非破壞性檢測(cè)地下LNAPL污染技術(shù)研究

李焜發(fā),洪奕星,康裕明,王正松,林國(guó)安

(1.中國(guó)石油股份有限公司探采研究所,臺(tái)灣苗栗,36042;2.國(guó)立海洋大學(xué)應(yīng)用地球科學(xué)研究所,臺(tái)灣基隆,20224;3.私逢甲大學(xué)土木及水利研究所,臺(tái)灣臺(tái)中,40724)

非破壞性檢測(cè)地下LNAPL污染技術(shù)研究

李焜發(fā)1,2,3,洪奕星2,康裕明3,王正松2,林國(guó)安1

(1.中國(guó)石油股份有限公司探采研究所,臺(tái)灣苗栗,36042;2.國(guó)立海洋大學(xué)應(yīng)用地球科學(xué)研究所,臺(tái)灣基隆,20224;3.私逢甲大學(xué)土木及水利研究所,臺(tái)灣臺(tái)中,40724)

采用非破壞性透地雷達(dá),對(duì)臺(tái)灣嘉義市水上鄉(xiāng)地下污染情況施測(cè),參考實(shí)地鉆探報(bào)告,對(duì)污染范圍進(jìn)行描繪,經(jīng)比對(duì)施測(cè)結(jié)果與鉆探報(bào)告,透地雷達(dá)檢測(cè)比水輕非水相液體(LNAPL)污染結(jié)果準(zhǔn)確,污染范圍判定吻合。

透地雷達(dá);比水輕非水相液體;非破壞檢測(cè)。

常見(jiàn)的地下環(huán)境污染多為人類(lèi)活動(dòng)所產(chǎn)生的廢棄物棄置不當(dāng)所致,其中有機(jī)化學(xué)污染物滲漏對(duì)環(huán)境的污染影響極大?？v觀現(xiàn)今探測(cè)地下污染的方法,主要有鉆孔、監(jiān)測(cè)井與開(kāi)挖等法,上述諸法雖可明確探知污染的存在,但對(duì)于污染范圍卻無(wú)法定義。本文利用透地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,GPR)檢測(cè)的快速性、分辨率高和非破壞性優(yōu)點(diǎn),研究其對(duì)地下比水輕非水相液體污染的描繪與辨識(shí)能力,并參考實(shí)地鉆探結(jié)果討論施測(cè)效果。

1 基本問(wèn)題簡(jiǎn)述

迄今為止,透地雷達(dá)探測(cè)地下污染問(wèn)題的研究雖多限于實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)階段,但大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)卻應(yīng)證了其用于偵測(cè)污染的可行性。透地雷達(dá)在工程方面的應(yīng)用可歸納為表1中的5大類(lèi)。

表1 透地雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域Table 1 Application areas of GPR

1.1 非水相液體

非水相液體(Non-Aqueous Phase Liquid, NAPL)按密度大小分為兩種:一為比水輕非水相液體(Light Non-Aqueous Phase Liquid,LNAPL,密度小于水而得名);另一為比水重非水相液體(Dense Non-Aqueous Phase Liquid,DNAPL,密度大于水而得名)[1-3]。常見(jiàn)的LNAPL多為汽油、煤油、柴油等燃油類(lèi),故LNAPL污染通常發(fā)生于石油煉制廠、加油站、儲(chǔ)油庫(kù)等地。常見(jiàn)的DNA PL為三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)等含氯有機(jī)溶劑。而含氯有機(jī)溶劑多為良好的除脂物,所以DNAPL污染通常發(fā)生于電子、化學(xué)、殺蟲(chóng)劑等制品廠以及煉焦廠等地[3]。

1.2 LNAPL的特性

LNAPL在地下擴(kuò)散隨時(shí)間推移會(huì)產(chǎn)生不同的狀態(tài),大致可分為如下4個(gè)階段:即殘留、汽化、聚積和分解。LNAPL污染擴(kuò)散模型如圖1所示 。由于DNAPL混合成分較為復(fù)雜,介電常數(shù)較難定義,其值介于2.2～10.9之間[4,7];而LNAPL則因其成分較為單純,介電常數(shù)值約為6～7[8]。

圖1 LNAPL污染擴(kuò)散模型Fig.1 Model of LNAPL pollutant diffusion

1.3 透地雷達(dá)圖像特征

研究為數(shù)不多的透地雷達(dá)探測(cè)地下污染的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?歸納出施測(cè)中的透地雷達(dá)圖像特征主要為:①因LNAPL的相對(duì)介電常數(shù)較低,導(dǎo)致雷達(dá)反射波振幅增大,從而使圖像形成亮區(qū)或暗區(qū)[2,6];②由于地層或地下水交界處出現(xiàn)的聚積而呈現(xiàn)出明顯的區(qū)塊,從而在圖像上形成不規(guī)則的亮斑[2,6];③在污染聚積處,其邊緣常伴隨有羽毛狀的污染群出現(xiàn)[7,9-11]。

2 透地雷達(dá)施測(cè)方法

2.1 施測(cè)原理

用透地雷達(dá)對(duì)地下污染區(qū)施測(cè)時(shí),地面發(fā)射天線向地下發(fā)射出10～1 500 M Hz的雷達(dá)波,當(dāng)雷達(dá)波探觸到使電磁特性(導(dǎo)電率、介電常數(shù)等)發(fā)生改變的反射界面或異物時(shí),一部分雷達(dá)波反射回地面,一部分雷達(dá)波折射入反射界面繼續(xù)往地層深處傳播。反射回的雷達(dá)波信號(hào)經(jīng)地面天線接收后自動(dòng)儲(chǔ)存,該信號(hào)經(jīng)處理后繪制成距離-時(shí)間圖,所記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)普通處理(增益處理、濾波處理等)和特殊處理(反褶積與偏移處理等)后即可用來(lái)判斷地下電磁特性發(fā)生異常的位置,進(jìn)而對(duì)污染情況及位置作出判斷。

2.2 施測(cè)設(shè)定

2.2.1 實(shí)地信息收集與勘察

用GPR施測(cè)時(shí),現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)信息是不可或缺的,數(shù)據(jù)愈詳細(xì),愈能達(dá)到準(zhǔn)確判圖的功效,其大致可分成表2中所示的3項(xiàng)。

表2 實(shí)地相關(guān)資料收集與勘察Table 2 Field data collection and exploration

2.2.2 施測(cè)參數(shù)設(shè)定

施測(cè)參數(shù)的合理設(shè)定直接影響數(shù)據(jù)判讀的難易,也會(huì)影響施測(cè)的質(zhì)量。比如天線的拖曳速度,檢測(cè)過(guò)程中,一方面由于數(shù)據(jù)接收表現(xiàn)為時(shí)間域,即系統(tǒng)是以固定時(shí)間記錄每條波影線,并將每條波影線排在一起形成雷達(dá)波影像剖面;另一方面,由于雷達(dá)波快速發(fā)射的特點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)將記錄的波影線通過(guò)影像處理方式將結(jié)果即時(shí)顯示于主機(jī)屏幕上,故所顯示出的波影線不反映天線拖曳速度變化的影響,即使天線停止前進(jìn),主機(jī)依然持續(xù)記錄并顯示波影線,故若天線沿測(cè)線拖曳的速度不穩(wěn)定,則施測(cè)質(zhì)量必然受到影響。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理與圖像解釋

2.2.3.1 數(shù)據(jù)處理

在處理透地雷達(dá)施測(cè)的數(shù)據(jù)時(shí),相關(guān)記錄方式、觀測(cè)系統(tǒng)、地下界面型態(tài)和波的傳播特征等因素的變化均會(huì)造成數(shù)據(jù)空間與地質(zhì)空間的差異,還有噪聲影響出現(xiàn)的波形雜亂等,故需藉助數(shù)據(jù)處理、背景噪聲移除等技術(shù)來(lái)進(jìn)行圖形的解釋。背景噪聲移除示意圖如圖2所示。

圖2 背景噪聲移除示意圖Fig.2 Schematic diagram of the background noise removal

2.2.3.2 圖像解釋

數(shù)據(jù)處理完成后,要進(jìn)行圖像解釋工作。透地雷達(dá)圖像特征與相應(yīng)地質(zhì)情形關(guān)系皆有跡可尋,如反射振幅、頻率、連續(xù)性、圖像外貌和測(cè)區(qū)之外的環(huán)境等均會(huì)提示一些地質(zhì)上的信息。透地雷達(dá)的圖像特征與相應(yīng)地質(zhì)解釋如表3所示。

表3 透地雷達(dá)的圖像特征與地質(zhì)解釋Table 3 Image features of GPRand itsgeological interpretation

3 透地雷達(dá)施測(cè)案例

本污染場(chǎng)址位于臺(tái)灣嘉義市水上鄉(xiāng)回歸村北回歸段。該地2005年因電線桿遷移坑洞挖掘時(shí),發(fā)現(xiàn)地面下30～100 cm處土壤呈黑泥狀且有刺鼻油味,巷道入孔內(nèi)有黑色油漬殘留,經(jīng)土壤及地下水采樣檢測(cè),發(fā)現(xiàn)石油烴(TPH)、苯及萘含量超標(biāo)。其中,巷道內(nèi)4-A點(diǎn) TPH含量為42.122 mg/g,4-B點(diǎn)TPH含量為為195.247 mg/g,加油站4-D點(diǎn)TPH含量為為3.298 mg/g;巷道內(nèi)4-A點(diǎn)苯含量為0.0648 mg/L,萘含量為0.413 mg/L。證明巷道內(nèi)土壤及地下水遭受重油污染,因此對(duì)巷道兩側(cè)土壤及鄰近車(chē)輛修理廠一帶進(jìn)行透地雷達(dá)施測(cè),同時(shí)設(shè)置地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)井,進(jìn)行土壤與地下水采樣分析。所用測(cè)量?jī)x器為美國(guó) Geophysical Survey System Inc公司SIR-3000系統(tǒng)透地雷達(dá),施測(cè)時(shí)輔以900 M Hz天線。污染場(chǎng)址位置透地雷達(dá)施測(cè)測(cè)線圖如圖3所示。透地雷達(dá)系統(tǒng)及天線實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 污染場(chǎng)址位置透地雷達(dá)施測(cè)測(cè)線圖Fig.3 Survey lines plot of GPR for the contam inated sites location

圖4 透地雷達(dá)系統(tǒng)及天線實(shí)物圖Fig.4 GPR system and itsantenna

3.1 數(shù)據(jù)分析與處理

通過(guò)專(zhuān)用數(shù)據(jù)傳輸線將主機(jī)儲(chǔ)存的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入電腦,對(duì)于電腦分析處理后的數(shù)據(jù),參照實(shí)地勘測(cè)結(jié)果保留多余的數(shù)據(jù)資料,將分析后的數(shù)據(jù)資料依據(jù)實(shí)測(cè)距離等分測(cè)線圖。完成上述工作后,利用偏移處理(M igration)將地下地層信息回歸原貌,再通過(guò)濾波處理(Filter)濾除雜波。

3.2 資料分析

污染場(chǎng)址位置所對(duì)應(yīng)的透地雷達(dá)測(cè)線分布主要有4條,其中第一條、第二條及第三條測(cè)線主要用于尋找污染邊界,第四條測(cè)線則作為判別污染擴(kuò)散走勢(shì)之用。施測(cè)測(cè)線表如表4所示。

透地雷達(dá)探查污染時(shí),是借助參考文獻(xiàn)2中所提供的圖像特征,利用在地層交界處因污染聚積導(dǎo)致的強(qiáng)反射與不規(guī)則的亮斑進(jìn)行探查。污染圖像特征如圖5所示。

表4 施測(cè)測(cè)線表Table 4 Survey lines length

圖5 污染圖像特征Fig.5 Image features for the pollution

3.3 測(cè)線解釋

透地雷達(dá)施測(cè)后的測(cè)線剖面經(jīng)信號(hào)分析處理后,對(duì)污染狀況的分析解釋如下。

3.3.1 第一條測(cè)線

第一條測(cè)線剖面圖如圖6所示。從圖6中可看到污染幾乎是全面性的,且污染最淺處于地表下3 cm處便可觀察到,故知其污染甚為嚴(yán)重。

3.3.2 第二條測(cè)線

第二條測(cè)線剖面圖如圖7所示。從圖7中可觀察到,此段測(cè)線并無(wú)污染,而地表下1.4 m處的強(qiáng)反射是由地下含水層所導(dǎo)致的,可知污染并未擴(kuò)散至此。

3.3.3 第三條測(cè)線

第三條測(cè)線剖面圖如圖8所示。由圖8的結(jié)果可看出,此段測(cè)線上亦無(wú)因污染而造成的強(qiáng)反射,可見(jiàn)污染并未擴(kuò)散至臺(tái)一線上。

3.3.4 第四條測(cè)線

第四條測(cè)線剖面圖如圖9所示。由圖9中可看到,污染最淺于地表下5 cm處便可見(jiàn);此外該測(cè)線上的污染顯示出區(qū)域性分布現(xiàn)象,主要分布在測(cè)線5 cm之下與65 cm之上,最后在135 cm之下再次出現(xiàn),此種情形疑似隨地下水之遷徙所致。

圖6 第一條測(cè)線剖面圖Fig.6 Profile of first survey line

圖7 第二條測(cè)線剖面圖Fig.7 Profile of second survey line

圖8 第三條測(cè)線剖面圖Fig.8 Profile of third survey line

圖9 第四條測(cè)線剖面圖Fig.9 Profile of fourth survey line

3.4 結(jié)果及分析

將測(cè)線上的污染區(qū)以點(diǎn)的方式標(biāo)示于實(shí)測(cè)示意圖上,污染點(diǎn)示意圖如圖10所示。由圖10可看出,污染是由最為嚴(yán)重的第一條測(cè)線起開(kāi)始擴(kuò)散,污染走勢(shì)可能是向兩側(cè)流動(dòng)但未擴(kuò)散至第三條測(cè)線。據(jù)涂料公司老板提示,B-停車(chē)廠處已進(jìn)行過(guò)全面換土,因此污染可能大部分聚集于A-停車(chē)廠與加油站。因LNAPL污染源擴(kuò)散會(huì)隨地下水位升降而遷徙,因此有必要將透地雷達(dá)施測(cè)結(jié)果與原始地下水位監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)做比對(duì)。地下水位監(jiān)測(cè)井分布如圖11所示。各監(jiān)測(cè)井地下水位高度如表5所示。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)做進(jìn)一步的鉆孔探測(cè),并利用有機(jī)氣體檢測(cè)儀探查揮發(fā)性氣體的光離子化檢測(cè)器(PID)檢測(cè)濃度?，F(xiàn)場(chǎng)鉆孔PID檢測(cè)濃度大于200 ppm的污染區(qū)分布如圖12所示。

圖10 污染點(diǎn)示意圖Fig.10 Schematic diagram of pollution spots

圖11 地下水位監(jiān)測(cè)井分布Fig.11 Distribution of the monitoring wells for groundwater level

表5 各監(jiān)測(cè)井地下水位高度Table 5 Groundwater level for each monitoring well

圖12 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔PID檢測(cè)濃度大于200 ppm污染區(qū)Fig.12 Polluted area distribution with above 200 ppm PID test concentration

由地下水位監(jiān)測(cè)資料得到,地下水位流向是由第一條測(cè)線往第二條測(cè)線、第三條測(cè)線方向流動(dòng),此結(jié)論與透地雷達(dá)探查結(jié)果吻合。在污染范圍上,現(xiàn)場(chǎng)鉆孔所探查的污染范圍分布于巷道、A-停車(chē)場(chǎng)及加油站,這也與透地雷達(dá)施測(cè)結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)場(chǎng)水位監(jiān)測(cè)所得地下水流向與透地雷達(dá)探查的污染走向如出一轍,現(xiàn)場(chǎng)鉆孔所探查的污染范圍分布情況與透地雷達(dá)施測(cè)結(jié)果相互應(yīng)證。

(2)透地雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)成功案例表明,透地雷達(dá)在污染探測(cè)應(yīng)用方面有其可用性與發(fā)展性。

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Non-destructive testing of underground LNAPL pollution

Kun Fa Lee1,2,3,Eason Hong2,Yu M in Kang3,Cheng Sung W ang2,Kuo An L in1
(1.Exp lo ration and Development Research Institute,Chinese Petroleum Co rp.,M iao-Li 36042,Taiwan; 2.Institute of App lied Geosciences,National Taiwan Ocean University,Keelung 20224,Taiwan; 3.Department of Civil Engineering and Water Resources,Feng Chia University,Taichung 40724,Taiwan)

Non-destructive ground-penetrating radar(GPR)was used for detecting underground pollution in Shueishang Tow nship,Chaiyi County of Taiwan.By referring to on-site drilling report,the scope of pollution was determined.Comparing the GRP results w ith the drilling repo rt,it is found that GPR is accurate in determining the scope of pollution of lighter than w ater non-aqueous phase liquids(LNAPL).

GPR;LNAPL;non-destructive testing

X54

A

1674-3644(2010)06-0646-06

[責(zé)任編輯 彭金旺]

2010-05-28

李焜發(fā)(1955-),男,中國(guó)石油股份有限公司研究員;國(guó)立海洋大學(xué)、私逢甲大學(xué)博士生.E-mail:lkf0235@hotmail.com