高密度電法在城市地下水和土壤有機汙染調查中的應用
高密度電法在城市地下水和
土壤有機汙染調查中的應用
姜月華
1
，吳吉春
2
，李 雲
1
，周 迅
1
，周權平
1
，劉 林
1
，賈軍元
1
，蘇晶文
1
，施小清
2
（1。中國地質調查局南京地質調查中心 2。南京大學）
摘要：
運用高密度電法對蘇南某城市NH化工廠場地地下水和土壤進行了勘查，發現在地下17～45 m的含水層和土壤存在多個超過100 Ω·m高電阻異常區。透過鑽探和化學測試驗證，發現這些高電阻異常區均為受到高濃度有機汙染物影響的汙染暈，據此進一步擴大了勘察範圍，從而圈定出地下汙染物的空間分佈狀況，並確定了汙染物的來源和遷移規律。研究表明，應用高密度電法勘查化工廠場地地下水和土壤有機汙染是行之有效的，是探測地下有機汙染暈非常經濟方便的方法，建議加以推廣使用。
關鍵詞：
高密度電法；地下水；土壤；有機汙染；汙染暈
隨著城市化程序的加快，城市規模不斷擴大，城市中心城區範圍急速擴張，如1980年上海中心城區面積為193 km
2
，2005年面積達1 571 km
2
；1980年南京中心城區面積為62 km
2
， 2005年面積達358 km
2
。城市範圍的擴大，使原來位於城郊或城市邊緣的化工廠變成了繁華的市區或主城區，因此不得不採取關停搬遷措施，如重慶市曾計劃在2010年實施搬遷主城區79家化工企業
［1］
；南京市棲霞區兩年內關停搬遷127家化工廠
［2］
。關停搬遷後的化工廠原址土地存在水土汙染問題
［3-5］
，須進行“體檢”
［6］
。本文即是在蘇南某城市NH化工廠搬遷後開展的地下水和土壤有機汙染調查示範案例成果，旨在為類似化工場地實施快速汙染調查評價提供借鑑。
蘇南某城市NH化工廠建成於40年代，面積約1。2 km
2
。目前，該廠已整體搬遷，在搬遷之前主要生產苯胺鹽酸鹽Aniline hydrochloride、鄰硝基苯甲醛o-nitrobbenzaldehyde、抗氧化劑甲基Poly（dicyclopentadiene-co-p-cresol）、單叔丁基對甲酚2-tert-Butyl-4-methylphenol、橡膠助劑Rubber auxiliary和氯鹼chloro-alkaline等，生產原料有苯、硝基苯、苯胺、氯苯和鹽酸等。搬遷後的化工廠場地地下水和土壤是否發生汙染是當地政府部門十分關心的問題，因為這直接影響著土地開發利用的前景。顯然，儘快查明該場地地下水和土壤汙染特別是有機汙染的狀況具有十分重要的意義。
1 地質背景
研究場地位於向北緩傾斜的“U”型小平原，東側、南側、西側均為海拔十幾至幾十米的丘陵，北側為河流。場地內地層分佈自下而上依次為：①上白堊統浦口組，深度一般在地面以下40～50 m，巖性為紫紅、灰黃色砂礫岩。②更新統下蜀組黃土，深度一般在地面以下12～40 m，主要為多層粉質黏土夾粉砂和砂層。底部為砂礫岩層，與基岩上白堊統浦口組呈不整合接觸。③全新統，下部為下蜀組次生黃土，巖性以粉土、粉質黏土為主；上部主要為河湖相第四系鬆散沉積物，為粉質黏土夾粉土層，厚10～12 m。
可劃分為潛水和微承壓水2個含水層。潛水含水層厚5～6 m，由粉質黏土夾薄層粉砂、細砂、粉土組成；微承壓水含水層主要賦存於更新統粉質黏土中的薄層細砂、中砂夾層中及基岩面上的破碎殘積物，分佈深度為12 ～40 m。地下水流向總體為自南向北。
2 研究方法
主要採用高密度電法（又稱高密度電阻率法）圈定異常區，然後輔之以鑽探和化學分析測試驗證。研究採用的“DUK-2高密度電阻率法測量系統”是中國重慶地質儀器廠研發的新型高密度電阻率探測系統。
高密度電法是利用直流電通入地下以量測地下地層電阻率，並依此判定不同物質的介面，所測得的結果即地電阻率剖面。過去，高密度電法常用來尋找地下水資源及探查地下洞穴
［4-10］
、海水入侵
［11-12］
、滑坡勘查
［13-15］
、大壩、水庫和堤防滲漏
［16-18］
、岩溶塌陷及採空區調查
［19-20］
、隧道勘察
［21］
、斷裂和地層介面
［22-24］
等，近年來多有報道應用在探查垃圾場的地下水汙染方面的文獻
［25-29］
，而報道應用在探查化工廠地下水汙染方面的文獻則鮮見
［30-31］
。
高密度電法有多種排列方式，本次研究採用的方式包括了溫納排列法（Wenner Array）（圖1）、施倫貝爾排列法（Schlumberger Array）、二極排列法（Pole-Pole Array）及偶極排列法（Dipole-Dipole Array）。結果表明，這4種排列方式均可以幫助圈定汙染團之探測，但以溫納法、偶極法和二極法效果更好。
A、B。供電電極；M、N。測量電極；a。電極距；na。隔離係數×電極距；I。供電電流；V。供電電壓
圖1 高密度電法電極排列方式
Fig。1 Electrode arrangement of high-density resistivity method
3 研究結果
3。1 高密度電法
根據高密度電法勘查結果，發現場地內潛水含水層厚度一般為4～5 m（潛水位埋深4～5 m），由交錯分佈於粉質黏土中的薄層粉砂和細砂組成，背景電阻率值一般在20 Ω·m以下；微承壓含水層上層為中更新統粉質黏土中的多層細砂、中砂組成，分佈深度為20～26 m，背景電阻率值一般在60 Ω·m以下；微承壓含水層下層為白堊系殘積物砂礫石層，夾雜中細砂，分佈深度為35～42 m，背景電阻率值一般在100 Ω·m以下；未汙染地層背景電阻率值一般在100 Ω·m以下，超過100 Ω·m高電阻集中區多為DNAPLs汙染羽的分佈或殘留位置（圖2，圖3），分佈深度為17～45 m。
圖2 X2測線（RES2DINV）反演電阻率剖面圖（溫納法）
Fig。2 Cross section of resistivity inversion（RES2DINV）of survey line X2（Wenner Array）
圖3 X3測線（RES2DINV）反演電阻率剖面圖（溫納法）
Fig。3 Cross section of resistivity inversion（RES2DINV）of survey line X3（Wenner Array）
3。2 鑽探和測試
5口鑽孔一致證實，在地下17～45 m深度範圍內沿各類介面（砂泥層面、不整合面）及砂層、粉砂層、砂礫石層、部分粉質黏土層均分佈大量汙染物，汙染十分嚴重，汙染物具有一致的強烈的“苦杏仁”刺激性氣味。汙染物在砂層中呈現油汙飽和狀態而為黑色（圖4，圖5），在一些粉質含量稍高的粉質黏土層中肉眼看不出汙染物，但仍可透過嗅覺（有強烈刺激性“苦杏仁”味）來判斷汙染物的存在。
圖4 汙染髮黑的砂層
Fig。4 Black sand of the contaminated layer
圖5 被汙染物汙染的鑽孔岩心
Fig。5 Contaminated core of the drilling hole
採集的地下水樣中檢出大量有機汙染組分（表1）。以ZK-01孔為例，1，2-二氯乙烷達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。整體看，由於ZK-03孔位於最下游位置，因此，明顯可以看到地下水中汙染物種類最少，含量除個別外基本都很低，這與鑽孔現場整個岩心中沒有刺激性味相一致，表明位於最下游位置的ZK-03孔汙染最輕或僅僅剛受到汙染影響，而位於上游位置的ZK-01孔、ZK-02孔、ZK-04孔和ZK-05孔地下水中均存在強烈刺激性氣味，並均因高含量的有機汙染物而受到了嚴重汙染，且汙染物嚴重超標。
表1 5個鑽孔地下水主要汙染物含量
Table 1 Contents of main pollutants in groundwater of five drilling holes
注：-代表未檢測；ND代表未檢出。
採集的不同深度土層樣品中也檢出大量有機汙染組分（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、鄰二氯乙烷、鄰二氯丙烷、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、苯並（a）芘等，主要以前10種為主，尤其以苯、氯苯、硝基苯、苯胺為主。鑽探結果表明，各鑽孔土層樣品均在17～42 m汙染最嚴重，土層具有強烈的“苦杏仁”刺激性味，並具有較高的汙染物含量。如以ZK-01孔33。5 m處土層樣為例，氯苯含量達3 040 μg/kg、硝基苯含量為1 373 μg/kg、苯含量高達562 μg/kg；ZK-04孔33。5 m處土層樣硝基苯含量為1 836 000 μg/kg、苯含量為8 980 μg/kg、氯苯含量為12 500 μg/kg、苯胺含量為7 880 μg/kg、1，2-二氯苯含量為4 550 μg/kg、1，4-二氯苯含量為7 180 μg/kg、乙苯含量為1 390 μg/kg，均嚴重超標。
表2 5個鑽孔土層中主要汙染物含量
Table 2 Contents of main pollutants in soil layer of five drilling holes
注：-代表未檢測；ND代表未檢出。
5個鑽孔土層樣顯示，汙染物的種類和地下水中幾乎相同，反映了為同一汙染源。此外， ZK-03孔因位於最下游位置，岩心中未出現有強烈刺激性味的土層，反映了總體上未受到汙染，但位於上游位置的ZK-01孔、ZK-02孔、ZK-04孔和ZK-05孔岩心中均存在強烈刺激性味，並都有高含量的有機汙染物，汙染十分嚴重。
4 汙染成因
在進一步向地下水流向的上游擴大高密度電法勘察範圍並及結合地形、地貌和水文地質條件後，基本查明瞭研究區域汙染物的分佈範圍（圖6，圖7—圖12），汙染面積約0。5 km
2
，汙染深度主要為17～45 m，汙染程度隨著砂或粉砂層厚度變化及粉質黏土層中粉質含量的高低而各處不一。通常認為黏土層是不透水層和隔汙層，然而場地深部部分粉質黏土層卻出現例外，特別是粉質含量稍高的粘土層也存在汙染物，原因可能為場地內砂層相對較薄，最厚不超過0。5 m，且呈透鏡狀分佈，在上游地下水壓力傳導下，汙染物除了沿易於擴散通道運移外，也沿著粉質黏土層側向滲透運移。
1。研究區邊界；2。汙染範圍；3。測線；4。鑽孔及編號；5。汙染源及編號
圖6 高密度電法勘察線、鑽孔及汙染範圍圖
Fig。6 Distribution of survey lines， drilling holes and polluted areas
圖7 J1測線（Earth Imager）反演電阻率剖面圖（溫納法）
Fig。7 Cross section of resistivity inversion（Earth Imager）of survey line J1（Wenner Array）
圖8 L6測線（RES2DINV）反演電阻率剖面圖（溫納法）
Fig。8 Cross section of resistivity inversion（RES2DINV）of survey line L6（Wenner Array）
圖9 L3測線（RES2DINV）反演電阻率剖面圖（溫納法）
Fig。9 Cross section of resistivity inversion（RES2DINV）of survey line L3（Wenner Array）
圖10 J2測線（Earth Imager）反演電阻率剖面圖（溫納法）
Fig。10 Cross section of resistivity inversion（Earth Imager）of survey line J2（Wenner Array）
圖11 J6測線（Earth Imager）反演電性剖面圖（溫納法）
Fig。11 Cross section of resistivity inversion（Earth Imager）of survey line J6（Wenner Array）
圖12 J4測線（Earth Imager）反演電性剖面圖（溫納法）
Fig。12 Cross section of resistivity inversion（Earth Imager）of survey line J4（Wenner Array）
鑑於NH化工廠的主要生產產品（苯胺鹽酸鹽、鄰硝基苯甲醛等）及生產原料（苯、硝基苯、苯胺、氯苯等）與地下水和土層中有機組份（苯、氯苯、硝基苯、硝基苯、苯胺等）基本一致的事實，研究認為地下水和土層中有機汙染物來源於同一汙染源，即化工廠地下儲物罐發生滲漏所致（圖13）。透過分析研究並結合場地原來地面和地下儲物罐的位置，推斷出在研究區域存在多個洩漏源（圖6）。洩漏源都位於高密度電法勘察線（X線）和ZK-01孔、ZK-02孔、ZK-04孔和ZK-05孔以南。
圖13 地下水和土層汙染示意圖
Fig。13 Schematic diagram of groundwater and soil pollution
5 結論
（1）蘇南某城市NH化工廠場地地下17～45 m含水層和土壤（土層）發生了嚴重有機汙染，汙染物主要是高濃度的氯苯、硝基苯、苯、苯胺、乙苯等有機汙染物；查明化工廠地下土壤和地下水汙染狀況，確定汙染物來源和成因主要為化工儲罐發生滲漏向地下遷移擴散所致，並圈定了地下汙染物空間分佈範圍。
（2）高密度電法在勘查地下土壤（土層）和地下水嚴重有機汙染是行之有效的。其中，溫納法、偶極法、二極法和施倫貝爾法均可以幫助確定地下汙染暈，但以溫納法、偶極法和二極法效果更好，鑽探和採集的地下水和土壤樣品測試進一步證實了該方法的有效性和正確性。本次研究發現在地下17～45 m的含水層和土壤（層）存在多個超過100 Ω·m高電阻異常區，這些高電阻異常區均為受到高濃度有機汙染物影響汙染暈，據此進一步擴大了勘察範圍從而圈定出地下汙染物空間分佈狀況。
（3）高密度電法在城市探測地下有機汙染暈十分經濟和方便，建議推廣使用。