非破坏性检测地下LNAPL污染技术研究

李焜发,洪奕星,康裕明,王正松,林国安

(1.中国石油股份有限公司探采研究所,台湾苗栗,36042;2.国立海洋大学应用地球科学研究所,台湾基隆,20224;3.私逢甲大学土木及水利研究所,台湾台中,40724)

非破坏性检测地下LNAPL污染技术研究

李焜发1,2,3,洪奕星2,康裕明3,王正松2,林国安1

(1.中国石油股份有限公司探采研究所,台湾苗栗,36042;2.国立海洋大学应用地球科学研究所,台湾基隆,20224;3.私逢甲大学土木及水利研究所,台湾台中,40724)

采用非破坏性透地雷达,对台湾嘉义市水上乡地下污染情况施测,参考实地钻探报告,对污染范围进行描绘,经比对施测结果与钻探报告,透地雷达检测比水轻非水相液体(LNAPL)污染结果准确,污染范围判定吻合。

透地雷达;比水轻非水相液体;非破坏检测。

常见的地下环境污染多为人类活动所产生的废弃物弃置不当所致,其中有机化学污染物渗漏对环境的污染影响极大。纵观现今探测地下污染的方法,主要有钻孔、监测井与开挖等法,上述诸法虽可明确探知污染的存在,但对于污染范围却无法定义。本文利用透地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)检测的快速性、分辨率高和非破坏性优点,研究其对地下比水轻非水相液体污染的描绘与辨识能力,并参考实地钻探结果讨论施测效果。

1 基本问题简述

迄今为止,透地雷达探测地下污染问题的研究虽多限于实验室模型试验阶段,但大量实验数据却应证了其用于侦测污染的可行性。透地雷达在工程方面的应用可归纳为表1中的5大类。

表1 透地雷达应用领域Table 1 Application areas of GPR

1.1 非水相液体

非水相液体(Non-Aqueous Phase Liquid, NAPL)按密度大小分为两种:一为比水轻非水相液体(Light Non-Aqueous Phase Liquid,LNAPL,密度小于水而得名);另一为比水重非水相液体(Dense Non-Aqueous Phase Liquid,DNAPL,密度大于水而得名)[1-3]。常见的LNAPL多为汽油、煤油、柴油等燃油类,故LNAPL污染通常发生于石油炼制厂、加油站、储油库等地。常见的DNA PL为三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)等含氯有机溶剂。而含氯有机溶剂多为良好的除脂物,所以DNAPL污染通常发生于电子、化学、杀虫剂等制品厂以及炼焦厂等地[3]。

1.2 LNAPL的特性

LNAPL在地下扩散随时间推移会产生不同的状态,大致可分为如下4个阶段:即残留、汽化、聚积和分解。LNAPL污染扩散模型如图1所示 。由于DNAPL混合成分较为复杂,介电常数较难定义,其值介于2.2～10.9之间[4,7];而LNAPL则因其成分较为单纯,介电常数值约为6～7[8]。

图1 LNAPL污染扩散模型Fig.1 Model of LNAPL pollutant diffusion

1.3 透地雷达图像特征

研究为数不多的透地雷达探测地下污染的实验模型,归纳出施测中的透地雷达图像特征主要为:①因LNAPL的相对介电常数较低,导致雷达反射波振幅增大,从而使图像形成亮区或暗区[2,6];②由于地层或地下水交界处出现的聚积而呈现出明显的区块,从而在图像上形成不规则的亮斑[2,6];③在污染聚积处,其边缘常伴随有羽毛状的污染群出现[7,9-11]。

2 透地雷达施测方法

2.1 施测原理

用透地雷达对地下污染区施测时,地面发射天线向地下发射出10～1 500 M Hz的雷达波,当雷达波探触到使电磁特性(导电率、介电常数等)发生改变的反射界面或异物时,一部分雷达波反射回地面,一部分雷达波折射入反射界面继续往地层深处传播。反射回的雷达波信号经地面天线接收后自动储存,该信号经处理后绘制成距离-时间图,所记录的数据经普通处理(增益处理、滤波处理等)和特殊处理(反褶积与偏移处理等)后即可用来判断地下电磁特性发生异常的位置,进而对污染情况及位置作出判断。

2.2 施测设定

2.2.1 实地信息收集与勘察

用GPR施测时,现场相关信息是不可或缺的,数据愈详细,愈能达到准确判图的功效,其大致可分成表2中所示的3项。

表2 实地相关资料收集与勘察Table 2 Field data collection and exploration

2.2.2 施测参数设定

施测参数的合理设定直接影响数据判读的难易,也会影响施测的质量。比如天线的拖曳速度,检测过程中,一方面由于数据接收表现为时间域,即系统是以固定时间记录每条波影线,并将每条波影线排在一起形成雷达波影像剖面;另一方面,由于雷达波快速发射的特点,现场检测将记录的波影线通过影像处理方式将结果即时显示于主机屏幕上,故所显示出的波影线不反映天线拖曳速度变化的影响,即使天线停止前进,主机依然持续记录并显示波影线,故若天线沿测线拖曳的速度不稳定,则施测质量必然受到影响。

2.2.3 数据处理与图像解释

2.2.3.1 数据处理

在处理透地雷达施测的数据时,相关记录方式、观测系统、地下界面型态和波的传播特征等因素的变化均会造成数据空间与地质空间的差异,还有噪声影响出现的波形杂乱等,故需藉助数据处理、背景噪声移除等技术来进行图形的解释。背景噪声移除示意图如图2所示。

图2 背景噪声移除示意图Fig.2 Schematic diagram of the background noise removal

2.2.3.2 图像解释

数据处理完成后,要进行图像解释工作。透地雷达图像特征与相应地质情形关系皆有迹可寻,如反射振幅、频率、连续性、图像外貌和测区之外的环境等均会提示一些地质上的信息。透地雷达的图像特征与相应地质解释如表3所示。

表3 透地雷达的图像特征与地质解释Table 3 Image features of GPRand itsgeological interpretation

3 透地雷达施测案例

本污染场址位于台湾嘉义市水上乡回归村北回归段。该地2005年因电线杆迁移坑洞挖掘时,发现地面下30～100 cm处土壤呈黑泥状且有刺鼻油味,巷道入孔内有黑色油渍残留,经土壤及地下水采样检测,发现石油烃(TPH)、苯及萘含量超标。其中,巷道内4-A点 TPH含量为42.122 mg/g,4-B点TPH含量为为195.247 mg/g,加油站4-D点TPH含量为为3.298 mg/g;巷道内4-A点苯含量为0.0648 mg/L,萘含量为0.413 mg/L。证明巷道内土壤及地下水遭受重油污染,因此对巷道两侧土壤及邻近车辆修理厂一带进行透地雷达施测,同时设置地下水质监测井,进行土壤与地下水采样分析。所用测量仪器为美国 Geophysical Survey System Inc公司SIR-3000系统透地雷达,施测时辅以900 M Hz天线。污染场址位置透地雷达施测测线图如图3所示。透地雷达系统及天线实物图如图4所示。

图3 污染场址位置透地雷达施测测线图Fig.3 Survey lines plot of GPR for the contam inated sites location

图4 透地雷达系统及天线实物图Fig.4 GPR system and itsantenna

3.1 数据分析与处理

通过专用数据传输线将主机储存的实测数据输入电脑,对于电脑分析处理后的数据,参照实地勘测结果保留多余的数据资料,将分析后的数据资料依据实测距离等分测线图。完成上述工作后,利用偏移处理(M igration)将地下地层信息回归原貌,再通过滤波处理(Filter)滤除杂波。

3.2 资料分析

污染场址位置所对应的透地雷达测线分布主要有4条,其中第一条、第二条及第三条测线主要用于寻找污染边界,第四条测线则作为判别污染扩散走势之用。施测测线表如表4所示。

透地雷达探查污染时,是借助参考文献2中所提供的图像特征,利用在地层交界处因污染聚积导致的强反射与不规则的亮斑进行探查。污染图像特征如图5所示。

表4 施测测线表Table 4 Survey lines length

图5 污染图像特征Fig.5 Image features for the pollution

3.3 测线解释

透地雷达施测后的测线剖面经信号分析处理后,对污染状况的分析解释如下。

3.3.1 第一条测线

第一条测线剖面图如图6所示。从图6中可看到污染几乎是全面性的,且污染最浅处于地表下3 cm处便可观察到,故知其污染甚为严重。

3.3.2 第二条测线

第二条测线剖面图如图7所示。从图7中可观察到,此段测线并无污染,而地表下1.4 m处的强反射是由地下含水层所导致的,可知污染并未扩散至此。

3.3.3 第三条测线

第三条测线剖面图如图8所示。由图8的结果可看出,此段测线上亦无因污染而造成的强反射,可见污染并未扩散至台一线上。

3.3.4 第四条测线

第四条测线剖面图如图9所示。由图9中可看到,污染最浅于地表下5 cm处便可见;此外该测线上的污染显示出区域性分布现象,主要分布在测线5 cm之下与65 cm之上,最后在135 cm之下再次出现,此种情形疑似随地下水之迁徙所致。

图6 第一条测线剖面图Fig.6 Profile of first survey line

图7 第二条测线剖面图Fig.7 Profile of second survey line

图8 第三条测线剖面图Fig.8 Profile of third survey line

图9 第四条测线剖面图Fig.9 Profile of fourth survey line

3.4 结果及分析

将测线上的污染区以点的方式标示于实测示意图上,污染点示意图如图10所示。由图10可看出,污染是由最为严重的第一条测线起开始扩散,污染走势可能是向两侧流动但未扩散至第三条测线。据涂料公司老板提示,B-停车厂处已进行过全面换土,因此污染可能大部分聚集于A-停车厂与加油站。因LNAPL污染源扩散会随地下水位升降而迁徙,因此有必要将透地雷达施测结果与原始地下水位监测井数据做比对。地下水位监测井分布如图11所示。各监测井地下水位高度如表5所示。对现场做进一步的钻孔探测,并利用有机气体检测仪探查挥发性气体的光离子化检测器(PID)检测浓度。现场钻孔PID检测浓度大于200 ppm的污染区分布如图12所示。

图10 污染点示意图Fig.10 Schematic diagram of pollution spots

图11 地下水位监测井分布Fig.11 Distribution of the monitoring wells for groundwater level

表5 各监测井地下水位高度Table 5 Groundwater level for each monitoring well

图12 现场钻孔PID检测浓度大于200 ppm污染区Fig.12 Polluted area distribution with above 200 ppm PID test concentration

由地下水位监测资料得到,地下水位流向是由第一条测线往第二条测线、第三条测线方向流动,此结论与透地雷达探查结果吻合。在污染范围上,现场钻孔所探查的污染范围分布于巷道、A-停车场及加油站,这也与透地雷达施测结果吻合。

4 结论

(1)现场水位监测所得地下水流向与透地雷达探查的污染走向如出一辙,现场钻孔所探查的污染范围分布情况与透地雷达施测结果相互应证。

(2)透地雷达现场施测成功案例表明,透地雷达在污染探测应用方面有其可用性与发展性。

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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

[责任编辑 彭金旺]

2010-05-28

李焜发(1955-),男,中国石油股份有限公司研究员;国立海洋大学、私逢甲大学博士生.E-mail:lkf0235@hotmail.com