土壤污染特征并行电法测试试验研究

王校刚，张平松，田　忠

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽　淮南　232001)



土壤污染特征并行电法测试试验研究

王校刚，张平松，田忠

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001)

土壤介质被渗滤液污染后，其电学性质发生变化，可为电法探测介质的污染范围、程度及扩散动态提供地球物理探查基础。通过构建土壤污染介质模型条件，采用并行电法探测技术进行探查模拟试验，进一步分析污染介质的电性反应及其特征。试验结果表明，污染土壤导电性差异增大，电阻率测试方法可有效判识其影响范围及特征，为地下介质污染评价提供技术支撑。

土壤污染；并行电法；探查；试验

随着人们环境保护意识的不断增强，空气、水和土壤等环境污染问题越来越受到重视。同时，与人们生活息息相关的垃圾填埋、工业污水等所造成的土壤污染问题也越来越多，圈定它们的污染边界、跟踪其扩散动态，以及进行定性评价到定量诊断，也是一项重要的研究课题。以垃圾填埋场地下介质为例，其垃圾渗滤液是一种来源于垃圾与内外界水体发生物理化学等变化所生成的产物，是一种成分多样、水质复杂、污染性很强的高浓度废水。如若对此处理不善，将会对周边土壤环境造成二次污染的严重后果[1-2]，因此需要对垃圾场地周边土壤介质进行测试与监测，及时掌握地下介质的污染状况。目前，应用于地下介质间接测试的地球物理类方法较多，其中同位素示踪法、地温法、地震波法、测井法、瞬变电磁法、探地雷达和电阻率法等较为常见。电阻率法是环境检测和城市垃圾调查中一种重要的物探方法[3-8]，其应用面广泛，在发展过程中经历了常规电法、高密度电法和并行电法等不同阶段。目前，采用拟地震化数据采集的并行电法技术[9]，可以获得地下介质的全空间电场数据，对介质体的探查分辨精度高。文章结合土壤介质的污染特征进行模拟试验研究，所取得的技术参数及认识可为野外环境评价探查应用提供基础。

1　土壤污染并行电法测试技术

1.1测试地球物理基础

土壤污染是由于人类的活动将各种污染物带入土壤中，致使土壤重金属等含量明显高于其自然背景值，并造成生态破坏和环境质量恶化的现象。随着工业化的发展，土壤污染日益加剧，其污染来源主要有垃圾填埋渗漏、大气重金属沉降、污水灌溉、肥料和农业、采矿和冶炼等，这些污染物在土壤中移动性差，滞留时间长，大多数微生物降解缓慢，因此确定其影响的空间范围可为后续技术处理提供依据。电法勘探过程是依据土壤介质电学性质发生变化为基础，查找异常体的位置、形态、深度及大小等空间参数。对于城市生活垃圾集中填埋场的渗滤液，主要成分以阴、阳离子形式存在的无机物质，电化学性质比较活泼，易与土壤发生复杂的系列反应，打破了原有土壤在垂向和横向上电性的稳定性、规律性和渐变性，与周围原土体的电学性差异明显，具体表现为电阻率相对降低。渗滤液中含量相对较少的有机物，电学性质较多变，其中难溶于水的表现出成层现象，互溶具有活性有机物质也可引起土壤电学性质发生改变[10]。受污染后的介质与正常介质间电性变化显著，这是进行电法探查的前提条件和物质基础。

1.2并行电法探测技术

并行电法是在高密度电法数据采集技术基础上的改进，它能完成传统电法的各种测量装置数据采集，而且能极大地提高野外勘探效率，高效丰富的数据采集与处理是系统的核心[12]。根据并行电法数据采集方式的差异，可分为ABM法和AM法两种。AM法所采集的电位为单点电源供电下的电场，ABM 法采集数据所反映的是偶极子供电情况，测线上两点A和B为供电电源，现场把布设公用N极作为电位的参照标准，其他电极为测量电极M，测试过程中没有空闲电极存在，一次测量结束后可实现高密度电法的各类装置数据需求，减小了数据采集时的系统误差。

采用并行电法探测系统，可进行试验现场的立体化布置，采集不同时刻渗漏液的电阻率影响值，进一步反演其三维立体电阻率值，实现对渗漏液流动变化范围的追踪。其中电法三维反演数据的表达式为

Δd=GΔm

(1)

式中：G表示Jacobi矩阵，Δd是观测数据d和正演理论计算值d之间的残差向量，Δm为初始模型m的修改向量。并行电法采集的数据为电场空间综合作用的参数值，也即是获得各个电极的供电电流值，自然电场、一次场、二次场测量值的大小，可通过三维电法反演软件反映地质体三维电阻率的空间分布[11]，利于全方位观测地下介质污染状况。

2　探查模拟试验与分析

2.1数值模拟试验

以重金属污染物为例，分别进行二维和三维模拟实验。其中金属污染核心区介质电阻率取1Ω·m，背景场介质电阻率取150Ω·m，多层介质设置时相互间有一定的区分度，具体设置情况依据效果作适当调整。)果层介质设置时相互要图1为不同个数污染源条件下模拟的反演电阻率剖面，图1(a)为单一污染源层状地层反演结果图，利用单极-偶极装置模拟污染源，可见低阻效应明显且收敛性较好；图1(b)为两个污染源处于多层相对高阻地层条件下的反演结果，其位置与形状收敛效果良好，反应特征与初设情况相符；图1(c)为两个污染源处于多层相对低阻地层条件下的反演结果。模拟结果表明，电法探查所设定的污染体在介质中低阻效应明显，且收敛性好，相对于周边介质易于区别。

电阻率/(Ω·m) a. 单一污染源 b. 相对高阻地层双污染源 c. 相对低阻地层双污染源图1　介质污染模拟电阻率反演结果

图2为单一污染源三维污染场反演模拟结果图，污染源位于模型中心。通过三维效果，可以更加直观的看出污染源的低阻区域范围，其在不同层位的低阻异常特征有一定差别，表征利用电阻率方法进行介质污染探查具有良好的适用性。

电阻率/(Ω·m) a. 三维反演数据体 b. 电阻率水平切片图2　单一污染源三维电阻率反演结果

2.2物理模拟试验

在尺寸为4.0m×2.0m×2.0m的地下沙槽进行模拟试验，其介质骨料由细沙和腐殖土构成，场地的均一性良好。根据沙土介质受到污染物渗透后引起介质物性差异，在沙土表层布置测试电极，建立平面和立体相结合的观测系统，探查和反演介质内部电性变化特征。

图3　 试验模型电极布置图

图3为模型场地的电极布置图，围绕着污染物注溶池共布置3条测线，其中，CX1为环形测线，呈长方形围绕在注溶液池四周，布置了64个电极，电极间距0.03m，其中1#电极，16#，33#，48#电极分别位于长方形的四个角处，该测线为环形电透视序列；CX2跨过污染物注溶池， 位于长方形对角线上，1#电极与CX1线16#电极重合，电极间距为0.03m，共布置24个电极；CX3为平行测线，与污染物注溶池侧边平行布置，电极间距0.02m，共有40个电极，利于形成立体电法测试系统。

试验前对三条测线的地电数据进行背景测量，此结果作为测区未受污染的基准值。随着硫酸铜溶液的加入，测量的结果与背景对比可确定污染液扩散过程及影响范围。数据采集时分别对三条测线进行并行电法数据，建立统一的空间坐标系进行地电场反演。图4为注液前后探测空间的三维电阻率分布图。 该图以CX1测线的1#电极为系统坐标原点， 向东为x正方向， 向北为y正方向， 竖直向下为z轴深度延展方向。 图(a)表示背景测量值， 表征沙槽介质环境， 场地的电阻率基本上在150Ω·m以上，测量范围内沙土介质均匀；图(b)为自注溶池注入400mL硫酸铜溶液后的测试结果，其中心位置处存在相对低阻区域，且在0.18m和0.27m切片上低阻显现明显，0.18m处切片的低阻区域较大，反映出重金属离子溶液的扩散范围，但在深度和平面方向上影响范围程度存在一定的差异，呈晕状分布，分析为注入池中的重金属溶液在向外界扩散过程中与周围介质接触，降低了离子的浓度值，其导电差异突现。通过多个阶段电阻率图像的连续观测，可实时反映重金属离子溶液的扩散动态。根据电阻率变化情况，以20Ω·m以下阻值为重金属离子污染区域，确定在x方向上0.18～0.22m，z深度-0.10m以上为溶液扩散区域。

电阻率/(Ω·m) a. 背景 b. 注入400 mL图4　立体电阻率切片图

电阻率/(Ω·m) a. 少量注入液 b. 注入400 mL图5　沿注溶池剖面电阻率反演结果

图5为污染物注入后两组不同扩散范围的电阻率分布图， 该切片沿CX2线进行切片。 图5(a)为注入少量溶液后测试结果， 图5(b)为注入400mL溶液后的图像。 污染物的扩散在横向0.23～0.47m、深度-0.18m以上电阻率值低于20Ω·m，这部分区域受到重金属离子溶液的渗透。据此可以观测硫酸铜溶液沿着测线平面内不同方向的运移特征，其探查效果良好。

3　结论

1) 数值和物理模拟结果表明，并行电法测试技术可对垃圾渗滤液污染进行有效检测，其试验效果良好，既有常规电法圈定污染场空间位置的能力，也可进行多状态跟踪探查，可用于现场实地探测与推广应用。

2) 三维立体成像及电极电流时间变化结合使用，可进行渗滤液浸润面上和垂向扩散特征分辨，具有时空控制的全面性。但其判识的电阻率具体标准需结合不同场地的介质特性进行试验加以确定。

3) 对污染场地的治理，是以探测污染区域为基础，今后还需从不同污染类型等复杂环境下多角度、多方位、深层次地进行研究，为土壤污染等相似环境探测提供技术理论支撑，以及为环境监测提供科学依据。

[1]李建亚.城市垃圾渗滤液的治理[J],环境工程,2009,27(S):166-168.

[2]LOU ZIYANG, ZHAO YOUCAI, YUAN TAO,et al. Natural attenuation and characterization of contaminants composition in landfill leachate under different disposing ages[J].Science of the Total Environment, 2009,40(7):3 385-3 391.

[3]贾嵩,叶腾飞,龚育龄.高精度磁测在圈定垃圾填埋场范围中的应用[J].工程地球物理学报,2011,8(5):556-559.

[4]徐子东,师学明,傅庆凯,等.武汉某回填土堆场高密度电法污染调查研究[J].工程地球物理学报,2011,8(5):542-546.

[5]程业勋,刘海生,赵章元.城市垃圾污染的地球物理调查[J].工程地球物理学报,2004,1(1):26-30.

[6]唐俊红,张秀芝,彭征宇.城市垃圾填埋场渗滤液的环境污染分析[J].杭州电子科技大学学报,2010,30(1):50-53.

[7]郭秀军.污染含水介质ERT法探测技术研究[D].青岛:中国海洋大学博士学位论文,2009.

[8]张建清,熊永红,李鹏. 微动勘探技术在城市轨道交通勘察中的应用[J].人民长江,2016,47(1):39-42.

[9]刘盛东,张平松.分布式并行智能电极电位差信号采集方法:2004100140200[P].2006：7-26.

[10]白兰,周仲华,张虎元,等.污染土的电阻率特征分析[J].环境工程,2008,26(2):66-69.

[11]胡水根,刘盛东.电法勘探中并行数据采集与传统数据采集效率的比较研究[J].地球物理学进展,2010,25(2):612-617.

(责任编辑：李丽，范君)

Experimental study on Test by the Parallel Electrical Method for Characteristics of Soil Pollution

WANG Xiao-gang, ZHANG Ping-song, TIAN Zhong

(School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001, China)

The electrical property of the soil medium will change after the soil is polluted by landfill leachate, which provides the theoretical basis of geophysics tests for forecasting the pollution scope, degree and diffusion characteristics of landfill by means of the electrical method. In the article, the pollution process of leachate leakage is imitated by establishing the physical model. The experiment simulation work is carried out with the parallel electrical method, and the electrical reaction and its characteristics of pollution medium are analyzed further. According to the testing results, the electrical conductivity difference of pollution soil is enlarged, and the changing scope and characteristics of the pollution can be decided through the resistivity test method. The parallel electrical technology can provide the technical support for the pollution assessment of underground medium.

soil pollution; parallel electrical method; exploration; experiment

2016-01-12

王校刚(1976-)，男，河南许昌人，助教，硕士，研究方向：环境地质及物探技术。

P62

A

1672-1098(2016)03-0043-04