崔承洋 刘宇 谢思敏 李鸿源 江文彬

摘要：随着我国社会经济的快速发展和城镇化规模的不断扩大，一些工业场地的土壤和地下水可能会发生污染，对居民的身心健康和周边生态环境安全造成影响。工业场地的污染物类型众多，其中轻质非水相液体涉及的范围最广泛，如果该类污染物处置不当，会对环境和公共安全造成重大威胁。对污染场地进行治理和修复之前需要对场地进行调查，传统的污染场地调查方法主要包括钻孔取样和监测井技术等，但这些传统方法存在局限性，需要采用新思路和新方法对其进行完善。鉴于场地污染后，土壤及地下水的物理特征会发生较大改变，因此可以将地球物理勘探的方法引入场地调查。鉴于轻质非水相液体污染物的电阻率与普通土壤或地下水差异明显，采用电阻率层析成像法对污染场地进行调查，突破传统污染场地调查方法的局限性，较好地确定污染范围和污染程度，了解污染场所的现状及后期可能的发展趋势，可为治理和修复污染提供科学依据和技术支撑。

关键词：场地调查；轻质非水相液体（LNAPL）；电阻率层析成像（ERT）；地球物理勘探

中图分类号：X523；S152.7文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）35-0136-04

Investigation of LNAPL Contaminated Sites Based on Electrical Resistivity Tomography

CUI ChengyangLIU YuXIE SiminLI HongyuanJIANG Wenbin

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450046）

Abstract： With the rapid development of China’s social economy and the continuous expansion of urbanization， the soil and groundwater of some industrial sites may be polluted， affecting the physical and mental health of residents and the safety of surrounding ecological environment. There are many types of pollutants in industrial sites， among which light non-aqueous phase liquid （LNAPL） is the most widely involved. If such pollutants are not disposed prop？ erly， they will pose a major threat to the environment and public safety. The contaminated site needs to be investi？ gated before treatment and restoration. The traditional methods of contaminated site investigation mainly include borehole sampling and monitoring well technology. However， these traditional methods have limitations and need to be supplemented and improved by new ideas and methods. Since the physical characteristics of soil and groundwater will change greatly after polluted， geophysical exploration methods can be introduced into site investigation. In view of the obvious difference between the resistivity of LNAPL pollutants and ordinary soil or groundwater， using ERT to investigate the contaminated site can make up for the limitations of traditional survey methods of contaminated sites， better distinguish the pollution scope and degree， and understand the current situation and possible development trend of contaminated sites in the later stage. The results can provide scientific basis and technical support for pollu？ tion control and remediation.

Keywords： site survey；Light Non-Aqueous Phase Liquids（LNAPL）；Electrical Resistivity Tomography（ERT）；geophysi？ cal exploration

我國工业体系的逐渐完善推动了国家经济的持续快速发展，但在这个过程中，土壤与地下水污染问题随着工业结构的变化而越来越严重。一些工业产品可能由于自然灾害、突发性事故、工业废物处置不当、管线或储罐老化腐蚀等问题发生泄漏，对土壤和地下水造成污染，严重影响人们的生产、生活安全和生态环境的健康发展。因此，需要对可能造成污染的重点隐患场所进行定期监测和评估，对已经造成污染的场所进行全面检测，了解污染场所的现状及后期发展趋势，从而为治理和修复污染提供科学依据和技术支撑[1]。

水土污染存在多种类型，有机污染物污染范围广、危害程度大，被列为环境中需要优先控制的潜在污染物。鉴于有机污染问题的广泛性和严重性，为确保土壤和地下水资源的可持续利用，有必要对有机类污染物在地下环境系统中的运移规律开展研究[2]。

在国家法律法规及相应政策的引领下，国内外众多从业者和学者除了利用传统的方法开展地下水土污染调查之外，也在积极尝试将其他一些学科的方法引入污染调查，特别是地球物理勘探的一些技术手段逐渐被引入场地污染调查[3-8]。其中：连晟等应用探地雷达和高密度电阻率法，在冀中平原中部某典型石油烃类污染场地进行探测，得到了浅源石油烃类污染物的异常特征，通过对探地雷达和高密度电法资料的分析，得出石油烃类污染物呈现低电阻率、低介电常数特性，并根据这个特点圈定出此污染场地内储油池区域的污染扩散晕[9]；黄程鸿在上海某化厂场地水土污染快速调查中，利用电阻率法分析了浅部土层电阻率变化趋势[10]，评价了电阻率法在上海对于不同水土污染类型探测的适用性；邱小峰以上海某废弃化工企业土壤污染分析为例，利用高密度电法区分了污染土层和未受污染土层的分界面，并较好地圈定了污染源在地下的发育位置和规模[11]；胡开友综合高密度电法反演结果和水化结果，确定了地下水污染源和污染物的扩散范围[12]。

随着物探方法在污染场地调查应用中的不断深入，各种物探方法尤其是电阻率层析成像法在应用过程中取得了较好的效果，值得广泛推广和进一步研究。

1LNAPL污染场地特征

工业场地的污染物种类繁多，包括有机污染源、无机污染源、热污染源、生物污染源和固体废弃物污染源等。不同污染物进入土壤和地下水系统存在不同的形态，其中难溶于水的有机污染物在地下水环境中的浓度超过溶解度时，就会形成非水相液体（Non-Aqueous Phase Liquids，NAPLs）。NAPLs泄漏到地下后，主要在重力作用下向下迁移，穿过包气带，其中密度比水小的叫作轻质非水相液体（Light Non-Aqueous Phase Liquids，LNAPL），密度比水大的叫作重质非水相液体（Dense Non-Aqueous Phase Liquids，DNAPL）。LNAPL一般有石油烃类、苯系物等，常见于加油站、炼油厂、石油化工企业等涉及油类使用和储存的场地，主要来源是汽油、柴油、原油等油类物质。LNAPL渗入地下，可以同时横向或纵向转移，直到接触地下水。少量的LNAPL泄漏会相对固定地残留在土壤的孔隙之中，而大量的LNAPL泄漏更可能在土壤中留下固定残留后再迁移到地下水层，形成长期污染源，对邻近的土壤、气体和地下水造成污染。LNAPL的不当使用、渗漏及后期不当处置等会造成严重的土壤和地下水污染，对环境和公共安全造成重大威胁。

2场地调查的方法与种类

2.1传统场地调查方法

传统地下污染调查的一般流程包含3个不同且逐级递进的阶段。第一阶段：污染识别，主要任务是识别存在污染问题的潜在污染区域。该阶段的主要工作内容包括：①资料收集与文件审核；②现场踏勘；③相关人员访谈；④地下环境污染初步分析；⑤编写第一阶段环境污染评价报告。第二阶段：确认环境是否污染，进一步分为污染确认采样和详细采样两个不同阶段，主要任务是采样与分析。该阶段的主要工作内容包括：①制定采样计划；②现场采样；③实验室分析；④采样结果评价；⑤编写第二阶段报告。第三阶段：环境污染风险评估与治理措施，主要任务是根据现场采样结果进行风险评价，再由风险评价确定是否修复并制定合理的修复方案。

在第二阶段污染确认中，目前主要的调查技术有钻孔取样技术、监测井技术和地球物理探测技术。虽然用传统方法进行地下污染测量得到的污染物含量数据比较准确，但这些方法存在时效性差、花费高等缺点，难以连续、准确地刻画出地下污染羽的空间状态，需要利用地球物理勘探技术对原有的污染探测方法进行补充。

2.2地球物理勘探技术

随着场地污染调查要求的不断提高和地球物理勘探技术的不断进步，地球物理勘探方法的应用领域不断扩大，已从最初的地质领域、工程领域发展到现在的质量检测、环境调查、水文调查、考古等。近年来，地球物理勘探技术在场地污染调查方面的应用范围也不断扩大。各种地球物理勘探方法，如电阻率法、自然电位法、激发极化法、地震波法、探地雷达、放射性及重磁法等在地下污染探测中都进行了相应的应用和分析[13-17]，极大地推动了地球物理技术在此领域的应用。随着人们对地下环境问题物理实质的认识和观测仪器的发展，地球物理勘探技术的应用从地面发展到井中、空中，探测方式由一维发展到二维、三维。在地下污染区调查和污染区扩散过程监测中，它呈现出快速、连续及有效等特点。

在以往的研究中，虽然多种物探方法都可以用来进行场地污染评价，但是由于电阻率对污染区与非污染区、污染物浓度的大小等因素反应灵敏，因此电阻率法被认为是地下环境污染探测最有效的方法之一。

3电阻率层析成像法的应用

电阻率层析成像法是地球物理勘探中常用的一种方法，主要探测参数是地下介质的电阻率。在LNAPL污染场地中，电阻率对污染物的反应极为灵敏。因此，电阻率层析成像在地下污染探测中的应用效果较好。

3.1电阻率层析成像法原理

电阻率法是一种重要的物探方法，以地下岩土介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地中稳定直流电场的分布规律能够得到电阻率异常的分布规律[18]。

电阻率层析成像（Electrical Resistivity Tomography，ERT）起源于20世纪70年代的阵列电法探测思想。20世纪80年代，日本相关地质研究所在野外通过电极转换装置（电极转换板）成功实现了数据采集，进而使得电阻率层析成像迈向自动化，率先实现了电阻率层析成像的实际应用。后来，随着技术、软件和材料的进步，高密度电阻率法得以快速發展，实现了从二维到三维的软硬件技术进步。

电阻率层析成像的主要特点是集电剖面与电测深于一体。如图1所示，采用高密度布点进行二维地电断面测量，利用地下介质间的导电性差异来分析地质层位的发育情况，根据野外实测视电阻率值，经计算机处理分析、解释，最终获得地层划分和异常圈定等地质信息。野外测量时将测线上的所有电极一次性布好，设置好仪器的采集参数和装置参数，即可自动进行断面视电阻率值的测量和存储记录。室内将仪器内的数据回放至计算机，用成图软件将断面上的视电阻率值转换成地电拟断面图，异常形态清晰明了。

电阻率层析成像法的优点主要体现在：①电极布设一次完成，减少了因电极设置而引起的故障和干扰，为野外数据的快速和自动测量奠定了基础；②能有效进行多种电极排列方式的测量，可以获得较丰富的地电断面结构特征的地质信息；③野外数据采集实现了自动化或半自动化，采集速度快（每一测点需2～5 s），避免了手工操作引起的错误；④与传统的电阻率法相比，成本低、效率高，信息丰富，解释方便，勘探能力显著提高；⑤电阻率层析成像测量时电极间距小、测点密度大。相对来讲，地形起伏对观测成果的影响比常规电法小，异常连续，是电阻率层析成像测量时的一个突出优点。

3.2电阻率层析成像法的主要应用

LNAPL的主要来源是汽油、柴油、原油等油类物质，污染场所常位于油库、输油管线及加油站等场地及其周边。根据电阻率层析成像法在多个油库及加油站场所获得的探测结果，可对场地的污染情况进行分析。

3.2.1场地地质情况。在对污染场地进行调查时，需要了解场地的基本地质情况及地下构筑物的情况。由于污染场地相对较小，大的区域地质可能不太准确，加之场地一般为工业用地场所，地下各种管线和构筑物等众多，如果不了解场地的基本情况，后续的成果分析可能会存在误判。因此，可以根据不同测线的电阻率成果图和场地基础资料分析场地的地质情况和地下构筑物分布情况。图2为某油库测线1电阻率反演成果。

从图2可以看出，总体上测线1的地层分层性好，连续性强，基本无异常，但在120～140 m处有一个规模较小的低阻异常体。根据前期收集的场地基础资料，分析认为是掩埋的地下管线导致的。整体上电阻率较低，可能是由于水位较高导致的。从反演成果上看，水位大致在地下7～10 m的位置。

3.2.2场地污染情况。场地的具体污染分布情况是场地调查最核心的问题，利用反演电阻率的分布情况可以对场地的污染分布进行评价。图3是某油库测线电阻率反演成果。

测线2的反演成果图显示：在24～32 m内存在一个埋深较浅的相对高阻异常体，该区域的相对高阻可能是柴油泄漏引起的；在44～48 m内的地下存在一个高阻体，分析可能是地下掩埋体引起的；其他位置无明显异常存在。

测线3与测线2位于一条直线上，间隔一条宽约5 m的水泥硬化路。测线3在22～50 m处存在一明显异常高阻体，分析认为该区域的相对高阻可能是柴油泄漏引起的；在88～110 m处近地表存在一些间隔规范的小范围高阻体，分析认为可能是地下管线或特殊构筑物引起的；其他位置无明显异常存在。

测线4垂直于测线2和测线3，近似位于二者之间。在测线4的48～52 m处的近地表存在一个异常高阻，分析认为该区域的相对高阻可能是柴油泄漏引起的。其他位置无明显异常存在。

可见，根据电阻率层析成像的结果和部分取样结果能够较为准确地划出场区LNAPL的污染范围，可为后期的治理提供技术支撑。

4结语

国家对环境保护越来越重视，对污染场地进行调查非常有必要。传统的高密度钻孔、取样、分析等方法在时效性上存在较大的不足，而地球物理勘探方法的特点是时效性强、费用低，但存在多解性，需要结合其他資料对结果进行约束，提高解释准确率。因此，综合两类方法进行场地调查能够最大限度地满足污染场地调查的要求。

LNAPL污染是目前存在较多的一种污染类型。鉴于LNAPL污染物区与非污染区的电性特征存在明显差异，采用电阻率层析成像的方法能够较好地区分出场地的污染分布情况，再用钻孔取样的分析结果进行校正，就能够较为准确地划分出污染区带。但是，由于地下介质的复杂性与污染物的特殊性，还需要加强对LNAPL渗流机理和空间分布特征的理论及基于电性参数的污染质模型等方面的研究。

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