土壤污染特征并行電法測試試驗研究

王校剛 張平松 田忠

摘要：土壤介質(zhì)被滲濾液污染后，其電學性質(zhì)發(fā)生變化，可為電法探測介質(zhì)的污染范圍、程度及擴散動態(tài)提供地球物理探查基礎。通過構建土壤污染介質(zhì)模型條件，采用并行電法探測技術進行探查模擬試驗，進一步分析污染介質(zhì)的電性反應及其特征。試驗結果表明，污染土壤導電性差異增大，電阻率測試方法可有效判識其影響范圍及特征，為地下介質(zhì)污染評價提供技術支撐。

關鍵詞：土壤污染；并行電法；探查；試驗

隨著人們環(huán)境保護意識的不斷增強，空氣、水和土壤等環(huán)境污染問題越來越受到重視。同時，與人們生活息息相關的垃圾填埋、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、跟蹤其擴散動態(tài)，以及進行定性評價到定量診斷，也是一項重要的研究課題。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)生物理化學等變化所生成的產(chǎn)物，是一種成分多樣、水質(zhì)復雜、污染性很強的高濃度廢水。如若對此處理不善，將會對周邊土壤環(huán)境造成二次污染的嚴重后果，因此需要對垃圾場地周邊土壤介質(zhì)進行測試與監(jiān)測，及時掌握地下介質(zhì)的污染狀況。目前，應用于地下介質(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，其應用面廣泛，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，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。文章結合土壤介質(zhì)的污染特征進行模擬試驗研究，所取得的技術參數(shù)及認識可為野外環(huán)境評價探查應用提供基礎。

1土壤污染并行電法測試技術

1.1測試地球物理基礎

土壤污染是由于人類的活動將各種污染物帶人土壤中，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性差，滯留時間長，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)技術處理提供依據(jù)。電法勘探過程是依據(jù)土壤介質(zhì)電學性質(zhì)發(fā)生變化為基礎，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物質(zhì)，電化學性質(zhì)比較活潑，易與土壤發(fā)生復雜的系列反應，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物，電學性質(zhì)較多變，其中難溶于水的表現(xiàn)出成層現(xiàn)象，互溶具有活性有機物質(zhì)也可引起土壤電學性質(zhì)發(fā)生改變。受污染后的介質(zhì)與正常介質(zhì)間電性變化顯著，這是進行電法探查的前提條件和物質(zhì)基礎。

1.2并行電法探測技術

并行電法是在高密度電法數(shù)據(jù)采集技術基礎上的改進，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。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A和B為供電電源，現(xiàn)場把布設公用N極作為電位的參照標準，其他電極為測量電極M，測試過程中沒有空閑電極存在，一次測量結束后可實現(xiàn)高密度電法的各類裝置數(shù)據(jù)需求，減小了數(shù)據(jù)采集時的系統(tǒng)誤差。

采用并行電法探測系統(tǒng)，可進行試驗現(xiàn)場的立體化布置，采集不同時刻滲漏液的電阻率影響值，進一步反演其三維立體電阻率值，實現(xiàn)對滲漏液流動變化范圍的追蹤。其中電法三維反演數(shù)據(jù)的表達式為

△d=G△m

式中：G表示Jacobi矩陣，△d是觀測數(shù)據(jù)d和正演理論計算值d之間的殘差向量，△m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，利于全方位觀測地下介質(zhì)污染狀況。

2探查模擬試驗與分析

2.1數(shù)值模擬試驗

以重金屬污染物為例，分別進行二維和三維模擬實驗。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)設置時相互間有一定的區(qū)分度，具體設置情況依據(jù)效果作適當調(diào)整。）果層介質(zhì)設置時相互要圖1為不同個數(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果圖，利用單極一偶極裝置模擬污染源，可見低阻效應明顯且收斂性較好；圖1（b）為兩個污染源處于多層相對高阻地層條件下的反演結果，其位置與形狀收斂效果良好，反應特征與初設情況相符；圖1（c）為兩個污染源處于多層相對低阻地層條件下的反演結果。模擬結果表明，電法探查所設定的污染體在介質(zhì)中低阻效應明顯，且收斂性好，相對于周邊介質(zhì)易于區(qū)別。

圖2為單一污染源三維污染場反演模擬結果圖，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行介質(zhì)污染探查具有良好的適用性。

2.2物理模擬試驗

在尺寸為4.0mx2.0mx2.0m的地下沙槽進行模擬試驗，其介質(zhì)骨料由細沙和腐殖土構成，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個電極，電極間距0.03 m，其中1#電極，16#，33#，48#電極分別位于長方形的四個角處，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CXl線16#電極重合，電極間距為0.03m，共布置24個電極；CX3為平行測線，與污染物注溶池側邊平行布置，電極間距0.02m，共有40個電極，利于形成立體電法測試系統(tǒng)。

試驗前對三條測線的地電數(shù)據(jù)進行背景測量，此結果作為測區(qū)未受污染的基準值。隨著硫酸銅溶液的加入，測量的結果與背景對比可確定污染液擴散過程及影響范圍。數(shù)據(jù)采集時分別對三條測線進行并行電法數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)一的空間坐標系進行地電場反演。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)坐標原點，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散過程中與周圍介質(zhì)接觸，降低了離子的濃度值，其導電差異突現(xiàn)。通過多個階段電阻率圖像的連續(xù)觀測，可實時反映重金屬離子溶液的擴散動態(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以上為溶液擴散區(qū)域。

圖5為污染物注入后兩組不同擴散范圍的電阻率分布圖，該切片沿CX2線進行切片。圖5（a）為注入少量溶液后測試結果，圖5（b）為注入400mL溶液后的圖像。污染物的擴散在橫向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)不同方向的運移特征，其探查效果良好。

3結論

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

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

3）對污染場地的治理，是以探測污染區(qū)域為基礎，今后還需從不同污染類型等復雜環(huán)境下多角度、多方位、深層次地進行研究，為土壤污染等相似環(huán)境探測提供技術理論支撐，以及為環(huán)境監(jiān)測提供科學依據(jù)。