電磁剖面法在污染物探測及修復(fù)效果評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

李金偉　崔亞彤

摘 要：近年來，伴隨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和土地利用的調(diào)整，一些受到污染的土地被重新開發(fā)利用，污染物時(shí)刻威脅著人們的健康。現(xiàn)階段污染物調(diào)查工作中常采用有損的、侵入式的挖掘和鉆探方法，調(diào)查結(jié)果為散點(diǎn)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?xì)浠衔铮═PH）和多氯聯(lián)苯（PCB）等，相對(duì)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(duì)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)探測結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境治理效果的定性評(píng)價(jià)。通過工程實(shí)例，說明了該方法的可行性和有效性。在污染物調(diào)查階段，該方法可以準(zhǔn)確圈定污染物范圍；在修復(fù)治理期間，在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的場地污染物探測，可以評(píng)估修復(fù)效果。

關(guān)鍵詞：電導(dǎo)率；污染物；重非水相液體；工程物探；環(huán)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(jì)90年代工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，土壤和地下水遭到諸多污染，如工礦企業(yè)、重污染企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)，工業(yè)廢棄地，廢棄物堆放，燃煤排放、污水灌溉，農(nóng)藥化肥的使用等。近年來，伴隨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和土地利用重新調(diào)整，受到污染的土地被重新開發(fā)利用，污染物時(shí)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?xì)浠衔铮═PH）和多氯聯(lián)苯（PCB）等，其中DNAPL是指密度大于水、不易溶于水、易揮發(fā)的化學(xué)物質(zhì)，主要由石油工業(yè)或其他有機(jī)化工帶來的污染產(chǎn)物，常見的有氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯等含氯化學(xué)物質(zhì)。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(fā)進(jìn)入空氣中DNAPL，人體長期接觸或吸入DNAPL會(huì)增加患癌風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)DNAPL污染物的探測及修復(fù)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(tǒng)方法，如挖掘、鉆探取樣等方式，此類方法準(zhǔn)確、成熟、完善，但是取樣點(diǎn)位存在隨機(jī)性和片面性，同時(shí)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(huán)境存在地球物理參數(shù)差異，地球物理探測技術(shù)可以探測出其異常響應(yīng)（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(zhì)雷達(dá)（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(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、直觀等優(yōu)勢，近年來受到廣泛關(guān)注。其中：電磁剖面法屬于電磁感應(yīng)法，具有操作簡單、探測效率高、分辨率高等特點(diǎn)，此類方法在土壤鹽分、土壤含水量以及土壤有害物質(zhì)探測中得到了大量的應(yīng)用（Eigenberg et al.，2002）；該方法基于探測目標(biāo)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(shù)差異，利用該方法可以對(duì)大面積疑似污染區(qū)域進(jìn)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(duì)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的探測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境治理效果的評(píng)價(jià)以及修復(fù)效果的評(píng)價(jià)，對(duì)指導(dǎo)后續(xù)修復(fù)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(yīng)原理，是利用介質(zhì)電導(dǎo)率差異來探測地質(zhì)體的賦存情況，具有快速采集、分辨率高等特點(diǎn)。電磁剖面法是通過發(fā)射線圈（Tx）向地下發(fā)射交變電流產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的磁場（一次場H_1），一次場H_1在地下介質(zhì)中感應(yīng)出電流，這些電流又產(chǎn)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(dāng)線圈收發(fā)距不同時(shí)，即可探測到不同的深度，當(dāng)線圈處于垂直偶極模式時(shí)，探測深度為2.2 m、4.2 m和6.7 m，當(dāng)線圈處于水平偶極模式時(shí)，探測深度為1.1 m、2.1 m和3.3 m。利用電磁剖面法進(jìn)行污染物探測，對(duì)實(shí)測得到的電導(dǎo)率進(jìn)行二維和三維成像，通過分析解譯地層視電導(dǎo)率成像剖面，進(jìn)而推測污染物的分布范圍，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確且高效探測污染物的目的，流程圖如圖2所示。

2? 工程實(shí)例

通過天津市津南區(qū)一個(gè)工程實(shí)例，分析電磁剖面法在探測DNAPL的實(shí)際效果。根據(jù)前期調(diào)查得知，地塊內(nèi)曾存在使用有機(jī)溶劑清洗劑的電子廠、沖壓件廠、精密電子生產(chǎn)車間、照相機(jī)生產(chǎn)車間等潛在污染源。因此，對(duì)地塊內(nèi)潛在的污染單元進(jìn)行電磁剖面法探測，掌握污染物的范圍及修復(fù)效果，保證環(huán)境治理工作的順利進(jìn)行。

2.1? 地質(zhì)概況

場地內(nèi)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(tǒng)上組河床—河漫灘相沉積（Q4 3 al）和全新統(tǒng)中組淺海相沉積（Q4 2 m），按物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步劃分為①1雜填土、①2素填土、④1粉質(zhì)黏土、⑥1粉質(zhì)黏土、⑥3粉土和⑥4粉質(zhì)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(nèi)連續(xù)穩(wěn)定存在，防污性能中—弱。

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

2.2? 地球物理特征

電導(dǎo)率為電阻率的倒數(shù)，該工程地質(zhì)情況所涉及電阻率如表1所示，DNAPL污染物等相對(duì)于周圍土壤表現(xiàn)為高電阻率、低電導(dǎo)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(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

土壤污染狀況調(diào)查采用初步調(diào)查和鉆探詳查2種方式，詳查階段地塊內(nèi)共布設(shè)土壤采樣點(diǎn)位64個(gè)。綜合初步和詳細(xì)調(diào)查結(jié)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(duì)人體健康通常存在不可接受風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)采取風(fēng)險(xiǎn)管控或修復(fù)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以確定風(fēng)險(xiǎn)水平。土壤中氯乙烯含量超標(biāo)點(diǎn)位分布、土壤中氯乙烯含量超標(biāo)區(qū)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(gè)區(qū)域氯乙烯含量超標(biāo)。根據(jù)工程需求，需對(duì)A-H區(qū)域采用電磁剖面法進(jìn)行污染物探測，進(jìn)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(duì)平整，場地內(nèi)無明顯干擾源，探測區(qū)域如圖3所示。

1）數(shù)據(jù)采集：電磁剖面法使用的是捷克GF公司CMD-Explorer電磁剖面系統(tǒng)。CMD-Explorer電磁剖面系統(tǒng)具有2個(gè)偶極模式，當(dāng)線圈處于垂直偶極模式時(shí)，探測深度為2.2 m、4.2 m和6.7 m；當(dāng)線圈處于水平偶極模式時(shí)，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(dòng)探測模式，采樣點(diǎn)距為1 m，測線間距1 m，治理前后進(jìn)行2次探測。

2）數(shù)據(jù)處理：先檢查質(zhì)量，剔除異常點(diǎn)；再進(jìn)行電磁剖面成像。

2.5? 探測結(jié)果分析

探測數(shù)據(jù)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(dǎo)率成像剖面，0～4.2 m深度平均視電導(dǎo)率成像剖面，0～6.7 m深度平均視電導(dǎo)率成像剖面。

1）第一次探測（治理前）

圖4為探測區(qū)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(dǎo)率分布圖，圖上深灰色區(qū)域表現(xiàn)為相對(duì)低電導(dǎo)率（30～40 mS·m-1），推測為DNAPL（氯乙烯）的反應(yīng)；淺灰色區(qū)域表現(xiàn)為相對(duì)中等電導(dǎo)率（40～50 mS·m-1），推測為素填土的反應(yīng)。

通過對(duì)比分析可知，電磁成像結(jié)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(yàn)證該方法的有效性、可靠性。

2）第二次探測（治理后）

本項(xiàng)目利用原位氧化法進(jìn)行污染物第一次治理，采用高壓旋噴注射工藝進(jìn)行原位氧化藥劑的注入，原位化學(xué)氧化選用過硫酸鹽作為氧化劑，同時(shí)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(jī)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(jìn)一步降解，原有污染物位置的電導(dǎo)率增大，圖5為探測區(qū)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(dǎo)率分布圖，圖上深灰色區(qū)域表現(xiàn)為相對(duì)低電導(dǎo)率（30～40 mS·m-1），推測為DNAPL（氯乙烯）的反應(yīng)；淺灰色區(qū)域表現(xiàn)為相對(duì)中等電導(dǎo)率（40～50 mS·m-1），推測為素填土的反應(yīng)。相對(duì)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(qū)域明顯減少。

第一次治理后，對(duì)污染區(qū)域污染物超標(biāo)點(diǎn)位進(jìn)行再次取樣檢測，取樣深度7.5 m，檢測結(jié)果見表2。對(duì)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(dǎo)率成像結(jié)果與檢測結(jié)果基本一致。

3? 結(jié)論

本文通過工程實(shí)例闡述了電磁剖面法在污染物探測及修復(fù)效果評(píng)價(jià)中的有效性。相對(duì)于傳統(tǒng)的挖掘、鉆探等侵入式調(diào)查，電磁剖面法具有便捷、無損、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域內(nèi)滿覆蓋探測，結(jié)果更貼近實(shí)際情況。在修復(fù)過程中，通過對(duì)污染區(qū)域不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行探測，對(duì)污染物修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，有利于后續(xù)環(huán)境治理工作的開展、方案調(diào)整及成本控制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治理和有效治理。但電磁剖面法受復(fù)雜地質(zhì)條件的限制，還無法做到定量檢測，需與鉆探驗(yàn)證進(jìn)行綜合解譯。

參考文獻(xiàn)

白蘭，周仲華，張虎元，楊要許，鄭龍，2008. 污染土的電阻率特征分析［J］. 環(huán)境工程（2）：66-69.

郭秀軍，黃瀟雨，2006. 含油污水污染地下介質(zhì)的電性異常模擬及實(shí)例分析［J］. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版）（36）：128-131.

李大心，1994. 探地雷達(dá)方法與應(yīng)用［M］. 北京：地質(zhì)出版社：12.

李金偉，蔡克儉，崔亞彤，吳宇豪，張春曉，譚永華，2022. 大地電導(dǎo)率平面成像與地質(zhì)雷達(dá)在地下障礙物探測中的應(yīng)用［J］. 勘察科學(xué)技術(shù)（2）：54-58.

李培華，劉漢樂，侯森戈，2021. 融合電阻率成像法及圖像法的DNAPL污染過程研究［J］. 地球物理學(xué)進(jìn)展，36（5）：2 185-2 190.

劉漢樂，周啟友，吳華僑，2008. 輕非水相液體污染過程中的高密度電阻率成像法室內(nèi)監(jiān)測［J］. 地球物理學(xué)報(bào)（4）：1 246-1 254.

劉虎，王振宇，魏占民，張金龍，尹春艷，2009. 電磁感應(yīng)式大地電導(dǎo)率儀在土壤學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究［J］. 天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，15（1）：55-58.

劉雪松，蔡五田，李勝濤，2011. 土壤與地下水中DNAPL的污染機(jī)理與調(diào)查技術(shù)［J］. 油氣田環(huán)境保護(hù)，21（6）：37-39.

樸華容，李曉波，1988. 虛分量感應(yīng)電磁法的一個(gè)變種［J］. 地球物理學(xué)報(bào)（5）：594-600.

佘松盛，2019. 探地雷達(dá)方法對(duì)近地表LNAPL污染物的探測研究［D］. 長春：吉林大學(xué).

王紅梅，吳健芳，田自強(qiáng)，李宇婷，龔斌，2022. 土壤污染物健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］. 環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，13（2）：778-784.

王玉，郭秀軍，賈永剛，孟慶生，2009. 土壤一地下水系統(tǒng)非水相液體污染區(qū)的電性特征及電阻率法探測［J］. 地球物理學(xué)進(jìn)展，24（6）：2 316-2 323.

余洋，劉爭平，何雪松，2006. 電阻率法對(duì)路基病害的調(diào)查與分析［J］. 四川建筑（3）：73-75.

朱建友，鄧亞平，施小清，吳吉春，姜月華，蘇晶文，2017. 高密度電阻率法探測DNAPLs污染的適宜性探討［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，44（1）：144-151.

AJO-FRANKLIN J B， GELLER J T， HARRIS J M， 2006. A survey of the geophysical properties of chlorinated DNAPLs ［J］. Journal of Applied Geophysics， 59（3）：177-189.

BEVAN B W， 1998. Geophysical Exploration for Archaeology： An Introduction to Geophysical Exploration ［M］. Oxford， Blackwell Scientific Publications.

EIGENBERG R A， DORAN J W， NIENABER J A， FERGUSON R B， Woodbury B L， 2002. Electrical conductivity monitoring of soil condition and available N with animal manure and a cover crop ［J］. Agriculture， Ecosystems & Environment， 88（2）： 183-193.

WARD S H， HOHMANN G W， 1987. Electromagnetic theory for geophysical applications in Electromagnetic methods in applied geophysics ［M］. Tulsa： Soc. of Exploration Geophysicists.

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(xué)士，工程師，從事工程地球物理理論研究及應(yīng)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(fù)效果評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.城市地質(zhì)，18（4）：107-112