土壤污染特征并行電法測試試驗(yàn)研究

王校剛，張平松，田　忠

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽　淮南　232001)

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土壤污染特征并行電法測試試驗(yàn)研究

王校剛，張平松，田忠

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001)

土壤介質(zhì)被滲濾液污染后，其電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，可為電法探測介質(zhì)的污染范圍、程度及擴(kuò)散動(dòng)態(tài)提供地球物理探查基礎(chǔ)。通過構(gòu)建土壤污染介質(zhì)模型條件，采用并行電法探測技術(shù)進(jìn)行探查模擬試驗(yàn)，進(jìn)一步分析污染介質(zhì)的電性反應(yīng)及其特征。試驗(yàn)結(jié)果表明，污染土壤導(dǎo)電性差異增大，電阻率測試方法可有效判識(shí)其影響范圍及特征，為地下介質(zhì)污染評價(jià)提供技術(shù)支撐。

土壤污染；并行電法；探查；試驗(yàn)

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，空氣、水和土壤等環(huán)境污染問題越來越受到重視。同時(shí)，與人們生活息息相關(guān)的垃圾填埋、工業(yè)污水等所造成的土壤污染問題也越來越多，圈定它們的污染邊界、跟蹤其擴(kuò)散動(dòng)態(tài)，以及進(jìn)行定性評價(jià)到定量診斷，也是一項(xiàng)重要的研究課題。以垃圾填埋場地下介質(zhì)為例，其垃圾滲濾液是一種來源于垃圾與內(nèi)外界水體發(fā)生物理化學(xué)等變化所生成的產(chǎn)物，是一種成分多樣、水質(zhì)復(fù)雜、污染性很強(qiáng)的高濃度廢水。如若對此處理不善，將會(huì)對周邊土壤環(huán)境造成二次污染的嚴(yán)重后果[1-2]，因此需要對垃圾場地周邊土壤介質(zhì)進(jìn)行測試與監(jiān)測，及時(shí)掌握地下介質(zhì)的污染狀況。目前，應(yīng)用于地下介質(zhì)間接測試的地球物理類方法較多，其中同位素示蹤法、地溫法、地震波法、測井法、瞬變電磁法、探地雷達(dá)和電阻率法等較為常見。電阻率法是環(huán)境檢測和城市垃圾調(diào)查中一種重要的物探方法[3-8]，其應(yīng)用面廣泛，在發(fā)展過程中經(jīng)歷了常規(guī)電法、高密度電法和并行電法等不同階段。目前，采用擬地震化數(shù)據(jù)采集的并行電法技術(shù)[9]，可以獲得地下介質(zhì)的全空間電場數(shù)據(jù)，對介質(zhì)體的探查分辨精度高。文章結(jié)合土壤介質(zhì)的污染特征進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究，所取得的技術(shù)參數(shù)及認(rèn)識(shí)可為野外環(huán)境評價(jià)探查應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1　土壤污染并行電法測試技術(shù)

1.1測試地球物理基礎(chǔ)

土壤污染是由于人類的活動(dòng)將各種污染物帶入土壤中，致使土壤重金屬等含量明顯高于其自然背景值，并造成生態(tài)破壞和環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)象。隨著工業(yè)化的發(fā)展，土壤污染日益加劇，其污染來源主要有垃圾填埋滲漏、大氣重金屬沉降、污水灌溉、肥料和農(nóng)業(yè)、采礦和冶煉等，這些污染物在土壤中移動(dòng)性差，滯留時(shí)間長，大多數(shù)微生物降解緩慢，因此確定其影響的空間范圍可為后續(xù)技術(shù)處理提供依據(jù)。電法勘探過程是依據(jù)土壤介質(zhì)電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化為基礎(chǔ)，查找異常體的位置、形態(tài)、深度及大小等空間參數(shù)。對于城市生活垃圾集中填埋場的滲濾液，主要成分以陰、陽離子形式存在的無機(jī)物質(zhì)，電化學(xué)性質(zhì)比較活潑，易與土壤發(fā)生復(fù)雜的系列反應(yīng)，打破了原有土壤在垂向和橫向上電性的穩(wěn)定性、規(guī)律性和漸變性，與周圍原土體的電學(xué)性差異明顯，具體表現(xiàn)為電阻率相對降低。滲濾液中含量相對較少的有機(jī)物，電學(xué)性質(zhì)較多變，其中難溶于水的表現(xiàn)出成層現(xiàn)象，互溶具有活性有機(jī)物質(zhì)也可引起土壤電學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變[10]。受污染后的介質(zhì)與正常介質(zhì)間電性變化顯著，這是進(jìn)行電法探查的前提條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.2并行電法探測技術(shù)

并行電法是在高密度電法數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)上的改進(jìn)，它能完成傳統(tǒng)電法的各種測量裝置數(shù)據(jù)采集，而且能極大地提高野外勘探效率，高效豐富的數(shù)據(jù)采集與處理是系統(tǒng)的核心[12]。根據(jù)并行電法數(shù)據(jù)采集方式的差異，可分為ABM法和AM法兩種。AM法所采集的電位為單點(diǎn)電源供電下的電場，ABM 法采集數(shù)據(jù)所反映的是偶極子供電情況，測線上兩點(diǎn)A和B為供電電源，現(xiàn)場把布設(shè)公用N極作為電位的參照標(biāo)準(zhǔn)，其他電極為測量電極M，測試過程中沒有空閑電極存在，一次測量結(jié)束后可實(shí)現(xiàn)高密度電法的各類裝置數(shù)據(jù)需求，減小了數(shù)據(jù)采集時(shí)的系統(tǒng)誤差。

采用并行電法探測系統(tǒng)，可進(jìn)行試驗(yàn)現(xiàn)場的立體化布置，采集不同時(shí)刻滲漏液的電阻率影響值，進(jìn)一步反演其三維立體電阻率值，實(shí)現(xiàn)對滲漏液流動(dòng)變化范圍的追蹤。其中電法三維反演數(shù)據(jù)的表達(dá)式為

Δd=GΔm

(1)

式中：G表示Jacobi矩陣，Δd是觀測數(shù)據(jù)d和正演理論計(jì)算值d之間的殘差向量，Δm為初始模型m的修改向量。并行電法采集的數(shù)據(jù)為電場空間綜合作用的參數(shù)值，也即是獲得各個(gè)電極的供電電流值，自然電場、一次場、二次場測量值的大小，可通過三維電法反演軟件反映地質(zhì)體三維電阻率的空間分布[11]，利于全方位觀測地下介質(zhì)污染狀況。

2　探查模擬試驗(yàn)與分析

2.1數(shù)值模擬試驗(yàn)

以重金屬污染物為例，分別進(jìn)行二維和三維模擬實(shí)驗(yàn)。其中金屬污染核心區(qū)介質(zhì)電阻率取1Ω·m，背景場介質(zhì)電阻率取150Ω·m，多層介質(zhì)設(shè)置時(shí)相互間有一定的區(qū)分度，具體設(shè)置情況依據(jù)效果作適當(dāng)調(diào)整。)果層介質(zhì)設(shè)置時(shí)相互要圖1為不同個(gè)數(shù)污染源條件下模擬的反演電阻率剖面，圖1(a)為單一污染源層狀地層反演結(jié)果圖，利用單極-偶極裝置模擬污染源，可見低阻效應(yīng)明顯且收斂性較好；圖1(b)為兩個(gè)污染源處于多層相對高阻地層條件下的反演結(jié)果，其位置與形狀收斂效果良好，反應(yīng)特征與初設(shè)情況相符；圖1(c)為兩個(gè)污染源處于多層相對低阻地層條件下的反演結(jié)果。模擬結(jié)果表明，電法探查所設(shè)定的污染體在介質(zhì)中低阻效應(yīng)明顯，且收斂性好，相對于周邊介質(zhì)易于區(qū)別。

電阻率/(Ω·m) a. 單一污染源 b. 相對高阻地層雙污染源 c. 相對低阻地層雙污染源圖1　介質(zhì)污染模擬電阻率反演結(jié)果

圖2為單一污染源三維污染場反演模擬結(jié)果圖，污染源位于模型中心。通過三維效果，可以更加直觀的看出污染源的低阻區(qū)域范圍，其在不同層位的低阻異常特征有一定差別，表征利用電阻率方法進(jìn)行介質(zhì)污染探查具有良好的適用性。

電阻率/(Ω·m) a. 三維反演數(shù)據(jù)體 b. 電阻率水平切片圖2　單一污染源三維電阻率反演結(jié)果

2.2物理模擬試驗(yàn)

在尺寸為4.0m×2.0m×2.0m的地下沙槽進(jìn)行模擬試驗(yàn)，其介質(zhì)骨料由細(xì)沙和腐殖土構(gòu)成，場地的均一性良好。根據(jù)沙土介質(zhì)受到污染物滲透后引起介質(zhì)物性差異，在沙土表層布置測試電極，建立平面和立體相結(jié)合的觀測系統(tǒng)，探查和反演介質(zhì)內(nèi)部電性變化特征。

圖3　 試驗(yàn)?zāi)Ｐ碗姌O布置圖

圖3為模型場地的電極布置圖，圍繞著污染物注溶池共布置3條測線，其中，CX1為環(huán)形測線，呈長方形圍繞在注溶液池四周，布置了64個(gè)電極，電極間距0.03m，其中1#電極，16#，33#，48#電極分別位于長方形的四個(gè)角處，該測線為環(huán)形電透視序列；CX2跨過污染物注溶池， 位于長方形對角線上，1#電極與CX1線16#電極重合，電極間距為0.03m，共布置24個(gè)電極；CX3為平行測線，與污染物注溶池側(cè)邊平行布置，電極間距0.02m，共有40個(gè)電極，利于形成立體電法測試系統(tǒng)。

試驗(yàn)前對三條測線的地電數(shù)據(jù)進(jìn)行背景測量，此結(jié)果作為測區(qū)未受污染的基準(zhǔn)值。隨著硫酸銅溶液的加入，測量的結(jié)果與背景對比可確定污染液擴(kuò)散過程及影響范圍。數(shù)據(jù)采集時(shí)分別對三條測線進(jìn)行并行電法數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系進(jìn)行地電場反演。圖4為注液前后探測空間的三維電阻率分布圖。 該圖以CX1測線的1#電極為系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)， 向東為x正方向， 向北為y正方向， 豎直向下為z軸深度延展方向。 圖(a)表示背景測量值， 表征沙槽介質(zhì)環(huán)境， 場地的電阻率基本上在150Ω·m以上，測量范圍內(nèi)沙土介質(zhì)均勻；圖(b)為自注溶池注入400mL硫酸銅溶液后的測試結(jié)果，其中心位置處存在相對低阻區(qū)域，且在0.18m和0.27m切片上低阻顯現(xiàn)明顯，0.18m處切片的低阻區(qū)域較大，反映出重金屬離子溶液的擴(kuò)散范圍，但在深度和平面方向上影響范圍程度存在一定的差異，呈暈狀分布，分析為注入池中的重金屬溶液在向外界擴(kuò)散過程中與周圍介質(zhì)接觸，降低了離子的濃度值，其導(dǎo)電差異突現(xiàn)。通過多個(gè)階段電阻率圖像的連續(xù)觀測，可實(shí)時(shí)反映重金屬離子溶液的擴(kuò)散動(dòng)態(tài)。根據(jù)電阻率變化情況，以20Ω·m以下阻值為重金屬離子污染區(qū)域，確定在x方向上0.18～0.22m，z深度-0.10m以上為溶液擴(kuò)散區(qū)域。

電阻率/(Ω·m) a. 背景 b. 注入400 mL圖4　立體電阻率切片圖

電阻率/(Ω·m) a. 少量注入液 b. 注入400 mL圖5　沿注溶池剖面電阻率反演結(jié)果

圖5為污染物注入后兩組不同擴(kuò)散范圍的電阻率分布圖， 該切片沿CX2線進(jìn)行切片。 圖5(a)為注入少量溶液后測試結(jié)果， 圖5(b)為注入400mL溶液后的圖像。 污染物的擴(kuò)散在橫向0.23～0.47m、深度-0.18m以上電阻率值低于20Ω·m，這部分區(qū)域受到重金屬離子溶液的滲透。據(jù)此可以觀測硫酸銅溶液沿著測線平面內(nèi)不同方向的運(yùn)移特征，其探查效果良好。

3　結(jié)論

1) 數(shù)值和物理模擬結(jié)果表明，并行電法測試技術(shù)可對垃圾滲濾液污染進(jìn)行有效檢測，其試驗(yàn)效果良好，既有常規(guī)電法圈定污染場空間位置的能力，也可進(jìn)行多狀態(tài)跟蹤探查，可用于現(xiàn)場實(shí)地探測與推廣應(yīng)用。

2) 三維立體成像及電極電流時(shí)間變化結(jié)合使用，可進(jìn)行滲濾液浸潤面上和垂向擴(kuò)散特征分辨，具有時(shí)空控制的全面性。但其判識(shí)的電阻率具體標(biāo)準(zhǔn)需結(jié)合不同場地的介質(zhì)特性進(jìn)行試驗(yàn)加以確定。

3) 對污染場地的治理，是以探測污染區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)，今后還需從不同污染類型等復(fù)雜環(huán)境下多角度、多方位、深層次地進(jìn)行研究，為土壤污染等相似環(huán)境探測提供技術(shù)理論支撐，以及為環(huán)境監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：李麗，范君)

Experimental study on Test by the Parallel Electrical Method for Characteristics of Soil Pollution

WANG Xiao-gang, ZHANG Ping-song, TIAN Zhong

(School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001, China)

The electrical property of the soil medium will change after the soil is polluted by landfill leachate, which provides the theoretical basis of geophysics tests for forecasting the pollution scope, degree and diffusion characteristics of landfill by means of the electrical method. In the article, the pollution process of leachate leakage is imitated by establishing the physical model. The experiment simulation work is carried out with the parallel electrical method, and the electrical reaction and its characteristics of pollution medium are analyzed further. According to the testing results, the electrical conductivity difference of pollution soil is enlarged, and the changing scope and characteristics of the pollution can be decided through the resistivity test method. The parallel electrical technology can provide the technical support for the pollution assessment of underground medium.

soil pollution; parallel electrical method; exploration; experiment

2016-01-12

王校剛(1976-)，男，河南許昌人，助教，碩士，研究方向：環(huán)境地質(zhì)及物探技術(shù)。

P62

A

1672-1098(2016)03-0043-04