小線圈瞬變電磁法下地表水資源突發(fā)性污染探測(cè)研究

摘要：小線圈瞬變電磁法原理基于電磁感應(yīng)，通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)的捕捉和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染事件的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位。因此，研究采用小線圈瞬變電磁法探測(cè)地表水資源突發(fā)性污染。通過(guò)布置ATME-3型瞬變電磁儀設(shè)備，對(duì)污染區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。研究結(jié)果顯示，該方法可準(zhǔn)確探測(cè)多種化學(xué)品突發(fā)性污染事件，且無(wú)漏檢現(xiàn)象。且小線圈瞬變電磁法具有更高的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，能有效保障水源地水質(zhì)安全。此研究驗(yàn)證了小線圈瞬變電磁法在突發(fā)性污染探測(cè)中的有效性，為水資源保護(hù)提供了重要的技術(shù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：小線圈瞬變電磁法；地表水資源；突發(fā)性污染；污染探測(cè)

中圖分類號(hào)：X835 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

地表水資源突發(fā)性污染往往源于工業(yè)排放、化學(xué)品泄漏等意外事件，這些污染物一旦進(jìn)入水體，便會(huì)迅速擴(kuò)散，破壞生態(tài)平衡，甚至通過(guò)食物鏈威脅人類健康。為實(shí)現(xiàn)水資源的保護(hù)，對(duì)水資源的監(jiān)測(cè)和突發(fā)性污染探測(cè)，變得尤為重要，在現(xiàn)有的探測(cè)方法中，文獻(xiàn)[1]提出了基于化學(xué)分析法的探測(cè)方法，主要通過(guò)不同類型的化學(xué)制劑與水體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的探測(cè)，雖然在一定程度上能夠識(shí)別污染，但在操作上具有滯后性，一般是在污染發(fā)生后進(jìn)行探測(cè)，且化學(xué)制劑在應(yīng)用過(guò)程中，可能會(huì)對(duì)水資源造成二次污染。文獻(xiàn)[2]利用遙感技術(shù)，通過(guò)通過(guò)衛(wèi)星或飛機(jī)搭載傳感器，在設(shè)定的監(jiān)測(cè)線路或范圍內(nèi)，對(duì)地表水資源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)水資源出現(xiàn)污染時(shí)，可以直接通過(guò)傳感圖像定位污染區(qū)域。但該方法的探測(cè)精度，受限于傳感器分辨率，且受天氣狀態(tài)影響較大。

鑒于現(xiàn)有探測(cè)方法存在的不足，需要設(shè)計(jì)一個(gè)更加有效的地表水資源突發(fā)性污染探測(cè)方法，小線圈瞬變電磁法作為一種新型的探測(cè)技術(shù)，以其高效、便捷的特點(diǎn)逐漸受到關(guān)注，已經(jīng)在煤礦以及地層結(jié)構(gòu)性探測(cè)中被成熟利用。文章將利用小線圈瞬變電磁法的應(yīng)用原理，設(shè)計(jì)在地表水資源突發(fā)性污染中的探測(cè)方法，為水資源保護(hù)與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1工程實(shí)例

以某省水源地為工作區(qū)域，應(yīng)用所研究方法對(duì)水源地周邊地表水的污染情況進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證對(duì)突發(fā)性污染的探測(cè)效果。在測(cè)試前對(duì)工作區(qū)域的情況進(jìn)行描述，發(fā)現(xiàn)在周邊存在有組團(tuán)分布式的工業(yè)區(qū)，且工業(yè)生產(chǎn)涉及的行業(yè)面較為廣泛。通過(guò)對(duì)該水源地的區(qū)域劃分以及工業(yè)布局資料的獲取，在不同工業(yè)區(qū)內(nèi)的行業(yè)分布規(guī)模具有差異性，具體情況見表1。

根據(jù)表中內(nèi)容所示，該省的水源地被劃分為上游水源和上游準(zhǔn)水源保護(hù)區(qū)域，其中，上游保護(hù)區(qū)受保護(hù)政策規(guī)范，在該區(qū)域內(nèi)的行業(yè)主要為清污染行業(yè)，發(fā)生突發(fā)性污染的可能性較大，且污染強(qiáng)度也較為受限。而在準(zhǔn)水源保護(hù)區(qū)域內(nèi)存在有規(guī)模最大的化工廠，除此之外，其工業(yè)類型較為廣泛，如化學(xué)原料以及化學(xué)制品和礦物制品行業(yè)等可能導(dǎo)致重污染的工業(yè)類型，說(shuō)明該省的水源地存在突發(fā)性污染的可能性較大，可以進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

2布置探測(cè)設(shè)備

瞬變電磁法屬于時(shí)間域中的一種感應(yīng)方法，可以在不接地回線結(jié)構(gòu)中，對(duì)地表以及地下結(jié)構(gòu)發(fā)送脈沖磁場(chǎng)，并利用磁場(chǎng)回線感應(yīng)地質(zhì)體的激勵(lì)信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)地表內(nèi)物質(zhì)的測(cè)量。工作原理見圖1。

小線圈瞬變電磁法由于探測(cè)速度快、分辨率高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域如煤礦水害探測(cè)、溶洞探測(cè)、考古探測(cè)、環(huán)境工程中得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于地表水資源的異常突變型污染情況，利用小線圈瞬變電磁法設(shè)計(jì)探測(cè)方法，可以直接從時(shí)間域角度對(duì)地表水資源的變化情況進(jìn)行分析。

為真實(shí)模擬小線圈瞬變電磁法對(duì)突發(fā)性污染的探測(cè)，對(duì)研究區(qū)域的數(shù)據(jù)報(bào)告進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在近三年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，上游水源保護(hù)區(qū)中未曾出現(xiàn)過(guò)突發(fā)性工業(yè)污染事件，而上游準(zhǔn)水源保護(hù)區(qū)域中，發(fā)生了至少10次以上的突發(fā)性工業(yè)污染事件。因此，均以上游準(zhǔn)水源保護(hù)區(qū)為例，在上游保護(hù)區(qū)內(nèi)選擇曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的污染場(chǎng)地作為測(cè)試環(huán)境，為保證所研究方法在實(shí)際工作中具有應(yīng)用價(jià)值，通過(guò)該水源地的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行模擬，選擇國(guó)內(nèi)ATME-3型小線圈瞬變電磁儀作為探測(cè)涉設(shè)備，在劃定的區(qū)域內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的距離不超過(guò)2m，具體布置情況見圖2。

如圖2所示，此次對(duì)探測(cè)設(shè)備的布置，以該區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)資料和探測(cè)技術(shù)為準(zhǔn)則，在布置的區(qū)域內(nèi)發(fā)生過(guò)突發(fā)性污染事件。為統(tǒng)一探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)以及后續(xù)數(shù)據(jù)的處理，ATME-3型小線圈瞬變電磁儀的發(fā)射線圈邊長(zhǎng)和接收線圈邊長(zhǎng)為一致長(zhǎng)度，均為12m*12m，探測(cè)儀器的電控制在15A-25A，發(fā)射頻率為25Hz，數(shù)據(jù)采樣率為0.01ms。通過(guò)此次選擇的小線圈瞬變電磁儀，在設(shè)定的監(jiān)測(cè)參數(shù)下進(jìn)行突發(fā)性污染探測(cè)模擬，由于研究區(qū)域內(nèi)的污染情況均為化學(xué)污染，直接在水源地中進(jìn)行驗(yàn)證會(huì)破壞環(huán)境，且該水源地為保護(hù)區(qū)，為此，直接在平臺(tái)中進(jìn)行模擬。

3探測(cè)結(jié)果分析

為實(shí)現(xiàn)所研究方法的具體探測(cè)效果分析，將布置好的現(xiàn)場(chǎng)在MATLAB測(cè)試平臺(tái)中進(jìn)行還原，并利用測(cè)試平臺(tái)獲取歷史污染事件具體數(shù)據(jù)，以時(shí)間跨度為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證所研究方法對(duì)設(shè)定時(shí)間長(zhǎng)度中發(fā)生突發(fā)性污染的探測(cè)效果。

應(yīng)用小線圈瞬變電磁法測(cè)試地表水污染物過(guò)程如下：

首先，在地表布置小型發(fā)射線圈，并通以瞬間電流脈沖，激發(fā)瞬變電磁場(chǎng)。該電磁場(chǎng)會(huì)穿透地表層，進(jìn)入地下介質(zhì)，包括水體。當(dāng)電磁場(chǎng)遇到水體中的污染物時(shí)，污染物的導(dǎo)電性會(huì)影響電磁場(chǎng)的傳播特性，尤其是衰減和相位變化。接著，布置接收線圈來(lái)捕捉這些變化的電磁場(chǎng)信號(hào)。記錄并分析信號(hào)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以推斷出地下介質(zhì)，特別是水體中的電阻率分布情況。最后，結(jié)合地質(zhì)背景知識(shí)，對(duì)比正常水體與受污染水體的電阻率差異，評(píng)估地表水污染物的存在、分布范圍及可能的污染程度。

從該省水源地的統(tǒng)計(jì)報(bào)告中發(fā)現(xiàn)，測(cè)試區(qū)域歷史污染事件主要為化學(xué)品污染，并且，涵蓋有存在毒性的化學(xué)品。針對(duì)發(fā)生較多的突發(fā)性污染事件進(jìn)行分析，污染類型以及污染情況見表2。

根據(jù)表2中內(nèi)容所示，通過(guò)統(tǒng)計(jì)報(bào)告可知，在該區(qū)域內(nèi)發(fā)生的突發(fā)性污染事件，均為較嚴(yán)重的水資源污染事件，尤其是在重金屬突發(fā)性污染中，所呈現(xiàn)的污染程度較高，雖然在后續(xù)的治理中該水域得到了一定的恢復(fù)，但受該區(qū)域的工業(yè)布局影響，突發(fā)性水資源污染事件難以避免，因此，對(duì)污染探測(cè)的及時(shí)性以及準(zhǔn)確性具有重要意義。

通過(guò)所研究方法進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)選擇兩組傳統(tǒng)的探測(cè)方法進(jìn)行比較，為文獻(xiàn)[1]和[2]中方法，對(duì)具體實(shí)施步驟不再進(jìn)行描述。將表2中數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本，由于重金屬污染發(fā)生的次數(shù)較多，因此，選擇重金屬累積污染物進(jìn)行探測(cè)，即鉛、汞、鉻、鎘，通過(guò)三組探測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證，以污染出現(xiàn)后的40s為探測(cè)延時(shí)指標(biāo)，當(dāng)超過(guò)這一限度后，會(huì)嚴(yán)重影響水源地水質(zhì)。探測(cè)結(jié)果見圖3。

如圖3所示，以重金屬化學(xué)品導(dǎo)致的突發(fā)性污染事件作為測(cè)試對(duì)象，由于設(shè)定了檢測(cè)時(shí)延指標(biāo)，文獻(xiàn)[1]、[2]方法中出現(xiàn)了漏檢現(xiàn)象，即對(duì)發(fā)生的污染現(xiàn)象沒有實(shí)現(xiàn)及時(shí)污染探測(cè)，且在呈現(xiàn)出的探測(cè)結(jié)果中，對(duì)不同重金屬污染情況探測(cè)效果具有差異性，而所研究方法可以實(shí)現(xiàn)全部突發(fā)性污染事件的探測(cè)，且不存在探測(cè)錯(cuò)誤的情況，主要是小線圈瞬變電磁能夠直接對(duì)污染情況進(jìn)行感知，并快速實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，說(shuō)明所研究方法具有應(yīng)用價(jià)值。

進(jìn)一步測(cè)試水樣的COD、氨氮、BODs指標(biāo)，對(duì)比不同方法下的測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。

分析表3可知，新方法在COD、氨氮和BODs的測(cè)定上均表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性。與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比，新方法的COD和氨氮測(cè)定值分別僅偏離了2%和2%，BODs的偏離也僅為2.5%，顯示出良好的一致性和穩(wěn)定性。相比之下，文獻(xiàn)[1]的方法在COD和BODs上偏高，而文獻(xiàn)[2]的方法則偏低，表明它們?cè)诓煌潭壬洗嬖谝欢ǖ恼`差。綜上所述，新方法在測(cè)定水樣COD、氨氮和BODs時(shí)具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)小線圈瞬變電磁法在地表水資源突發(fā)性污染探測(cè)中的深入研究，設(shè)計(jì)了新的地表水突發(fā)性污染探測(cè)方法，主要利用小線圈的瞬變感應(yīng)磁場(chǎng)，對(duì)地表水的狀態(tài)進(jìn)行感應(yīng)，形成水體與電磁之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，當(dāng)水體狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，小線圈的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)地表水資源突發(fā)性污染的檢測(cè)。此次設(shè)計(jì)的基于小線圈瞬變電磁法的地表水突發(fā)性污染探測(cè)方法，以化學(xué)品污染作為測(cè)試對(duì)象，該方法在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中可以實(shí)現(xiàn)突發(fā)性污染的精度探測(cè)，且能夠保證對(duì)突發(fā)污染源探測(cè)的時(shí)效性，即在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)地表水產(chǎn)生污染源后立刻實(shí)現(xiàn)感知，能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，為地表水資源的保護(hù)和管理提供了有力支持，實(shí)現(xiàn)保護(hù)地表水資源的目的。