非破壞性檢測地下LNAPL污染技術(shù)研究

李焜發(fā),洪奕星,康裕明,王正松,林國安

(1.中國石油股份有限公司探采研究所,臺灣苗栗,36042;2.國立海洋大學(xué)應(yīng)用地球科學(xué)研究所,臺灣基隆,20224;3.私逢甲大學(xué)土木及水利研究所,臺灣臺中,40724)

非破壞性檢測地下LNAPL污染技術(shù)研究

李焜發(fā)1,2,3,洪奕星2,康裕明3,王正松2,林國安1

(1.中國石油股份有限公司探采研究所,臺灣苗栗,36042;2.國立海洋大學(xué)應(yīng)用地球科學(xué)研究所,臺灣基隆,20224;3.私逢甲大學(xué)土木及水利研究所,臺灣臺中,40724)

采用非破壞性透地雷達,對臺灣嘉義市水上鄉(xiāng)地下污染情況施測,參考實地鉆探報告,對污染范圍進行描繪,經(jīng)比對施測結(jié)果與鉆探報告,透地雷達檢測比水輕非水相液體(LNAPL)污染結(jié)果準(zhǔn)確,污染范圍判定吻合。

透地雷達;比水輕非水相液體;非破壞檢測。

常見的地下環(huán)境污染多為人類活動所產(chǎn)生的廢棄物棄置不當(dāng)所致,其中有機化學(xué)污染物滲漏對環(huán)境的污染影響極大。縱觀現(xiàn)今探測地下污染的方法,主要有鉆孔、監(jiān)測井與開挖等法,上述諸法雖可明確探知污染的存在,但對于污染范圍卻無法定義。本文利用透地雷達(Ground Penetrating Radar,GPR)檢測的快速性、分辨率高和非破壞性優(yōu)點,研究其對地下比水輕非水相液體污染的描繪與辨識能力,并參考實地鉆探結(jié)果討論施測效果。

1 基本問題簡述

迄今為止,透地雷達探測地下污染問題的研究雖多限于實驗室模型試驗階段,但大量實驗數(shù)據(jù)卻應(yīng)證了其用于偵測污染的可行性。透地雷達在工程方面的應(yīng)用可歸納為表1中的5大類。

表1 透地雷達應(yīng)用領(lǐng)域Table 1 Application areas of GPR

1.1 非水相液體

非水相液體(Non-Aqueous Phase Liquid, NAPL)按密度大小分為兩種:一為比水輕非水相液體(Light Non-Aqueous Phase Liquid,LNAPL,密度小于水而得名);另一為比水重非水相液體(Dense Non-Aqueous Phase Liquid,DNAPL,密度大于水而得名)[1-3]。常見的LNAPL多為汽油、煤油、柴油等燃油類,故LNAPL污染通常發(fā)生于石油煉制廠、加油站、儲油庫等地。常見的DNA PL為三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)等含氯有機溶劑。而含氯有機溶劑多為良好的除脂物,所以DNAPL污染通常發(fā)生于電子、化學(xué)、殺蟲劑等制品廠以及煉焦廠等地[3]。

1.2 LNAPL的特性

LNAPL在地下擴散隨時間推移會產(chǎn)生不同的狀態(tài),大致可分為如下4個階段:即殘留、汽化、聚積和分解。LNAPL污染擴散模型如圖1所示 。由于DNAPL混合成分較為復(fù)雜,介電常數(shù)較難定義,其值介于2.2～10.9之間[4,7];而LNAPL則因其成分較為單純,介電常數(shù)值約為6～7[8]。

圖1 LNAPL污染擴散模型Fig.1 Model of LNAPL pollutant diffusion

1.3 透地雷達圖像特征

研究為數(shù)不多的透地雷達探測地下污染的實驗?zāi)Ｐ?歸納出施測中的透地雷達圖像特征主要為:①因LNAPL的相對介電常數(shù)較低,導(dǎo)致雷達反射波振幅增大,從而使圖像形成亮區(qū)或暗區(qū)[2,6];②由于地層或地下水交界處出現(xiàn)的聚積而呈現(xiàn)出明顯的區(qū)塊,從而在圖像上形成不規(guī)則的亮斑[2,6];③在污染聚積處,其邊緣常伴隨有羽毛狀的污染群出現(xiàn)[7,9-11]。

2 透地雷達施測方法

2.1 施測原理

用透地雷達對地下污染區(qū)施測時,地面發(fā)射天線向地下發(fā)射出10～1 500 M Hz的雷達波,當(dāng)雷達波探觸到使電磁特性(導(dǎo)電率、介電常數(shù)等)發(fā)生改變的反射界面或異物時,一部分雷達波反射回地面,一部分雷達波折射入反射界面繼續(xù)往地層深處傳播。反射回的雷達波信號經(jīng)地面天線接收后自動儲存,該信號經(jīng)處理后繪制成距離-時間圖,所記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)普通處理(增益處理、濾波處理等)和特殊處理(反褶積與偏移處理等)后即可用來判斷地下電磁特性發(fā)生異常的位置,進而對污染情況及位置作出判斷。

2.2 施測設(shè)定

2.2.1 實地信息收集與勘察

用GPR施測時,現(xiàn)場相關(guān)信息是不可或缺的,數(shù)據(jù)愈詳細,愈能達到準(zhǔn)確判圖的功效,其大致可分成表2中所示的3項。

表2 實地相關(guān)資料收集與勘察Table 2 Field data collection and exploration

2.2.2 施測參數(shù)設(shè)定

施測參數(shù)的合理設(shè)定直接影響數(shù)據(jù)判讀的難易,也會影響施測的質(zhì)量。比如天線的拖曳速度,檢測過程中,一方面由于數(shù)據(jù)接收表現(xiàn)為時間域,即系統(tǒng)是以固定時間記錄每條波影線,并將每條波影線排在一起形成雷達波影像剖面;另一方面,由于雷達波快速發(fā)射的特點,現(xiàn)場檢測將記錄的波影線通過影像處理方式將結(jié)果即時顯示于主機屏幕上,故所顯示出的波影線不反映天線拖曳速度變化的影響,即使天線停止前進,主機依然持續(xù)記錄并顯示波影線,故若天線沿測線拖曳的速度不穩(wěn)定,則施測質(zhì)量必然受到影響。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理與圖像解釋

2.2.3.1 數(shù)據(jù)處理

在處理透地雷達施測的數(shù)據(jù)時,相關(guān)記錄方式、觀測系統(tǒng)、地下界面型態(tài)和波的傳播特征等因素的變化均會造成數(shù)據(jù)空間與地質(zhì)空間的差異,還有噪聲影響出現(xiàn)的波形雜亂等,故需藉助數(shù)據(jù)處理、背景噪聲移除等技術(shù)來進行圖形的解釋。背景噪聲移除示意圖如圖2所示。

圖2 背景噪聲移除示意圖Fig.2 Schematic diagram of the background noise removal

2.2.3.2 圖像解釋

數(shù)據(jù)處理完成后,要進行圖像解釋工作。透地雷達圖像特征與相應(yīng)地質(zhì)情形關(guān)系皆有跡可尋,如反射振幅、頻率、連續(xù)性、圖像外貌和測區(qū)之外的環(huán)境等均會提示一些地質(zhì)上的信息。透地雷達的圖像特征與相應(yīng)地質(zhì)解釋如表3所示。

表3 透地雷達的圖像特征與地質(zhì)解釋Table 3 Image features of GPRand itsgeological interpretation

3 透地雷達施測案例

本污染場址位于臺灣嘉義市水上鄉(xiāng)回歸村北回歸段。該地2005年因電線桿遷移坑洞挖掘時,發(fā)現(xiàn)地面下30～100 cm處土壤呈黑泥狀且有刺鼻油味,巷道入孔內(nèi)有黑色油漬殘留,經(jīng)土壤及地下水采樣檢測,發(fā)現(xiàn)石油烴(TPH)、苯及萘含量超標(biāo)。其中,巷道內(nèi)4-A點 TPH含量為42.122 mg/g,4-B點TPH含量為為195.247 mg/g,加油站4-D點TPH含量為為3.298 mg/g;巷道內(nèi)4-A點苯含量為0.0648 mg/L,萘含量為0.413 mg/L。證明巷道內(nèi)土壤及地下水遭受重油污染,因此對巷道兩側(cè)土壤及鄰近車輛修理廠一帶進行透地雷達施測,同時設(shè)置地下水質(zhì)監(jiān)測井,進行土壤與地下水采樣分析。所用測量儀器為美國 Geophysical Survey System Inc公司SIR-3000系統(tǒng)透地雷達,施測時輔以900 M Hz天線。污染場址位置透地雷達施測測線圖如圖3所示。透地雷達系統(tǒng)及天線實物圖如圖4所示。

圖3 污染場址位置透地雷達施測測線圖Fig.3 Survey lines plot of GPR for the contam inated sites location

圖4 透地雷達系統(tǒng)及天線實物圖Fig.4 GPR system and itsantenna

3.1 數(shù)據(jù)分析與處理

通過專用數(shù)據(jù)傳輸線將主機儲存的實測數(shù)據(jù)輸入電腦,對于電腦分析處理后的數(shù)據(jù),參照實地勘測結(jié)果保留多余的數(shù)據(jù)資料,將分析后的數(shù)據(jù)資料依據(jù)實測距離等分測線圖。完成上述工作后,利用偏移處理(M igration)將地下地層信息回歸原貌,再通過濾波處理(Filter)濾除雜波。

3.2 資料分析

污染場址位置所對應(yīng)的透地雷達測線分布主要有4條,其中第一條、第二條及第三條測線主要用于尋找污染邊界,第四條測線則作為判別污染擴散走勢之用。施測測線表如表4所示。

透地雷達探查污染時,是借助參考文獻2中所提供的圖像特征,利用在地層交界處因污染聚積導(dǎo)致的強反射與不規(guī)則的亮斑進行探查。污染圖像特征如圖5所示。

表4 施測測線表Table 4 Survey lines length

圖5 污染圖像特征Fig.5 Image features for the pollution

3.3 測線解釋

透地雷達施測后的測線剖面經(jīng)信號分析處理后,對污染狀況的分析解釋如下。

3.3.1 第一條測線

第一條測線剖面圖如圖6所示。從圖6中可看到污染幾乎是全面性的,且污染最淺處于地表下3 cm處便可觀察到,故知其污染甚為嚴(yán)重。

3.3.2 第二條測線

第二條測線剖面圖如圖7所示。從圖7中可觀察到,此段測線并無污染,而地表下1.4 m處的強反射是由地下含水層所導(dǎo)致的,可知污染并未擴散至此。

3.3.3 第三條測線

第三條測線剖面圖如圖8所示。由圖8的結(jié)果可看出,此段測線上亦無因污染而造成的強反射,可見污染并未擴散至臺一線上。

3.3.4 第四條測線

第四條測線剖面圖如圖9所示。由圖9中可看到,污染最淺于地表下5 cm處便可見;此外該測線上的污染顯示出區(qū)域性分布現(xiàn)象,主要分布在測線5 cm之下與65 cm之上,最后在135 cm之下再次出現(xiàn),此種情形疑似隨地下水之遷徙所致。

圖6 第一條測線剖面圖Fig.6 Profile of first survey line

圖7 第二條測線剖面圖Fig.7 Profile of second survey line

圖8 第三條測線剖面圖Fig.8 Profile of third survey line

圖9 第四條測線剖面圖Fig.9 Profile of fourth survey line

3.4 結(jié)果及分析

將測線上的污染區(qū)以點的方式標(biāo)示于實測示意圖上,污染點示意圖如圖10所示。由圖10可看出,污染是由最為嚴(yán)重的第一條測線起開始擴散,污染走勢可能是向兩側(cè)流動但未擴散至第三條測線。據(jù)涂料公司老板提示,B-停車廠處已進行過全面換土,因此污染可能大部分聚集于A-停車廠與加油站。因LNAPL污染源擴散會隨地下水位升降而遷徙,因此有必要將透地雷達施測結(jié)果與原始地下水位監(jiān)測井?dāng)?shù)據(jù)做比對。地下水位監(jiān)測井分布如圖11所示。各監(jiān)測井地下水位高度如表5所示。對現(xiàn)場做進一步的鉆孔探測,并利用有機氣體檢測儀探查揮發(fā)性氣體的光離子化檢測器(PID)檢測濃度。現(xiàn)場鉆孔PID檢測濃度大于200 ppm的污染區(qū)分布如圖12所示。

圖10 污染點示意圖Fig.10 Schematic diagram of pollution spots

圖11 地下水位監(jiān)測井分布Fig.11 Distribution of the monitoring wells for groundwater level

表5 各監(jiān)測井地下水位高度Table 5 Groundwater level for each monitoring well

圖12 現(xiàn)場鉆孔PID檢測濃度大于200 ppm污染區(qū)Fig.12 Polluted area distribution with above 200 ppm PID test concentration

由地下水位監(jiān)測資料得到,地下水位流向是由第一條測線往第二條測線、第三條測線方向流動,此結(jié)論與透地雷達探查結(jié)果吻合。在污染范圍上,現(xiàn)場鉆孔所探查的污染范圍分布于巷道、A-停車場及加油站,這也與透地雷達施測結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)場水位監(jiān)測所得地下水流向與透地雷達探查的污染走向如出一轍,現(xiàn)場鉆孔所探查的污染范圍分布情況與透地雷達施測結(jié)果相互應(yīng)證。

(2)透地雷達現(xiàn)場施測成功案例表明,透地雷達在污染探測應(yīng)用方面有其可用性與發(fā)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

[責(zé)任編輯 彭金旺]

2010-05-28

李焜發(fā)(1955-),男,中國石油股份有限公司研究員;國立海洋大學(xué)、私逢甲大學(xué)博士生.E-mail:lkf0235@hotmail.com