建设场地石油烃污染高密度电法探测应用研究★

朱 黎 明

(上海勘察设计研究院(集团)有限公司，上海 200438)

0 引言

随着现阶段制造业的规模不断扩大，城市化建设水平也在持续提升，社会经济发展迅速，但随着建设影响的范围逐步扩大，也导致了土壤、空气、水污染的产生和加剧，而在土壤污染中石油烃污染出现很多、危害很大[1,2]。对于被污染场地，在进行治理和重新开发前，需要对场地污染情况进行调查并加以评估。但是由于现阶段多数石油烃污染场地内的污染物在平面和深度方向的分布范围很难明确，给后期场地的评估、修复以及重新开发利用带来了极大的难度。如何方便、快捷、精确的圈定石油烃在平面和深度上的分布范围、确定其污染程度大小，是一项非常具有工程意义的研究。对于建设场地的石油烃污染检测，现阶段多采用地面高密度电阻率法进行检测[3-6]，通过在污染场地内布置多条交叉测线，获取各测线的电阻率数据，通过数据处理和软件反演得到相应的高密度电法剖面[7,8]，进行分析和解释并判断石油烃污染在地下空间的分布情况[7-11]。

1 高密度电法探测原理

本研究中的各项试验采用了直流高密度电法，由于正常地层与石油烃污染在电性上存在较大差异，从理论角度来说，通过向地层供电观测地下电流场的分布形态可以较好的识别出石油烃产生的电性异常。再者鉴于高密度电法在矿产的普查勘探和水文地质、工程地质、供水源勘查及矿井水害防治等多个领域已有良好的探测效果，本研究将其引入建设场地石油烃污染检测领域中来，并通过一定的装备改良和数据处理改良，以期达到同样良好的探测效果。

本研究根据实测的视电阻率数据进行数据处理与反演成像，得到地层中电阻率分布情况，并通过对电阻率分布中相对高异常圈闭进行识别以判断是否存在石油烃污染现象。现场探测时主要采用了温纳和斯伦贝谢尔装置方式，同时记录现场存在的各类干扰因素，为后期数据处理和反演提供参考。图1为温纳四极装置布置示意图。

2 数值模拟的模型构建

探测模拟是以上海某地区某石油烃污染场地为例进行模型设计，包含均匀浅层表面介质下部无污染和存在石油烃污染两种情况的正反演模拟试验。模型中的土层和石油烃污染采用数值均通过现场土样室内电阻率测试获取，图2，图3分别为具有前述两种情况特征的地电模型及其正演结果，其中模型的各项基本参数设定为：第①层为填土层，层厚1.35 m，电阻率ρ1=25 Ω·m；第②层为粉质粘土层，层厚2.5 m，电阻率ρ2=18 Ω·m；第③层为淤泥质粘土层，层厚2.0 m，电阻率ρ3=12 Ω·m；第④层为砂层，层厚2.5 m，电阻率ρ4=7 Ω·m，石油烃污染的电阻率ρ5=60 Ω·m，规模范围如上述图件所示。由前述数据可知原状土层与石油烃污染的电阻率在数值上存在较大的差异，这些差异为高密度电法在石油烃污染探测中提供了较好的地球物理前提。

3 数值模拟结果分析

本次数值模拟计算采用了二维有限元法数值模拟方法，水平方向使用电极数为51个，电极距为1 m，设定地层厚度8.35 m。正演结果见图2，图3的下半部分。

为模拟实际的现场数据采集条件，在后期正演计算过程中加入10%的干扰噪声。正演结果表明，当图层均匀且下部不存在污染时，其视电阻率特征按层状有规律的分布，且不同层位的反演特征各不相同，由于噪声的加入，层位反演结果表现出由上至下受到的影响逐渐减小，但是整体模型结构仍成层状结构(见图4，图5)。通过使用robust和雅克比矩阵迭代两种方式进行反演计算，最终得到了两组模型的电阻率剖面。由图4，图5可见，两种模型中四层水平层状结构分布基本一致，无污染模型介质层厚更加均匀一致，存在石油烃污染的模型中存在污染的异常位置也较为收敛，而异常的大小与位置和初始模型存在的局部差异是由高密度电阻率法测试分辨率导致。整体来看，在均匀土层中存在石油烃污染时，其电性反差较大，通过高密度电法可以进行识别，且效果较好。这说明利用高密度电法进行污染场地内石油烃污染检测具有可行性和适用性。

4 方法应用

上海某地块需进行重新开发利用，但由于其中曾存在一加油站，导致土壤受到石油烃污染，现需要确定石油烃污染的分布范围，以便后期修复处理。为了确定石油烃污染在地下空间中的分布情况，采用高密度电法对该区域进行了检测工作，采集装置为温纳四极装置。测线布置如图6所示。

将测线01和测线02采集得到数据进行处理和反演后得到相应的高密度电法反演断面图，见图7，图8。

从图7中可见，测线01从13 m～25 m，34 m～35 m，45 m～50 m三处位置，深度从地表至埋深1.3 m左右处，均存在明显的相对高电阻率异常圈闭，13 m～25 m段尤为明显；测线02的24 m～30 m段，深度由地表至埋深2.5 m，47 m～53 m段，深度由地表至埋深1.3 m，这两段也同样存在相对高电阻率异常圈闭，经过与室内实验结果对比，表明这些相对高电阻率异常区内存在石油烃污染。这也表明了高密度电法在石油烃污染的检测中具有较好的适用性。

5 结语

通过对石油烃污染地层模型的数值模拟以及部分现场试验结果研究表明，利用高密度电法对地层受石油烃污染的分辨效果较好，具有可行性和适用性。它可作为解决此类污染问题的一种方法和途径。但对于高密度电法成像的分辨率问题仍需进一步探讨，数据处理方法和图像识别提取技术有待深入研究。同时，还可以考虑其他综合污染检测技术(如地质雷达法、电磁感应法、高精度磁法等)，与高密度电法相配合，不断提高检测效率、精度和覆盖面，并将其扩展应用于土层的其他类污染检测中。