物探技術(shù)在地下水資源污染防治中的應(yīng)用研究

關(guān)鍵詞：物探技術(shù)；電磁探測技術(shù)；地下水資源；層析成像法；污染防治

中圖分類號：X64 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

在水資源中地下水資源具有便于開采、分布廣泛和水質(zhì)優(yōu)質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，屬于重要構(gòu)成部分，近年來的干旱氣候以及地下水資源開采量的增加，降低了地下水資源的水質(zhì)，許多專家和學(xué)者對地下水資源的重視度逐漸提高。主要針對不同污染類型、含水層位置、地質(zhì)形態(tài)等因素，選擇一種或多種物探方法來調(diào)查地下水污染的情況。面對垃圾滲濾液對地下水污染的情況，可以利用高密度電阻率法。面對地下水有機(jī)污染可以采用探地雷達(dá)法和高密度電阻率法。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年中國排放的污水高達(dá)數(shù)百億噸，江河湖海是污水排放的主要場所，但大部分污水都是沒有經(jīng)過處理就直接排放，導(dǎo)致江河湖海被污染，進(jìn)而影響地下水質(zhì)，造成地下水資源污染。地下水資源的污染對城市正常生活供水產(chǎn)生了影響，水資源的污染會對人類身體產(chǎn)生危害，同時(shí)影響生態(tài)環(huán)境，因此研究地下水資源污染防治方法具有重要意義。

瞬變電磁法屬于一種地球物理勘探方法，可將其應(yīng)用在地下水資源污染防治中，提出物探技術(shù)在地下水資源污染防治中的應(yīng)用方法。

1電磁探測技術(shù)

采用電磁探測技術(shù)構(gòu)建電磁探測系統(tǒng)，沿著x軸方向在研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置接地導(dǎo)線，電磁探測系統(tǒng)發(fā)射的諧變電流通過接地導(dǎo)線輸入地下，沿諧變電流傳輸方向在研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置測線，為了在相同時(shí)間內(nèi)獲取研究區(qū)域的電磁分量和電場分量可將分布式接收機(jī)布置在相同測線中。

設(shè)σ_a。代表卡尼亞視電阻率，計(jì)算公式如（1）：

在音頻段內(nèi)分批次調(diào)整測量頻率和供電頻率，獲得隨頻率變化的阻抗相位曲線和視電阻率變化曲線，通過迭代反演和數(shù)據(jù)處理，獲得地段斷面資料，用于了解地下結(jié)構(gòu)。電磁探測系統(tǒng)在地下水資源勘探過程中的工作原理見圖1。

電磁探測系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，第一部分為多通道接收系統(tǒng)，第二部分為大功率發(fā)射系統(tǒng)。

控制器、電流檢測裝置和發(fā)電機(jī)等是構(gòu)成大功率發(fā)射系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。針對發(fā)電機(jī)輸出的三相交流，首先對其展開濾波和整流操作，消除信號中存在的噪聲，提高信號的純凈度，其次將其輸入電磁探測系統(tǒng)的板橋電路中，該電路中三相交流會發(fā)生逆變，采用功率變壓器對逆變后的信號調(diào)壓，再次濾波和整流處理交流信號，最后向IGBT全橋變換電路輸入處理后的信號，將其作為直流電壓。

采用并聯(lián)的方式連接橋臂中的多個(gè)開關(guān)元件，其主要目的是提高變換電路的流通能力，發(fā)射系統(tǒng)屬于級聯(lián)式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)最終輸出的電壓可通過各級電壓計(jì)算得到。

電磁探測接收系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，第一部分為采集站，第二部分為主控站，利用無線或有線通訊方式連接采集站與主控站。主控站中存在多條數(shù)據(jù)采集通道，其主要目的是同時(shí)測量地下多個(gè)區(qū)域的磁場和電場，在電場通道和磁場通道中設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器，選用的A/D轉(zhuǎn)換器需具有獨(dú)立工作性能，以此實(shí)現(xiàn)采集站、主控站與發(fā)射系統(tǒng)的時(shí)間同步。利用GPS在勘探過程中校正處理恒溫晶振。采集站在電磁探測接收系統(tǒng)內(nèi)完成數(shù)據(jù)上傳、系統(tǒng)測試、數(shù)據(jù)采集和參數(shù)設(shè)置等工作。

2基于電磁探測的地下水資源勘探

2.1探測地質(zhì)構(gòu)造

利用電磁探測技術(shù)中的無線電波透視法探測研究區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造，針對磁導(dǎo)率、電阻率和介電常數(shù)等參數(shù)，礦石和巖石存在差異，因此針對電磁波的吸收能力兩者也不相同。電磁波在地下傳播時(shí)如果遇到斷裂界面會在第一時(shí)間發(fā)生折射現(xiàn)象或反射現(xiàn)象，上述現(xiàn)象會減少電磁波的能量。因此在地下水資源勘探過程中，如果電磁波遇到地下水資源會出現(xiàn)透視異常區(qū)，接收機(jī)無法獲取該區(qū)域的投射信號，通過上述原理即可完成地下水資源的勘探。

2.1.1場強(qiáng)曲線圖

用N_p表示屏蔽系數(shù)，其計(jì)算公式如（3）：

按照比例繪制綜合曲線圖，圖中的縱坐標(biāo)為屏蔽系數(shù)、實(shí)測場強(qiáng)和理論場強(qiáng)，縱坐標(biāo)為接收點(diǎn)在地下水勘探過程中的點(diǎn)位。根據(jù)綜合曲線，提取地下結(jié)構(gòu)中的異常體中心點(diǎn)，連接發(fā)射點(diǎn)與異常體中心點(diǎn)，獲得地下水區(qū)域位置的幾何陰影范圍，重復(fù)上述過程，獲取異常體在地下結(jié)構(gòu)中的輪廓，即地下水資源區(qū)域。

2.1.2地質(zhì)圖像

保障電磁波在地下水資源勘探過程中呈直線傳播，需要滿足下述條件：

（1）用6表示電磁波對應(yīng)的波長，在地下水資源勘探過程中，布置發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的位置時(shí)，應(yīng)該控制兩者的距離j高于δ/2π。利用層析成像法獲取地下水資源相關(guān)圖像數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該將電磁波的工作頻率設(shè)置在[0.32 MHz，1.51 MHz]范圍內(nèi)，波長控制在區(qū)間[71 m，202 m]內(nèi)。

（2）電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)的折射率受距離的影響較小，可用常數(shù)表示電磁波在地下水資源勘探過程中的傳播折射率。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)叵旅簩雍晚數(shù)装鍘r層的復(fù)雜程度較低時(shí)，電磁波在地下介質(zhì)中的傳播符合條件。

（3）用φ表示趨膚深度，描述的是電磁波自身能量在地下水資源勘探過程中可以穿透的深度，其表達(dá)式如（4）：

整理公式（5）獲得[y]=[X][L]。通過上述分析可知，層析成像法的原理是對多個(gè)像素的絕對衰減作用展開疊加處理，獲得地下水資源區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)。

2.2地下水資源勘探

選取大連作為本次地下水勘探區(qū)域，大連屬于華北板塊東部，研究區(qū)域的第四紀(jì)地層屬于上元古界震旦系，研究區(qū)域地質(zhì)情況見表1。

圖3中的紅色框線區(qū)域即為電磁探測技術(shù)檢測到的地下水資源區(qū)域。物探技術(shù)在地下水資源污染防治中的應(yīng)用方法采用評分法對地下水資源的污染程度展開評價(jià)。按照國家標(biāo)準(zhǔn)對單項(xiàng)組分評價(jià)，根據(jù)評價(jià)結(jié)果劃分地下水資源的污染程度，單項(xiàng)組分的評分F_i在表2的基礎(chǔ)上完成。（見表2）

利用下式獲取地下水資源的污染程度的評分值F：

現(xiàn)采用電磁探測技術(shù)探測研究區(qū)域的地下水資源，探測結(jié)果見圖3。

3地下水污染防治策略

物探技術(shù)在地下水資源污染防治中的應(yīng)用方法，根據(jù)地下水污染程度從管理控制方面、技術(shù)控制方面和宏觀控制方面提出如下防治策略：

（1）根據(jù)可持續(xù)發(fā)展理念，在工業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃過程中，對工業(yè)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)展開合理布局優(yōu)化，在保證生態(tài)平衡的基礎(chǔ)上促進(jìn)工業(yè)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。將減少污染物負(fù)荷、降低污水排放量作為發(fā)展目標(biāo)，且在發(fā)展過程中保護(hù)地下水資源，避免城市環(huán)境受到污染。（2）經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，控制城市污水的排放量有助于地下水資源的污染防治，研究表明，地下水資源的水質(zhì)容易受到生活污水排放的影響，因此需要加強(qiáng)城市污水排放的監(jiān)管工作。（3）制定排污收費(fèi)制度，控制污水排放量，根據(jù)污水再利用價(jià)值、污水危害、排放量以及污水水質(zhì)收取相應(yīng)的污水費(fèi)。（4）大力發(fā)展環(huán)保工程，提高污水回收利用率以及污水回收力度。污水經(jīng)過處理后，可用于地下水補(bǔ)給水源、農(nóng)業(yè)灌溉和冷卻降溫，帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)可避免污水污染地下水資源。（5）對污水排放實(shí)時(shí)監(jiān)督控制和科學(xué)管理，每個(gè)城市都應(yīng)該健全保護(hù)地下水資源的相關(guān)法律，在線監(jiān)測污水排放，避免污染超標(biāo)的污水被排放，完善城市排污數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。（6）控制農(nóng)藥化肥的使用量，避免過度施肥導(dǎo)致地下水資源受到污染。（7）設(shè)置垃圾處理場所和廢水處理場所，選址時(shí)需要遠(yuǎn)離城市水源地以及河流。（8）控制地下水資源的開采力度，避免地面沉降、海水倒灌等現(xiàn)象惡化地下水質(zhì)。

4結(jié)語

中國的水資源緊缺問題日益嚴(yán)重，因此開展水資源的治理、規(guī)劃和開發(fā)利用都是十分必要的。為此研究了地球物探技術(shù)在地下水環(huán)境中的應(yīng)用。并通過物探獲得了該地區(qū)的理論場強(qiáng)數(shù)據(jù)。通過對這些資料的分析，得到了地下水源的空間分布，并與地層相結(jié)合，得到了地下水源的地形圖。通過采集到的地質(zhì)影像，對地下水的污染狀況進(jìn)行了單項(xiàng)組分評價(jià)分值，根據(jù)地下水質(zhì)量級別標(biāo)準(zhǔn)劃分地下水污染等級，根據(jù)污染狀況研究結(jié)果提出相應(yīng)的防治對策。通過調(diào)整工業(yè)結(jié)構(gòu)，減少污染大、用水多和能耗大的項(xiàng)目，保護(hù)城市發(fā)展過程中的水資源，完善污水排放量、排污收費(fèi)等規(guī)章制度，收取對應(yīng)的污水費(fèi)。同時(shí)提高污水處理的回收利用率、控制農(nóng)藥化肥的使用量、設(shè)置專門的垃圾廢水處理場地，以減輕城市地下水的污染程度，達(dá)到保護(hù)水質(zhì)的效果。