地面高密度電阻率法在人工濕地堵塞區(qū)域探測研究

肖敬瑞，丁彥禮，劉 良，王 梅，白少元,3，熊 彬

(1.桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西恒晟水環(huán)境治理有限公司，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

1 引 言

人工濕地是20世紀(jì)70年代興起的一種污水處理工藝，由于具有投資少，能耗低、工藝設(shè)備簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)管理方便、系統(tǒng)配置可塑性強(qiáng)、運(yùn)行費(fèi)用低、出水具有一定生物安全性、生態(tài)環(huán)境效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地得到人們的關(guān)注[1]。然而大量的工程實(shí)踐表明，隨著人工濕地運(yùn)行時間的增加，其內(nèi)部會出現(xiàn)不同程度的堵塞[2]。以前人工濕地發(fā)生堵塞時,對堵塞的判斷及堵塞的程度僅能定性的進(jìn)行評價，無法對堵塞區(qū)域進(jìn)行精確定位。因此，針對人工濕地堵塞區(qū)域的定位探測是亟待解決的問題。

目前有關(guān)人工濕地堵塞監(jiān)測方法的研究取得了很大的進(jìn)展，可應(yīng)用的方法主要為以下幾種，分別是生物電池法[3]、電導(dǎo)率法[4]、探地雷達(dá)法[5]、水力傳導(dǎo)率法[6]、示蹤劑法[7,8]、分析堵塞物質(zhì)性質(zhì)[9]。其中應(yīng)用最廣的是水力傳導(dǎo)率法和示蹤劑法，但這2種方法都有明顯的缺點(diǎn)，如水力傳導(dǎo)率在測量過程中易受干擾、示蹤劑消耗量大且易吸附等[2]。最具前景的監(jiān)測方法則是基于基質(zhì)電磁和電阻特性的電導(dǎo)率法和探地雷達(dá)法，電導(dǎo)率法和探地雷達(dá)法對濕地內(nèi)部造成的干擾較小，在濕地堵塞物定性定量方面具有良好的發(fā)展前景[10,11]。Matos等[12]使用探地雷達(dá)探測了種植香蒲與未種植植被的兩個全尺寸水平潛流人工濕地的堵塞特性，結(jié)果表明探地雷達(dá)可以探測出堵塞區(qū)域，但地質(zhì)雷達(dá)方法也存在縱向尺度定位不精確的問題，并且由于人工濕地一般縱向尺度較小和處于水飽和狀態(tài)，存在基底和邊界反射較強(qiáng)、堵塞區(qū)域反射不夠清晰的問題，探測精度不夠理想。電阻率法對濕地內(nèi)部造成的干擾較小，可以快速、無損、有效地反映濕地堵塞狀況[2,13]。Morvanno[13]使用電阻率層析成像研究和時域反射技術(shù)對垂直流人工濕地進(jìn)行了探測，監(jiān)測了人工濕地的含水率動態(tài)，結(jié)果表明，由于物性差異不夠大，水分含量與高密度電阻率數(shù)據(jù)之間沒有顯著的相關(guān)性，無法進(jìn)行任何預(yù)測。Martinez-Carvajal等[14]將X射線斷層掃描和電阻率層析成像結(jié)合，測量了人工濕地的沉積層和礫石層，通過人工濕地的電阻率斷面和X射線斷面，可以探測堵塞區(qū)域，但電阻率法由于物性差異不夠大，導(dǎo)致精度不高，需要和X射線法結(jié)合來進(jìn)行推斷。目前關(guān)于電阻率法的相關(guān)研究還是比較少，為擴(kuò)大使用，還需長期進(jìn)行大量的研究[2]。

因此，根據(jù)潛流人工濕地結(jié)構(gòu)和堵塞區(qū)域的特點(diǎn)，本文提出利用地面高密度電阻率來探測和定位人工濕地堵塞區(qū)域，并且提出一種提高人工濕地系統(tǒng)電阻率差異的方法，從人工濕地堵塞探測的電阻率方法討論、電阻率法的水槽模擬實(shí)驗(yàn)和提高人工濕地系統(tǒng)電阻率差異方法幾個方面探討了利用地面高密度電法探測和定位人工濕地堵塞區(qū)域的可行性。

2 地面高密度電阻率法探測堵塞實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

高密度電阻率法[15,16]又稱電阻率層析成像法(Electrical Resistivity Tomography，ERT)，是一種陣列式的電法勘探方法，屬于電阻率法的范疇，它是在常規(guī)電法勘探基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種勘探方法，是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)，研究在施加電場的作用下，地下傳導(dǎo)電流的變化分布規(guī)律。其儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。地面高密度電阻率主要由直流電源、測量主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器、電纜和電極構(gòu)成測量系統(tǒng)，其中測量電極按照等間距布置在待測地質(zhì)斷面上。在進(jìn)行電阻率測量時有供電電極AB和測量電極MN，以地面A、B為供電點(diǎn)，向地下輸入電流強(qiáng)度為I的電流，在A、B中間段內(nèi)安置測量電極M、N得到電位差ΔU，最后按式(1)計(jì)算視電阻率：

(1)

式中,ρs為視電阻率，單位為Ω·m；ΔU為電位差，單位為mV;I為供電電流，單位為mA；K為裝置系數(shù)。

圖1 高密度電法儀器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of high density electrical instrument structure

2.2 地面高密度電阻率法裝置類型

地面高密度電阻率法的野外工作裝置類型比較多，包含有二極裝置、三極裝置和四極裝置及其變種等[17]。由于三極裝置異常相對比較復(fù)雜，且并不是所有的人工濕地都能滿足布設(shè)“無窮遠(yuǎn)極”的條件，人工濕地堵塞探測不適合使用三極裝置。在人工濕地堵塞探測中，測量裝置采用對稱四極裝置(施倫貝爾裝置)，該裝置對淺表層的水平異?？碧叫Ч^好，且探測出的異常體位置及形態(tài)特征較為準(zhǔn)確，異常解釋相對容易[18]。

2.3 人工濕地視電阻率

相對于地殼地質(zhì)體結(jié)構(gòu)來說，人工濕地床體相對比較簡單。如果僅僅針對飽和人工濕地床體而言，影響電阻率的主要因素是孔隙水的導(dǎo)電性。以飽和石英砂巖為例，其電阻率與孔隙中水的電阻率存在以下關(guān)系[19]：

(2)

式中,ω為含水率(或孔隙率)，單位為%；ρ為電阻率，單位為Ω·m;ρw為孔隙中水的電阻率，單位為Ω·m。

從上式(2)可以看出，當(dāng)ω固定不變時，介質(zhì)電阻率ρ與ρw成正比。而介質(zhì)孔隙中水的電阻率與水中溶解的導(dǎo)電離子的濃度有關(guān)，溶解的導(dǎo)電離子的濃度越大，電阻率越低。

在單一填料人工濕地中，其電阻率主要受孔隙水的電阻率控制，可以認(rèn)為電阻率是各向同性的；在分層填料人工濕地中，不同粒徑飽和填料的含水率(ω)變化很小，主要還是受孔隙水電阻率控制，也可以近似認(rèn)為電阻率是各向同性的。所以，可以假設(shè)飽和人工濕地填料電阻率是各向同性的。

如果人工濕地發(fā)生堵塞，堵塞體的電阻率與人工濕地飽和填料背景電阻率值不同，在堵塞區(qū)域附近，電極裝置周圍的介質(zhì)是一個電性不均勻體，測量得到的視電阻率值與飽和填料背景電阻率值不同。因此，在人工濕地探測堵塞探測中，主要影響因素還是人工濕地床體高阻邊界。如果不考慮高阻邊界，未堵塞的人工濕地電阻率值認(rèn)為是近似均勻各向同性的。

此外，對于視電阻率的計(jì)算方面，采用半空間的視電阻率計(jì)算公式計(jì)算得到的視電阻率，除了邊界附近存在較小的誤差外，其他區(qū)域誤差相對較小。因此，可以采用半空間的視電阻率計(jì)算公式計(jì)算視電阻率。

實(shí)際中使用的電阻率法探測人工濕地堵塞還存在一個比較嚴(yán)重的障礙，實(shí)際人工濕地中堵塞區(qū)域與未堵塞的濕地床體對電阻率起關(guān)鍵控制作用的是填料之間的溶液，所以堵塞區(qū)域的電阻率比未堵塞的濕地床體電阻率高出的數(shù)值是有限的，很難滿足電阻率探測中要求的有較大電阻率差異的條件。為了能在實(shí)際人工濕地中利用電阻率法準(zhǔn)確和有效地實(shí)現(xiàn)堵塞區(qū)域的探測和定位，可以通過在人工濕地中添加電解質(zhì)溶液(NaCl溶液)的方法來提高堵塞區(qū)域和未堵塞區(qū)域的電阻率差異，使堵塞區(qū)域相對電阻率提高，突出堵塞區(qū)域的高阻特征，以達(dá)到堵塞區(qū)域的定位探測目的。

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)地面高密度電阻率法實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)采用水槽模擬方式進(jìn)行，水槽的長、寬、高分別為146 cm、119 cm和102 cm，儀器使用WDJD-2高密度電阻率測量系統(tǒng)，自制水平高密度電極板(如圖2)，飽和細(xì)沙作為高阻模型。測量裝置采用對稱四極裝置(施倫貝爾裝置)，水平高密度電極板實(shí)接電極數(shù)為30，電極間距5 cm，滾動數(shù)為27，剖面數(shù)為14，測點(diǎn)數(shù)為196個。測量和測點(diǎn)布線為了避開水槽邊界的影響，布置在y=50 cm處，測量選擇電極間距為5 cm、電極個數(shù)30個。高阻體直徑分別為5 cm、10 cm的近球狀模型體，以水槽下方角點(diǎn)設(shè)定為坐標(biāo)原點(diǎn)，高阻體平面坐標(biāo)為(x=72.5 cm、y=50 cm)。高阻體設(shè)計(jì)了4個不同的頂部埋深(模型體頂部到水面的距離)分別為h=0.5 cm、2 cm、4 cm、10 cm進(jìn)行測量，對應(yīng)的R(高阻體頂部埋深/電極間距)=0.1、0.4、0.8、2；

圖2 自制對稱四極跑極方式示意圖Fig.2 Self-made schematic diagram of symmetrical quadrupole pole-running mode

2)提高人工濕地系統(tǒng)電阻率差異實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)采用水槽模擬方式進(jìn)行，水槽的長、寬、高分別為56.5 cm、36.7 cm和32.4 cm，儀器使用WDDS-1型數(shù)字電阻率儀，12 V直流蓄電池，2～4目和6～10目混合粒徑石英砂，導(dǎo)線若干，自來水，NaCl碘鹽，1 L燒杯，玻璃棒。測量裝置采用對稱四極裝置(施倫貝爾裝置)。通過配置濃度分別為0、1、5、10、20、40、60、80、100、200、400、600、800、1 000、2 000 mg/L的NaCl溶液，依次把不同濃度NaCl溶液裝進(jìn)物流箱，體積為物流箱容積的一半以上，然后用原位法測定各種濃度NaCl溶液的電阻率；其次將石英砂裝入物流箱中，體積為物流箱體積的一半，依次配置濃度為0、10、20、30、40、60、80、100、120、140、160、180、200、240、280、320、360、400、450、500、550、600、650和700 mg/L的NaCl溶液，測量時分別倒入石英砂中，用WDDS-1型數(shù)字電阻率測定其電阻率。在物流箱中長短邊分別設(shè)計(jì)了兩條相互垂直的線進(jìn)行測量，每條線進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并最終取平均值作為介質(zhì)的電阻率。

3 結(jié)果與討論

3.1 提高人工濕地系統(tǒng)電阻率差異實(shí)驗(yàn)

1)不同濃度NaCl溶液測定結(jié)果與分析

測定的不同濃度NaCl溶液時得到的電阻率曲線如圖3所示，NaCl溶液的電阻率隨濃度呈冪函數(shù)變化，且電阻率曲線變化可以分為快速降低區(qū)(0～400 mg/L)、緩慢降低區(qū)(400～1 000 mg/L)和基本平穩(wěn)區(qū)(>1 000 mg/L)。因此，如果想添加NaCl來改變自來水中電阻率的話，添加區(qū)域應(yīng)該選擇在快速降低區(qū)，這樣不但能減少NaCl的加入量，而且可以快速實(shí)現(xiàn)降低溶液電阻率的目的。

圖3 不同濃度NaCl溶液的電阻率曲線Fig.3 Resistivity curves of NaCl solutions with different concentrations

2) 加入NaCl溶液的石英砂電阻率測定結(jié)果與分析

測定的加入不同濃度NaCl溶液的飽和石英砂填料時得到的電阻率曲線如圖4所示。從圖中以看出,加入不同濃度NaCl溶液的飽和石英砂填料電阻率近似呈冪函數(shù)變化，電阻率曲線變化規(guī)律基本同圖3,不同濃度NaCl溶液的電阻率變化規(guī)律一致。其中未加NaCl溶液(NaCl濃度0 mg/L)的飽和填料電阻率為190 Ω·m ，當(dāng)加入濃度為80 mg/L的NaCl溶液時,石英砂填料電阻率為96 Ω·m，達(dá)到2倍電阻率差異。

圖4 加入不同濃度NaCl溶液的飽和石英砂電阻率曲線Fig.4 Resistivity curve of saturated quartz sand with different concentrations of NaCl solution

從以上的分析可以得出，通過在人工濕地中添加電解質(zhì)溶液(NaCl溶液)的方法來提高堵塞區(qū)域和未堵塞區(qū)域的電阻率差異，以實(shí)現(xiàn)人工濕地堵塞區(qū)域的探測和定位的目的是可行的。

3.2 視電阻率斷面圖分析

通過地面高密度電阻率法方法，根據(jù)設(shè)計(jì)的測點(diǎn)、電極間距和高阻體大小，測量整個設(shè)計(jì)測量范圍內(nèi)的二維數(shù)據(jù)。測點(diǎn)布設(shè)的高密度電極系統(tǒng)測量了不同高阻體大小和不同高阻體埋深的視電阻率數(shù)據(jù)，通過分別提取所有測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)分別組成二維斷面數(shù)據(jù)并繪制二維斷面視電阻率斷面等值線圖，根據(jù)視電阻率斷面等值線圖的特征可以對堵塞區(qū)域進(jìn)行分析定位。

圖5為離高阻異常體20 cm左右測線的視電阻率斷面等值線圖，從圖上可以看出，視電阻率除了下部區(qū)域受底部邊界和裝置系數(shù)變化引起的層狀高阻異常外，并不存在其他高阻異常特征，可以視其為背景空白值。

圖6為當(dāng)放置高阻體直徑為5 cm時的視電阻率斷面等值線圖。通過視電阻率斷面與空白模型視電阻率斷面對比，除下部區(qū)域受底部邊界和裝置系數(shù)變化引起的層狀高阻異常外，由圖6(a)和圖6(b)中可以看出，當(dāng)R=0.1和0.4時，探測效果較好，在異常體位置出現(xiàn)較明顯的高阻異常；由圖6(c)中可以看出，當(dāng)R=0.8時，探測效果變?nèi)?，異常體位置異常較微弱；由圖6(d)中可以看出，當(dāng)R>0.8時，視電阻率斷面與空白模型并無太大區(qū)別。R值越小，異常越明顯，但該異常也僅能定位高阻體的水平位置，對于垂向空間位置無法精確定位。

圖6 直徑5 cm高阻體視電阻率斷面等值線Fig.6 Contour map of apparent resistivity section of high resistance body with a diameter of 5 cm

圖7為當(dāng)放置高阻體直徑為10 cm時的視電阻率斷面等值線圖。通過視電阻率斷面與空白模型視電阻率斷面對比，除下部區(qū)域受底部邊界和裝置系數(shù)變化引起的層狀高阻異常外，由圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)中可以看出,當(dāng)R=0.1、0.4和0.8時，探測效果較好,在異常體位置出現(xiàn)較明顯的高阻異常，直徑10 cm的高阻體要比直徑5 cm的高阻體探測效果要好；由圖7(d) 中可以看出,當(dāng)R=2.0時，異常體位置異常較微弱，視電阻率斷面與空白模型并無太大區(qū)別。高阻異常體尺寸越大，異常越明顯，但該異常也僅能定位高阻體的水平位置，對于垂向空間位置無法精確定位。

圖7 直徑10 cm高阻體視電阻率斷面等值線Fig.7 Contour map of apparent resistivity section of high resistance body with a diameter of 10 cm

從以上的分析可以得出，對于潛流人工濕地，當(dāng)高阻異常體尺寸越大，探測效果越明顯；高阻異常體頂部埋深與電極間距的比值越小，探測效果越明顯。為了探測和定位埋深較大的高阻體，需要適當(dāng)增大電極間距或者增大高阻體與背景電阻率的差異。其中根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，視電阻率斷面對高阻區(qū)域的水平位置定位較準(zhǔn)確，而對垂向空間位置定位效果較差。

另外，對于人工濕地工程實(shí)例來說，水飽和人工濕地未堵塞區(qū)域和堵塞區(qū)域的電阻率差異不是很大，不能保證有較好的探測效果?？梢酝ㄟ^在人工濕地中加入電解質(zhì)溶液的方法來強(qiáng)化人工濕地未堵塞區(qū)域和堵塞區(qū)域的電阻率差異[20]，從而提升人工濕地堵塞區(qū)域探測精度和探測效果。

3.2 視電阻率斷面數(shù)據(jù)反演

通過對視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理，將視電阻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮杪蕯?shù)據(jù)，消除裝置系數(shù)變化對數(shù)據(jù)解釋造成的干擾，使垂向空間分辨率精度變高，可以提高地面高密度電阻率法的探測和定位效果。此次反演實(shí)驗(yàn)以5 cm和10 cm直徑的高阻體為例。反演軟件使用的是瑞典的RES2DINV直流電阻率反演軟件[21]。

圖8為直徑5 cm高阻體反演電阻率斷面等值線圖，從組圖中可以看出，當(dāng)R取0.1～2.0時，所有的電阻率剖面上都能基本反演出高阻體的空間位置；但在R>0.8的電阻率斷面上，高阻體底部邊界比實(shí)際略淺，反演精度不高，但相比依據(jù)視電阻率進(jìn)行解釋更加精確，其中反演電阻率斷面上橫向高阻區(qū)域比實(shí)際略寬，并且部分剖面還會出現(xiàn)一些小的假異常。反演后的電阻率斷面在高阻體下方都會出現(xiàn)一個很大區(qū)域的低阻異常區(qū)，這主要是由于底部高阻邊界影響造成的，在實(shí)測數(shù)據(jù)解釋時，要特別注意這個特征，以免出現(xiàn)解釋錯誤。通過結(jié)合視電阻率斷面在橫向空間上的精確定位，就可以很精確地探測和定位高阻體的空間位置。

圖8 直徑5 cm高阻體反演電阻率斷面等值線Fig.8 Inversion resistivity section contour map of a 5 cm diameter high resistance body

圖9為直徑10 cm高阻體反演電阻率斷面等值線圖，從組圖中可以看出反演得出的結(jié)論與直徑5 cm高阻體的反演結(jié)果基本一樣，但在R<0.8的斷面上，直徑10 cm高阻體的反演結(jié)果要比直徑5 cm高阻體的反演結(jié)果更加精確，特別是異常中心封閉的高阻區(qū)域電阻率值更接近高阻模型體的電阻率值，所以對于較大堵塞區(qū)域更容易實(shí)現(xiàn)定位探測。

圖9 直徑10 cm高阻體反演電阻率斷面等值線Fig.9 Inversion resistivity section contour map of a 10 cm diameter high resistance body

從以上的分析可以得出,對于潛流人工濕地，地面高密度電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行反演后的電阻率斷面在高阻體下方都會出現(xiàn)一個很大區(qū)域的低阻異常區(qū)，這主要是由于底部高阻邊界影響造成的，在實(shí)測數(shù)據(jù)解釋時，要注意這個特征，以免出現(xiàn)解釋錯誤。反演得到的視電阻率斷面對異常體的空間定位比視電阻率斷面效果更好，特別是在垂向空間上的定位，通過結(jié)合視電阻率斷面在橫向空間上的精確定位，就可以很精確地探測和定位高阻體的空間位置。通過視電阻率斷面等值線圖和反演的電阻率等值線圖進(jìn)行聯(lián)合解釋，可以很精確地探測和定位高阻體的空間位置。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)潛流人工濕地結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，使用地面高密度電阻率法對人工濕地堵塞模型進(jìn)行了探測實(shí)驗(yàn)，并且進(jìn)行了提高人工濕地系統(tǒng)電阻率差異實(shí)驗(yàn)，通過繪制視電阻率斷面等值線和反演電阻率等值線，以及加入NaCl溶液后的電阻率曲線圖，對探測效果進(jìn)行了討論，得出以下結(jié)論：

1)通過在人工濕地中添加電解質(zhì)溶液(NaCl溶液)的方法來提高堵塞區(qū)域和未堵塞區(qū)域的電阻率差異，以實(shí)現(xiàn)人工濕地堵塞區(qū)域的探測和定位的目的是可行的。

2)地面高密度電阻率方法能夠較好地探測和定位人工濕地高阻堵塞區(qū)域，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)高阻異常體尺寸越大、高阻異常體頂部埋深與電極間距的比值越小，探測效果越明顯。

3)地面高密度電阻率法的視電阻率斷面對高阻堵塞區(qū)域的水平位置定位較準(zhǔn)確，但對垂向空間位置定位效果較差，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得到的電阻率斷面對異常體的空間定位比視電阻率斷面效果更好，特別是在垂向空間上的定位。

4)對于人工濕地堵塞探測的數(shù)據(jù)處理來說，綜合利用視電阻率斷面等值線圖和反演的電阻率斷面等值線圖，可以更準(zhǔn)確地探測和定位高阻堵塞區(qū)的空間位置。