高密度电阻率法在土壤污染监测中的应用

杨德敬

（北京思路智园科技有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

土壤是各类生产活动赖以生存的重要物质基础，在经济迅猛发展的过程中，土壤不断遭受各类物质的污染。根据统计资料，在现今土壤污染治理项目中，石油类污染治理项目占绝大比重。石油类产品中含有大量烃类物质，侵入土壤后既影响植物正常生长，又会对地下水资源、地下生物资源造成严重危害。为此，在石油资源开采及相关油类产品生产过程中，相关部门均较为重视对周围土壤的监测和防治。过去常用的钻井取芯监测技术监测周期长，芯材成本高，缺乏普遍适用性。为便于石油烃类污染土壤监测效率的提升，高密度电阻率法便在环境监测领域得到一定程度的应用。

1 污染土壤电阻率分析

土壤具备一定导电性能，其导电性能的强弱主要与土壤类型、孔隙率、饱和度及含水率等有关；当土壤中侵入石油烃类污染物质，土壤既有成分含量会发生一定程度改变，导电性也会受到一定影响。结合已有研究成果，受到石油烃类污染后的土壤电阻率与污染物质之间存在一定关系，从本质上看，受石油烃类污染的土壤电阻率与污染物质浓度及扩散形态密切相关，且作用机理较为复杂[1]；受不同石油烃类污染的土壤电阻率特征也不尽相同，总体而言，对于侵油干层，电阻率呈升高态势；而对于侵油湿润层，电阻率呈缓慢降低趋势；对于饱和水黏土层，电阻率降幅较大。

为准确反映土壤成分与电阻率的关系，本文通过Archie 公式表示土壤饱和度、孔隙率、含水率与土壤电阻率之间的关系，具体如式（1）：

式中：F 为土壤地层因素；R0为未受污染土壤的电阻率；Rw为土壤电阻率实测值；α 为土壤类型系数，根据土壤类型确定。一般情况下，浅层砂土取1.1～1.4；m为胶结指数，浅层土壤胶结程度最低，胶结指数取值越小；φ 为土壤空隙率，对于含水纯砂岩孔隙率较高，周围水具备较高电阻率，胶结程度低，土壤电阻率也不高。

在分析土壤含水率时，应根据土壤具体构成将其划分成气相、油相和水相等部分，不同部分含水率存在明显差异，电阻率自然相差较大。其中，油相饱和度和土壤电阻率为正相关关系。此外，对于地下水层，电阻率随着土壤含油饱和度的升高而增大；对于地下水层以上的土壤，则情况正好相反。

2 高密度电阻率法监测原理

当前，随着人们对环境治理重视程度的不断提高，土壤污染监测方法越来越多，每种方法监测原理及作用机理不尽相同，适用范围、监测效率及准确程度也存在差异。高密度电阻率法是通过计算待测土壤电阻率，推测土壤中相应成分的具体含量，并判断土壤污染类型及严重程度的一种监测技术。与其他监测技术相比，高密度电阻率法具备以下技术优势：一次进行电极布设，便于野外快速测试及自动化测量；可自动以多种电极排列方式展开扫描测量，取得翔实的地电断面结构及地质特征信息；可预处理野外观测资料并自动显示剖面曲线[2]。

2.1 工作原理

应用高密度电阻率法监测土壤污染情况时，一般基于直流电阻率检测方位，并融入三维地震勘探技术原理，展开全新的电法勘探。在操作过程中，借助不同类型土壤导电性能不同的原理，在土壤中构建起人工电场，借助相关设备检测电场，根据对电场分布情况的分析得出土壤主成分及污染信息。

在进行人工电场构建时，应在测区土壤中插入A、B 电极，从而形成1 个包括电极、土壤等在内的电流回路，向该回路加载电流I 后，土壤内便形成一定电场；等电场达到稳定状态，借助仪器进行两个电极插入点间电位差的测量；进而通过式（2）推求土壤电阻率：

式中：ρs为待测土壤电阻率；K 为转算常数；ΔUAB为两测点间电位差；I 为土壤内所加载的电流值。为保证各电极电位和多路转换器通过电缆有效连接，与此同时，来自各点位的信息均能快速高效传输至转换器，必须选用大量电极点位，同时借助相应软件存储并分析所采集的数据信息。应用高密度电阻率法监测土壤污染的系统构成见图1，监测系统主要由数据采集、数据处理部分组成。前者包括高密度主机、电极转换器，后者则包括计算机硬件设施、预处理软件及数据转换系统。

图1 高密度电阻率法检测系统构成

2.2 应用流程

根据工作原理及操作方法，高密度电阻率法监测土壤污染的工作流程如下：1）实地探测：即根据以上原理，在测区内布置测点，并插入电极，通入电流后构建电场；2）数据采集及分析：在测量人工电场点位电位差的基础上，展开相应电阻率计算；3）根据计算结果及监测结果，对土壤电阻率展开深入分析，并给出准确的土壤污染结论。为保证监测结果的真实准确，应在情况许可的范围内，设置尽可能多的点位，缩小测点间距。

2.3 数据处理

土壤遭受石油等液体入渗污染后地层内部结构会受到破坏，并对生物生长起到危害作用。此外，地层结构较为复杂，在应用高密度电阻率法展开土壤污染监测时受干扰较多，测量结果的准确性较难保证，甚至会影响操作人员对污染情况的预估与判断。为此，必须在监测过程中，对测量数据实施正演和反演推算，消除结果误差，提升准确度。其中，正演处理主要是对所取得的地下监测介质物理性能参数空间分布信息进行物理、数学方面的迭代及推演，得出更为合理的参数值；反演处理主要是对已知物理性能参数信息实施反向推演，以得出地下介质物理力学参数空间分布[3]。与其他监测方法不同的是，高密度电阻率法实施数据反演推算后，数据出现不稳定状态的可能性较大，操作人员在展开正演处理的同时，还应在既定区间中，对反演推算结果进行光滑约束处理。

3 实例分析

一石油化工厂主要加工、处理原油，并生产汽油、柴油及附属油类产品。该石化厂在运行期间因设备、人员等方面的原因，油液滴落现象普遍存在，长期以来，对厂区内部土壤造成较大污染。结合近期地质勘查结果及所取得的相关资料，得知该厂区内部地质结构均匀，由上至下为：1）地表人工填土层：厚度为0.6～1.1 m，主要为粉砂质黏土，夹杂少量卵砾石，含水量在49～68%之间，结构松散；2）石英岩、花岗岩卵石层：厚度为1.4～13.2 m，含水率在31～45%之间，结构松散；3）地层13.1 m 以下的泥土卵石结合层，含水率在84%～99%之间，结构硬质密实，灰岩、砂岩等卵石间夹杂少量淤泥。

在展开厂区土壤污染监测时，从南向北以直线形式布置测线，全长为740 m，并按照2.0 m 间距设置电极点位，共设置370 个监测点位。实际操作地点位于厂区周边绿化带内，操作人员依据操作规程及方案对各监测点位之间的电位差展开测量，求得土壤电阻率；将相关数据及计算结果输入软件进行反演，得出土壤污染监测结果。

通过对监测结果的分析看出，该石化厂土壤污染区域内，电阻率背景值为100 Ω 左右，在土壤深度3.5、10、15 m 等处均存在电阻率增大趋势，最高增至1 000 Ω·m。其中地下3.5m 处为输油管线，其余深处电阻率增大呈漏斗状，且无明显规律性，由此可以判定此类区域均存在较为严重的土壤污染。

4 结语

综上所述，高密度电阻率法在监测土壤污染的过程中，操作较为简便，对于土壤结构复杂，受各类物质污染后土壤电阻率数值波动幅度大的情形较为适用。通过对监测结果的分析与反演，可以得到较为准确的污染类型、污染源、污染程度等结果，为土壤污染治理方案的制定提供可靠依据。