引用本文
张辉. 石油烃类污染土壤电阻率特征及其影响因素[J]. 物探与化探, 2017,41(4): 769-774.
ZHANG Hui. Research of petroleum hydrocarbon contaminated soil resistivity and influencing factors[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(4): 769-774.
Doi:10.11720/wtyht.2017.4.29  
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石油烃类污染土壤电阻率特征及其影响因素
张辉
上海市环境科学研究院,上海 200233

作者简介: 张辉(1987-),男,硕士,研究方向为土壤治理和修复。Email:zh20010929@163.com

收稿日期: 2016-11-23
基金: 上海市环境科学研究院青年基金项目(CX201403)
摘要

为研究不同类型土壤受到石油烃污染后电阻率的变化情况和影响因素,采用米勒盒对4种不同类型的污染土壤进行室内电阻率实验。结果表明:粗砂和细砂的电阻率随着污染物量增加而减小,粉土和黏土的电阻率随着污染物量增加而增大,呈现出相反的趋势;当含水率大于30%时,改变含水率对土壤电阻率的影响很小,此时决定污染土电阻率的因素为土壤类型和污染物含量;温度是影响土壤电阻率的一个重要外部环境因素,受污染土壤电阻率随着温度升高而降低,符合修正参数的Campbell经验公式。

关键词: 环境工程; 土壤电阻率; 石油烃; 含水率; 烃类污染; 土壤治理
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)04-0769-06
Research of petroleum hydrocarbon contaminated soil resistivity and influencing factors
ZHANG Hui
Shanghai Academy of Environmental Sciences,Shanghai 200233,China
Abstract

To study the Situation changes and influencing factors of soil resistivity when different types of soil were polluted by petroleum hydrocarbon, miller soil box was used in the indoor pollution soil resistivity experimenton the four different types of soil. The results showed that the grit and fine sand resistivity decreased when they were invaded by petroleum hydrocarbons pollutants, and silt and clay soil resistivity increased when they were invaded by petroleum hydrocarbons pollutants, which showed the opposite trend.When moisture content was more than 30%, the change of moisture contenthardly influenced the soil resistivity, and then thedecisive factors were soiltype and the pollution level.Temperature is an important external environmental factors of soil resistivity.With the temperature rising, the polluted soil resistivity reduced, which conformedt campbell's empirical formula of amendatory parameters.

Keyword: Environmental engineering; Soil resistivity; Petroleum hydrocarbon; Moisture content; Hydrocarbons pollutant; Soil remediation
0 引言

2005年4月— 2013 年12月, 环境保护部会同国土资源部开展首次全国土壤污染状况调查[1], 结果显示全国土壤环境状况总体不容乐观, 土壤遭受NAPLs有机污染问题较为严重, 其中大量石油化工企业的地下储罐渗漏的石油烃类有机污染物是地下水和土壤污染主要来源之一[2]。目前, 针对地下水和土壤中石油烃类污染物的监测主要采用传统的打井取样方法, 而随着新兴地球物理方法的不断发展, 利用多种技术进行地下污染的探测成为了可能[3, 4]。由于土壤在遭受污染后电阻率会产生变化, 电阻率法[5, 6]正是通过探测污染土与未污染土电阻率差异作为判断土壤污染的依据。近年来国内已有一些针对不同污染类型土壤电阻率的研究, 如重金属污染土壤[7]、盐渍土壤[8, 9]以及油类污染砂土[10], 取得了一些初步成果。

目前关于受到石油烃类污染土壤电阻率和污染物之间的定量化研究较少, 仍处于起步阶段, 如果能掌握污染物与土壤电阻率之间的变化规律, 那么通过分析电阻率法探测得到的地电阻率剖面便可快速判断受污染土壤的范围以及污染程度。

石油烃类污染物在包气带— 饱水带多重界面上的迁移是一个复杂的多相过程, 受污染强度[11, 12]、土壤介质组成与结构[13, 14]、含水率[15, 16]和环境温度[17, 18]等多种因素影响, 本文就电阻率法的基本原理以及影响土电阻率的因素作为切入点, 结合对4种土壤的石油烃模拟污染实验来研究污染土的电阻率特征, 初步建立石油烃类污染物含量与不同类型土壤电阻率之间的关系曲线, 开展石油烃类污染与土壤电阻率的变化规律研究, 为今后利用电阻率法判断污染场地的污染程度提供理论依据。

1 实验材料与方法
1.1 实验材料

本次实验选择了4种土壤样品, 按照颗粒由粗到细分别为粗砂、细砂、粉土和黏土。其中粗砂和细砂取自于清洁河砂, 根据《岩土工程勘察规范》的标准进行粒径级配调配筛选; 粉土和黏土取自上海地表浅层土, 采用比重计法[19]对其粒径分布情况进行分析, 结果如图1所示。

图1 土壤粒径分布曲线

土样在进行电阻率实验前经碾碎、过2 mm筛孔、烘干等处理, 并对4种土壤样品的基本物理性质及粉土和黏土的有机污染物含量进行了分析(表1)。4种土壤样干容重分布在1.129~1.493 g/cm3之间, 密度较为接近, 在2.64~2.76 g/cm3之间, 孔隙度则随着土壤颗粒变细而逐渐增大。采集到的粉土和黏土中各种有机污染物含量较低, 经检测, 其中粉土中含有乙苯0.07 mg/kg, 总石油烃C6— C9为25.6 mg/kg, 黏土中含总石油烃C6-C9为20.5 mg/kg, 其他挥发性有机物及石油烃类均未检出, 土壤基本未受到污染, 确保实验结果不受其他污染物影响。

表1 4种土壤样品的基本物理性质

实验选用的石油烃类污染物为正己烷(分析纯), 其密度在标准大气压下为0.69 g/cm3, 纯的正己烷在18 ℃下电阻率大于1× 1016 Ω · m。

1.2 实验装置

本实验测试土壤电阻率的方法采用四极法(其测试电路见图2)。该法是土壤电阻率调查分析中比较理想和常用的方法之一, 通过测试两电极之间的电压降以及流经土体的电流, 根据欧姆定律计算出土体电阻率值。测试土样电阻率的计算公式为

ρ=b·h·UI·l,

式中:ρ 为电阻率, b为米勒盒内宽, h为米勒盒内高, U为MN间的电压, I为通入的电流强度, l为MN之间的距离。

图2 土壤电阻率测试实验装置示意

2 结果与分析
2.1 土壤电阻率与含水率的关系

含水率是影响土壤电阻率的重要因素, 实验研究了不同含水率条件下4种土壤的电阻率变化情况。图3a为四极法测量的4种不同土壤介质在烘干状态下的电阻率。粗砂和细砂的电阻率大于5× 105 Ω · m, 粉土和黏土电阻率在2× 105 Ω · m左右。由于烘干土壤主要依靠土壤颗粒表面导电, 对于砂土颗粒来说, 导电性微弱, 所以纯净砂的电阻率是极大的; 对于黏土和粉土来说, 由于土壤的粘性颗粒表面存在双电层, 双电层中的离子具有较强的导电能力, 因此其导电性要强于砂土, 而含有粘粒比例高的黏土比粉土的电阻率也更低。

图3b为四极法测量的不同土壤介质的电阻率随着含水率变化曲线。可以看出, 4种土壤电阻率都呈现出随含水率升高而降低的趋势, 其中含水率在5%~30%的粗砂和细砂电阻率由400 Ω · m左右下降到100 Ω · m左右, 变化趋势为先急后缓。对于粉土和黏土而言, 当含水率为5%时, 电阻率为250 Ω · m左右, 随着含水率增加电阻率迅速下降, 当含水率达到20%后, 两种土壤样电阻率随含水率变化趋势较缓。分析土壤电阻率下降的原因, 在低含水率条件下, 含有粗颗粒多的介质电阻率高于含有细颗粒多的介质, 从表1中可以看出, 随着土壤样颗粒变小, 土壤样的孔隙度是逐渐增大的, 而含水率升高的过程即是土壤中孔隙水增加的过程, 孔隙中“ 自由水” 增多导致其连续性得到改善, 电流优先选择连续的孔隙水传导, 形成电流通路, 使得电阻减小。同时由毛细带形成原理可知, 在含有细颗粒多的土壤中孔隙水因毛细力更易形成电流通路, 因此土壤样的电阻率最小。

图3 烘干土壤电阻率及电阻率随含水率的变化特征

根据Ananyan[20]、叶萌[21]等的研究成果, 土壤电阻率与含水率呈现指数相关的关系, 并通过正交实验得到了土壤电阻率与含水率的经验公式:

ρ=y0+A·exp(R0·w), (1)

式中y0、A和R0为经验参数, 与土壤类型相关。对于本次实验数据采用这一经验公式拟合, 曲线拟合相关系数都在0.99以上(表2)。

表2 经验公式拟合参数
2.2 土壤电阻率与石油烃类污染物含量的关系

由土壤含水率与电阻率关系曲线可知, 每种类型土壤在含水率为30%以上时(接近饱和), 电阻率几乎不发生变化, 那么此时石油烃类污染物含量是引起电阻率变化的主要因素。通过人工配制相同含水率条件下(30%)的等体积的4种土壤样若干份, 依次加入2.5~25.0 mL的正己烷(与土壤体积比为1.04%~10.42%, 估算正己烷污染物含量约为(2 662~26 000)× 10-6, 均在室温下测试其电阻率, 同时进行一组平行实验, 得到污染物含量与砂样电阻率的实验结果见图4。

图4为粗砂和细砂电阻率随污染物含量的变化关系曲线, 电阻率均随污染物含量的增加呈现指数形式降低[22], 粗砂和细砂在未加入污染物时其电阻率分别为99.51 Ω · m和81.67 Ω · m。当砂样中的LNAPLs污染物由0.0 mL增加到25.0 mL时, 粗砂和细砂的电阻率下降幅度分别为14.6%和19.7%。在污染物加入砂样的初期, 粗砂和细砂电阻率的下降幅度均较为明显, 当污染物含量从20.0 mL增加至25.0 mL时, 粗砂和细砂的电阻率的下降逐渐放缓。分析受污染砂土电阻率下降的原因:由于砂土的电阻率主要取决于孔隙水的连通性, 砂土的总空隙度小, 但其单个孔隙大, 水在砂土中分布并不均匀, 连通性较差, 而加入污染物后, 基于石油烃类和水不相溶, 且砂样由石英等矿物组成, 具有亲油性, 使污染物附着在颗粒表面, 由于石油烃取代了颗粒表面的水, 使得孔隙水连续性得到改善, 导电性增强, 从而使含水砂样电阻率降低。

图4 粗砂(左)和细砂(右)电阻率随石油烃类污染物侵入量的变化曲线

图5为粉土和黏土电阻率随污染物含量的变化关系曲线。电阻率均随污染物含量的增加呈现指数形式增大, 与砂土的变化趋势是相反的。粉土和黏土在未加入污染物时其电阻率分别为18.55 Ω · m和8.51 Ω · m, 当污染物的量从0.0 mL增加到25.0 mL时, 粉土和黏土的电阻率增加幅度分别为 12.0%和17.3%。由于粉土和黏土孔隙度较大, 且土壤颗粒小, 多为细小孔隙, 因此孔隙水的连通性较好, 而随着导电性极差的污染物液滴替代了部分孔隙水的位置, 阻碍了电流传导, 使得原本孔隙水的连通性变差, 因此, 粉土和黏土的电阻率呈现出变大的趋势。

图5 粉土(左)和黏土(右)电阻率随石油烃类污染物侵入量的变化曲线

目前, 关于土壤电阻率随污染物含量的变化, 尚未有一个能够全面反映这一规律的公式。采用式(1), 可得到电阻率ρ 与污染物加入量V的经验公式:

ρ=y0* +A* ·exp(R0* ·V), (2)

式中, y0* 、A* 、 R0* 为修正后的经验参数。对4种土实验数据进行相关拟合, 曲线拟合相关系数较高, 拟合参数见表3。

表3 污染土经验公式拟合参数
2.3 温度对石油烃类污染土壤电阻率的影响

温度变化也是影响土壤电阻率的一个重要的外部因素。本次实验在含水率为30.0%条件下, 对20~45 ℃温度范围内污染土壤电阻率与温度的变化关系进行了研究, 结果如图6所示。

图6 温度与石油烃类污染土壤电阻率变化关系曲线

由图可知, 随着温度升高, 污染土壤电阻率呈现降低趋势, 粗砂、细砂、粉土和黏土的最大降低幅度分别达到了36%、31%、42%和53%, 这是由于正己烷随温度升高(20℃~45℃)其电阻率性质并没有发生显著改变, 仍然是高电阻率, 因而对整个土壤介质电阻率起主导作用的因素的仍是孔隙水, 由于孔隙水的粘滞性随着温度上升而减小, 导致离子的迁移速率增大, 增大了孔隙水的导电性, 电阻率降低, 另外, 土壤中矿物溶解度随温度升高而增大, 使孔隙水的离子增加, 于是电阻率降低。

Keller、Frischnecht和Campbell[23, 24]等的研究表明, ρt0(某一特定温度t0时的电阻率, Keller和Frischnecht采用18℃, Campbell采用25℃)与ρ t(任意温度t时的电阻率)的比值与温度t呈线性关系:

ρt0/ρt=1+α(t-t0), (3)

式中:ρ t为任意温度的电阻率; α 为校正系数, 是常数; t为任一温度。

本次实验温度变化范围为20~45 ℃, 对于污染土的实验数据采用Campbell经验公式的形式(t0取25 ℃)进行拟合, 并对校正系数进行修正, 结果如表4所示。拟合得到的特征曲线相关系数在0.965~0.997之间, 相关性较好。对于不同的土壤类型, 其校正系数α 是不同的。

表4 修正后的Campbell经验公式参数
3 结论与讨论

1) 当石油烃类污染物含量增加时, 不同类型的土壤其电阻率的变化规律也不相同, 粗砂和细砂的电阻率降低而粉土和黏土的电阻率升高, 其变化关系可以采用指数关系的经验公式拟合, 参数值与土壤类型有关, 这一结果可为利用电阻率法实现定量化石油烃污染物浓度提供理论依据。

2) 石油烃类污染土的电阻率影响因素主要包括三个:孔隙水、土壤类型和污染物含量。当含水率大于30%时, 含水率继续增大对土壤电阻率的影响很小, 此时决定污染土电阻率的因素为土壤类型和污染物含量。

3) 温度是影响污染土电阻率的一个重要因素。实验结果表明:不同类型污染土随温度升高都呈现电阻率降低的趋势, 但是变化的程度存在差异, 变化关系符合修正参数的Campbell经验公式。

4) 从实验的结果来看, 当加入的污染物占土壤体积分数由1.04%变化至10.42%时, 污染土的电阻率相比于未污染土其最大变化幅度为19.7%, 也就是说, 在高浓度的污染物(估算正己烷污染物含量约为2 662~26 000 mg/kg)侵入土壤后, 引起的电阻率变化才足够显著, 因此, 对于石油烃类污染物浓度较低的污染场地而言, 可能难以通过电阻率法辨别。

The authors have declared that no competing interests exist.

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