石油烃类污染土壤监测中高密度电阻率法的应用研究

张文俊

（广州汇标检测技术中心，广东 广州 510000）

经济的迅猛增长推动了石油化工相关行业的发展，使得石油开采规模更加庞大，石油加工处理量增多，而不论是原油的开采，还是石油产品的加工与制造，均会对土壤或周围水体造成污染。美国有研究发现，在现有环境污染治理项目中，石油污染治理项目最多，占比达到了60%，其中绝大多数是对石油污染浅层地下水的修复。与此同时，我国也存在严重的石油污染问题，如在石油输送与使用时，石油会滴落到土壤及水体中，从而引发石油污染问题。由于石油中含有大量烃类物质，不仅干扰植物的正常生长，还会对周围居民生活造成影响，容易诱发各种疾病。针对这一情况，在石油开采或相关产品加工时，环境监测部门通常会对周围土壤进行监测，以及时发现土壤中出现的石油污染问题，为石油污染问题的防治提供依据。在以往很长一段时间内，相关人员通常采用钻井取芯法进行检测，虽然可以得到较为良好的应用效果，但芯材成本较高，检测周期较长，在一定程度上影响石油烃类污染问题的监测效果。为了获得更好的石油烃类污染土壤检测效果，环境检测领域提出了一种全新的监测方法：高密度电阻率法，为石油烃类污染问题的治理提供支持。

1 高密度电阻率法概述

在现代环境治理领域内，存在多种类型的土壤检测方法，如高密度电阻率法、地质雷达法、钻井取芯法等，每种方法具有不同的特点，可应用到不同的土壤监测工程当中。其中，高密度电阻率法是当前较为常见的一种，指的是通过对土壤电阻率的计算，推断出土壤中相应成分的含量，从而判断土壤是否出现污染问题。相对于其他土壤检测方法来说，高密度电阻率法具备以下几个方面的优势：（1）电极布设一次完成，为野外数据的快速采集和自动或半自动化测量奠定了基础；（2）能自动进行多种电极排列方式的扫描测量，从而获得较丰富的地电断面结构特征和地质信息；（3）在野外可对资料进行预处理并显示剖面曲线形态，还能自动绘制和打印各种成果图件；（4）与传统的电阻率法相比，具有成本低、效率高、信息丰富以及解释方便等优势。正是由于该检测方法存在这些优势，使其被广泛应用到地质勘探、土壤成分检测等多项工作当中[1]。

2 石油烃类成分对土壤电阻率的影响

2.1 污染土壤电阻率特征分析

土壤是自然界中最常见的物质之一，具有一定的导电性，其导电性能的强弱与诸多因素有关，如土壤性质、孔隙率、含水率与饱和度等，同时，若土壤中浸入烃类物质，会使土壤中各种成分占比出现一定变化，从而改变了土壤的导电性。目前，在国内外学术领域内，研究人员均对土壤电阻率与石油烃类物质间的关系展开了研究，通过这些研究发现，若土壤出现石油烃类污染后，土壤的电阻率会呈现出显著提升的态势，但也有一些人认为，石油污染土壤后，土壤的电阻率将会适当降低[2]。

从本质上来说，石油烃类污染土壤介质的电阻率受不同浓度与扩散形态的污染物影响，表现出非常复杂的特征。相关研究指出，在不同的石油烃类污染土壤当中，电阻率呈现出不同的特征，具体为：在侵油干层当中，电阻率呈现出增长的态势；在侵油润湿层当中，电阻率呈微弱降低态势；在饱和水黏土层当中，电阻率则呈现出大幅度下降的态势[3]。

2.2 电阻率与土壤成分相关性分析

土壤湿润度、孔隙度与饱和度的不同，会使其具备不同的电阻率，为了更准确地了解这一情况，本研究拟采用Archie公式，分析上述三种因素与土壤电阻率的关联性，详见式（1）：

其中，F表示土壤地层因素，R0表示正常状态下的土壤电阻率；Rw表示土壤电阻率的测量值；α表示比例系数，可根据岩土类型而定，对于浅层砂土来说，通常处于1.1～1.4范围内；m表示胶结指数，在不同岩土当中，由于胶结程度存在差异，使得该指数也略有不同，在土壤浅层当中，由于胶结程度最低，因而该指数数值最小；ψ表示岩土的孔隙率，含水纯砂岩中，通常存在很高的孔隙率，因而周围水电阻率较小，胶结程度较低，因此使得土壤电阻率非常低。

对上述公式进行转换后，可得到公式（2）：

其中，S0表示土壤中的含油饱和度；n表示饱和度系数；Sw表示含水饱和度；b为固定系数。对岩土湿润特征进行分析时，可根据其构成情况，划分为三个部分：水相、油相与气相，三个部分含量的不同，均会使岩土电阻率出现改变。其中，对于油相来说，饱和度与岩土电阻率成正相关关系，即含油饱和度越高，岩土电阻率也会越大[4]。

此外，由上述公式可知，在地下水层当中，土壤的含油饱和度越高，其电阻率也会越大，但未达到地下水层时，则与此正好相反，具体原理有待深入研究。

3 高密度电阻率法检测石油烃类污染土壤的方法概述

3.1 检测原理

通过该方法对土壤成分进行检测时，主要原理为：以一般直流电阻率检测方位为基础，逐渐融入三维地震勘探原理，从而得到全新的电法勘探技术。具体操作时，主要依据的是岩土在不同情况下具有不同导电性的原理。测量人员根据相关理论，在土壤中构建出人工电场，然后通过相应的设备对该电场予以检测，以得出电场的分布情况，进而分析出土壤的成分。

在构建人工电场时，工作人员在地面选取两个位置，分别插入A、B电极，使电极、地面形成一个回路，然后向该回路内加载一定的电流I，使得地面出现一定的电场；待电场保持稳定后，利用仪器设备测量两点间的电位差；最后，通过公式（3）的计算，即可得到该土壤的电阻率。

其中，ρs表示电阻率；K表示转算常数，可通过相关资料查询获得；表示两点间的电位差；I表示土壤中加载的电流值。在户外现场检测时，工作人员要选择大量的电极点位，并通过电缆使各电极点位与多路转换器连接到一起，以使各点位采集到的信息准确传输至转换器内，在经过转换器的处理后，将检测数据传输至计算机，利用计算机内相应的软件进行存储与分析，从而得到最终的检测结果。该方法检测原理如图1所示。

图1 高密度电阻率法检测原理图

3.2 工艺流程

高密度电阻率法在检测过程中，根据操作方法与原理的不同，可将其流程划分为三个步骤，（1）实地探测。即按照上述所示方法，在检测现场设置检测点，插入电极，并通入一定的电流，以在现场构建出相应的电场。（2）数据分析。通过对人工电场点位间电位差的测量，分析并计算出对应的电阻率。（3）获得结果。通过对电阻率的进一步分析，确定待测现场土壤的具体情况。所以，为了保证检测结果的准确性，在检测之前，工作人员应针对检测需求，结合现场实际情况，选择最佳的电极点位，以构建出合理的人工电场。一般来说，在条件允许的情况下，尽量设置较多的点位，以使各测点间的距离较小，以提升检测能力。其次，在仪器测量时，工作人员应确保仪器无故障及其他问题，并将刻度调节到“0”位置处，防止因仪器问题而引发测量误差。

3.3 数据处理

石油为液体资源，当其滴落到土壤中，会逐渐深入到地层内部，破坏地层内部结构，对生物生长与人类生存均具有一定危害。与此同时，由于地层内部结构非常复杂，工作人员在使用高密度电阻率法进行检测时，很容易受到各种因素的影响，导致测量结果并不准确，具有较大误差，不利于工作人员对污染土壤进行评估与判断。所以，在得到现场检测结果后，工作人员应进一步对检测结果予以处理，即：对测量数据进行正演或反演推算，以去除测量结果中的误差，从而达到提升测量结果准确性的目的。与一般电阻率检测方法相同，高密度电阻率法反演处理后，数据可能出现不稳定状态，也将会对后续分析造成干扰。为了解决这一问题，工作人员应在反演处理后，对数据开展正演处理，与此同时，在一定区间当中，对反演后的数据予以光滑约束处理。其中，对于正演处理来说，主要是针对已知的地下检测介质物性参数空间分布信息，通过物理、数学等方面的理论知识，迭代对数据进行推演，以此得到更加合理的参数数据。而对于反演处理来说，则是针对已知的物性参数信息，反向进行推演，以确定地下介质物性参数空间分布情况，这一过程也采用数据与物理原理。

4 石油烃类污染土壤高密度电阻率法检测实例分析

本研究选取某化工厂作为研究对象，进一步对该方法进行分析。对某化工厂土壤进行检测时，共采用了两种方法，一种为高密度电阻率法，另一种为探地雷达法，以评估该区域地下室土壤污染的分布情况。两种方法测量出最终结果后，通过两个结果间的对比，判断高密度电阻率法的监测精确度。

4.1 实例介绍

某化工厂属于石油化工领域，其通过对原油的处理与加工，生产各种油类产品，如汽油、柴油及其他相关附属产品。该化工厂在运行过程中，受到设备、人员操作等多方面因素的影响，经常会出现油液滴落的问题，经过多年油液的不断滴落与积累，对化工厂内部土壤造成了较大破坏。通过对该化工厂的地质勘察，并结合相关资料进行分析，可发现该区域地质结构较为均匀，共由三层构成，分别为（1）表层，厚度在0.5～1.0 m范围内，属于人工填土层，以粉砂质黏土为主，其中包含少量的卵砾石，含水量相对较高，土壤较为湿润，结构密度一般。（2）卵石层，厚度在1.0～12.0 m范围内，含水量相对较高，土壤较为湿润，结构密度较低，主要成分为各种卵石，如花岗岩、石英岩等。（3）最下层为泥、卵石结合层，处于地层12 m之下，湿度较高，含水率饱和，结构非常密实，以各种卵石为主，且在卵石之间含有一定量的淤泥，卵石主要包括灰岩、砂岩等。

4.2 实例分析

在对实例进行测量时，选择化工厂内的C1测线作为最终的研究对象，由北向南，按照直线的方式布置电极点位，整个测量线路全长为560 m，以2 m为间隔，均匀设置各电极点位，总计281个点位。具体操作地点处于周边的绿化带当中，工作人员按照上述原理与方法，对各点位间的电位差进行测量，计算出土壤的电阻率，之后将这些计算结果自动输入到相应软件中进行反演处理，得到如图2所示结果。通过该图能够发现，在本研究所选择的污染土壤区域内，电阻率背景值在100 Ω左右，在110 m、165 m、360 m及420 m左右处，出现了电阻增加的情况，最高可到1 000 Ω·m，探测深入到3.5 m左右，由此判定该区域为输油管线。其中，在165 m与360 m处，电阻率增高情况并无明显规律，呈现出漏斗状，以此判定该区域管道出现了泄露，导致这一区域的污染问题较严重。

图2 某化工厂污染土壤高密度电阻率法检测结果

5 总结

综上所述，随着石油应用规模的不断扩大，使得土壤被石油烃类物质污染的问题愈加严重，对植物生长、人类生存及社会发展具有较大危害，所以，在石油行业运营过程中，环境监测部门应加强对高密度电阻率法的重视程度，并以此为基础，对石油化工区域现场土壤进行检测，以及时发现土壤污染问题，并找出污染源，制定出相应的解决方案等。