电阻率静力触探技术在软土地区水土污染调查中的应用

2021-06-05黄程鸿

工程地球物理学报 2021年3期

黄程鸿

(上海市岩土工程检测中心，上海 200436)

1 引言

随着城市化建设步伐的不断加快，各种因工业生产导致的水土污染问题也日趋严重，给城市生态及居民身体健康都带来了不利的影响，同时也严重阻碍了城市土地的开发利用。水土污染治理与修复将是未来相当长时间内城市建设和管理工作的重点之一，其中快速准确地测定污染场地的水土污染区域，是无害化治理工作的首要前提。

常规水土污染的调查方法主要是通过化学探测法分析测区水样及土样的污染物含量，进而进行环境污染评价。该方法准确直观，但因检测样本数量有限，无法快速获取区域性的连续探测资料，工作效率偏低。地球物理方法[1-8]作为环境调查的新技术，具有效率高、成本低、信息连续等优势。但此类方法受到反演多解性的制约[9-13]，其成果常需结合其他勘探手段验证，其中电阻率法因其抗干扰能力强、成果解译便捷等特点，在水土污染调查中应用最为广泛[14-17]。考虑到污染物在土壤中含量常为微量级、污染前后土体物性差异较小，故原状土的电性背景值对电阻率法圈定水土污染范围就显得极为重要，若原状土的电阻率背景值较低，对污染后形成的低阻异常探测不利；反之，对高阻异常不利。本文依托均匀分布于上海全区的73个钻孔孔内土层电阻率测试，统计了对水土污染调查相关度最高的浅表土层电阻率分布，同时探讨了一种新型岩土测井方法——电阻率孔压静力触探技术(RCPTU)[18-20]在有机污染、无机污染的适用性。

2 上海地区水文地质概况及浅表土层电阻率分布

上海地区对水土污染有影响的地下水类型主要有浅部土层中的潜水，浅部粉性土或砂土中的微承压水，含水层厚度为20～30 m左右。在沿江、沿海地区地下水埋深约2～4 m，一般地区0.5～2 m。

钻探施工过程中常在孔深度3 m以上施加金属套管，以防止松散的回填土造成塌孔事故，因此金属套管段的地层电阻率无法测量。根据已经揭露的钻孔资料，套管以下的首层土层有②1层的黏土、②2粉质黏土、②3层砂质土及③层淤泥质粉质黏土、④层淤泥质土等，基本上反映了上海地区表层回填土以下原状土层，其套管以下首层土的电阻率值具有一定的代表性，反映了上海地区深度3.7 m以下土层电阻率的背景值。由于套管以下首层土与水土污染关系最为密切，所以把套管以下首层土作为研究的重点。

图1为上海地区钻孔测井首层电阻率平均值平面分布。如图1所示，靠近杭州湾的近海区域，电阻率值一般在2 Ω·m以下，反映了海水入侵使得含水层的矿化度增加，地下水呈咸水或半咸水状况，导致首层土的导电性增强，电阻率降低。例如，浦东新区临港新城SH48孔为1.07 Ω·m及芦潮港SH49孔为1.76 Ω·m，奉贤区五四农场SH58孔为1.96 Ω·m及拓林镇SH71孔为1.64 Ω·m。而位于浦东新区的长江口沿线首层土的电阻率比杭州湾区域略高，为1.88～3.51 Ω·m之间，地下水可能呈现半咸水状态。远离杭州湾、长江口区域的电阻率相对较高，主要分布在5～7 Ω·m之间，这是因为离开海域的距离逐渐增加，含水层的盐分减少，矿化度降低，电阻率逐渐升高。

图1 上海地区钻孔测井首层电阻率平均值Fig.1 Average resistivity of the first layer of borehole logging in Shanghai area

图2为上海地区73个钻孔套管以下首层土的各孔平均电阻率值的区间范围，如图2所示，电阻率值1～8 Ω·m之间的钻孔数量有64只，占钻孔总数的87.6 %；其中又以4～6 Ω·m之间的占比最多；73个钻孔的平均值约5.0 Ω·m，上海地区由于受沉积环境及海水侵入等影响，故20 m以浅地层的电阻率总体偏低。

图2 钻孔测井首层电阻率平均值区间分布Fig.2 Interval distribution of average resistivity of the first layer in borehole logging

在电阻率测井工作中还发现，首层土的下部地层层位、电阻率与首层土具有相似性，深度20 m以内地层的电阻率变化较小，例如浦东合庆镇的SH16号孔、青浦商榻镇SH75号孔及浦东临港新城的SH48号孔。如图3所示，SH16孔首层粉砂层的电阻率变化范围为0.3～3.46 Ω·m，其下层粉质黏土的电阻率变化范围为0.23～1.15 Ω·m；SH75孔首层淤泥质粉质黏土层的电阻率变化范围为10.54～12.81 Ω·m，其下层粉质黏土的电阻率变化范围为6.11～10.54 Ω·m；SH48孔首层粉砂层的电阻率变化范围为0.4～1.74 Ω·m，其下层淤泥质黏土的电阻率变化范围为0.29～1.3 Ω·m，第三层黏土的电阻率变化范围为0.87～3.93 Ω·m。

图3 钻孔测井曲线对比Fig.3 Comparison of borehole logging curves

以上分析结果表明，在土层低阻背景情况下，对于有机物污染，电阻率会升高，意味着低阻环境下寻找高阻，对高密度电法等探测相对较为有利，但是对于有机类污染浓度较低时，电阻率差异不大，探测难度也会增加。而对于油类等有机污染，污染浓度相对较大，同时比重较小，污染深度相对较浅，对高密度电法等探测方法是有利的。

3 RCPTU在土体污染调查的应用

电阻率静力触探是根据欧姆定律现场测试土体电阻率的原位测试技术(图4)，其通过测试恒定电流下两个电极之间的电位差为ΔU(V)，土的竖向电阻率ρ可表示为：

图4 多功能车载式RCPTU测试设备Fig.4 Multifunctional vehicle mounted RCPTU test equipment

式中，S为电极面积(m2)；L为电极间距(m)；I为电流强度(A)。

在上海某化工厂场地进行了RCPTU探测试验，该化工场地内污染种类繁多，主要有有机物苯、二甲苯的污染，重金属离子Fe3+的污染等，现场共完成钻孔6个，孔号从RCJK1～RCJK6依次编号，孔深在10～15 m之间。前期化探成果表明除RCJK4与RCJK5附近土体为轻微污染外，其余RCPTU探测孔布置位置均为严重污染区域。

将轻微污染的RCJK4和RCJK5两个孔的电阻率测试值的平均值作为背景值，与污染较重的RCJK1、RCJK2、RCJK3和RCJK6电阻率测试值的平均值作为对比。在1～3.6 m土层范围内，严重污染土的电阻率约7.5 Ω·m，大于轻微污染土的电阻率平均值约6 Ω·m；而在深度3.6～9.6 m范围内，严重污染土的电阻率约9 Ω·m，小于轻微污染土的电阻率平均值11 Ω·m，据此可推断，RCJK1、RCJK2、RCJK3和RCJK6的1～3.6 m范围内主要为有机物污染。化探结果表明，此深度范围内二氯苯浓度为0.45 mg/kg，超标约6倍。在深度3.6～9.6 m范围内主要为重金属污染，重金属离子浓度以Fe3+离子浓度为主，在RCJK3孔的浓度为最高为25 000 mg/L。

图5 6个RCPTU孔电阻率测试值对比Fig.5 Comparison of resistivity test values of six RCPTU holes

不同深度土层遭遇污染类型不同的原因在于有机物苯的比重较低，以漂浮作用为主，受地下水的作用，有机污染物主要富集于3.6 m以浅土层中，从土壤电阻率RCPTU测试结果来看，在3.6 m以浅严重污染土的电阻率大于轻微污染土的电阻率平均值，呈现高阻异常；而无机污染以重金属离子污染为主，Fe3+等重金属离子在重力作用下，以沉淀作用为主，伴随着地下水常年往复变化逐年往下迁移，其污染主要影响范围在3.6～9.6 m的深部区域，深部区域严重污染土的电阻率小于轻微污染土的电阻率。