土壤电阻率影响因素分析及NAPLs污染土壤电阻率特征初探

陈太聪 张辉 孙从军 李静

摘要：考虑影响土壤电阻率的因素很多，通过室内实验主要分析了土壤含水饱和度、土壤颗粒组成、NAPLs污染物种类以及含量等与土壤电阻率之间的相关关系以及变化趋势。实验结果表明：土壤电阻率随着含水饱和度的增加逐渐降低，粘粒含量越多电阻率越低，且随着NAPLs污染物含量增加土壤电阻呈指数形势上升。以期为今后利用电阻率法快速调查土壤污染问题提供参考与借鉴。

关键词：土壤电阻率；饱和度；NAPLs污染物

中图分类号：X820.3

文献标识码：A 文章编号：16749944（2016）08006904

1 引言

我国环境保护部连同国土资源部在2005年4月～2013 年12月首次关于全国土壤污染状况调查的结果显示[1]，全国土壤环境状况总体不容乐观，工矿业废弃地土壤环境问题突出，而大量石油化工企业的地下储油罐渗漏的有机污染物是地下水和土壤污染主要来源之一[2]。目前，将泄漏于土壤或含水层且与水不溶的有机液体（NAPLs）统称为油类。由于石油化工企业的存在，此类物质不可避免的会渗入土壤而造成污染[3～6]。因此，对油类污染土壤进行检测和修复是亟待解决的问题。电阻率法是通过监测电阻率差异来确定土壤介质导电性，作为判断土壤污染的依据。土壤电阻率是土壤的一种基本物理特性[7]，指在单位长度土壤在一定电场作用下电阻的平均值。一般用ρ表示土壤电阻率，单位为Ω·m。

电阻率法调查土壤污染具有快速无损等特点，近年在土壤污染调查中也扮演着重要角色[8～13]。目前，在土壤污染调查中已存在电阻率法的应用实例，如2005年，台湾国立中央大学的王子宾[14]使用高密度电阻率法对一DNAPLs污染场地探测并取得了较理想的效果。说明电阻率法调查土壤污染问题是具有可行性的。

通过实验了解了土壤电阻率的主要影响因素，结合室内NAPLs污染土模拟实验探究污染土的电阻率变化特征关系，可为今后利用电阻率法判断污染场地的污染程度提供理论依据，进而提高污染场地调查效率。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

实验所用土样选取上海某地区常见的不同深度的浅层土，编号为1号土样和2号土样，在进行实验前需对土样进行风干，粉碎，过2mm孔径筛子等预处理。土壤的基本性质指标见表1。并进行室内模拟NAPLs污染实验，选取的NAPLs污染物为毒性较小的正己烷和四氯乙烯，正己烷与轻质油类污染物类似，属于常见的LNAPLs污染物，四氯乙烯为DNAPLs污染物。

2.2 实验方法

测定土壤电阻率使用的是改良过的米勒土壤盒（Miller Soil Box），材质为有机玻璃（见图1）。其内部尺寸长、宽、高分别为16 cm、5 cm、4 cm。两端电极是厚度为0.2 mm的铜片；中间两电极为长6 cm、直径2 mm的铜导线，两电极间之的距离为8 cm。测量电源由12 V交流电适配器提供，测量数值由多功能数字万用表显示。土壤电阻率测量的方法为四极法，该法是土壤污染研究中较理想且常用的方法之一，其测试电路见图2。在A、B之间引入电流IAB，测量M、N之间的电压UMN，以UMN /IAB作为电阻值，被测土壤样品的电阻率ρ根据式（1）进行计算。

2.3 实验内容

土壤的导电过程主要涉及两种途径：通过孔隙水导电和颗粒表面导电。笔者主要从土壤类型，含水饱和度，土壤颗粒组成，污染物种类及含量等因素探究土壤电阻率的变化规律。实验包括以下内容：①为探究土壤含水饱和度变化（主要从干土到饱和土壤）与土壤电阻率之间的响应特征关系，笔者进行了一系列室内模拟实验。将土壤的含水率配制为5.0%、7.5%、10.0%、12.5%、15.0%，依此类推直至土壤达到饱和，通过（3）式将含水率换算成土壤含水饱和度，分别计算在不同饱和度条件下的1号和2号土样的电阻率；②通过比重计法分析土壤颗粒组成，实验方法参照NY/T1121.3-2006；③室内模拟典型NAPLs污染物侵入土壤电阻率变化实验，选取两种常见的NAPLs有机污染物正己烷和四氯乙烯。称取等量烘干未污染的1号和2号土样各两份，在室内装入米勒盒内。依次加入0、2.5、5.0、7.5、10.0、15.0、20.0、25.0 mLNAPLs污染物，计算各土样电阻率值。

3 结果与讨论

3.1 饱和度与土壤电阻率特征关系

图3为电阻率与饱和度的响应关系曲线，可知，两种土壤电阻率都是随着饱和度的增加而逐渐降低。理论上而言，当饱和度达到某一值时，饱和度继续增加导致的土壤电阻率变化已不明显，电阻率降低趋势逐渐趋于平缓，这一数值，通常称为饱和度临界值Scr，即保持土壤颗粒周围能够形成连续水膜的土体最小含水量，当土壤含水量小于临界值时，土壤的电阻率增加明显。

从图3可以看出，1号土的饱和度临界值Scr约为70.0%，对应的电阻率为15.8 Ω·m，2号土的饱和度临界值Scr约为60.0%，对应的电阻率为52.5 Ω·m，在相同含水饱和度条件下1号土样的电阻率始终大于2号土样的电阻率，对于不同土壤而言，其饱和度临界值并不相同，对应的电阻率也存在较大差异。

3.2 土壤颗粒组成分析

根据前人已有研究成果知，土壤电阻率主要有两部分组成：孔隙水的电阻率和土壤颗粒的电阻率[16～18]。土壤颗粒电阻率与土壤的颗粒组成相关，因此进一步对两种实验土壤作颗粒组成分析。

图4为实验土样的粒径分布曲线。经计算1号土样中粒徑为0.02～2 mm颗粒占总量的11.0%，0.002～0.02 mm颗粒占总量的53.0%，<0.002 mm颗粒含量的36.0%；2号土样中粒径为0.02～2 mm颗粒占总量的9.0%，0.002～0.02 mm颗粒占总量的51.0%，<0.002 mm颗粒含量占总量的40.0%。比较可知，2号土样细颗粒多于1号土样，其中两者粘粒（<0.002 mm颗粒）含量相差4.0%，且通过饱和度和电阻率的实验结果可知，同一饱和度下，1号土样电阻率始终大于2号土样电阻率，如饱和度为60.0%，1号土样电阻率为52.5 Ω·m，2号土样电阻率为15.8 Ω·m。土中粘粒的存在可通过三个途径来影响土的电阻率：①粘粒含量的增加导致孔隙率的降低，从而增加了土的电阻率；②粘粒的存在意味着含有导电性粘土矿物，这将导致土的电阻率降低；③粘粒含量的增加导致整个土的比表面积增大，有利于土壤电导率的增加，电阻率降低[18]。正是基于上述3个影响因素，同一饱和度下测定的2号土样电阻率结果低于1号土样的。

3.3 NAPLs污染物对土壤电阻率的影响

采用正己烷和四氯乙烯作为典型的LNAPLs和DLNAPLs污染物加入1号和2号土壤中，观察土壤电阻率的变化特征。

图5为正己烷和四氯乙烯在加入1号和2号土壤后，污染物含量与土壤电阻率之间的变化关系曲线，随着污染物侵入量的增加，1号土样和2号土样的电阻率都呈现指数形势增大。其中1号土电阻率与正己烷含量相关关系为y=29.663e0.0167x，R2=0.783，与四氯乙烯含量相关关系为y=11.963e0.0024x，R2=0.921；2号土电阻率与正己烷含量相关关系为y=27.386e0.013x，R2=0.9717，与四氯乙烯含量相关关系为y=12.468e0.0084x，R2=0.9198，相关性较高。这是由于污染成分的介入使得水中成分增加或孔隙水被NAPLs污染物代替，导致污染土的电阻率和正常土电阻率存在差异。因为NAPLs污染物的电阻率远远大于土壤介质，当其侵入土壤后与土壤孔隙水接触，发生迁移且NAPLs污染物不溶于水，使得土壤孔隙水之间形成隔膜降低了孔隙水的连通性，使原本连续性好的孔隙水形成间断，导电性能下降，从而使得整个土体电阻率呈现增大的趋势，这与白兰等[19]关于汽油污染土壤电阻率的变化特征类似。

从图5可以看出，1号土在加入25 mL正己烷和四氯乙烯后土壤电阻率分别增加了64.6%和39.7%，而2号土增加了24.1%和24.0%，1号土样土电阻率随着污染物的量增加变化幅度明显大于2号土样，这是因为1号土的黏粒含量小于2号土，孔隙度相对较大，所以污染物更易侵入到孔隙中，从而导致整个土壤体系电阻率变大明显。

比较1号土加入正己烷（LNAPLs）和四氯乙烯（DNAPLs）的电阻率变化趋势，发现加入正己烷的土壤电阻率变化程度要大于加入四氯乙烯土壤，在加入25 mL正己烷时，1号土和2号土电阻率分别为42.5 Ω·m和14.4 Ω·m，分析这一变化的原因，可能是实验所用正己烷的电导率要小于四氯乙烯，一般而言纯正己烷的电导率约为1.0×10-18 S/cm，而四氯乙烯的电导率5.55×10-6 S/cm，四氯乙烯的电导率值远大于正己烷，因此当土壤中侵入等量的正己烷和四氯乙烯时，含有正己烷土壤的电阻率要大于四氯乙烯土壤。

同样地，2号土加入正己烷后的土壤电阻率变化程度要大于加入四氯乙烯土壤，但是整体变化幅度要小，这是由土壤本身的电阻率特性所决定的，2号土的电阻率远小于1号土，因此侵入污染物后，引起电阻率绝对值变化要小。

4 结论

简要介绍了电阻率法测土壤电阻率的方法和原理，通过室内模拟实验深入分析了影响土壤电阻率的主要因素，揭示了土壤电阻率主要影响因素有土壤类型、含水饱和度、颗粒组成等。并进行了室内模拟NAPLs污染土随污染物增加电阻率的变化特征关系。获得的结论主要有以下几点。

（1）土壤电阻率随着含水饱和度的增加逐渐降低，在含水饱和度较小时，较小的饱和度增加会使得土壤电阻率大幅度降低，且当饱和度达到某一数值后，土壤电阻率变化趋于平稳。

（2）不同土壤电阻率存在差异，这与土壤含水饱和度、孔隙度以及颗粒组成等因素有关。通过1号和2号土样的颗粒粒径分析结果可知，土壤细颗粒含量越多，尤其是粘粒含量越多，其土体电阻率越小。

（3）模拟NAPLs污染土壤实验表明，土壤电阻率随NAPLs污染物含量增加呈指数形式上升，且不同土壤其电阻率变化范围存在较大差异。对于不同种类污染物，同种土壤其电阻率变化特征类似，但土壤电阻率变化幅度存在一定差异。

本研究证实了应用电阻率法调查土壤NAPLs污染情况是切实可行的，可为今后应用电阻率法探测污染土壤的应用提供理论依据。

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Abstract： Soil resistivity is influenced by many factors.Through the indoor experiment，we mainly analyzed the respectivecorrelation and change trend between soil resistivity and water saturation， soil particle composition， NAPLs pollutanttypes and content.The results indicated that the soil resistivity gradually reduced with the increase of water saturation and the more content of clay. As NAPLs pollutants increased， the soil resistivity was in exponentially rising situation.This provided the reference for rapidly investigating the problem of soil pollution by resistivity methods.

Key words： soilresistivity；sautration；NAPLs pollutants