探地雷达方法在特殊含油污水管道渗漏探测中的应用

李圣魁，刘明明，潘广山，毕征峰

(山东省地质矿产勘查开发局第四地质大队，山东 潍坊 261021)

0 引言

探测区域位于淄博市临淄区的山前冲积扇上，地势南高北低，下游为鲁中最大的水源地——侯皋水源地(图1)。自1991年发现水源地局部地下水受污染以来，环保部门曾先后多次对地下水质进行观测，也进行过不间断的治理，但下游水质一直处于严重污染状态，并且污染物浓度居高不下。为了彻底治理污染物对地下水的污染，必须寻找污染物的源头。根据前期调查分析结果，水中主要污染物成分为石油类、CODmn、氨氮、挥发酚、苯、二氯乙烷等，而这类污染成分主要来源于乙烯装置区。在整个装置区内，所有的装置位于地表之上，并且地表为厚度20～50cm的水泥铺盖层，因而排除了地表装置泄漏造成污染的可能性，唯一可能的原因就是地下排污管线发生了渗漏。因此，选择合适的探测手段，在装置区内开展调查工作，对最终寻找出地下排污管道渗漏点的准确位置，具有重要的意义。

图1 探地雷达探测区概况图

诸如上述的渗漏污染事故是现代社会广泛关注的公共安全问题，因此对此类基础设施污染渗漏的调查研究工作尤为重要。以往的渗漏污染调查多采用钻探取样与土工试验相结合的直接调查法，但这些方法在某些场地显然无法实施，具有耗时长、投入大，且容易造成二次污染事故等缺点。传统的音听法、管内电视法、示踪法能够较准确地确定渗漏位置，但多适用于压力管道和无毒、无害流体环境[1-2]。近年来，环境地球物理学方法的发展，为人们提出了地下污染渗漏检测的新思路，正逐渐用于环境污染监测、环境地质灾害检测和地下管网渗漏检测等领域[3-7]。这类方法属于一种非破坏性的原位测试法，在调查地下污染时具有快速、成本低、不破坏场地环境的优点。如叶立龙等，Schneider and Greenhouse、de Ryck,et al、 Schneider et al、Sauck et al、W.A. Sauck、E.A.Atekwana et al 和Guanqun Liu等[8-15]，根据受污染后土层物理性质的变化特征，都曾开展过高密度电阻率法、探地雷达法、自然电位法等地球物理方法的试验和具体应用工作，证实了此类方法都可以有效地圈定污染区的范围。上述的方法中，高密度电阻率法探测需要在地面布设电极，因而在水泥硬化场地中无法开展工作，而自然电位法容易受勘测场地环境的影响，周围有强电场干扰时会导致测量数据不准确。因探地雷达天线具有较好的屏蔽性能，能有效克服上述缺陷，所以目前被认为是一种环境污染调查的可靠技术手段。

本文结合具体的工程实例，对装置区地下渗漏问题，采用探地雷达技术进行探测，并详细分析获得的不同类型渗漏污染源的异常特征，划分不同工业渗漏污染源地质雷达异常带，以期获得污染源头、规模及范围，为后续治理提供依据。

1 方法依据和原理

1.1 方法依据

探测手段的选取要根据探测区域的地质特征和环境因素。该乙烯装置区具有特殊的探测背景：①地下排污管道材质为铸铁，管径为15～50cm，埋深在1.5～2.5m之间；②地下管道内运移的物质为装置的冲洗水和废液，且温度较高(50℃以上)；③管道内输送无压液体，且流速缓慢；④管道内液体透明度低；⑤厂区地面铺设水泥层厚度大，挖掘取样困难。基于上述特点，传统的音听法、管内电视法、示踪法都不会取得良好的效果。在该探测场地中，因地面全部被水泥硬化，且周围高压电线众多，传统的高密度电阻率法和自然电位法工作难度大，并且地面干燥，也难于保证电极与地面的良好接触，供电效果差，导致其测量结果可信度不高。因此，本次探测主要采用了探地雷达探测方法。

1.2 探测原理

探地雷达是一种利用高频电磁波束反射来探测地下目标的一种高分辨率电磁学方法。高频电磁脉冲通过位于地面上的发射天线激发并传入地下。当地下介质中存在由于岩石物理、化学性质变化引起的电性差异时，部分脉冲电磁波的能量将被反射回来，并被接收天线记录下来。由污染物的成分可以知道，探测区域内污染物大多属于有机污染物，与周围土层介质相比，受污染土层具有相对较低的介电常数，因而，电磁波传播到这样的分界面上可以形成反射。除了污染区与未被污染土层之间会产生反射界面外，不同岩性的土层之间也具有不同的电学特征，同样也会产生反射电磁波，只要产生反射波，就会在探地雷达剖面上呈现出对应的反射波同相轴，通过对反射波同相轴的追踪、反射波能量的对比分析，就可以划分出地质结构和污染范围，这就为利用探地雷达方法进行污染区探测提供了理论基础。

1.3 影响土层物理性质的因素

利用探地雷达法进行含油污染物污染区探测时，探测剖面上的异常特征取决于2个方面，一是探测区地下原本的水文和地质条件，包括土层性质、裂隙发育程度、构造和地下水的饱和度等，二是污染物渗漏入土层后引起的附加效应。不同类型的土层、裂隙发育带和构造带，均具有不同的介电特性，而污染物的扩散则进一步导致了介电特性的更复杂变化。

在本次探测工作中，首先在实验区布设了勘探孔以了解场地地层情况(表1中的ZK1孔)，钻孔揭示了探地雷达探测深度范围内(0～5.0m)皆为黏土和粉质黏土层，5.0m以下为砾石层。因此，了解0.0～5.0m范围内土层物理性质对地层介电常数和导电性的影响，将有助于探地雷达资料的解释。在此类场地条件下，土层的含水量、孔隙度、饱和度、孔隙流体的电导率将是影响探测剖面异常特征的主要因素。

土层的含水量是首先要考虑的问题。在进行探地雷达探测时，水是最大的“敌人”，它不但影响探测深度，也会由于含水量的不同而在探测剖面上表现出不同的异常特征[16-17]。通常水具有较大的介电常数，土体孔隙被水填充后，其介电常数会显著增大，导致整个探测深度范围内的土层介电常数很高，孔隙度越大影响越明显，但当有污染物(实验区主要为聚乙烯)渗入后，其介电常数又会大幅度降低，特别是侵入污染物吸附于土颗粒表面会形成油膜，使得土层的导电性和介电特性主要受控于污染物的介电特性。

表1 钻孔资料

土层饱和度的差异也是影响土的物理性质的重要因素[18-20]。但当土层的饱和度大于80%时，据Sam Gyu Park el at等[21]对黏土的室内实验结果，饱和度的改变对土层电阻率的影响不大，从而，依据土层电阻率的Archie公式[22]可以分析出土层电阻率增大主要是由孔隙水渗入含油污水后导电性变差引起的。

综上分析，探测区地层整体上具有较高的介电常数，而污染物的泄漏将会导致局部的介电常数降低，在电磁波传播到这两种不同物性介质的分界面上将会产生反射波，从而根据这一特点可以圈定污染源头和污染范围。

2 数据采集处理

2.1 数据采集

探测区域共布设主测线3条，测线沿乙烯装置区向外排污的主管道走向，并分别在管道两侧及管道中央位置布设。测量时，使用了国产的LTD2000探地雷达，天线工作频率为500MHz，最大探测深度在5m左右；时窗长度为200ns；采用连续测量方式。

2.2 数据处理

由于本次勘探使用了完全屏蔽发射天线，采集到的探地雷达数据具有较高的分辨率(图2a)，但由于地层对电磁波的吸收衰减作用，原始图像的信噪比较低，且深部能量较弱。因而，对数据进行了零点校正、FIR滤波处理和能量衰减补偿处理。处理后的图像见图2b、图2c。由图可见，FIR滤波技术消除了探测区交流电场的高频影响，突出了地层中的有效反射信号，同时，经能量衰减补偿后，深部能量也得到了明显的提高，增加了解释结果的可信度。

图2 探测区采集的探地雷达原始(a)、FIR滤波(b)和能量衰减补偿图像(c)

3 结果分析与讨论

使用探地雷达方法进行含油污染物污染区探测时，污染区的含水量、油水的结合特征，水土的结合特征、孔隙水的电导率是影响探测剖面异常特征的主要因素。由于这些因素的影响，会改变电磁波在地层中的传播路径，从而表现出不同运动学特征和动力学特征(包括振幅、频率和相位)。

对探地雷达资料的解释，主要是依据反射波的形状、波形宽度、同向轴的连续性、反射振幅大小、相位和频率等特征。根据上述特征，将探测结果分为以下三类：

第一类剖面：如图3所示，从整个剖面上可以看到，反射波同向轴连续，波形稳定，反射波振幅和相位一致性好。由图可见，由浅到深依次可区分出不同的电磁波反射界面，分别代表了混凝土路面层、垫层、原状土层和基岩，各层分界面对应的反射波同相轴清晰、可追踪，这类剖面代表了地下地层没有被污染的情况。

第二类剖面：局部反射波波形比较凌乱，同向轴不连续，振幅和相位一致性较差，而剖面其他范围反射波同相轴比较连续，虽然不如图3那样清晰，但仍可以追踪。图4为这类异常特征的典型剖面，从图像中可见，白色虚线标注范围内，反射电磁波呈现出上述特征，且在异常范围的中上部可见明显的双曲线型反射波异常，且反射能量高，这是典型的金属管道引起的异常特征，因管道泄漏引起周围土层含水量增大、介电常数有别于正常土层，因此导致了管道周围泄漏范围内电磁波的杂乱反射特征。

图3 无污染区探地雷达探测剖面特征

图4 局部(浅层)受污染区探地雷达探测剖面特征

第三类剖面：从图5可以看到，在整个剖面上，由浅到深反射波波形非常凌乱，无法追踪反射同向轴，波形表现为低频，高幅特征，属于一类严重污染区的图像特征。

图5 严重污染区的探地雷达剖面特征

为了更详细的分析异常特征，从污染物扩散的机理来解释这一问题。含油工业污水通过管线存在的渗漏点侵入土层后，在土层中的扩散过程受地下土层性质和地下水的影响。第一个迁移阶段基本是在重力作用下，垂直向下进入非饱和带，毛细管力会使其产生横向迁移而形成一个围绕渗漏体的“油浸带”，如图5中A区域所示。当入渗到达某一层位后(这些层位通常具有很低的渗透性)，油类污染物向下入渗基本停止。但在下渗过程中，如果沿横向存在渗透性好的土层，渗滤液也会发生横向迁移。图中B区域为低渗透性地层，基本上不存在污染物扩散引起的异常，而在C区域，由于土层渗透性增强，A区域的污染物就会发生横向扩散。总体而言，污染物入渗过程中，由浅到深其扩散范围逐渐增大，在地下呈现上窄下宽的“羽状体”分布，在探地雷达探测剖面上也呈现出类似“羽状体”的图像特征。

对照以上3种剖面特征，对整个探测区域内的3条探地雷达剖面进行了分析，确定了类似图5中剖面异常特征的渗漏点5个，这些渗漏点是造成下游水源地污染的根源。另外还确定了类似图4中剖面异常特征的渗漏点8个，这些渗漏点虽然目前还没有造成地下水的污染，但随着时间的推移，其污染范围将会进一步扩大。在确定渗漏点之后，又在上述渗漏点位置进行了钻探验证(表1)，所布设的ZK2和ZK3两个钻孔均揭示了污染区的存在，其分析结果与探地雷达得到的结论完全吻合。

4 结语

地下管线渗漏检测是一项非常复杂的任务。究竟选用何种检测手段，最终得到的效果如何，将取决于管线的材质类型、埋深、管线输送液体的特征，以及地表的地质条件等因素。对于该装置区含油类金属管线渗漏问题，具有地表为人工铺设的硬层管内液体温度高、透明度低和无压力等特点，因而利用探地雷达来探测无疑是一种最好的选择。

探地雷达资料解译的精度关系到结论的正确与否。在对探测区内各种地质条件充分了解的基础上，对探测数据进行了数据处理，并根据电磁波传播规律和特征，将剖面总结为3种类型，依次对整个探测区域内所有剖面进行了分析，有效确定了污染的源头和范围。