探地雷達方法在特殊含油污水管道滲漏探測中的應用

李圣魁，劉明明，潘廣山，畢征峰

(山東省地質礦產勘查開發局第四地質大隊，山東 濰坊 261021)

0 引言

探測區域位于淄博市臨淄區的山前沖積扇上，地勢南高北低，下游為魯中最大的水源地——侯皋水源地(圖1)。自1991年發現水源地局部地下水受污染以來，環保部門曾先后多次對地下水質進行觀測，也進行過不間斷的治理，但下游水質一直處于嚴重污染狀態，并且污染物濃度居高不下。為了徹底治理污染物對地下水的污染，必須尋找污染物的源頭。根據前期調查分析結果，水中主要污染物成分為石油類、CODmn、氨氮、揮發酚、苯、二氯乙烷等，而這類污染成分主要來源于乙烯裝置區。在整個裝置區內，所有的裝置位于地表之上，并且地表為厚度20～50cm的水泥鋪蓋層，因而排除了地表裝置泄漏造成污染的可能性，唯一可能的原因就是地下排污管線發生了滲漏。因此，選擇合適的探測手段，在裝置區內開展調查工作，對最終尋找出地下排污管道滲漏點的準確位置，具有重要的意義。

圖1 探地雷達探測區概況圖

諸如上述的滲漏污染事故是現代社會廣泛關注的公共安全問題，因此對此類基礎設施污染滲漏的調查研究工作尤為重要。以往的滲漏污染調查多采用鉆探取樣與土工試驗相結合的直接調查法，但這些方法在某些場地顯然無法實施，具有耗時長、投入大，且容易造成二次污染事故等缺點。傳統的音聽法、管內電視法、示蹤法能夠較準確地確定滲漏位置，但多適用于壓力管道和無毒、無害流體環境[1-2]。近年來，環境地球物理學方法的發展，為人們提出了地下污染滲漏檢測的新思路，正逐漸用于環境污染監測、環境地質災害檢測和地下管網滲漏檢測等領域[3-7]。這類方法屬于一種非破壞性的原位測試法，在調查地下污染時具有快速、成本低、不破壞場地環境的優點。如葉立龍等，Schneider and Greenhouse、de Ryck,et al、 Schneider et al、Sauck et al、W.A. Sauck、E.A.Atekwana et al 和Guanqun Liu等[8-15]，根據受污染后土層物理性質的變化特征，都曾開展過高密度電阻率法、探地雷達法、自然電位法等地球物理方法的試驗和具體應用工作，證實了此類方法都可以有效地圈定污染區的范圍。上述的方法中，高密度電阻率法探測需要在地面布設電極，因而在水泥硬化場地中無法開展工作，而自然電位法容易受勘測場地環境的影響，周圍有強電場干擾時會導致測量數據不準確。因探地雷達天線具有較好的屏蔽性能，能有效克服上述缺陷，所以目前被認為是一種環境污染調查的可靠技術手段。

本文結合具體的工程實例，對裝置區地下滲漏問題，采用探地雷達技術進行探測，并詳細分析獲得的不同類型滲漏污染源的異常特征，劃分不同工業滲漏污染源地質雷達異常帶，以期獲得污染源頭、規模及范圍，為后續治理提供依據。

1 方法依據和原理

1.1 方法依據

探測手段的選取要根據探測區域的地質特征和環境因素。該乙烯裝置區具有特殊的探測背景：①地下排污管道材質為鑄鐵，管徑為15～50cm，埋深在1.5～2.5m之間；②地下管道內運移的物質為裝置的沖洗水和廢液，且溫度較高(50℃以上)；③管道內輸送無壓液體，且流速緩慢；④管道內液體透明度低；⑤廠區地面鋪設水泥層厚度大，挖掘取樣困難。基于上述特點，傳統的音聽法、管內電視法、示蹤法都不會取得良好的效果。在該探測場地中，因地面全部被水泥硬化，且周圍高壓電線眾多，傳統的高密度電阻率法和自然電位法工作難度大，并且地面干燥，也難于保證電極與地面的良好接觸，供電效果差，導致其測量結果可信度不高。因此，本次探測主要采用了探地雷達探測方法。

1.2 探測原理

探地雷達是一種利用高頻電磁波束反射來探測地下目標的一種高分辨率電磁學方法。高頻電磁脈沖通過位于地面上的發射天線激發并傳入地下。當地下介質中存在由于巖石物理、化學性質變化引起的電性差異時，部分脈沖電磁波的能量將被反射回來，并被接收天線記錄下來。由污染物的成分可以知道，探測區域內污染物大多屬于有機污染物，與周圍土層介質相比，受污染土層具有相對較低的介電常數，因而，電磁波傳播到這樣的分界面上可以形成反射。除了污染區與未被污染土層之間會產生反射界面外，不同巖性的土層之間也具有不同的電學特征，同樣也會產生反射電磁波，只要產生反射波，就會在探地雷達剖面上呈現出對應的反射波同相軸，通過對反射波同相軸的追蹤、反射波能量的對比分析，就可以劃分出地質結構和污染范圍，這就為利用探地雷達方法進行污染區探測提供了理論基礎。

1.3 影響土層物理性質的因素

利用探地雷達法進行含油污染物污染區探測時，探測剖面上的異常特征取決于2個方面，一是探測區地下原本的水文和地質條件，包括土層性質、裂隙發育程度、構造和地下水的飽和度等，二是污染物滲漏入土層后引起的附加效應。不同類型的土層、裂隙發育帶和構造帶，均具有不同的介電特性，而污染物的擴散則進一步導致了介電特性的更復雜變化。

在本次探測工作中，首先在實驗區布設了勘探孔以了解場地地層情況(表1中的ZK1孔)，鉆孔揭示了探地雷達探測深度范圍內(0～5.0m)皆為黏土和粉質黏土層，5.0m以下為礫石層。因此，了解0.0～5.0m范圍內土層物理性質對地層介電常數和導電性的影響，將有助于探地雷達資料的解釋。在此類場地條件下，土層的含水量、孔隙度、飽和度、孔隙流體的電導率將是影響探測剖面異常特征的主要因素。

土層的含水量是首先要考慮的問題。在進行探地雷達探測時，水是最大的“敵人”，它不但影響探測深度，也會由于含水量的不同而在探測剖面上表現出不同的異常特征[16-17]。通常水具有較大的介電常數，土體孔隙被水填充后，其介電常數會顯著增大，導致整個探測深度范圍內的土層介電常數很高，孔隙度越大影響越明顯，但當有污染物(實驗區主要為聚乙烯)滲入后，其介電常數又會大幅度降低，特別是侵入污染物吸附于土顆粒表面會形成油膜，使得土層的導電性和介電特性主要受控于污染物的介電特性。

表1 鉆孔資料

土層飽和度的差異也是影響土的物理性質的重要因素[18-20]。但當土層的飽和度大于80%時，據Sam Gyu Park el at等[21]對黏土的室內實驗結果，飽和度的改變對土層電阻率的影響不大，從而，依據土層電阻率的Archie公式[22]可以分析出土層電阻率增大主要是由孔隙水滲入含油污水后導電性變差引起的。

綜上分析，探測區地層整體上具有較高的介電常數，而污染物的泄漏將會導致局部的介電常數降低，在電磁波傳播到這兩種不同物性介質的分界面上將會產生反射波，從而根據這一特點可以圈定污染源頭和污染范圍。

2 數據采集處理

2.1 數據采集

探測區域共布設主測線3條，測線沿乙烯裝置區向外排污的主管道走向，并分別在管道兩側及管道中央位置布設。測量時，使用了國產的LTD2000探地雷達，天線工作頻率為500MHz，最大探測深度在5m左右；時窗長度為200ns；采用連續測量方式。

2.2 數據處理

由于本次勘探使用了完全屏蔽發射天線，采集到的探地雷達數據具有較高的分辨率(圖2a)，但由于地層對電磁波的吸收衰減作用，原始圖像的信噪比較低，且深部能量較弱。因而，對數據進行了零點校正、FIR濾波處理和能量衰減補償處理。處理后的圖像見圖2b、圖2c。由圖可見，FIR濾波技術消除了探測區交流電場的高頻影響，突出了地層中的有效反射信號，同時，經能量衰減補償后，深部能量也得到了明顯的提高，增加了解釋結果的可信度。

圖2 探測區采集的探地雷達原始(a)、FIR濾波(b)和能量衰減補償圖像(c)

3 結果分析與討論

使用探地雷達方法進行含油污染物污染區探測時，污染區的含水量、油水的結合特征，水土的結合特征、孔隙水的電導率是影響探測剖面異常特征的主要因素。由于這些因素的影響，會改變電磁波在地層中的傳播路徑，從而表現出不同運動學特征和動力學特征(包括振幅、頻率和相位)。

對探地雷達資料的解釋，主要是依據反射波的形狀、波形寬度、同向軸的連續性、反射振幅大小、相位和頻率等特征。根據上述特征，將探測結果分為以下三類：

第一類剖面：如圖3所示，從整個剖面上可以看到，反射波同向軸連續，波形穩定，反射波振幅和相位一致性好。由圖可見，由淺到深依次可區分出不同的電磁波反射界面，分別代表了混凝土路面層、墊層、原狀土層和基巖，各層分界面對應的反射波同相軸清晰、可追蹤，這類剖面代表了地下地層沒有被污染的情況。

第二類剖面：局部反射波波形比較凌亂，同向軸不連續，振幅和相位一致性較差，而剖面其他范圍反射波同相軸比較連續，雖然不如圖3那樣清晰，但仍可以追蹤。圖4為這類異常特征的典型剖面，從圖像中可見，白色虛線標注范圍內，反射電磁波呈現出上述特征，且在異常范圍的中上部可見明顯的雙曲線型反射波異常，且反射能量高，這是典型的金屬管道引起的異常特征，因管道泄漏引起周圍土層含水量增大、介電常數有別于正常土層，因此導致了管道周圍泄漏范圍內電磁波的雜亂反射特征。

圖3 無污染區探地雷達探測剖面特征

圖4 局部(淺層)受污染區探地雷達探測剖面特征

第三類剖面：從圖5可以看到，在整個剖面上，由淺到深反射波波形非常凌亂，無法追蹤反射同向軸，波形表現為低頻，高幅特征，屬于一類嚴重污染區的圖像特征。

圖5 嚴重污染區的探地雷達剖面特征

為了更詳細的分析異常特征，從污染物擴散的機理來解釋這一問題。含油工業污水通過管線存在的滲漏點侵入土層后，在土層中的擴散過程受地下土層性質和地下水的影響。第一個遷移階段基本是在重力作用下，垂直向下進入非飽和帶，毛細管力會使其產生橫向遷移而形成一個圍繞滲漏體的“油浸帶”，如圖5中A區域所示。當入滲到達某一層位后(這些層位通常具有很低的滲透性)，油類污染物向下入滲基本停止。但在下滲過程中，如果沿橫向存在滲透性好的土層，滲濾液也會發生橫向遷移。圖中B區域為低滲透性地層，基本上不存在污染物擴散引起的異常，而在C區域，由于土層滲透性增強，A區域的污染物就會發生橫向擴散。總體而言，污染物入滲過程中，由淺到深其擴散范圍逐漸增大，在地下呈現上窄下寬的“羽狀體”分布，在探地雷達探測剖面上也呈現出類似“羽狀體”的圖像特征。

對照以上3種剖面特征，對整個探測區域內的3條探地雷達剖面進行了分析，確定了類似圖5中剖面異常特征的滲漏點5個，這些滲漏點是造成下游水源地污染的根源。另外還確定了類似圖4中剖面異常特征的滲漏點8個，這些滲漏點雖然目前還沒有造成地下水的污染，但隨著時間的推移，其污染范圍將會進一步擴大。在確定滲漏點之后，又在上述滲漏點位置進行了鉆探驗證(表1)，所布設的ZK2和ZK3兩個鉆孔均揭示了污染區的存在，其分析結果與探地雷達得到的結論完全吻合。

4 結語

地下管線滲漏檢測是一項非常復雜的任務。究竟選用何種檢測手段，最終得到的效果如何，將取決于管線的材質類型、埋深、管線輸送液體的特征，以及地表的地質條件等因素。對于該裝置區含油類金屬管線滲漏問題，具有地表為人工鋪設的硬層管內液體溫度高、透明度低和無壓力等特點，因而利用探地雷達來探測無疑是一種最好的選擇。

探地雷達資料解譯的精度關系到結論的正確與否。在對探測區內各種地質條件充分了解的基礎上，對探測數據進行了數據處理，并根據電磁波傳播規律和特征，將剖面總結為3種類型，依次對整個探測區域內所有剖面進行了分析，有效確定了污染的源頭和范圍。