物探技術在地下水資源污染防治中的應用研究

關鍵詞：物探技術；電磁探測技術；地下水資源；層析成像法；污染防治

中圖分類號：X64 文獻標志碼：A

前言

在水資源中地下水資源具有便于開采、分布廣泛和水質優質等優點，屬于重要構成部分，近年來的干旱氣候以及地下水資源開采量的增加，降低了地下水資源的水質，許多專家和學者對地下水資源的重視度逐漸提高。主要針對不同污染類型、含水層位置、地質形態等因素，選擇一種或多種物探方法來調查地下水污染的情況。面對垃圾滲濾液對地下水污染的情況，可以利用高密度電阻率法。面對地下水有機污染可以采用探地雷達法和高密度電阻率法。據統計，每年中國排放的污水高達數百億噸，江河湖海是污水排放的主要場所，但大部分污水都是沒有經過處理就直接排放，導致江河湖海被污染，進而影響地下水質，造成地下水資源污染。地下水資源的污染對城市正常生活供水產生了影響，水資源的污染會對人類身體產生危害，同時影響生態環境，因此研究地下水資源污染防治方法具有重要意義。

瞬變電磁法屬于一種地球物理勘探方法，可將其應用在地下水資源污染防治中，提出物探技術在地下水資源污染防治中的應用方法。

1電磁探測技術

采用電磁探測技術構建電磁探測系統，沿著x軸方向在研究區域內設置接地導線，電磁探測系統發射的諧變電流通過接地導線輸入地下，沿諧變電流傳輸方向在研究區域內設置測線，為了在相同時間內獲取研究區域的電磁分量和電場分量可將分布式接收機布置在相同測線中。

設σ_a。代表卡尼亞視電阻率，計算公式如（1）：

在音頻段內分批次調整測量頻率和供電頻率，獲得隨頻率變化的阻抗相位曲線和視電阻率變化曲線，通過迭代反演和數據處理，獲得地段斷面資料，用于了解地下結構。電磁探測系統在地下水資源勘探過程中的工作原理見圖1。

電磁探測系統由兩部分構成，第一部分為多通道接收系統，第二部分為大功率發射系統。

控制器、電流檢測裝置和發電機等是構成大功率發射系統的主要結構。針對發電機輸出的三相交流，首先對其展開濾波和整流操作，消除信號中存在的噪聲，提高信號的純凈度，其次將其輸入電磁探測系統的板橋電路中，該電路中三相交流會發生逆變，采用功率變壓器對逆變后的信號調壓，再次濾波和整流處理交流信號，最后向IGBT全橋變換電路輸入處理后的信號，將其作為直流電壓。

采用并聯的方式連接橋臂中的多個開關元件，其主要目的是提高變換電路的流通能力，發射系統屬于級聯式結構，系統最終輸出的電壓可通過各級電壓計算得到。

電磁探測接收系統由兩部分構成，第一部分為采集站，第二部分為主控站，利用無線或有線通訊方式連接采集站與主控站。主控站中存在多條數據采集通道，其主要目的是同時測量地下多個區域的磁場和電場，在電場通道和磁場通道中設置A/D轉換器，選用的A/D轉換器需具有獨立工作性能，以此實現采集站、主控站與發射系統的時間同步。利用GPS在勘探過程中校正處理恒溫晶振。采集站在電磁探測接收系統內完成數據上傳、系統測試、數據采集和參數設置等工作。

2基于電磁探測的地下水資源勘探

2.1探測地質構造

利用電磁探測技術中的無線電波透視法探測研究區域的地質構造，針對磁導率、電阻率和介電常數等參數，礦石和巖石存在差異，因此針對電磁波的吸收能力兩者也不相同。電磁波在地下傳播時如果遇到斷裂界面會在第一時間發生折射現象或反射現象，上述現象會減少電磁波的能量。因此在地下水資源勘探過程中，如果電磁波遇到地下水資源會出現透視異常區，接收機無法獲取該區域的投射信號，通過上述原理即可完成地下水資源的勘探。

2.1.1場強曲線圖

用N_p表示屏蔽系數，其計算公式如（3）：

按照比例繪制綜合曲線圖，圖中的縱坐標為屏蔽系數、實測場強和理論場強，縱坐標為接收點在地下水勘探過程中的點位。根據綜合曲線，提取地下結構中的異常體中心點，連接發射點與異常體中心點，獲得地下水區域位置的幾何陰影范圍，重復上述過程，獲取異常體在地下結構中的輪廓，即地下水資源區域。

2.1.2地質圖像

保障電磁波在地下水資源勘探過程中呈直線傳播，需要滿足下述條件：

（1）用6表示電磁波對應的波長，在地下水資源勘探過程中，布置發射點和接收點的位置時，應該控制兩者的距離j高于δ/2π。利用層析成像法獲取地下水資源相關圖像數據時，應該將電磁波的工作頻率設置在[0.32 MHz，1.51 MHz]范圍內，波長控制在區間[71 m，202 m]內。

（2）電磁波在介質中傳播時的折射率受距離的影響較小，可用常數表示電磁波在地下水資源勘探過程中的傳播折射率。經調查發現，當地下煤層和頂底板巖層的復雜程度較低時，電磁波在地下介質中的傳播符合條件。

（3）用φ表示趨膚深度，描述的是電磁波自身能量在地下水資源勘探過程中可以穿透的深度，其表達式如（4）：

整理公式（5）獲得[y]=[X][L]。通過上述分析可知，層析成像法的原理是對多個像素的絕對衰減作用展開疊加處理，獲得地下水資源區域的圖像數據。

2.2地下水資源勘探

選取大連作為本次地下水勘探區域，大連屬于華北板塊東部，研究區域的第四紀地層屬于上元古界震旦系，研究區域地質情況見表1。

圖3中的紅色框線區域即為電磁探測技術檢測到的地下水資源區域。物探技術在地下水資源污染防治中的應用方法采用評分法對地下水資源的污染程度展開評價。按照國家標準對單項組分評價，根據評價結果劃分地下水資源的污染程度，單項組分的評分F_i在表2的基礎上完成。（見表2）

利用下式獲取地下水資源的污染程度的評分值F：

現采用電磁探測技術探測研究區域的地下水資源，探測結果見圖3。

3地下水污染防治策略

物探技術在地下水資源污染防治中的應用方法，根據地下水污染程度從管理控制方面、技術控制方面和宏觀控制方面提出如下防治策略：

（1）根據可持續發展理念，在工業發展和產業規劃過程中，對工業和產業結構展開合理布局優化，在保證生態平衡的基礎上促進工業和產業的發展。將減少污染物負荷、降低污水排放量作為發展目標，且在發展過程中保護地下水資源，避免城市環境受到污染。（2）經調查發現，控制城市污水的排放量有助于地下水資源的污染防治，研究表明，地下水資源的水質容易受到生活污水排放的影響，因此需要加強城市污水排放的監管工作。（3）制定排污收費制度，控制污水排放量，根據污水再利用價值、污水危害、排放量以及污水水質收取相應的污水費。（4）大力發展環保工程，提高污水回收利用率以及污水回收力度。污水經過處理后，可用于地下水補給水源、農業灌溉和冷卻降溫，帶來經濟效益的同時可避免污水污染地下水資源。（5）對污水排放實時監督控制和科學管理，每個城市都應該健全保護地下水資源的相關法律，在線監測污水排放，避免污染超標的污水被排放，完善城市排污數據庫和監測網絡。（6）控制農藥化肥的使用量，避免過度施肥導致地下水資源受到污染。（7）設置垃圾處理場所和廢水處理場所，選址時需要遠離城市水源地以及河流。（8）控制地下水資源的開采力度，避免地面沉降、海水倒灌等現象惡化地下水質。

4結語

中國的水資源緊缺問題日益嚴重，因此開展水資源的治理、規劃和開發利用都是十分必要的。為此研究了地球物探技術在地下水環境中的應用。并通過物探獲得了該地區的理論場強數據。通過對這些資料的分析，得到了地下水源的空間分布，并與地層相結合，得到了地下水源的地形圖。通過采集到的地質影像，對地下水的污染狀況進行了單項組分評價分值，根據地下水質量級別標準劃分地下水污染等級，根據污染狀況研究結果提出相應的防治對策。通過調整工業結構，減少污染大、用水多和能耗大的項目，保護城市發展過程中的水資源，完善污水排放量、排污收費等規章制度，收取對應的污水費。同時提高污水處理的回收利用率、控制農藥化肥的使用量、設置專門的垃圾廢水處理場地，以減輕城市地下水的污染程度，達到保護水質的效果。