某石油污染場地兩種調查方法應用比較

高春陽 陳昌照 黃 亮 宋權威 張 羽 陳宏坤

(1.石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室；2.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司；3.中國地質科學院水文地質環境地質研究所；4.中國地質大學(北京)；5.中國石油天然氣股份有限公司遼河石化分公司)

0 引 言

石油被廣泛應用于生產及生活的各個領域，包括工業、農業、交通運輸業等，目前，全球石油總產量超過30億t[1-3]。然而，井噴、泄漏以及石油生產過程中產生的副產物通常導致土壤和地下水的污染[4-5]。石油一旦進入土壤產生污染，自然修復過程將十分緩慢[6]。同時石油污染物中含有的苯系物(BTEX)及多環芳烴(PAHs)危害較大，通常產生“三致”效應，危害人類健康。

在石油污染場地調查過程中，通過洛陽鏟、手工鉆等工具“采集-送檢”傳統方式通常對土壤樣品的采集深度有限，而且這種人工采集方法對土壤擾動較大，易造成污染遷移。考慮到取樣結果分析通常需要數周時間，而一旦檢測結果不能滿足調查需求，將導致調查費用增加、調查周期延長、調查結果不確定性陡增等一系列問題產生。

近年來，膜界面探測法(MIP)和地球物理法(包括直流電法、電法、磁法、地質雷達等)探測現場篩選技術已經在國內外展開了應用[7]。孔祥科等[8]在河北某化工廠應用MIP技術判斷了污染羽的分布范圍。夏群等[9]采用高密度電阻法對某農藥污染場地進行調查的同時對比了傳統取樣技術的測試數據，結果顯示兩種技術得出的污染結論基本吻合。這兩種技術均能夠幫助現場工作人員快速識別場地污染物的污染范圍，減少采樣量、檢測費用和時間。然而目前針對這兩種技術在同一污染場地的應用還比較少見。因此本研究以某煉廠的油罐區為研究對象，通過MIP和地球物理探測技術結合傳統取樣，分析其電信號、高密度電阻數據以及取樣分析數據之間的關聯性，比較兩種技術在污染場地中應用的優越性。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區為我國某廢棄石油煉廠，該煉廠始建于70年代初，主要分為上世紀80年代建設的原油罐兩座、渣油罐4座、汽油罐6座、柴油罐6座，90年建設的原油罐兩座、柴油罐兩座，2000年后建柴油罐4座等。根據地層鉆孔揭示，約10 m深度以下有一層巨厚紅色泥巖，為強隔水層。紅色泥巖以上至地表為松散第四系沉積物，主要由粉質黏土、粉質砂土等構成。因紅色泥巖具有良好的隔水性，且研究區地下水上下游的承壓水井均未發現污染，本次場地調查深度設定為地下10 m以上，因無明顯潛水層，主要調查對象為土壤。研究區各罐區位置見圖1。

圖1 研究區各罐區位置

1.2 現場主要設備及原理

現場工作的主要設備包括Geoprobe鉆機和E60D多功能電法物探設備。其中Geoprobe包含DT22式取樣板塊和MIP板塊，MIP板塊的主要參數為：載氣(氮氣)流量40 mL/min、氫氣流量20 mL/min，MIP鉆桿鉆進速度2 cm/s、半透膜溫度121℃，定量校準以1 000 mg/L的甲苯溶液的電信號相應值進行定量，其工作原理為通過對半透膜進行加熱，土壤中的揮發性物質通過載氣攜帶進入檢測器中，檢測器根據污染物的濃度給出相應的電信號變化，其原理如圖2所示。

圖2 MIP工作原理示意

地球物理探測主要采用E60D多功能電法物探設備，利用高密度電阻法進行。視電阻率為地下介質電性的綜合反應，通過反演計算，即可得到深度-電阻率剖面。其工作原理是以介質電阻率差異為基礎，采用一定電極裝置向地下供以穩定電流，觀測供電電流強度和測量電極之間的電位差，進而進行計算。其工作原理示意如圖3所示。

圖3 高密度電阻法工作示意

工作時，視電阻率ρ可通過測量AB極供電電流I，MN測量電位差▽V及裝置系數K后，通過公式(1)求得：

(1)

1.3 土壤樣品的采集與分析

為較準確的對污染土壤進行定量分析，本次調查在MIP以及地球物理探測后進行了污染土壤的采樣。采樣過程以Geoprobe直接推進式取樣，具體以DT22式取樣法進行，這種取樣方式降低了取樣過程的交叉污染，使測試結果更準確。樣品取出后于0.5，1.5，3，5，8，10 m處采用EPAVOC棕色取樣瓶進行取樣，然后放入車載冰箱(4℃)中運至實驗室進行分析，主要分析項為VOCs，以HJ 741—2015《土壤和沉積物 揮發性有機物的測定頂空/氣相色譜法》為依據進行分析。

2 結果與討論

2.1 MIP測試結果分析

本次MIP調查主要在罐區內進行，其MIP和相應區域的采樣點點位布置如圖4所示。

圖4 MIP(左圖空心)和采樣點位(右圖實心)布置

根據MIP的三個檢測器(FID、PID、XSD)的結果顯示：油罐區內3#、4#、8#、9#、12#、15#、18#、19#、20#點位的FID和PID檢測器具有響應值，其余點位無響應或響應較低，而XSD在整個區域內無響應。因此推斷該區域涉及的污染物主要是石油類污染物，不含鹵代有機物。結合建廠過程中各罐區的建設時間發現：PID和FID在10#、11#、13#、14#、16#、17#等點位均無明顯響應，點位輻射區為年代較新的柴油、原油儲罐區，未發生泄漏或污染程度較輕。PID和FID在3#、4#、8#、9#、12#、15#、19#、20#等點位有響應且具有同步性，點位輻射區為80年代建設的儲罐區，主要污染物推斷為石油烴類污染物。18#點位只有FID響應，點位輻射區為70年代建設的汽柴油罐區，判斷污染物主要為飽和烷烴。同時根據MIP響應值建立了罐區內的三維污染模型，如圖5所示。

圖5 MIP測試FID響應值的3D顯示

2.2 地球物理法的測試結果

本次地球物理測試在罐區內共設置了三條測線，其分布如圖6所示。

圖6 高密度電法測線位置分布

根據高密度電阻的變化值，在各測線處的電阻值的剖面如圖7所示。

圖7 各測線反演電阻率剖面

其中CX1測線位于渣油罐區，測線長度79 m，由淺至深總體上分為“高低高低”四套電性層，各層電性值較穩定，在35～160 Ω·m之間變化，未見高阻區塊，即表示為無污染區塊，但布設在該區塊的MIP點位1#、3#點的FID與PID均出現了較高的響應值。CX2測線位于汽油罐區，測線長度63 m，由淺至深總體上也分為“高低高低”四套電性層，其中第三電性層為高阻層，電阻率數值很大，在140～700 Ω·m之間，推測是受污染影響，但MIP點位8#、9#在柴油罐區亦有明顯響應。CX3測線位于柴油罐區，測線長度63 m。由淺至深總體上分為“高低高低”四套電性層，其中第四層部分區塊發育極高阻異常體，電阻率數值在240～5 000 Ω·m之間，可能是污染影響，這與MIP測試得出在汽油罐區的FID響應值一致。因此，兩種技術在同一地區所得出的污染結論稍有區別，但大體一致。

2.3 室內樣品分析與MIP和地球物理法數據的相關性分析

鑒于上述兩種技術在同一區塊(渣油罐區、柴油罐區、汽油罐區)所得污染結論情況，本次研究選擇測線上的相應的取樣點和MIP點位通過室內樣品測試得出的VOCs類污染物的實測值與MIP-FID、PID得出的電信號值和地球物理法得出的高密度電阻率進行了相關性分析，由圖8所示：實驗室測定VOCs值與現場測定的FID的電信號值呈正相關關系，相關系數為R2=0.938 9，其回歸方程為y=586.74x+910.91。同樣，與PID的響應電信號值的相關系數R2=0.923 8，其回歸方程為y=1 905.6x-154 238。VOCs值與而VOCs與高密度的電阻率值的相關系數為R2=0.849 8，相應的回歸方程為y=0.930 4x+68.702。對比而言，若以實驗室對VOCs的分析數據為標準，則MIP測定的污染結果更加具有說服力，其相關性表現為強相關，相關系數均達到0.9以上，而地球物理法-高密度電阻法，雖呈現正相關關系，但相關性較MIP法低，這可能與地層的地質條件以及土壤的含水率對電阻值的影響有關。

圖8 VOCs與MIP-FID、PID和電阻率的相關性

3 結 論

通過使用MIP和地球物理-高密度電阻兩種方法對廢棄煉廠進行的污染調查，場地內渣油罐區、柴油罐區均出現了FID、PID的電信號值和高密度電阻率值的異常，可確定該區域已被污染。同時以實驗室測定的VOCs值進行結果驗證分析表明，土壤中的VOCs值與MIP-FID、PID所得的電信號值呈正相關關系，相關系數分別為0.938 9和0.923 8，相關性較強，而VOCs與高密度電阻法測定的電阻率之間的相關性比MIP法要弱一些，相關系數為0.849 8。因此，在有機污染場地調查中，使用MIP技術可能對區域內的污染情況做出相對準確的判斷。