度约为8m，最大调查深度约为14～18m。

3.3 电阻率综合测试

（1）测试方案

根据污染场地特点分析，电阻率综合测试方案如图7所示。

图7　电阻率综合测试方案布设Fig.7 Layout of resistivity comprehensive test

在原生产车间区域，首先采用高密度电法进行大范围测试筛查，判断可疑区域，共布设4个测试剖面；

对高密度电法圈定的电阻率异常区针对性地采用电阻率CT进行精细探测，布设测孔4个（6个电阻率CT剖面）；

在原未污染的办公区域，布设电阻率静探测试孔1个，采集电阻率背景值。

（2）测试结果

综合高密度电法及电阻率CT的测试结果，两者结论基本吻合（图8）。

图8　高密度电法及电阻率CT的测试结果对比Fig.8 Testing results comparison of high density resistivity method and resistivity CT

在埋深2m以浅的填土层区域电阻率值较高（15 ～25Ωm），这主要受杂填土干扰和易于富集污染物质等因素影响。2～16m之间，有局部区域电阻率异常增大的现象（4～10Ωm），与未污染场地的经验值相比明显偏高。初步判断为受到有机物污染所致，最大污染深度可能达到地下10m以下，主要涉及第②层、第③层、第③夹层土，局部不排除穿透第④层的可能，电阻率值分布曲线见图9。

图9　电阻率测试曲线对比Fig.9 Comparison of resistivity measurement curves

（3）结论验证

为进一步验证判断的准确性，进行了土壤样品环境指标的测试。样品检出有机物主要有苯、甲苯、氯苯及苯酚，其中苯、氯苯浓度超出了荷兰土壤干涉值标准，见表1。主要污染深度为4m以浅的土层，5m以下存在部分的污染向下迁移现象，至最深采样深度9.0m处污染物浓度仍为超标状态，因未获取进一步的深层采样信息与数据，深部污染情况不明。

表1　土壤样品超标污染物测试结果Table 1 Test results of excessive pollutants in soil samples

电阻率CT与高密度电法测试显示，电阻率CT与高密度电法测试结果对污染土的识别是敏感的，在4m以浅及7～10m深度数值异常增大（见图10），其与环境测试结果相匹配。

图10　电阻率异常的空间分布Fig.10 Spatial distribution of anomaly soil resistivity

4 结论

本文探讨了电阻率综合测试方法在污染场地快速诊断中的技术适用性，研究证明综合采用多种电阻率测试方法快速诊断污染场地是可行、有效的，其具有以下优点：设计相对简单，实施较为方便，对污染土检测具有高效、经济的特点；依靠原位测试方法，可减少实际工程中采样进行室内环境指标分析的工作量与成本；数据处理量少，结合野外、室内电阻率测试规律，可以在较短时间内获得土壤受污染与否以及污染范围、污染程度的基本信息，分析快捷。

鉴于各种测试方法的适用性与经济性各异，在污染场地调查初期的快速诊断中，宜根据污染源分布位置、地层分布特征，先用高效、便捷、测试范围广、更适用于浅部区域电阻率识别的高密度电法进行大面积的测试，依据其反映出的可疑区域，再结合RCPT设备、电阻率CT等方法进行针对性区域测试。

综合使用多种测试方法优势互补，能有效克服单一方法调查的各种限制条件，能够满足污染区域的辨识要求，且有效减少分析周期与成本，将成为污染场地调查技术发展的新途径与新趋势。

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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

中图分类号：P642.5

文献标志码：A

文章编号：2095-1329（2016）02-0065-05

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.016

收稿日期:2016-03-08

修订日期:2016-05-24

作者简介:夏群（1971-），男，高级工程师，主要从事环境岩土工程等研究.

基金项目:上海市科委科技支撑项目（1323120 2300）