土壤污染特征并行電法測試試驗研究

王校剛 張平松 田忠

摘要：土壤介質被滲濾液污染后，其電學性質發生變化，可為電法探測介質的污染范圍、程度及擴散動態提供地球物理探查基礎。通過構建土壤污染介質模型條件，采用并行電法探測技術進行探查模擬試驗，進一步分析污染介質的電性反應及其特征。試驗結果表明，污染土壤導電性差異增大，電阻率測試方法可有效判識其影響范圍及特征，為地下介質污染評價提供技術支撐。

關鍵詞：土壤污染；并行電法；探查；試驗

隨著人們環境保護意識的不斷增強，空氣、水和土壤等環境污染問題越來越受到重視。同時，與人們生活息息相關的垃圾填埋、工業污水等所造成的土壤污染問題也越來越多，圈定它們的污染邊界、跟蹤其擴散動態，以及進行定性評價到定量診斷，也是一項重要的研究課題。以垃圾填埋場地下介質為例，其垃圾滲濾液是一種來源于垃圾與內外界水體發生物理化學等變化所生成的產物，是一種成分多樣、水質復雜、污染性很強的高濃度廢水。如若對此處理不善，將會對周邊土壤環境造成二次污染的嚴重后果，因此需要對垃圾場地周邊土壤介質進行測試與監測，及時掌握地下介質的污染狀況。目前，應用于地下介質間接測試的地球物理類方法較多，其中同位素示蹤法、地溫法、地震波法、測井法、瞬變電磁法、探地雷達和電阻率法等較為常見。電阻率法是環境檢測和城市垃圾調查中一種重要的物探方法，其應用面廣泛，在發展過程中經歷了常規電法、高密度電法和并行電法等不同階段。目前，采用擬地震化數據采集的并行電法技術，可以獲得地下介質的全空間電場數據，對介質體的探查分辨精度高。文章結合土壤介質的污染特征進行模擬試驗研究，所取得的技術參數及認識可為野外環境評價探查應用提供基礎。

1土壤污染并行電法測試技術

1.1測試地球物理基礎

土壤污染是由于人類的活動將各種污染物帶人土壤中，致使土壤重金屬等含量明顯高于其自然背景值，并造成生態破壞和環境質量惡化的現象。隨著工業化的發展，土壤污染日益加劇，其污染來源主要有垃圾填埋滲漏、大氣重金屬沉降、污水灌溉、肥料和農業、采礦和冶煉等，這些污染物在土壤中移動性差，滯留時間長，大多數微生物降解緩慢，因此確定其影響的空間范圍可為后續技術處理提供依據。電法勘探過程是依據土壤介質電學性質發生變化為基礎，查找異常體的位置、形態、深度及大小等空間參數。對于城市生活垃圾集中填埋場的滲濾液，主要成分以陰、陽離子形式存在的無機物質，電化學性質比較活潑，易與土壤發生復雜的系列反應，打破了原有土壤在垂向和橫向上電性的穩定性、規律性和漸變性，與周圍原土體的電學性差異明顯，具體表現為電阻率相對降低。滲濾液中含量相對較少的有機物，電學性質較多變，其中難溶于水的表現出成層現象，互溶具有活性有機物質也可引起土壤電學性質發生改變。受污染后的介質與正常介質間電性變化顯著，這是進行電法探查的前提條件和物質基礎。

1.2并行電法探測技術

并行電法是在高密度電法數據采集技術基礎上的改進，它能完成傳統電法的各種測量裝置數據采集，而且能極大地提高野外勘探效率，高效豐富的數據采集與處理是系統的核心。根據并行電法數據采集方式的差異，可分為ABM法和AM法兩種。AM法所采集的電位為單點電源供電下的電場，ABM法采集數據所反映的是偶極子供電情況，測線上兩點A和B為供電電源，現場把布設公用N極作為電位的參照標準，其他電極為測量電極M，測試過程中沒有空閑電極存在，一次測量結束后可實現高密度電法的各類裝置數據需求，減小了數據采集時的系統誤差。

采用并行電法探測系統，可進行試驗現場的立體化布置，采集不同時刻滲漏液的電阻率影響值，進一步反演其三維立體電阻率值，實現對滲漏液流動變化范圍的追蹤。其中電法三維反演數據的表達式為

△d=G△m

式中：G表示Jacobi矩陣，△d是觀測數據d和正演理論計算值d之間的殘差向量，△m為初始模型m的修改向量。并行電法采集的數據為電場空間綜合作用的參數值，也即是獲得各個電極的供電電流值，自然電場、一次場、二次場測量值的大小，可通過三維電法反演軟件反映地質體三維電阻率的空間分布，利于全方位觀測地下介質污染狀況。

2探查模擬試驗與分析

2.1數值模擬試驗

以重金屬污染物為例，分別進行二維和三維模擬實驗。其中金屬污染核心區介質電阻率取1Ω·m，背景場介質電阻率取150Ω·m，多層介質設置時相互間有一定的區分度，具體設置情況依據效果作適當調整。）果層介質設置時相互要圖1為不同個數污染源條件下模擬的反演電阻率剖面，圖1（a）為單一污染源層狀地層反演結果圖，利用單極一偶極裝置模擬污染源，可見低阻效應明顯且收斂性較好；圖1（b）為兩個污染源處于多層相對高阻地層條件下的反演結果，其位置與形狀收斂效果良好，反應特征與初設情況相符；圖1（c）為兩個污染源處于多層相對低阻地層條件下的反演結果。模擬結果表明，電法探查所設定的污染體在介質中低阻效應明顯，且收斂性好，相對于周邊介質易于區別。

圖2為單一污染源三維污染場反演模擬結果圖，污染源位于模型中心。通過三維效果，可以更加直觀的看出污染源的低阻區域范圍，其在不同層位的低阻異常特征有一定差別，表征利用電阻率方法進行介質污染探查具有良好的適用性。

2.2物理模擬試驗

在尺寸為4.0mx2.0mx2.0m的地下沙槽進行模擬試驗，其介質骨料由細沙和腐殖土構成，場地的均一性良好。根據沙土介質受到污染物滲透后引起介質物性差異，在沙土表層布置測試電極，建立平面和立體相結合的觀測系統，探查和反演介質內部電性變化特征。

圖3為模型場地的電極布置圖，圍繞著污染物注溶池共布置3條測線，其中，CX1為環形測線，呈長方形圍繞在注溶液池四周，布置了64個電極，電極間距0.03 m，其中1#電極，16#，33#，48#電極分別位于長方形的四個角處，該測線為環形電透視序列；CX2跨過污染物注溶池，位于長方形對角線上，1#電極與CXl線16#電極重合，電極間距為0.03m，共布置24個電極；CX3為平行測線，與污染物注溶池側邊平行布置，電極間距0.02m，共有40個電極，利于形成立體電法測試系統。

試驗前對三條測線的地電數據進行背景測量，此結果作為測區未受污染的基準值。隨著硫酸銅溶液的加入，測量的結果與背景對比可確定污染液擴散過程及影響范圍。數據采集時分別對三條測線進行并行電法數據，建立統一的空間坐標系進行地電場反演。圖4為注液前后探測空間的三維電阻率分布圖。該圖以CX1測線的1#電極為系統坐標原點，向東為x正方向，向北為y正方向，豎直向下為z軸深度延展方向。圖（a）表示背景測量值，表征沙槽介質環境，場地的電阻率基本上在150Ω·m以上，測量范圍內沙土介質均勻；圖（b）為自注溶池注入400mL硫酸銅溶液后的測試結果，其中心位置處存在相對低阻區域，且在0.18m和0.27m切片上低阻顯現明顯，0.18m處切片的低阻區域較大，反映出重金屬離子溶液的擴散范圍，但在深度和平面方向上影響范圍程度存在一定的差異，呈暈狀分布，分析為注入池中的重金屬溶液在向外界擴散過程中與周圍介質接觸，降低了離子的濃度值，其導電差異突現。通過多個階段電阻率圖像的連續觀測，可實時反映重金屬離子溶液的擴散動態。根據電阻率變化情況，以20Ω·m以下阻值為重金屬離子污染區域，確定在x方向上0.18～0.22m，z深度-0.10m以上為溶液擴散區域。

圖5為污染物注入后兩組不同擴散范圍的電阻率分布圖，該切片沿CX2線進行切片。圖5（a）為注入少量溶液后測試結果，圖5（b）為注入400mL溶液后的圖像。污染物的擴散在橫向0.23～0.47m、深度-0.18m以上電阻率值低于20Ω·m，這部分區域受到重金屬離子溶液的滲透。據此可以觀測硫酸銅溶液沿著測線平面內不同方向的運移特征，其探查效果良好。

3結論

1）數值和物理模擬結果表明，并行電法測試技術可對垃圾滲濾液污染進行有效檢測，其試驗效果良好，既有常規電法圈定污染場空間位置的能力，也可進行多狀態跟蹤探查，可用于現場實地探測與推廣應用。

2）三維立體成像及電極電流時間變化結合使用，可進行滲濾液浸潤面上和垂向擴散特征分辨，具有時空控制的全面性。但其判識的電阻率具體標準需結合不同場地的介質特性進行試驗加以確定。

3）對污染場地的治理，是以探測污染區域為基礎，今后還需從不同污染類型等復雜環境下多角度、多方位、深層次地進行研究，為土壤污染等相似環境探測提供技術理論支撐，以及為環境監測提供科學依據。