高密度电法在城市地下水和土壤有机污染调查中的应用

姜月华,吴吉春,李 云,周 迅,周权平,刘 林,贾军元,苏晶文,施小清

(1.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016; 2.南京大学,江苏 南京 210093)

随着城市化进程的加快,城市规模不断扩大,城市中心城区范围急速扩张,如1980年上海中心城区面积为193 km2,2005年面积达1 571 km2;1980年南京中心城区面积为62 km2, 2005年面积达358 km2。城市范围的扩大,使原来位于城郊或城市边缘的化工厂变成了繁华的市区或主城区,因此不得不采取关停搬迁措施,如重庆市曾计划在2010年实施搬迁主城区79家化工企业[1];南京市栖霞区两年内关停搬迁127家化工厂[2]。关停搬迁后的化工厂原址土地存在水土污染问题[3-5],须进行“体检”[6]。本文即是在苏南某城市NH化工厂搬迁后开展的地下水和土壤有机污染调查示范案例成果,旨在为类似化工场地实施快速污染调查评价提供借鉴。

苏南某城市NH化工厂建成于40年代,面积约1.2 km2。目前,该厂已整体搬迁,在搬迁之前主要生产苯胺盐酸盐Aniline hydrochloride、邻硝基苯甲醛o-nitrobbenzaldehyde、抗氧化剂甲基Poly(dicyclopentadiene-co-p-cresol)、单叔丁基对甲酚2-tert-Butyl-4-methylphenol、橡胶助剂Rubber auxiliary和氯碱chloro-alkaline等,生产原料有苯、硝基苯、苯胺、氯苯和盐酸等。搬迁后的化工厂场地地下水和土壤是否发生污染是当地政府部门十分关心的问题,因为这直接影响着土地开发利用的前景。显然,尽快查明该场地地下水和土壤污染特别是有机污染的状况具有十分重要的意义。

1 地质背景

研究场地位于向北缓倾斜的“U”型小平原,东侧、南侧、西侧均为海拔十几至几十米的丘陵,北侧为河流。场地内地层分布自下而上依次为:①上白垩统浦口组,深度一般在地面以下40～50 m,岩性为紫红、灰黄色砂砾岩。②更新统下蜀组黄土,深度一般在地面以下12～40 m,主要为多层粉质黏土夹粉砂和砂层。底部为砂砾岩层,与基岩上白垩统浦口组呈不整合接触。③全新统,下部为下蜀组次生黄土,岩性以粉土、粉质黏土为主;上部主要为河湖相第四系松散沉积物,为粉质黏土夹粉土层,厚10～12 m。

可划分为潜水和微承压水2个含水层。潜水含水层厚5～6 m,由粉质黏土夹薄层粉砂、细砂、粉土组成;微承压水含水层主要赋存于更新统粉质黏土中的薄层细砂、中砂夹层中及基岩面上的破碎残积物,分布深度为12 ～40 m。地下水流向总体为自南向北。

2 研究方法

主要采用高密度电法(又称高密度电阻率法)圈定异常区,然后辅之以钻探和化学分析测试验证。研究采用的“DUK-2高密度电阻率法测量系统”是中国重庆地质仪器厂研发的新型高密度电阻率探测系统。

高密度电法是利用直流电通入地下以量测地下地层电阻率,并依此判定不同物质的界面,所测得的结果即地电阻率剖面。过去,高密度电法常用来寻找地下水资源及探查地下洞穴[4-10]、海水入侵[11-12]、滑坡勘查[13-15]、大坝、水库和堤防渗漏[16-18]、岩溶塌陷及采空区调查[19-20]、隧道勘察[21]、断裂和地层界面[22-24]等,近年来多有报道应用在探查垃圾场的地下水污染方面的文献[25-29],而报道应用在探查化工厂地下水污染方面的文献则鲜见[30-31]。

高密度电法有多种排列方式,本次研究采用的方式包括了温纳排列法(Wenner Array)(图1)、施伦贝尔排列法(Schlumberger Array)、二极排列法(Pole-Pole Array)及偶极排列法(Dipole-Dipole Array)。结果表明,这4种排列方式均可以帮助圈定污染团之探测,但以温纳法、偶极法和二极法效果更好。

A、B.供电电极;M、N.测量电极;a.电极距;na.隔离系数×电极距;I.供电电流;V.供电电压

3 研究结果

3.1 高密度电法

根据高密度电法勘查结果,发现场地内潜水含水层厚度一般为4～5 m(潜水位埋深4～5 m),由交错分布于粉质黏土中的薄层粉砂和细砂组成,背景电阻率值一般在20 Ω·m以下;微承压含水层上层为中更新统粉质黏土中的多层细砂、中砂组成,分布深度为20～26 m,背景电阻率值一般在60 Ω·m以下;微承压含水层下层为白垩系残积物砂砾石层,夹杂中细砂,分布深度为35～42 m,背景电阻率值一般在100 Ω·m以下;未污染地层背景电阻率值一般在100 Ω·m以下,超过100 Ω·m高电阻集中区多为DNAPLs污染羽的分布或残留位置(图2,图3),分布深度为17～45 m。

图2 X2测线(RES2DINV)反演电阻率剖面图(温纳法)

图3 X3测线(RES2DINV)反演电阻率剖面图(温纳法)

3.2 钻探和测试

5口钻孔一致证实,在地下17～45 m深度范围内沿各类界面(砂泥层面、不整合面)及砂层、粉砂层、砂砾石层、部分粉质黏土层均分布大量污染物,污染十分严重,污染物具有一致的强烈的“苦杏仁”刺激性气味。污染物在砂层中呈现油污饱和状态而为黑色(图4,图5),在一些粉质含量稍高的粉质黏土层中肉眼看不出污染物,但仍可通过嗅觉(有强烈刺激性“苦杏仁”味)来判断污染物的存在。

图4 污染发黑的砂层

图5 被污染物污染的钻孔岩心

采集的地下水样中检出大量有机污染组分(表1)。以ZK-01孔为例,1,2-二氯乙烷达7 123 μg/L、氯苯226 μg/L、苯26.1 μg/L、乙苯5.2 μg/L、甲苯0.3 μg/L、硝基苯96.6 μg/L、1,2-二氯苯10.2 μg/L、1,4-二氯苯14.3 μg/L;ZK-02孔硝基苯799 μg/L、氯苯376 μg/L、苯6 408 μg/L、1,4-二氯苯35.1 μg/L、1,2-二氯苯25.1 μg/L、乙苯4.6 μg/L、苯胺0.48 mg/L。整体看,由于ZK-03孔位于最下游位置,因此,明显可以看到地下水中污染物种类最少,含量除个别外基本都很低,这与钻孔现场整个岩心中没有刺激性味相一致,表明位于最下游位置的ZK-03孔污染最轻或仅仅刚受到污染影响,而位于上游位置的ZK-01孔、ZK-02孔、ZK-04孔和ZK-05孔地下水中均存在强烈刺激性气味,并均因高含量的有机污染物而受到了严重污染,且污染物严重超标。

表1 5个钻孔地下水主要污染物含量

采集的不同深度土层样品中也检出大量有机污染组分(表2),包括苯、氯苯、硝基苯、苯胺、1,1,2-三氯乙烷、1,2-二氯苯、1,4-二氯苯、二氯甲烷、氯仿、邻二氯乙烷、邻二氯丙烷、甲苯、苯乙烯、溴二氯甲烷、一氯二溴甲烷、1,2,4-三甲苯、乙苯、四氯乙烯、三氯乙烯、溴仿、苯并(a)芘等,主要以前10种为主,尤其以苯、氯苯、硝基苯、苯胺为主。钻探结果表明,各钻孔土层样品均在17～42 m污染最严重,土层具有强烈的“苦杏仁”刺激性味,并具有较高的污染物含量。如以ZK-01孔33.5 m处土层样为例,氯苯含量达3 040 μg/kg、硝基苯含量为1 373 μg/kg、苯含量高达562 μg/kg;ZK-04孔33.5 m处土层样硝基苯含量为1 836 000 μg/kg、苯含量为8 980 μg/kg、氯苯含量为12 500 μg/kg、苯胺含量为7 880 μg/kg、1,2-二氯苯含量为4 550 μg/kg、1,4-二氯苯含量为7 180 μg/kg、乙苯含量为1 390 μg/kg,均严重超标。

表2 5个钻孔土层中主要污染物含量

5个钻孔土层样显示,污染物的种类和地下水中几乎相同,反映了为同一污染源。此外, ZK-03孔因位于最下游位置,岩心中未出现有强烈刺激性味的土层,反映了总体上未受到污染,但位于上游位置的ZK-01孔、ZK-02孔、ZK-04孔和ZK-05孔岩心中均存在强烈刺激性味,并都有高含量的有机污染物,污染十分严重。

4 污染成因

在进一步向地下水流向的上游扩大高密度电法勘察范围并及结合地形、地貌和水文地质条件后,基本查明了研究区域污染物的分布范围(图6,图7—图12),污染面积约0.5 km2,污染深度主要为17～45 m,污染程度随着砂或粉砂层厚度变化及粉质黏土层中粉质含量的高低而各处不一。通常认为黏土层是不透水层和隔污层,然而场地深部部分粉质黏土层却出现例外,特别是粉质含量稍高的粘土层也存在污染物,原因可能为场地内砂层相对较薄,最厚不超过0.5 m,且呈透镜状分布,在上游地下水压力传导下,污染物除了沿易于扩散通道运移外,也沿着粉质黏土层侧向渗透运移。

1.研究区边界;2.污染范围;3.测线;4.钻孔及编号;5.污染源及编号

图7 J1测线(Earth Imager)反演电阻率剖面图(温纳法)

图8 L6测线(RES2DINV)反演电阻率剖面图(温纳法)

图9 L3测线(RES2DINV)反演电阻率剖面图(温纳法)

图10 J2测线(Earth Imager)反演电阻率剖面图(温纳法)

图11 J6测线(Earth Imager)反演电性剖面图(温纳法)

图12 J4测线(Earth Imager)反演电性剖面图(温纳法)

鉴于NH化工厂的主要生产产品(苯胺盐酸盐、邻硝基苯甲醛等)及生产原料(苯、硝基苯、苯胺、氯苯等)与地下水和土层中有机组份(苯、氯苯、硝基苯、硝基苯、苯胺等)基本一致的事实,研究认为地下水和土层中有机污染物来源于同一污染源,即化工厂地下储物罐发生渗漏所致(图13)。通过分析研究并结合场地原来地面和地下储物罐的位置,推断出在研究区域存在多个泄漏源(图6)。泄漏源都位于高密度电法勘察线(X线)和ZK-01孔、ZK-02孔、ZK-04孔和ZK-05孔以南。

图13 地下水和土层污染示意图

5 结论

(1)苏南某城市NH化工厂场地地下17～45 m含水层和土壤(土层)发生了严重有机污染,污染物主要是高浓度的氯苯、硝基苯、苯、苯胺、乙苯等有机污染物;查明化工厂地下土壤和地下水污染状况,确定污染物来源和成因主要为化工储罐发生渗漏向地下迁移扩散所致,并圈定了地下污染物空间分布范围。

(2)高密度电法在勘查地下土壤(土层)和地下水严重有机污染是行之有效的。其中,温纳法、偶极法、二极法和施伦贝尔法均可以帮助确定地下污染晕,但以温纳法、偶极法和二极法效果更好,钻探和采集的地下水和土壤样品测试进一步证实了该方法的有效性和正确性。本次研究发现在地下17～45 m的含水层和土壤(层)存在多个超过100 Ω·m高电阻异常区,这些高电阻异常区均为受到高浓度有机污染物影响污染晕,据此进一步扩大了勘察范围从而圈定出地下污染物空间分布状况。

(3)高密度电法在城市探测地下有机污染晕十分经济和方便,建议推广使用。