CN107544097A - 一种基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法。它包括场地现场踏勘、从“面”上开展场地全覆盖的快速探测、从“线”上进一步定位污染团与可及深度、从“点”上开展钻孔取样与分析验证、从“面”上准确评估场地污染程度。该方法针对具体目标场地或区域，有步骤、有针对性地使用电磁感应仪‑高密度电阻率仪—探地雷达的地球物理探测技术组合，精确定位区域土壤疑似污染区或点，合理布置采样点位，结合现场快速污染筛查和钻孔取样测试分析，构建从面到线再到点，最终回到面的土壤污染调查流程。该方法实现了土壤污染的快速精确定位、采样点位的合理布置、区域全覆盖的土壤污染调查，提高了污染面积的估计精度。

Description

一种基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估 方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，涉及一种基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法。

背景技术

近30年来，随着社会经济的高速发展和高强度的人类活动，我国土壤环境安全问题日益凸显，引起社会广泛关注。“开展土壤污染调查，掌握土壤环境质量状况”成为国家《土壤污染防治行动计划》的首要任务。相对水体和大气污染而言，土壤污染具有不均匀性的特点；由于土壤类型、性质的差异，以及污染物、区域水文气候特征的不同，污染物在土壤中的扩散、运移、降解、存留都具有很大的不确定性，因此，土壤污染受诸多因素影响，呈现出极其复杂的状态，要准确掌握一个场地或区域的土壤污染分布情况具有一定的困难。大量研究表明，一个场地或区域的土壤污染调查结果与污染分布真实情况之间的变异度主要是由采样空间位置导致的，而样品测试分析对变异度的贡献反而小。因此，针对空间变异性较大的土壤污染，科学合理的土壤采样布点方案对保障污染调查结果的精度非常重要。土壤采样点位的布设在很大程度上决定着整个调查评估的准确性和经济性，并直接影响到修复成本的估算准确与否。

我国现行的有关土壤污染调查技术规范主要有《场地环境调查技术导则》(HJ25.12014)、《场地环境监测技术导则》(HJ25.2 2014)、《建设用地土壤环境调查评估技术规定(征求意见稿)》、《农用地土壤污染状况详查点位布设技术规定(征求意见稿)》等。少数地区或城市还专门制定了本地化的技术规范，比如《上海市场地环境调查技术规范(试行)》、《上海市场地环境监测技术规范(试行)》。现行的调查技术规范/导则中的布点方法一般多采用系统布点法、专家判断布点法、分区布点法等。这些传统布点方法下的土壤污染调查具有明显弊端，具体如下：

(1)传统调查方法在方法学上是聚焦“点”，对土壤污染情况描述的精度不足。现行的场地土壤环境调查监测相关技术导则或规范的布点方法一般多采用系统随机布点法、专家判断布点法、分区布点法等。系统布点法(网格布点法)使用最广泛，建设用地的场地初步调查阶段一般按40m×40m的网格布点，详细调查阶段网格尺寸不大于20m×20m。农用地土壤调查的点位布设精度更粗，网格尺寸从250m×250m到1000m×1000m变化。传统调查方法的总体点位较疏、布点位置的选择随意性大，很容易遗漏污染区，大多只能以“点位超标率”来总体估计场地或区域的土壤污染状况。这种以“总体估计”为目标的传统土壤污染调查布点方法虽然对污染物平均含量的估计精度尚可接受，但对污染的空间分布(范围)信息的估计精度较低，通常影响风险管控决策和修复成本估算。

(2)传统调查方法很难实现目标区域“全覆盖”调查，导致适用范围有缺陷。传统调查监测方法是试图通过“点”上的初步调查，在出现污染的某“点”周围加密布点详细调查，呈现局部区域上的污染情况。理论上，一个区域的采样点位密度越大，则越接近对该区域进行“全覆盖”调查，调查结果也会越接近真实情况。然而，过多的布设采样点位会造成人力、物力和时间的巨大浪费，因此，实际调查工作所布置的采样点位数量往往是非常有限，很难实现对目标区域的“全覆盖”调查，这导致传统调查方法的实际适用范围有很大缺陷。对于那些历史背景信息严重缺失或污染情况复杂的区域，传统调查监测方法的适用性和可靠性大大下降。比如一些废弃矿区的土地复垦农用，区域面积大,潜在污染情势复杂,采用传统调查方法的网格布点法，很容易遗漏污染区，威胁农产品安全；上海、北京等大城市推进的集中建设区以外低效工业用地的减量化(复垦农用)，由于场地历史变迁非常复杂、企业入驻频繁，采用网格布点法无法做到区域“全覆盖”调查，一旦遗漏污染区或点，复垦工程易导致污染扩散，对农产品质量安全产生威胁。

环境地球物理探测(简称物探)技术是通过实时探测地下环境中电阻率、磁性、介电常数、波速、密度等物理量变化，同时提供水文地质特征与可能污染异常信号，并在短时间内提供调查范围内足够密度的污染探测数据。

频率域电磁感应仪、高密度电阻仪、探地雷达是常用的环境地球物理探测关键技术设备，这3种技术设备的大致应用情况如下：

1、频率域电磁感应仪

频率域电磁感应法是一种用于快速评估地层电导率(电阻率的倒数)和同相率(类似磁化率)的地球物理无损探测方法。频率域电磁感应法的测定原理是由固定在仪器一端的“发射线圈”向地面发出一定频率的正弦波磁场，该原生磁场诱导出地层中的电流；感应电流产生次生电磁场，由固定在仪器另一端的“接收线圈”所接受，并记录次生磁场的强度。通过比较原生磁场和次生磁场之间的相位偏移/延滞，从而计算出地层土壤或物质的导电性。次生磁场信号可被分成同相分量(与原生磁场具有同相位)和正交分量(与同相分量相互垂直，即相位相差90°)。当地层土壤/物质电导率增加时，相位延滞会增加。简而言之，当导电性增加时，正交分量相应减少，同相分量相应增加。频率域电磁法可作为场地前期阶段调查的重要调查手段，可对场地实现全覆盖(“面”的层次)、快速地实施扫描探测，划定可疑污染区和相对清洁区，规划后续调查工作。频率域电磁感应仪具备反应快速(测量时间为0.1—20秒可调)，易于操作、快速简便，以步行速度每天可移动测量10～20公里的距离，每小时可完成2000至3000平米场地或1天完成20～30亩场地的快速筛查。

可选用的仪器品牌有：加拿大Geonics公司的EM31-Mk2、EM31-Sh、EM31-multi、EM34-3、EM34-3XL.、EM38DD；加拿大Dualem Inc.公司的DUALEM 1,1s,2,2s,4,4s,2/4,2+4s，1+2+4s等系列产品；加拿大Apex Parametrics公司的Max-Min系列产品。美国Geophex公司的GEM-2，GEM-3等系列产品；美国GSSI公司的Profiler EMP400；美国L&R Instruments公司的MiniEM。捷克GF Instruments公司生产的CM-031、CM-032、CM-138、CMD-2、CMD-4、CMD-6、CMD-explorer等系列产品。法国IRIS Instruments公司的PROMIS-10。南非Red Dog仪器公司的DT Barlow FEM-8 System。

2、高密度电阻率仪

高密度电阻率法是基于多种电极排列的常规电阻率法与资料反演处理相结合的综合电法系统方法。测量原理是将多个电极置于测线上，借助电极导入直流电，并通过电极转换开关和工程电测仪量测电极间电压差及相对应的空间位置，可实现地层电阻率数据的快速自动采集并能够进行现场数据处理、分析和成图,分析可疑污染物范围、深度。具体技术操作流程与方法可参考《城市工程地球物理探测规范》(CJJ7-2007)。高密度电阻率法的测线电极布置一次性完成，同一条多芯电缆上布置的多个电极由高密度电阻率法测量系统进行控制，使其能够自动完成多个垂向测深或多个水平不同深度的探测断面，可同时反映地下介质横向和纵向的电阻率变化规律，提供更多的地点断面信息，具备电测深与电剖面的综合勘探能力，可充分发挥其在具体剖面(“线”的层次)的地下污染探测优势。

可选用的仪器品牌有：中国地质大学物探系研制生产的GMD-2型高密度电法仪、重庆奔腾物探仪器有限公司WGMD系列、美国AGI公司的SuperSting系统、日本OYO公司的MCOHM系列、瑞典的ABEM公司的SAS系列产品、法国的IRIS公司的Syscal系列等。

3、探地雷达

探地雷达监测原理是由电压为数百伏特的发射线圈，产生频率范围自10～3000MHz、历时为几十亿分之一秒(ns)的脉波(雷达波)射入地下或建筑结构体内，此入射波经地下的具不同电性的地层界面、埋藏体(如地层内管线、空洞及结构体内钢筋、污染团等)反射至地表，并由放置在地表的高灵敏度的接收天线接受此信号。由接收到信号时间的长短与波型的变化，经由数据处理后推测目标物的形貌。当所使用雷达波的频率越高，波长越短，解析度相对提高，但探测深度则较浅；反之当使用的雷达波频率越低，波长越长，则探测深度愈深，但解析度稍差。探地雷达沿测线进行移动测量，可对具体地下剖面(“线”的层次)因渗漏造成的污染团实现有效探测。探地雷达对地下管道、储槽、电缆及其他不明掩埋体的探测效果佳。

可选用的仪器品牌有：中国电波传播研究所LTD系列、美国GSSI公司SIR系列、瑞典SGAB公司RAMAC系列、意大利RIDS公司k2及RIS系列，加拿大SSI公司PulseEKKO系列、拉脱维亚的zond-12e等。

但目前还无人将频率域电磁感应仪-高密度电阻率仪—探地雷达组合技术有步骤、有针对性地应用于场地污染环境调查中，构建从“面”到“线”再到“点”，最终回到“面”的土壤污染调查流程。

发明内容

本发明的在于：提供一种将频率域电磁感应仪-高密度电阻率仪—探地雷达组合技术有步骤、有针对性地应用于场地污染环境调查中，构建从“面”到“线”再到“点”，最终回到“面”的土壤污染调查流程的基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的方法是一种针对具体目标场地或区域，有步骤、有针对性地使用“电磁感应仪-高密度电阻率仪—探地雷达”的地球物理探测技术组合，精确定位区域土壤疑似污染区或点，合理布置采样点位，结合现场快速污染筛查和传统钻孔取样测试分析，构建从“面”到“线”再到“点”，最终回到“面”的土壤污染调查流程，流程图见图1。

本发明一种基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法，具体按以下步骤实施：

(1)场地现场踏勘

首先，对目标场地的基本情况进行实地踏勘，初步掌握场地地形、水文地质、土壤质地、地下储罐、地下管线分布和地球物理条件。此外，通过现场踏勘初步了解场地内生产设施布局，识别高污染潜势区，以便划定重点关注区域。充分考虑场地的水文地质以及污染类型，为后续的地球物理探测工作做好充分准备，并选择合理的仪器参数。

(2)从“面”上开展场地全覆盖的快速探测

首先采用频率域电磁感应仪对场地进行全覆盖快速探测扫描，从“面”上整体判断场地土壤污染的可能分布位置。仪器在地表移动测量，实时采集两类数据，一是地层导电度(即地层电导率，单位mS/cm)，另一个是由磁化率决定的同相率(即相位值，单位ppt)。将检测数据输入到电脑，通过常用的绘图软件(比如surfer、ArcGIS等)将地层电导率和相位值分别进行插值(克里格法)，形成场地全覆盖的地层电导率和相位值平面分布图(图2和图6)。通常情况下，地层电导率的异常高值区、极低值区或负值区定义为“信号异常区”(疑似污染区)，接近区域背景值的区域可定义为“信号正常区”(疑似清洁区)。

(3)从“线”上进一步定位污染团与可及深度

在频率域电磁感应仪全覆盖探测结果的“信号异常区”(疑似污染区)布置若干条测线，采用高密度电阻率仪沿着测线探测地下剖面的电阻率，并采用探地雷达沿着测线通过无线电波来确定地下介质分布，从而在“线”层面探测地下疑似污染团的剖面分布形态及分布深度，纠正频率域电磁感应仪扫描结果对地下物理构造引起的信息误判，进一步精确定位污染异常区或点的位置和深度。

鉴于两种仪器方法对污染介质的敏感度有差异，对于具体每一条测线,优先采用高密度电阻率法，可提高地下剖面的土壤污染调查精度。对于地面有混凝土等其它硬质铺装的区域，则最好先使用探地雷达开展无损探测，提前发现近地表的管道、电缆及地下构筑物等，避免进行高密度电阻率作业布设电极时碰触到这些近地表的物体。

(4)从“点”上开展钻孔取样与分析验证

在前面地球物理探测仪器分析结果的基础上，在所有污染异常区或点布置采样点位，在“信号正常区”(即“非异常区”，疑似清洁区)可随机布置至少1个点位作为“对照点”。在所有点位进行钻孔或建地下水井，采集土壤和地下水样品，土壤采样深度一般依据高密度电阻率和探地雷达结果所显示的疑似污染深度。

在现场采样过程中，应使用便携式X射线荧光光谱分析仪(XRF)快速筛查土壤重金属污染，使用便携式光离子化检测器(PID)筛查土壤有机污染。筛查出的土样和地下水样送到实验室进行化学分析测试，将化学分析测试结果与物理探测的结果进行比对验证，基于频率域电磁感应仪的分区图(如图2和图6所示的)重新制定全场地污染程度平面分布图(调节等值线图的颜色比例)。

该过程中取样筛测的具体方法如下：在所有规划点位上进行钻孔取样，现场使用手持式光离子化检测器PID和X射线荧光光谱分析仪XRF对土样进行快速筛测，表层筛测1个或多个土样，往下每隔0.4-0.6m筛测一个或多个土样；筛测值越高，可能污染程度越高；根据现场筛测结果，选取筛测值超过仪器推荐的数值范围的受污染土样送至第三方检测机构测试分析。

(5)从“面”上准确评估场地污染程度

基于地球物理探测结果及钻孔取样的测试分析结果，在基于地球物理探测及钻孔取样分析的场地污染分区平面图上准确勾勒出与每一污染级别对应的各个区域(包括“重度污染区”、“中度污染区”、“轻度污染区”、“清洁区”等)的边界，依此计算每一污染级别所占“面积”，并计算出土壤污染“面积超标率”。

本发明的有益效果：

本发明的基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法，针对具体目标场地或区域，有步骤、有针对性地使用“电磁感应仪-高密度电阻率仪—探地雷达”的地球物理探测技术组合，精确定位区域土壤疑似污染区或点，合理布置采样点位，结合现场快速污染筛查和传统钻孔取样测试分析，构建从“面”到“线”再到“点”，最终回到“面”的土壤污染调查流程。

本发明的方法首次将频率域电磁感应仪、高密度电阻仪、探地雷达这3种环境地球物理探测关键技术设备应用在场地污染环境调查中，与现有技术相比，本发明的方法在以下几方面具有很大优势：

(1)实现土壤污染的快速精确定位，合理布置采样点位

对于绝大部分背景信息不完善的场地或区域，方法学上先从“面”上入手，完成从“面”到“线”再到“点”的逐步聚焦定位土壤污染点的过程。频率域电磁感应仪首先用于判别疑似土壤污染的平面分布位置(具有多频率探头的设备也可大致判别污染可能分布深度)，一台仪器每天可移动测量10～20公里的距离，每小时可完成2000至3000平米场地或1天完成20～30亩场地的快速筛查。高密度电阻率仪和探地雷达主要判断测线上的具体污染点及可能污染深度，指导布点位置和钻孔深度的安排；对于100米长的测线，探地雷达可在数分钟之内完成测量作业，高密度电阻率仪可在1至2小时内完成作业(布置电极的时间稍长)。总之，基于“电磁感应仪-高密度电阻率仪—探地雷达”的地球物理探测技术组合，可快速、精确定位区域土壤疑似污染区或点，合理布置采样点位，从而降低盲目性“布点”所导致的土壤污染调查误差。该方法在保证土壤污染调查精度的同时，相比于传统调查方法，还可显著降低钻孔的样本量，节约调查成本。

(2)实现区域“全覆盖”的土壤污染调查，提高污染面积的估计精度

在地球物理探测技术实施的基础上，结合现场快速污染筛查和传统钻孔取样测试分析，构建了从“面”到“线”再到“点”，最终回到“面”的土壤污染调查评估过程。针对场地传统调查监测方法(网格布点法等)在分析场地污染情况只能使用“点位超标率”、容易遗漏污染区的问题，频率域电磁感应仪、高密度电阻率仪和探地雷达作为高效无损物探设备，可实现场地全覆盖和地下剖面的污染探测(扫描)，从“面”和“线”的角度呈现场地污染潜势情况，为计算场地“面积超标率”(而非“点位超标率”)提供一种技术可能，有利于从“面”上做好全场地的风险管控工作。将地球物理探测技术与传统布点钻孔取样分析进行组合使用，可在保证土壤污染总体平均含量估计精度的前提下，显著提高污染区面积的估计精度，从而弥补传统调查方法中点位密度不足的缺陷。

(3)适用范围更广

地球物理探测技术与钻孔取样分析技术组合的适用范围比传统调查方法更广。一方面，对于需要快速排查的大面积区域，或者量大面广、分布零散、历史变迁频繁、污染情况复杂的区域土壤调查任务，可以“频率域电磁感应仪-高密度电阻率仪-探地雷达”对目标区域进行快速扫描，高效识别出异常区(疑似污染区)和正常区(相对清洁区)，按污染风险级别对所有场地进行初步分区分级。另一方面，对于背景信息严重缺乏的场地，或者需开展详细调查监测的重点场地或区域，可首先使用地球物理探测技术对场地进行全覆盖扫描探测，依照从“面”到“线”再到“点”的途径逐步定位疑似污染区，提出精确布点方案，提高发现污染点的效率和准确度，从而总体提升污染调查的精确度。比如对于由废弃矿区、低效工业用地复垦成耕地的区域，可以结合地球物理探测技术与传统布点钻孔取样分析，精确识别污染区或点，避免复垦工程导致污染扩散，保障后续农用的农产品质量安全。

(4)降低调查成本

使用“频率域电磁感应仪-高密度电阻率仪-探地雷达”的地球物理探测组合技术，可在短时间内摸清场地土壤污染的基本情况，对场地的污染区或点进行精确定位，并有针对性地提出钻孔点位布置建议，使钻孔布点位置更加准确。合理的采样点位布设能在保证调查结果的基础上缩短调查周期，减少钻孔、取样及样品测试分析的工作量，将采样调查成本与调查不确定性导致的经济损失的总成本降到最低。

附图说明

图1是本发明的场地土壤污染调查组合技术(即一种基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法)的实施流程图；

图2是本发明实施例1中电磁感应仪全覆盖扫描的地层电导率分布图(虚线箭头为高密度电阻率测线)；

图3是本发明实施例1中高密度电阻率测线的地层电阻率剖面图；

图4是本发明实施例1中基于地球物理探测结果的钻孔点位布置图；

图5是本发明实施例1中某有机化工企业场地基于地球物理探测及钻孔取样分析的污染分区平面图；

图6是本发明实施例2中频率域电磁感应仪的场地全覆盖探测结果图；

图7是本发明实施例2中探地雷达(GPR)和高密度电阻率仪(ERT)的三条测线布置；

图8是本发明实施例2中探地雷达(测线编号NS-2)测定剖面的探测结果；

图9是本发明实施例2中场地以北1km外的背景对照区高密度电阻率法探测结果；

图10是本发明实施例2中场地内测线(编号NS-1)的高密度电阻率法探测结果；

图11是本发明实施例2中场地内测线(编号NS-2)的高密度电阻率法探测结果；

图12是本发明实施例2中场地内测线(编号NS-3)的高密度电阻率法探测结果；

图13是本发明实施例2中基于地球物理探测结果的精确布点图(圆形)和传统调查网格布点图(三角形)；

图14是本发明实施例2中基于地球物理探测精确定位调查方法的场地土壤污染风险分区平面图；

图15是实施例2中基于传统调查方法的场地土壤污染风险分区图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

某有机污染场地的土壤环境污染调查

该化工厂占地面积约25亩，1991年前后建成，2016年场地完成清拆。主要经营涂料、化工溶剂、氯苄、化工助剂、三甲氧醛苯甲醛、试剂、工业酒精、泡力水等。场地调查实施前，场地内所有建筑和地坪都有拆除，建筑垃圾已经完全清运，土地也作了平整。场地的背景信息较少，未掌握厂区平面布置图。

本发明一种基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法，按步骤依次完成以下场地调查工作：

(1)在“面”上使用电磁感应仪开展场地全覆盖快速筛查

使用捷克GF Instruments公司生产的CMD-4电磁感应仪，在场地以北3公里以外选取了两块旱地作为背景区域，测定了背景区的土壤电导特性，总共测定了135个点位，电导率平均值为72.5mS/m，标准差为5.9，变异系数只有8％，说明背景数据相对稳定，离散度低。

针对污染场地，使用CMD-4电磁感应仪实施了场地全覆盖的土壤电导特性(采集地层电导率和同相位数据)探测，使用单点测定方法，网格大小为10m×10m(测杆长3m，基本全覆盖)。根据场地内有机污染泄露容易向深层扩散的特点，选择High模式(低频深层模式)共测定了1000个点阵数据，将场地内的所有数据进行归一化(除以背景区的平均值)，数据导出，使用Surfer成图软件(版本12.0)对数据进行克里格插值，形成土壤电导率平面布置图，与背景区的地层电导率值(平均值72.5mS/m)比对，可发现整个场地的中西部存在地层电导率的“异常高值区”，南部存在“异常低值区”(图2)。

(2)在“线”上使用高密度电阻率仪进一步定位污染位置与深度

鉴于现场已经进行了整理复垦，地下无复杂的管道、电缆及其他不明掩埋体，且表层是软土，无硬质覆盖物，因此直接使用了高密度电阻率仪，而不采用探地雷达。在该场地布置一条南北向的测线，总长接近90米，横跨了电磁感应测定分区平面图中的异常高值区、异常低值区以及介于两者之间的相对正常区，同时在场地3公里以外的一片旱地作了一条长60米的背景对照测线。测试结果显示，场地内高密度电阻率仪所测定的剖面土壤电阻率具有明显空间异质性，与背景对照区的电阻率值(平均值18Ω)比对，可将整个测定剖面分成低、中和高电阻区(见图3)。高密度电阻率法测定的高电阻值与电磁感应仪的低电导率基本对应，低电阻值则与高电导率相对应，这是地下土壤污染物引起的。异常“高电阻”和“低电阻”区往地下延伸至5m～6m深。

(3)基于地球物理探测结果精确布点

根据电磁感应仪测定的土壤电导率和同相位的平面分布情况，以及高密度电阻率仪的剖面分析结果，精确推荐场地的钻孔取样点位(图4)，①、②、③点位均位于高密度电阻率法和电磁感应法探测结果显示的信号异常区，④、⑤属于电磁感应仪的电导率测定结果(信号异常区)所推断的钻孔取样精确布点，⑥号和⑦号为相对清洁区中随机选取的”对照点”。①到⑥号分别布置在频率域电磁感应仪测定土壤电导率的不同分区中，其中①、②、④号点位位于“异常高值区”，③号点位于“异常低值区”，⑤和⑥号点位于相对正常值区。而①、②、③点位的具体位置是依据高密度电阻率法的测线(剖面)上所反映的信号异常区所精确定位的，分别对应低、中、高电阻区。在电磁感应法探测结果显示的信号异常区布置主要点位。

根据高密度电阻率法的剖面图判断主要点位的取样深度，①～③号点的规划钻孔深度为6m，④～⑥号点的计划钻孔深度可小于4m。

(4)在“点”上开展钻孔取样与测试分析

在所有7个规划点位上进行钻孔取样，现场使用手持式光离子化检测器(PID)和X衍射荧光仪器(XRF)对土样进行快速筛测，表层(5cm)筛测1个土样，往下每隔0.5m筛测一个土样，筛测值越高，可能污染程度越高，现场快速筛测了62个土样。现场PID测定数值显示①、②、③、④都有挥发性有机物，数值500～1000ppb不等；XRF测试发现土壤①号点的地下水中含有Mn、Sr。根据现场筛测结果，共选取了20个筛测值超过仪器推荐的数值范围的受污染土样送至第三方检测机构测试分析。

实验室内测试分析结果显示，该场地主要污染指标是总石油烃、苯系物(乙苯、苯酚等)、以及重金属Mn。据海外研究，土壤中有机污染物在降解过程中，可能会引起土壤的电导率值上升。①～④号点位存在不同程度的有机污染。污染由重到轻排序是①>②>④>③>,位于相对清洁区的⑤和⑥号点(对照点)的土壤与地下水均未受到污染。①和②号点土壤(深0.2m～2m)的总石油烃含量超过农用地标准1倍多，略超敏感用地筛选值。②号点土壤的乙苯含量达到141mg/kg，是《上海市场地土壤环境健康风险评估筛选值(试行)》敏感用地乙苯筛选值(6.8)的20余倍。①号点的地下水Mn含量高出地下水质量标准Ⅲ类标准(0.1mg/L)20余倍。②号点的的地下水总石油烃和苯酚浓度均超过农业灌溉水质标准和地下水质量标准的10～20倍。

(5)勾勒全场地污染分区

综合地球物理探测技术的土壤电导率数值分布图(等值线图)和钻孔取样测试分析结果，可勾勒出全场地的不同污染分区，并计算污染面积，其中重度污染面积占总面积的48％，轻中度污染约占30％，无污染区(清洁区)占22％(见图5)。频率域电磁感应仪的空间分布图与样品测试化验结果均显示，从西往东和从北往南，土壤/地下水污染程度逐渐减轻。

实施例2

某重金属污染场地的土壤环境污染调查

该企业场地占地面积约4亩，上世纪70年代初开始生产染料、防霉剂等。主要生产原料有铁粉、氯化锌、盐酸、苯胺等。2005年前后停产，场地基本闲置。2016年11月底完成了地上建筑清拆，进场监测时，建筑垃圾基本清理完毕，混凝土地坪基本完好，地面有一些废旧的生产设备、管道、储罐。

本发明一种基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法，按步骤依次完成以下场地调查工作：

(1)在“面”上使用电磁感应仪开展场地全覆盖快速筛查

使用捷克GF Instruments公司生产的CMD-4电磁感应仪，在场地以北1公里以外选取了两块旱地作为背景区域，测定了背景区的土壤电导特性，总共测定了30个点位，地层电导率平均值为36.3mS/m，标准差为2.1，变异系数5.7％，说明背景数据相对稳定，离散度低。

针对污染场地，使用CMD-4电磁感应仪实施了场地全覆盖的土壤电导特性(采集地层电导率和同相位数据)探测，使用单点测定方法，网格大小为10m×10m(测杆长3m，基本全覆盖)。共测定了40余个点阵数据，将场地内的所有数据进行归一化(除以背景区的平均值)，数据导出，使用Surfer成图软件(版本12.0)对数据进行克里格插值，形成土壤电导率平面布置图，与背景区的电导率值(平均值

36.3mS/m)比对，可发现整个场地的东北部存在电导率的“异常高值区”，这与地面堆放较多的废弃金属物体有关；场地南面分布大片“异常高值区”，使用机械撬开地坪后，提早发现占地面积约200m²的“地下污水贮存池”，将废水进行合理处置，避免后续复垦工程造成污染扩散。场地中部的地层电导率较低，接近所在地区的背景值(图6)。

表1 频率域电磁感应仪全覆盖探测结果的解释

(2)在“线”上进一步使用探地雷达和高密度电阻率仪探测

依据频率域电磁感应仪的地层电导率平面分布图，横跨电导率“异常高值区”、“异常低值区”以及正常值区布置测线，使用探地雷达和高密度电阻率仪作“线”上的剖面探测，全场地共布置了3条南北向平行测线，每条测线长60米，具体位置和编号见图7。

针对3条测线(编号为NS1，NS2，NS3)，首先使用美国GSSI公司的探地雷达SIR 20实施地层剖面结构探测，3条测线的剖面结构基本接近，这里提供了中央测线(编号NS2)的剖面结构图(图8)。剖面图显示出现场遗留的地基(墙基)结构，但未显示地下有明显的纯相污染团分布。探地雷达提前发现地下构筑物，为后续高密度电阻率作业布设电极时提供指引(避免电极碰触到硬质物体)。

使用重庆奔腾数控技术研究所的WGMD-9分布式三维高密度电阻率仪实施地层电阻率探测，首先在场地1公里以外的一片旱地内实施了一条长60米的背景对照测线。对照测线的探测结果(图9)显示地层剖面的电阻率分布具有显著的层序结构，近地表0m～1m以内土壤电阻率大于17Ω·m，深度1m～2.5m的地层土壤电阻率12～16Ω·m，深度大于2.5m的地层土壤电阻率小于12Ω·m。针对场地内3条测线的高密度电阻率仪探测结果显示，各条测线的剖面土壤电阻率具有明显空间异质性，与背景对照区的电阻率值(图9)比对，可发现剖面不同位置有“异常高电阻区”和“异常低电阻区”(图10，图11，图12)，异常低电阻区分布在深度2m以下地层的情况居多。3条测线的高密度电阻率法探测结果解释见表2。

表2 高密度电阻率法3条测线的探测结果解释

(3)基于地球物理探测结果进行精确布点

根据频率域电磁感应仪、探地雷达、高密度电阻率仪的物探结果，在场地内精确布置钻孔采样点。点位布置依据主要是，特别关注电磁感应仪的“异常高电导率值”区、高密度电阻率法的“异常低电阻率值”区，并要避开探地雷达显示的地下构筑物。优先在异常信号区面积较大的区域进行布点，全场地共布置了7个采样点位，大多位于高密度电阻率仪测定剖面的异常低电阻区，并分散在电磁感应仪地层电导率数值的不同分区(高电导率区、中电导率区、低电导率区)。各点位的具体位置见图13，数字圆圈的中心对应精确位置。根据高密度电阻率法的剖面图判断主要点位的取样深度，大部分点位的规划钻孔深度可小于4m。

为了与基于物探的精确布点调查结果进行比较，另委托了场调的第三方(公司)按照传统网格布点方法对场地进行了布点取样，7个点位的位置见图13(三角形代表点位)。

(4)在“点”上开展钻孔取样与测试分析

在基于地球物理探测精确定位的所有规划监测点位上进行钻孔取样，现场使用手持式光离子化检测器(PID)和X射线荧光光谱分析仪(XRF)对土样进行快速筛测，表层筛测1个土样，往下每隔0.5m筛测一个土样，筛测值越高，可能污染程度越高；根据现场筛测结果，选取筛测值超过仪器推荐的数值范围的受污染土样送至第三方检测机构测试分析。实验室测试结果显示，场地除了局部点位出现轻度有机污染(苯胺等)以外，主要是重金属Mn的重度污染。土壤Mn浓度数值范围为161～3860，平均值为1134mg/kg；垂直方向上看，各点位最高浓度一般分布在地下2.0～2.5m深处，该层土壤的Mn平均值1821mg/kg。采集的地下水样均未受污染。

基于传统网格布点方法的调查结果显示，7个点位的Mn浓度数值范围为438～4090mg/kg，平均值1150mg/kg，2.0～2.5m深度的土壤Mn浓度数值在垂直方向上表现最高，该层土壤的Mn平均值2180mg/kg。采集的地下水样均未受污染。

比较两者两种调查方法的结果，可发现两者测定的Mn含量平均值是总体接近的。但就污染空间分布来看，两种调查方法体系所得到的结果差异非常大。基于物探精确定位的调查结果显示，除了位于场地中部的④号点整个土层的Mn含量全部低于1000mg/kg，数据范围为200～963mg/kg，其他6个点位均出现了Mn含量普遍超过2000mg/kg的情况。但传统布点方法得到的调查结果只发现场地南部区域的点位(4，5，6，7号)存在Mn重度污染，位于中北部的1、2、3号点的Mn含量平均值只有660mg/kg，接近本地的土壤环境背景值(表现未污染)。

(5)勾勒全场地污染分区

综合地球物理探测技术的土壤电导率数值分布图(等值线图)和钻孔取样测试分析结果，可勾勒出全场地的不同污染分区，并计算污染面积，其中重度污染区(锰和少量有机污染)分布在场地南、北两端，占总面积的67％，分布在厂区中部的轻中度污染区约占总面积的21％，其他区域为“地下污水贮存池”(200m²)及相对清洁区(图14)。然而，基于传统网格调查方法的结果显示，重度污染区(锰)只分布在场地南部，占总面积的37％(图15)，远低于基于地球物理探测精确定位调查技术的数据；其他区域被判定为无污染或轻度污染，且未发现“地下污水贮存池”。

因此，使用地球物理探测技术可显著提高发现土壤污染点的精度。地球物理探测技术与传统布点钻孔取样分析进行组合使用，可在保证土壤污染总体平均含量估计精度的前提下，显著提高污染区面积的估计精度，从而弥补传统调查方法中点位密度不足的缺陷。

Claims (9)

1.一种基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法，其特征在于，按以下步骤进行：

(1)场地现场踏勘

首先，对目标场地的基本情况进行实地踏勘，初步掌握场地地形、水文地质、土壤质地、地下储罐、地下管线分布和地球物理条件；此外，通过现场踏勘初步了解场地内生产设施布局，识别高污染潜势区，以便划定重点关注区域；充分考虑场地的水文地质以及污染类型，为后续的地球物理探测工作做好充分准备；

(2)从“面”上开展场地全覆盖的快速探测

采用频率域电磁感应仪对场地进行全覆盖快速探测扫描，从“面”上整体判断场地土壤污染的可能分布位置；仪器在地表移动测量，实时采集两类数据，一是地层导电度，即地层电导率；另一个是由磁化率决定的同相率，即相位值；将检测数据输入到电脑，通过常用的绘图软件将地层电导率和相位值分别进行克里格法插值，形成场地全覆盖的地层电导率和相位值平面分布图；将地层电导率的极高值区、极低值区或负值区定义为“信号异常区”即疑似污染区，接近区域背景值的区域定义为“信号正常区”即疑似清洁区；

(3)从“线”上进一步定位污染团与可及深度

在频率域电磁感应仪全覆盖探测结果的“信号异常区”即疑似污染区布置若干条测线，采用高密度电阻率仪沿着测线探测地下剖面的电阻率，并采用探地雷达沿着测线通过无线电波来确定地下介质分布，从而在“线”层面的探测地下疑似污染团的剖面分布形态及分布深度，纠正频率域电磁感应仪扫描结果对地下物理构造引起的信息误判，进一步精确定位污染异常区或点的位置和深度；

(4)从“点”上开展钻孔取样与分析验证

在前面地球物理探测仪器分析结果的基础上，在所有污染异常区或点布置采样点位，在“信号正常区”即疑似清洁区随机布置至少1个点位作为“对照点”；在所有点位进行钻孔或建地下水井，采集土壤和地下水样品；

在现场采样过程中，快速筛查土壤重金属污染，筛查土壤有机污染；筛查出的土样和地下水样送到实验室进行化学分析测试；将化学分析测试结果与物理探测的结果进行比对验证，基于频率域电磁感应仪的分区图重新制定全场地污染程度平面分布图；

(5)从“面”上准确评估场地污染程度

基于地球物理探测结果及钻孔取样的测试分析结果，在基于地球物理探测及钻孔取样分析的场地污染分区平面图上准确勾勒出与每一污染级别对应的各个区域的边界，依此计算每一污染级别所占“面积”，并计算出土壤污染“面积超标率”。

2.如权利要求1所述的基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法，其特征在于，步骤(3)中，鉴于两种仪器方法对污染介质的敏感度有差异，对于具体每一条测线,优先采用高密度电阻率法，以提高地下剖面的土壤污染调查精度；对于地面有混凝土或其它硬质铺装的区域，则先使用探地雷达开展无损探测，提前发现近地表的物体包括管道、电缆及地下构筑物，避免进行高密度电阻率作业布设电极时碰触到这些近地表的物体。

3.如权利要求1或2所述的基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法，其特征在于，步骤(4)中，土壤采样深度依据高密度电阻率和探地雷达结果所显示的疑似污染深度。

4.如权利要求1或2所述的基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法，其特征在于，步骤(4)中，在现场采样过程中，使用便携式X射线荧光光谱分析仪XRF快速筛查土壤重金属污染，使用便携式光离子化检测器PID快速筛查土壤有机污染。

5.如权利要求1或2所述的基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法，其特征在于，步骤(4)中，取样筛测的具体方法如下：在所有规划点位上进行钻孔取样，现场使用手持式光离子化检测器PID和X射线荧光光谱分析仪XRF对土样进行现场快速筛测，表层筛测1个或多个土样，往下每隔0.4-0.6m筛测一个或多个土样，筛测值越高，可能污染程度越高；根据现场筛测结果，选取筛测值超过仪器推荐的数值范围的污染土样送至第三方检测机构测试分析。

6.如权利要求1或2所述的基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法，其特征在于，步骤(5)中，与每一污染级别对应的各个区域包括“重度污染区”、“中度污染区”、“轻度污染区”、“清洁区”。

7.如权利要求1或2所述的基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法，其特征在于，

有机污染场地的土壤环境污染调查，具体按以下步骤依次进行：

(1)在“面”上使用电磁感应仪开展场地全覆盖快速筛查

使用CMD-4电磁感应仪，在场地以北3公里以外选取了两块旱地作为背景区域，测定背景区的土壤电导特性，测定的点位大于30个；

针对污染场地，使用CMD-4电磁感应仪实施场地全覆盖的土壤电导特性探测，采集电导率和同相位数据；使用单点测定方法，网格大小在10m×10m以下；根据场地内有机污染泄露容易向深层扩散的特点，选择High模式即低频深层模式测定若干个点阵数据，将场地内的所有数据进行归一化，除以背景区的平均值，数据导出，使用Surfer成图软件对数据进行克里格插值，形成土壤电导率平面布置图，与背景区的电导率值比对，发现整个场地的中西部存在电导率的“异常高值区”，南部存在“异常低值区”；

(2)在“线”上使用高密度电阻率仪进一步定位污染位置与深度

鉴于现场已经进行了整理复垦，地下无复杂的管道、电缆及其他不明掩埋体，且表层是软土，无硬质覆盖物，因此直接使用高密度电阻率仪，而不采用探地雷达；在该场地布置一条南北向的测线，总长接近90米，横跨电磁感应测定分区平面图中的异常高值区、异常低值区以及介于两者之间的相对正常区，同时在场地3公里以外的一片旱地作一条长60米的背景对照测线；测试结果显示，场地内高密度电阻率仪所测定的剖面土壤电阻率具有明显空间异质性，与背景对照区的电阻率值比对，将整个测定剖面分成低、中和高电阻区；高密度电阻率法测定的高电阻值与电磁感应仪的低电导率基本对应，低电阻值则与高电导率相对应，这是地下土壤污染物引起的；异常“高电阻”和“低电阻”区往地下延伸至5m～6m深；

(3)基于地球物理探测结果精确布点

根据电磁感应仪测定的土壤电导率和同相位的平面分布情况，以及高密度电阻率仪的剖面分析结果，精确定位场地的钻孔取样点位，分别对应低、中、高电阻区；在电磁感应法探测结果显示的信号异常区布置主要点位；根据高密度电阻率法的剖面图判断主要点位的取样深度；

(4)在“点”上开展钻孔取样与测试分析

在所有规划点位上进行钻孔取样，现场使用手持式光离子化检测器PID和X射线荧光光谱分析仪XRF对土样进行快速筛测，表层筛测1个土样，往下每隔0.5m筛测一个土样，筛测值越高，可能污染程度越高；根据现场筛测结果，选取筛测值超过仪器推荐的数值范围的受污染土样送至第三方检测机构测试分析；

(5)勾勒全场地污染分区

综合地球物理探测技术的土壤电导率数值等值线分布图和钻孔取样测试分析结果，勾勒出全场地的不同污染分区，并计算污染面积。

8.如权利要求1或2所述的基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法，其特征在于，

重金属污染场地的土壤环境污染调查，具体按以下步骤依次进行：

(1)在“面”上使用电磁感应仪开展场地全覆盖快速筛查

使用CMD-4电磁感应仪，在场地以北1公里以外选取了两块旱地作为背景区域，测定背景区的土壤电导特性，测定的点位大于30个；

针对污染场地，使用CMD-4电磁感应仪实施场地全覆盖的土壤电导特性探测，采集电导率和同相位数据；使用单点测定方法，网格大小在10m×10m以下；测定若干个点阵数据，将场地内的所有数据进行归一化，除以背景区的平均值，数据导出，使用Surfer成图软件对数据进行克里格插值，形成土壤电导率平面布置图，与背景区的电导率值比对，发现整个场地的东北部存在电导率的“异常高值区”，这与地面堆放较多的废弃金属物体有关；场地南面分布大片“异常高值区”，使用机械撬开地坪后，提早发现占地面积约200m²的“地下污水贮存池”，将废水进行合理处置，避免后续复垦工程造成污染扩散；场地中部的地层电导率较低，接近所在地区的背景值；

(2)在“线”上进一步使用探地雷达和高密度电阻率仪探测

依据频率域电磁感应仪的地层电导率平面分布图，横跨电导率“异常高值区”、“异常低值区”以及正常值区布置测线，使用探地雷达和高密度电阻率仪作“线”上的剖面探测，全场地共布置了3条南北向平行测线，每条测线长60米；

针对3条测线，首先使用探地雷达实施地层剖面结构探测，3条测线的剖面结构基本接近；剖面图显示出现场遗留的地基墙基结构，但未显示地下有明显的纯相污染团分布；探地雷达提前发现地下构筑物，为后续高密度电阻率作业布设电极时提供指引，避免电极碰触到硬质物体；

使用分布式三维高密度电阻率仪实施地层电阻率探测，首先在场地1公里以外的一片旱地内实施一条长60米的背景对照测线；对照测线的探测结果显示地层剖面的电阻率分布具有显著的层序结构；针对场地内3条测线的高密度电阻率仪探测结果显示，各条测线的剖面土壤电阻率具有明显空间异质性，与背景对照区的电阻率值比对，发现剖面不同位置有“异常高电阻区”和“异常低电阻区”，异常低电阻区分布在深度2m以下地层的情况居多；

(3)基于地球物理探测结果进行精确布点

根据频率域电磁感应仪、探地雷达、高密度电阻率仪的物探结果，在场地内精确布置钻孔采样点；根据高密度电阻率法的剖面图判断主要点位的取样深度，大部分点位的规划钻孔深度小于4m；

(4)在“点”上开展钻孔取样与测试分析

在所有规划点位上进行钻孔取样，现场使用手持式X射线荧光光谱分析仪XRF和光离子化检测器PID对土样进行快速筛测，表层筛测1个土样，往下每隔0.5m筛测一个土样，筛测值越高，可能污染程度越高；根据现场筛测结果，选取筛测值超过仪器推荐的数值范围的受污染土样送至第三方检测机构测试分析；

(5)勾勒全场地污染分区

综合地球物理探测技术的土壤电导率数值等值线分布图和钻孔取样测试分析结果，勾勒出全场地的不同污染分区，并计算污染面积。

9.如权利要求9所述的基于地球物理探测技术的土壤污染精确定位及准确评估方法，其特征在于，

步骤(3)中，点位布置依据是，特别关注电磁感应仪的“异常高电导率值”区、高密度电阻率法的“异常低电阻率值”区，并要避开探地雷达显示的地下构筑物；优先在异常信号区面积较大的区域进行布点，全场地布置的采样点位，大多位于高密度电阻率仪测定剖面的异常低电阻区和高电阻区，并分散在电磁感应仪地层电导率数值的不同分区：高电导率区、中电导率区、低电导率区。