電磁剖面法在污染物探測及修復效果評價中的應用

李金偉　崔亞彤

摘 要：近年來，伴隨產業結構和土地利用的調整，一些受到污染的土地被重新開發利用，污染物時刻威脅著人們的健康?，F階段污染物調查工作中常采用有損的、侵入式的挖掘和鉆探方法，調查結果為散點狀且易造成二次污染。常見的污染物主要分為重金屬、輕非水相液體（LNAPL）、重非水相液體（DNAPL）、總石油碳氫化合物（TPH）和多氯聯苯（PCB）等，相對于周圍土體存在電性差異。文章給出了一種電磁剖面法圈定污染物范圍，通過對不同時間節點探測結果的數據分析，實現對環境治理效果的定性評價。通過工程實例，說明了該方法的可行性和有效性。在污染物調查階段，該方法可以準確圈定污染物范圍；在修復治理期間，在不同時間節點的場地污染物探測，可以評估修復效果。

關鍵詞：電導率；污染物；重非水相液體；工程物探；環境治理

Application of electromagnetic profiling in pollutant detection and remediation effect evaluation

LI Jinwei， CUI Yatong

（TianJin Survey Design Institute Group Co.， Ltd.， Tianjin 300191， China）

Abstract： In recent years， with the readjustment of industrial structure and land use， polluted land has been redeveloped and utilized， but the pollutants remain a threat to people's health. At present， destructive and intrusive excavation and drilling methods are often used in pollutant investigation， resulting in scattered survey spots that are easy to cause secondary pollution. Common pollutants are mainly classified into heavy metals， light nonaqueous-phase liquids （LNAPL）， dense nonaqueous-phase liquids （DNAPL）， total petroleum hydrocarbons （TPH） and polychlorinated biphenyls （PCB）， which have electrical differences compared with surrounding soil. In this paper， an electromagnetic profiling method is proposed to delineate the pollutant range. Through analysis of the detection results at different time nodes， the qualitative evaluation of the environmental treatment effect is realized. The feasibility and effectiveness of the method are illustrated by an engineering example， which proves that this method can accurately delineate the pollutant range in the pollutant investigation stage. During the restoration and treatment period， the site pollutant detection at different time nodes can evaluate the restoration effect.

Keywords： electrical conductivity; pollutants; DNAPL; engineering geophysical exploration; environmental governance

隨著20世紀90年代工農業的快速發展，土壤和地下水遭到諸多污染，如工礦企業、重污染企業的生產活動，工業廢棄地，廢棄物堆放，燃煤排放、污水灌溉，農藥化肥的使用等。近年來，伴隨產業結構和土地利用重新調整，受到污染的土地被重新開發利用，污染物時刻威脅著人們的健康。目前常見的污染物主要分為重金屬、輕非水相液體（LNAPL）、重非水相液體（DNAPL）、總石油碳氫化合物（TPH）和多氯聯苯（PCB）等，其中DNAPL是指密度大于水、不易溶于水、易揮發的化學物質，主要由石油工業或其他有機化工帶來的污染產物，常見的有氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯等含氯化學物質。DNAPL暴露途徑主要為人群直接接觸土壤或地下水和吸入向上揮發進入空氣中DNAPL，人體長期接觸或吸入DNAPL會增加患癌風險。因此，對DNAPL污染物的探測及修復治理工作非常重要。

目前DNAPL的探測方法主要分為兩類，第一類是傳統方法，如挖掘、鉆探取樣等方式，此類方法準確、成熟、完善，但是取樣點位存在隨機性和片面性，同時挖掘和鉆探屬于侵入式探測，易造成二次污染（劉雪松等，2011）。第二類是物探方法，由于DNAPL與周圍環境存在地球物理參數差異，地球物理探測技術可以探測出其異常響應（Ajo-Franklin et al.，2006），較為常用的方法主要有電磁剖面法（劉虎等，2009）、地質雷達（佘松盛，2019；李大心，1994）、電阻率成像法（劉漢樂等，2008；王玉等，2009；李培華等，2021）等，此類方法具有無損、高效、經濟、準確、直觀等優勢，近年來受到廣泛關注。其中：電磁剖面法屬于電磁感應法，具有操作簡單、探測效率高、分辨率高等特點，此類方法在土壤鹽分、土壤含水量以及土壤有害物質探測中得到了大量的應用（Eigenberg et al.，2002）；該方法基于探測目標體與周圍土體的電性差異圈定異常體范圍，由于污染物與周圍土體存在電性參數差異，利用該方法可以對大面積疑似污染區域進行無損探測。本文給出了一種利用電磁剖面法圈定污染物范圍的探測方法，通過對不同時間節點的探測結果進行數據分析，實現對環境治理效果的評價以及修復效果的評價，對指導后續修復治理工作具有重要作用。

1? 探測方法及原理

電磁剖面法基于電磁感應原理，是利用介質電導率差異來探測地質體的賦存情況，具有快速采集、分辨率高等特點。電磁剖面法是通過發射線圈（Tx）向地下發射交變電流產生的隨時間變化的磁場（一次場H_1），一次場H_1在地下介質中感應出電流，這些電流又產生二次磁場（二次場H_2）。二次場H_2和一次場H_1均被接收線圈（Rx）接收（圖1）。

當線圈收發距不同時，即可探測到不同的深度，當線圈處于垂直偶極模式時，探測深度為2.2 m、4.2 m和6.7 m，當線圈處于水平偶極模式時，探測深度為1.1 m、2.1 m和3.3 m。利用電磁剖面法進行污染物探測，對實測得到的電導率進行二維和三維成像，通過分析解譯地層視電導率成像剖面，進而推測污染物的分布范圍，實現準確且高效探測污染物的目的，流程圖如圖2所示。

2? 工程實例

通過天津市津南區一個工程實例，分析電磁剖面法在探測DNAPL的實際效果。根據前期調查得知，地塊內曾存在使用有機溶劑清洗劑的電子廠、沖壓件廠、精密電子生產車間、照相機生產車間等潛在污染源。因此，對地塊內潛在的污染單元進行電磁剖面法探測，掌握污染物的范圍及修復效果，保證環境治理工作的順利進行。

2.1? 地質概況

場地內埋深19 m以淺的地層按成因年代可分為人工填土層（Qml）、全新統上組河床—河漫灘相沉積（Q4 3 al）和全新統中組淺海相沉積（Q4 2 m），按物理力學性質進一步劃分為①1雜填土、①2素填土、④1粉質黏土、⑥1粉質黏土、⑥3粉土和⑥4粉質黏土。

場地包氣帶厚度為0.45～4.76 m，包氣帶巖性以素填土、雜填土為主，包氣帶在場地內連續穩定存在，防污性能中—弱。

場地內潛水含水層地下水水位埋深為0.45～4.76 m，水位標高為0.25～1.37 m；地下水徑流方向由南西向北東流動，水力坡度0.56‰。

2.2? 地球物理特征

電導率為電阻率的倒數，該工程地質情況所涉及電阻率如表1所示，DNAPL污染物等相對于周圍土壤表現為高電阻率、低電導率（郭秀軍等，2006；白蘭等，2008），因此通過電性的差異可推測出污染物分布范圍。

2.3? 土壤污染狀況調查與風險評估

土壤污染狀況調查采用初步調查和鉆探詳查2種方式，詳查階段地塊內共布設土壤采樣點位64個。綜合初步和詳細調查結果可知：土壤中氯乙烯檢出值最大值超過第一類用地管控值，對人體健康通常存在不可接受風險，應當采取風險管控或修復措施（王紅梅等，2022）；乙苯、順式-1，2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、三氯甲烷檢出值超過第一類用地篩選值但未超過第一類用地管控值，需要開展風險評估，以確定風險水平。土壤中氯乙烯含量超標點位分布、土壤中氯乙烯含量超標區域深度范圍以及電磁剖面法探測范圍圖如圖3所示，共7個區域氯乙烯含量超標。根據工程需求，需對A-H區域采用電磁剖面法進行污染物探測，進一步劃定污染物分布范圍。

2.4? 電磁剖面法探測

污染物探測面積為6 658 m2，場地相對平整，場地內無明顯干擾源，探測區域如圖3所示。

1）數據采集：電磁剖面法使用的是捷克GF公司CMD-Explorer電磁剖面系統。CMD-Explorer電磁剖面系統具有2個偶極模式，當線圈處于垂直偶極模式時，探測深度為2.2 m、4.2 m和6.7 m；當線圈處于水平偶極模式時，探測深度為1.1 m、2.1 m和3.3 m。本次采用垂直偶極手動探測模式，采樣點距為1 m，測線間距1 m，治理前后進行2次探測。

2）數據處理：先檢查質量，剔除異常點；再進行電磁剖面成像。

2.5? 探測結果分析

探測數據處理后得到2組電磁成像剖面，分別為污染物治理前后0～2.2 m深度平均視電導率成像剖面，0～4.2 m深度平均視電導率成像剖面，0～6.7 m深度平均視電導率成像剖面。

1）第一次探測（治理前）

圖4為探測區域污染物治理前0～2.2 m、0～4.2 m和0～6.7 m深度范圍的視電導率分布圖，圖上深灰色區域表現為相對低電導率（30～40 mS·m-1），推測為DNAPL（氯乙烯）的反應；淺灰色區域表現為相對中等電導率（40～50 mS·m-1），推測為素填土的反應。

通過對比分析可知，電磁成像結果中污染物分布范圍與鉆探詳查中污染物分布范圍基本一致，說明了電磁剖面法在污染物探測中能夠定性分析污染物分布情況，劃定污染物邊界，驗證該方法的有效性、可靠性。

2）第二次探測（治理后）

本項目利用原位氧化法進行污染物第一次治理，采用高壓旋噴注射工藝進行原位氧化藥劑的注入，原位化學氧化選用過硫酸鹽作為氧化劑，同時使用液堿作為活化劑，使過硫酸鹽更充分地氧化、降解土壤、地下水中的有機污染物。

第一次治理后，由于原位氧化藥劑的注入，使得污染物進一步降解，原有污染物位置的電導率增大，圖5為探測區域污染物治理后0～2.2 m、0～4.2 m和0～6.7 m深度范圍的視電導率分布圖，圖上深灰色區域表現為相對低電導率（30～40 mS·m-1），推測為DNAPL（氯乙烯）的反應；淺灰色區域表現為相對中等電導率（40～50 mS·m-1），推測為素填土的反應。相對于第一次探測（治理前）污染物分布范圍變小，說明第一次注藥治理后，藥物滲透于土壤中，污染區域明顯減少。

第一次治理后，對污染區域污染物超標點位進行再次取樣檢測，取樣深度7.5 m，檢測結果見表2。對比治理前后檢測值可看出污染物含量同比下降，污染物治理后視電導率成像結果與檢測結果基本一致。

3? 結論

本文通過工程實例闡述了電磁剖面法在污染物探測及修復效果評價中的有效性。相對于傳統的挖掘、鉆探等侵入式調查，電磁剖面法具有便捷、無損、反應靈敏等優點，能夠實現區域內滿覆蓋探測，結果更貼近實際情況。在修復過程中，通過對污染區域不同時間節點進行探測，對污染物修復效果進行評價，有利于后續環境治理工作的開展、方案調整及成本控制，實現精準治理和有效治理。但電磁剖面法受復雜地質條件的限制，還無法做到定量檢測，需與鉆探驗證進行綜合解譯。

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收稿日期：2023-05-29；修回日期：2023-08-15

第一作者簡介：李金偉（1992- ），男，學士，工程師，從事工程地球物理理論研究及應用。E-mail：lijinwei_geo@163.com

引用格式：李金偉，崔亞彤，2023.電磁剖面法在污染物探測及修復效果評價中的應用［J］.城市地質，18（4）：107-112