電阻率法檢測和監(jiān)測垃圾場引起的地下水污染

蔡媛媛

(河北省衡水水文勘測研究中心,河北 衡水 053000)

1 概 述

由于經常被屏蔽而免受直接的人類活動影響,地下水已經成為最安全的飲用水來源[1]。 但地下水資源中任何未被發(fā)現(xiàn)的污染,都會對環(huán)境中的生物持續(xù)生存構成威脅[2]。 隨著城市化的發(fā)展和城市人口的增長,垃圾處理成為亟待解決的問題,而遠離人群聚居區(qū)的垃圾場堆填是常見的垃圾處理方式。 但如果垃圾場的規(guī)劃不適當,將會對環(huán)境健康造成危害[3]。 在本研究區(qū)域內,以人工挖井為主的淺層地下水源約占生活和灌溉水源的85%,地下水污染風險較高。

通過地球物理學技術來解決科學和社會問題已得到高度發(fā)展[4]。 相比于鉆探獲取點數(shù)據(jù)的常規(guī)方法,電阻率法因其鉆探到目標地層的過程更快、經濟且無創(chuàng),特別適合于檢測地下水中的離子雜質[5]。 該方法不用于直接檢測污染物,而是用于調查污染物移動的地質環(huán)境,通過監(jiān)測來確定污染物在空間和時間上的分布。

垃圾場多種類型的垃圾混合物會改變其本身的電特性,從±壤中吸收或釋放、迅速遷移和分散,并根據(jù)理化特性,在不同水平上積聚飽和度[6]。 在±壤或地下水存在的情況下,許多污染物和可操作的生物過程會增加自由離子濃度。這些產生垂直和橫向遷移的滲濾液,通常會降低電阻率。 利用電阻率法,可以將這種電阻率的降低與天然的地下水區(qū)分開來[7]。

為此,本文通過一項為期10 年的密集研究項目,利用電阻率法,檢測和監(jiān)測垃圾場對研究區(qū)域地下含水層單元的污染影響,確定垃圾場周圍的污染程度和污染羽狀流。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

該站點位于石家莊市藁城區(qū),地形為盆地,主要由沙子、砂巖、黏±和石灰?guī)r組成。 沉積盆地內發(fā)現(xiàn)基底復合體的巖石,但被約2.5km 沉積物掩埋。 該站點周圍是居民區(qū),垃圾場的廢物類型可以歸類為家庭垃圾。 調查區(qū)域覆蓋面積約99.441m2。 該地區(qū)為溫帶季風性氣候,四季分明,雨量集中在夏秋季,干濕期明顯,年均濕度65%,年均降水量401～752mm。 見圖1。

圖1 研究區(qū)域概況圖

2.2 研究方法

本研究的主要測量儀器為ABEM SAS 300C。這是一種由發(fā)射器和接收器單元組成的復合單元,通常由直流或低頻交流電源供電。 電流通過兩個外部電流電極A 和B 送入地面,具體見圖2。電流在兩個內電勢電極之間產生一個電壓,地電儀將電壓和電流轉換為電阻,顯示在屏幕上。

圖2 測量儀器工作示意圖

相關的輔助工具包括：

1)被驅動到地面的鋼金屬電極：通常為4個,但有時可能少于4 個,這取決于所使用的陣列類型。 其中兩個電極A 和B 將電流導入地面電流電極,另外兩個電位電極用于電流產生的電位差。

2)連接電纜：4 卷絕緣電纜,通常以紅、黑兩種顏色表示,用鱷魚夾分別與電極和地電儀連接。

3)測量卷尺：用于對現(xiàn)場長度進行精確測量,即用于測量橫向間距、電極間距、現(xiàn)場尺寸等。

4)錘子：用于將電極驅動到地下。

5)彎刀：在茂密或交通不便的地方工作時,為了清除路徑,可以切割樹枝,樹枝可以用作放樁材料,并且可以松開堅硬的±壤,以便更好地穿透和接觸電極。

6)指南針：用于準確定位野外方向。

7)數(shù)據(jù)記錄材料：包括鉛筆、顯示調查地點的數(shù)據(jù)表、日期、地電斷面位置、觀察者、使用的電極陣列、使用的儀器、測深點、電位和電流電極間距、幾何因子等。

在南北方向上建立基線,并垂直于基線標記遍歷,形成網格網絡。 在網格的節(jié)點上,總共建立40 個地電斷面位置。 電極間距(AB/2)從1～50 m 變化,最大擴展長度100 m。 電導率法人工產生的電流通過2 個電流電極C1、C2,與由另一對內電極P1、P2 測量得到的電位差傳入地面。電極間距與穿透深度成正比,電極間距越大,穿透深度越大。 電阻率值由已知參數(shù)計算得出,公式如下：

式中：K為幾何因子;ρa為電阻率;AB為電流電極間距;MN為電位電極間距;R為電阻。

將獲得的表觀電阻率ρa相對于電極間距AB/2 繪制在疊加ABEM log-log 圖上的描圖紙上,以獲得深度測深曲線。 將描圖紙放置在主曲線上,使測深曲線與主曲線上的模型曲線逐段匹配。 然后移動描圖紙,直到測深曲線的每一段都找到完美或接近完美的模型。

用十字標記原點,并注明通常用kn表示的曲線編號;根據(jù)類型曲線將測深曲線移動到輔助曲線;用折線在描記紙上描出輔助曲線上與主曲線同號的曲線,并記錄厚度比tn/tn-1。 重復該過程,直到所有曲線匹配完畢。 將測深曲線返回到雙對數(shù)圖即ABEM log-log 曲線圖中,并將十字標記位置對應的電阻率和電極間距值分別由電阻率ρr和厚度tr替換。 真實電阻率、厚度和深度計算如下：

式中：n為層數(shù);d為深度。

采用RESIST?軟件包進行計算機建模和迭代,由以上曲線匹配過程得到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和模型參數(shù)構成輸入數(shù)據(jù)參數(shù)。

3 結果與分析

數(shù)據(jù)分析的結果顯示為測深曲線、地電參數(shù)表和等電阻率圖。 區(qū)內優(yōu)勢場曲線為KQ 型,為4 層地下設置,見圖3。

圖3 研究區(qū)域典型場曲線

表1 為研究區(qū)獲得的典型地電序列最新成果匯總。 由表1 可知,研究區(qū)下覆4 個地電層,平均埋深約15m,分別為上層表±、黏±質砂、砂質黏±及下覆的保濕黏±質砂。 區(qū)內大部分手掘井終止于淺層第三層含水層單元。 該層平均厚度約6.6 m,上覆砂質黏±,平均電阻率約350Ω·m,平均厚度7.1m。 在1995 和2005 年兩次野外調查基礎上,對第3 層的地電行為進行分析和對比。 未受污染的飽和區(qū)平均實測電阻率約為230Ω·m,而飽和區(qū)獲得的最低電阻率值約為80Ω·m。

根據(jù)1995 和2005 年野外調查,得到的飽和層地電參數(shù)匯總見表2。

表1 2005 年調查的地電參數(shù)及層位解釋

表2 1995 和2005 年野外調查得到的飽和層地電參數(shù)

將電阻率值貼在研究區(qū)底圖上(圖1),制作等電阻率圖,見圖4。 圖4 揭示了1995-2005 年共10 年研究期間飽和層的污染程度。 圖4(a)和圖4(b)分別為1995 和2005 年調查推斷的第3層等電阻率圖。 兩幅圖均顯示出與污染和未污染地下相對應的兩個明顯低電阻率和高電阻率區(qū)域,且污染程度預計最接近垃圾場,并向北減弱。 圖4(b)的東西擴展似乎受到這些方向上可能存在的不可滲透巖石單元的阻礙。 相反,沿該軸的多孔且不可滲透的巖石單元似乎有助于污染向北快速擴散,這是地下流體可能的流動方向。 對于電阻率對比度,平均最大、最小層電阻率之比為2.9,即滲濾液污染地下水引起的電阻率對比度約為2.9 倍,約為1995 年的1.5 倍,跨度為10 年。

圖4 第3 層等電阻率圖描述的污染程度

從含水層電阻率等值線圖可以看出,隨著距堆填距離的增加,地層電阻率有增大的趨勢,表明污染源是導電的,并且電導率隨著遠離堆填向北移動而減小。 通過對比圖4(a)和圖4(b)等電阻率圖可知,后者低電阻率區(qū)增加,表明污染物羽狀流呈半球狀向外擴散。

1995 和2005 年受影響面積的估算,是將等電阻率圖上受影響區(qū)域劃分為已知尺寸的正方形網格,然后根據(jù)覆蓋的正方形個數(shù),求和計算面積。 結果表明,1995 年受污染影響的地下面積約4 275m2;2005 年增加到10 800m2,10 年內面積差超過100%。 見圖5。

4 結 論

1)本次調查結果顯示,在垃圾場東西向36m、北向56m 范圍內存在明顯的低阻對比,表明該井已受到污染。 污染物呈放射狀擴散,影響面積約10 800m2。

2)1995-2005 年的10 年間,污染的空中擴散約為6 525m2,即假設均勻和各向同性的介質擴散速率約為652.5m2/a。

3)垃圾場堆填對研究區(qū)居住在人工挖淺井房屋中的家庭構成潛在危害,應緊急中止向該地區(qū)傾倒垃圾。 建議在該地區(qū)進行地球化學分析,以查明污染物性質。 同時,從該地區(qū)抽取的水必須經過適當處理,以減輕對居民的危害。