小線圈瞬變電磁法下地表水資源突發性污染探測研究

摘要：小線圈瞬變電磁法原理基于電磁感應，通過對磁場信號的捕捉和分析，實現對污染事件的及時發現和定位。因此，研究采用小線圈瞬變電磁法探測地表水資源突發性污染。通過布置ATME-3型瞬變電磁儀設備，對污染區域進行現場測試。研究結果顯示，該方法可準確探測多種化學品突發性污染事件，且無漏檢現象。且小線圈瞬變電磁法具有更高的時效性和準確性，能有效保障水源地水質安全。此研究驗證了小線圈瞬變電磁法在突發性污染探測中的有效性，為水資源保護提供了重要的技術支持，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：小線圈瞬變電磁法；地表水資源；突發性污染；污染探測

中圖分類號：X835 文獻標志碼：B

前言

地表水資源突發性污染往往源于工業排放、化學品泄漏等意外事件，這些污染物一旦進入水體，便會迅速擴散，破壞生態平衡，甚至通過食物鏈威脅人類健康。為實現水資源的保護，對水資源的監測和突發性污染探測，變得尤為重要，在現有的探測方法中，文獻[1]提出了基于化學分析法的探測方法，主要通過不同類型的化學制劑與水體進行化學反應，實現對污染物的探測，雖然在一定程度上能夠識別污染，但在操作上具有滯后性，一般是在污染發生后進行探測，且化學制劑在應用過程中，可能會對水資源造成二次污染。文獻[2]利用遙感技術，通過通過衛星或飛機搭載傳感器，在設定的監測線路或范圍內，對地表水資源進行監測，當水資源出現污染時，可以直接通過傳感圖像定位污染區域。但該方法的探測精度，受限于傳感器分辨率，且受天氣狀態影響較大。

鑒于現有探測方法存在的不足，需要設計一個更加有效的地表水資源突發性污染探測方法，小線圈瞬變電磁法作為一種新型的探測技術，以其高效、便捷的特點逐漸受到關注，已經在煤礦以及地層結構性探測中被成熟利用。文章將利用小線圈瞬變電磁法的應用原理，設計在地表水資源突發性污染中的探測方法，為水資源保護與管理提供科學依據。

1工程實例

以某省水源地為工作區域，應用所研究方法對水源地周邊地表水的污染情況進行檢測，驗證對突發性污染的探測效果。在測試前對工作區域的情況進行描述，發現在周邊存在有組團分布式的工業區，且工業生產涉及的行業面較為廣泛。通過對該水源地的區域劃分以及工業布局資料的獲取，在不同工業區內的行業分布規模具有差異性，具體情況見表1。

根據表中內容所示，該省的水源地被劃分為上游水源和上游準水源保護區域，其中，上游保護區受保護政策規范，在該區域內的行業主要為清污染行業，發生突發性污染的可能性較大，且污染強度也較為受限。而在準水源保護區域內存在有規模最大的化工廠，除此之外，其工業類型較為廣泛，如化學原料以及化學制品和礦物制品行業等可能導致重污染的工業類型，說明該省的水源地存在突發性污染的可能性較大，可以進行探測實驗。

2布置探測設備

瞬變電磁法屬于時間域中的一種感應方法，可以在不接地回線結構中，對地表以及地下結構發送脈沖磁場，并利用磁場回線感應地質體的激勵信號，以此實現對地表內物質的測量。工作原理見圖1。

小線圈瞬變電磁法由于探測速度快、分辨率高、施工方便等優點，在多個領域如煤礦水害探測、溶洞探測、考古探測、環境工程中得到了廣泛應用。對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計探測方法，可以直接從時間域角度對地表水資源的變化情況進行分析。

為真實模擬小線圈瞬變電磁法對突發性污染的探測，對研究區域的數據報告進行統計，在近三年監測數據中，上游水源保護區中未曾出現過突發性工業污染事件，而上游準水源保護區域中，發生了至少10次以上的突發性工業污染事件。因此，均以上游準水源保護區為例，在上游保護區內選擇曾經發生過的污染場地作為測試環境，為保證所研究方法在實際工作中具有應用價值，通過該水源地的現場情況進行模擬，選擇國內ATME-3型小線圈瞬變電磁儀作為探測涉設備，在劃定的區域內布置測點，每個測點的距離不超過2m，具體布置情況見圖2。

如圖2所示，此次對探測設備的布置，以該區域內的地質資料和探測技術為準則，在布置的區域內發生過突發性污染事件。為統一探測標準以及后續數據的處理，ATME-3型小線圈瞬變電磁儀的發射線圈邊長和接收線圈邊長為一致長度，均為12m*12m，探測儀器的電控制在15A-25A，發射頻率為25Hz，數據采樣率為0.01ms。通過此次選擇的小線圈瞬變電磁儀，在設定的監測參數下進行突發性污染探測模擬，由于研究區域內的污染情況均為化學污染，直接在水源地中進行驗證會破壞環境，且該水源地為保護區，為此，直接在平臺中進行模擬。

3探測結果分析

為實現所研究方法的具體探測效果分析，將布置好的現場在MATLAB測試平臺中進行還原，并利用測試平臺獲取歷史污染事件具體數據，以時間跨度為測試標準，驗證所研究方法對設定時間長度中發生突發性污染的探測效果。

應用小線圈瞬變電磁法測試地表水污染物過程如下：

首先，在地表布置小型發射線圈，并通以瞬間電流脈沖，激發瞬變電磁場。該電磁場會穿透地表層，進入地下介質，包括水體。當電磁場遇到水體中的污染物時，污染物的導電性會影響電磁場的傳播特性，尤其是衰減和相位變化。接著，布置接收線圈來捕捉這些變化的電磁場信號。記錄并分析信號隨時間的變化規律，可以推斷出地下介質，特別是水體中的電阻率分布情況。最后，結合地質背景知識，對比正常水體與受污染水體的電阻率差異，評估地表水污染物的存在、分布范圍及可能的污染程度。

從該省水源地的統計報告中發現，測試區域歷史污染事件主要為化學品污染，并且，涵蓋有存在毒性的化學品。針對發生較多的突發性污染事件進行分析，污染類型以及污染情況見表2。

根據表2中內容所示，通過統計報告可知，在該區域內發生的突發性污染事件，均為較嚴重的水資源污染事件，尤其是在重金屬突發性污染中，所呈現的污染程度較高，雖然在后續的治理中該水域得到了一定的恢復，但受該區域的工業布局影響，突發性水資源污染事件難以避免，因此，對污染探測的及時性以及準確性具有重要意義。

通過所研究方法進行驗證，同時選擇兩組傳統的探測方法進行比較，為文獻[1]和[2]中方法，對具體實施步驟不再進行描述。將表2中數據作為測試樣本，由于重金屬污染發生的次數較多，因此，選擇重金屬累積污染物進行探測，即鉛、汞、鉻、鎘，通過三組探測方法進行驗證，以污染出現后的40s為探測延時指標，當超過這一限度后，會嚴重影響水源地水質。探測結果見圖3。

如圖3所示，以重金屬化學品導致的突發性污染事件作為測試對象，由于設定了檢測時延指標，文獻[1]、[2]方法中出現了漏檢現象，即對發生的污染現象沒有實現及時污染探測，且在呈現出的探測結果中，對不同重金屬污染情況探測效果具有差異性，而所研究方法可以實現全部突發性污染事件的探測，且不存在探測錯誤的情況，主要是小線圈瞬變電磁能夠直接對污染情況進行感知，并快速實現信號的傳遞，說明所研究方法具有應用價值。

進一步測試水樣的COD、氨氮、BODs指標，對比不同方法下的測試數據，結果見表3。

分析表3可知，新方法在COD、氨氮和BODs的測定上均表現出較高的準確性。與標準數據相比，新方法的COD和氨氮測定值分別僅偏離了2%和2%，BODs的偏離也僅為2.5%，顯示出良好的一致性和穩定性。相比之下，文獻[1]的方法在COD和BODs上偏高，而文獻[2]的方法則偏低，表明它們在不同程度上存在一定的誤差。綜上所述，新方法在測定水樣COD、氨氮和BODs時具有更高的準確性和可靠性。

4結束語

通過對小線圈瞬變電磁法在地表水資源突發性污染探測中的深入研究，設計了新的地表水突發性污染探測方法，主要利用小線圈的瞬變感應磁場，對地表水的狀態進行感應，形成水體與電磁之間的動態聯系，當水體狀態發生變化時，小線圈的磁場會發生相應變化，以此實現對地表水資源突發性污染的檢測。此次設計的基于小線圈瞬變電磁法的地表水突發性污染探測方法，以化學品污染作為測試對象，該方法在實驗測試中可以實現突發性污染的精度探測，且能夠保證對突發污染源探測的時效性，即在監測區域內地表水產生污染源后立刻實現感知，能夠彌補現有技術的不足，為地表水資源的保護和管理提供了有力支持，實現保護地表水資源的目的。