地面高密度电阻率法在人工湿地堵塞区域探测研究

肖敬瑞，丁彦礼，刘 良，王 梅，白少元,3，熊 彬

(1.桂林理工大学 地球科学学院，广西 桂林 541004；2.广西恒晟水环境治理有限公司，广西 桂林 541004；3.桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541004)

1 引 言

人工湿地是20世纪70年代兴起的一种污水处理工艺，由于具有投资少，能耗低、工艺设备简单、运转维护管理方便、系统配置可塑性强、运行费用低、出水具有一定生物安全性、生态环境效益显著等优点，越来越多地得到人们的关注[1]。然而大量的工程实践表明，随着人工湿地运行时间的增加，其内部会出现不同程度的堵塞[2]。以前人工湿地发生堵塞时,对堵塞的判断及堵塞的程度仅能定性的进行评价，无法对堵塞区域进行精确定位。因此，针对人工湿地堵塞区域的定位探测是亟待解决的问题。

目前有关人工湿地堵塞监测方法的研究取得了很大的进展，可应用的方法主要为以下几种，分别是生物电池法[3]、电导率法[4]、探地雷达法[5]、水力传导率法[6]、示踪剂法[7,8]、分析堵塞物质性质[9]。其中应用最广的是水力传导率法和示踪剂法，但这2种方法都有明显的缺点，如水力传导率在测量过程中易受干扰、示踪剂消耗量大且易吸附等[2]。最具前景的监测方法则是基于基质电磁和电阻特性的电导率法和探地雷达法，电导率法和探地雷达法对湿地内部造成的干扰较小，在湿地堵塞物定性定量方面具有良好的发展前景[10,11]。Matos等[12]使用探地雷达探测了种植香蒲与未种植植被的两个全尺寸水平潜流人工湿地的堵塞特性，结果表明探地雷达可以探测出堵塞区域，但地质雷达方法也存在纵向尺度定位不精确的问题，并且由于人工湿地一般纵向尺度较小和处于水饱和状态，存在基底和边界反射较强、堵塞区域反射不够清晰的问题，探测精度不够理想。电阻率法对湿地内部造成的干扰较小，可以快速、无损、有效地反映湿地堵塞状况[2,13]。Morvanno[13]使用电阻率层析成像研究和时域反射技术对垂直流人工湿地进行了探测，监测了人工湿地的含水率动态，结果表明，由于物性差异不够大，水分含量与高密度电阻率数据之间没有显著的相关性，无法进行任何预测。Martinez-Carvajal等[14]将X射线断层扫描和电阻率层析成像结合，测量了人工湿地的沉积层和砾石层，通过人工湿地的电阻率断面和X射线断面，可以探测堵塞区域，但电阻率法由于物性差异不够大，导致精度不高，需要和X射线法结合来进行推断。目前关于电阻率法的相关研究还是比较少，为扩大使用，还需长期进行大量的研究[2]。

因此，根据潜流人工湿地结构和堵塞区域的特点，本文提出利用地面高密度电阻率来探测和定位人工湿地堵塞区域，并且提出一种提高人工湿地系统电阻率差异的方法，从人工湿地堵塞探测的电阻率方法讨论、电阻率法的水槽模拟实验和提高人工湿地系统电阻率差异方法几个方面探讨了利用地面高密度电法探测和定位人工湿地堵塞区域的可行性。

2 地面高密度电阻率法探测堵塞实验

2.1 实验原理

高密度电阻率法[15,16]又称电阻率层析成像法(Electrical Resistivity Tomography，ERT)，是一种阵列式的电法勘探方法，属于电阻率法的范畴，它是在常规电法勘探基础上发展起来的一种勘探方法，是以岩土体的电性差异为基础，研究在施加电场的作用下，地下传导电流的变化分布规律。其仪器结构如图1所示。地面高密度电阻率主要由直流电源、测量主机、多路电极转换器、电缆和电极构成测量系统，其中测量电极按照等间距布置在待测地质断面上。在进行电阻率测量时有供电电极AB和测量电极MN，以地面A、B为供电点，向地下输入电流强度为I的电流，在A、B中间段内安置测量电极M、N得到电位差ΔU，最后按式(1)计算视电阻率：

(1)

式中,ρs为视电阻率，单位为Ω·m；ΔU为电位差，单位为mV;I为供电电流，单位为mA；K为装置系数。

图1 高密度电法仪器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of high density electrical instrument structure

2.2 地面高密度电阻率法装置类型

地面高密度电阻率法的野外工作装置类型比较多，包含有二极装置、三极装置和四极装置及其变种等[17]。由于三极装置异常相对比较复杂，且并不是所有的人工湿地都能满足布设“无穷远极”的条件，人工湿地堵塞探测不适合使用三极装置。在人工湿地堵塞探测中，测量装置采用对称四极装置(施伦贝尔装置)，该装置对浅表层的水平异常勘探效果较好，且探测出的异常体位置及形态特征较为准确，异常解释相对容易[18]。

2.3 人工湿地视电阻率

相对于地壳地质体结构来说，人工湿地床体相对比较简单。如果仅仅针对饱和人工湿地床体而言，影响电阻率的主要因素是孔隙水的导电性。以饱和石英砂岩为例，其电阻率与孔隙中水的电阻率存在以下关系[19]：

(2)

式中,ω为含水率(或孔隙率)，单位为%；ρ为电阻率，单位为Ω·m;ρw为孔隙中水的电阻率，单位为Ω·m。

从上式(2)可以看出，当ω固定不变时，介质电阻率ρ与ρw成正比。而介质孔隙中水的电阻率与水中溶解的导电离子的浓度有关，溶解的导电离子的浓度越大，电阻率越低。

在单一填料人工湿地中，其电阻率主要受孔隙水的电阻率控制，可以认为电阻率是各向同性的；在分层填料人工湿地中，不同粒径饱和填料的含水率(ω)变化很小，主要还是受孔隙水电阻率控制，也可以近似认为电阻率是各向同性的。所以，可以假设饱和人工湿地填料电阻率是各向同性的。

如果人工湿地发生堵塞，堵塞体的电阻率与人工湿地饱和填料背景电阻率值不同，在堵塞区域附近，电极装置周围的介质是一个电性不均匀体，测量得到的视电阻率值与饱和填料背景电阻率值不同。因此，在人工湿地探测堵塞探测中，主要影响因素还是人工湿地床体高阻边界。如果不考虑高阻边界，未堵塞的人工湿地电阻率值认为是近似均匀各向同性的。

此外，对于视电阻率的计算方面，采用半空间的视电阻率计算公式计算得到的视电阻率，除了边界附近存在较小的误差外，其他区域误差相对较小。因此，可以采用半空间的视电阻率计算公式计算视电阻率。

实际中使用的电阻率法探测人工湿地堵塞还存在一个比较严重的障碍，实际人工湿地中堵塞区域与未堵塞的湿地床体对电阻率起关键控制作用的是填料之间的溶液，所以堵塞区域的电阻率比未堵塞的湿地床体电阻率高出的数值是有限的，很难满足电阻率探测中要求的有较大电阻率差异的条件。为了能在实际人工湿地中利用电阻率法准确和有效地实现堵塞区域的探测和定位，可以通过在人工湿地中添加电解质溶液(NaCl溶液)的方法来提高堵塞区域和未堵塞区域的电阻率差异，使堵塞区域相对电阻率提高，突出堵塞区域的高阻特征，以达到堵塞区域的定位探测目的。

2.4 实验设计

1)地面高密度电阻率法实验：实验采用水槽模拟方式进行，水槽的长、宽、高分别为146 cm、119 cm和102 cm，仪器使用WDJD-2高密度电阻率测量系统，自制水平高密度电极板(如图2)，饱和细沙作为高阻模型。测量装置采用对称四极装置(施伦贝尔装置)，水平高密度电极板实接电极数为30，电极间距5 cm，滚动数为27，剖面数为14，测点数为196个。测量和测点布线为了避开水槽边界的影响，布置在y=50 cm处，测量选择电极间距为5 cm、电极个数30个。高阻体直径分别为5 cm、10 cm的近球状模型体，以水槽下方角点设定为坐标原点，高阻体平面坐标为(x=72.5 cm、y=50 cm)。高阻体设计了4个不同的顶部埋深(模型体顶部到水面的距离)分别为h=0.5 cm、2 cm、4 cm、10 cm进行测量，对应的R(高阻体顶部埋深/电极间距)=0.1、0.4、0.8、2；

图2 自制对称四极跑极方式示意图Fig.2 Self-made schematic diagram of symmetrical quadrupole pole-running mode

2)提高人工湿地系统电阻率差异实验：实验采用水槽模拟方式进行，水槽的长、宽、高分别为56.5 cm、36.7 cm和32.4 cm，仪器使用WDDS-1型数字电阻率仪，12 V直流蓄电池，2～4目和6～10目混合粒径石英砂，导线若干，自来水，NaCl碘盐，1 L烧杯，玻璃棒。测量装置采用对称四极装置(施伦贝尔装置)。通过配置浓度分别为0、1、5、10、20、40、60、80、100、200、400、600、800、1 000、2 000 mg/L的NaCl溶液，依次把不同浓度NaCl溶液装进物流箱，体积为物流箱容积的一半以上，然后用原位法测定各种浓度NaCl溶液的电阻率；其次将石英砂装入物流箱中，体积为物流箱体积的一半，依次配置浓度为0、10、20、30、40、60、80、100、120、140、160、180、200、240、280、320、360、400、450、500、550、600、650和700 mg/L的NaCl溶液，测量时分别倒入石英砂中，用WDDS-1型数字电阻率测定其电阻率。在物流箱中长短边分别设计了两条相互垂直的线进行测量，每条线进行三组实验重复实验，并最终取平均值作为介质的电阻率。

3 结果与讨论

3.1 提高人工湿地系统电阻率差异实验

1)不同浓度NaCl溶液测定结果与分析

测定的不同浓度NaCl溶液时得到的电阻率曲线如图3所示，NaCl溶液的电阻率随浓度呈幂函数变化，且电阻率曲线变化可以分为快速降低区(0～400 mg/L)、缓慢降低区(400～1 000 mg/L)和基本平稳区(>1 000 mg/L)。因此，如果想添加NaCl来改变自来水中电阻率的话，添加区域应该选择在快速降低区，这样不但能减少NaCl的加入量，而且可以快速实现降低溶液电阻率的目的。

图3 不同浓度NaCl溶液的电阻率曲线Fig.3 Resistivity curves of NaCl solutions with different concentrations

2) 加入NaCl溶液的石英砂电阻率测定结果与分析

测定的加入不同浓度NaCl溶液的饱和石英砂填料时得到的电阻率曲线如图4所示。从图中以看出,加入不同浓度NaCl溶液的饱和石英砂填料电阻率近似呈幂函数变化，电阻率曲线变化规律基本同图3,不同浓度NaCl溶液的电阻率变化规律一致。其中未加NaCl溶液(NaCl浓度0 mg/L)的饱和填料电阻率为190 Ω·m ，当加入浓度为80 mg/L的NaCl溶液时,石英砂填料电阻率为96 Ω·m，达到2倍电阻率差异。

图4 加入不同浓度NaCl溶液的饱和石英砂电阻率曲线Fig.4 Resistivity curve of saturated quartz sand with different concentrations of NaCl solution

从以上的分析可以得出，通过在人工湿地中添加电解质溶液(NaCl溶液)的方法来提高堵塞区域和未堵塞区域的电阻率差异，以实现人工湿地堵塞区域的探测和定位的目的是可行的。

3.2 视电阻率断面图分析

通过地面高密度电阻率法方法，根据设计的测点、电极间距和高阻体大小，测量整个设计测量范围内的二维数据。测点布设的高密度电极系统测量了不同高阻体大小和不同高阻体埋深的视电阻率数据，通过分别提取所有测点的数据，用这些数据分别组成二维断面数据并绘制二维断面视电阻率断面等值线图，根据视电阻率断面等值线图的特征可以对堵塞区域进行分析定位。

图5为离高阻异常体20 cm左右测线的视电阻率断面等值线图，从图上可以看出，视电阻率除了下部区域受底部边界和装置系数变化引起的层状高阻异常外，并不存在其他高阻异常特征，可以视其为背景空白值。

图6为当放置高阻体直径为5 cm时的视电阻率断面等值线图。通过视电阻率断面与空白模型视电阻率断面对比，除下部区域受底部边界和装置系数变化引起的层状高阻异常外，由图6(a)和图6(b)中可以看出，当R=0.1和0.4时，探测效果较好，在异常体位置出现较明显的高阻异常；由图6(c)中可以看出，当R=0.8时，探测效果变弱，异常体位置异常较微弱；由图6(d)中可以看出，当R>0.8时，视电阻率断面与空白模型并无太大区别。R值越小，异常越明显，但该异常也仅能定位高阻体的水平位置，对于垂向空间位置无法精确定位。

图6 直径5 cm高阻体视电阻率断面等值线Fig.6 Contour map of apparent resistivity section of high resistance body with a diameter of 5 cm

图7为当放置高阻体直径为10 cm时的视电阻率断面等值线图。通过视电阻率断面与空白模型视电阻率断面对比，除下部区域受底部边界和装置系数变化引起的层状高阻异常外，由图7(a)、图7(b)和图7(c)中可以看出,当R=0.1、0.4和0.8时，探测效果较好,在异常体位置出现较明显的高阻异常，直径10 cm的高阻体要比直径5 cm的高阻体探测效果要好；由图7(d) 中可以看出,当R=2.0时，异常体位置异常较微弱，视电阻率断面与空白模型并无太大区别。高阻异常体尺寸越大，异常越明显，但该异常也仅能定位高阻体的水平位置，对于垂向空间位置无法精确定位。

图7 直径10 cm高阻体视电阻率断面等值线Fig.7 Contour map of apparent resistivity section of high resistance body with a diameter of 10 cm

从以上的分析可以得出，对于潜流人工湿地，当高阻异常体尺寸越大，探测效果越明显；高阻异常体顶部埋深与电极间距的比值越小，探测效果越明显。为了探测和定位埋深较大的高阻体，需要适当增大电极间距或者增大高阻体与背景电阻率的差异。其中根据实验结果，视电阻率断面对高阻区域的水平位置定位较准确，而对垂向空间位置定位效果较差。

另外，对于人工湿地工程实例来说，水饱和人工湿地未堵塞区域和堵塞区域的电阻率差异不是很大，不能保证有较好的探测效果。可以通过在人工湿地中加入电解质溶液的方法来强化人工湿地未堵塞区域和堵塞区域的电阻率差异[20]，从而提升人工湿地堵塞区域探测精度和探测效果。

3.2 视电阻率断面数据反演

通过对视电阻率数据进行反演处理，将视电阻率数据转变为电阻率数据，消除装置系数变化对数据解释造成的干扰，使垂向空间分辨率精度变高，可以提高地面高密度电阻率法的探测和定位效果。此次反演实验以5 cm和10 cm直径的高阻体为例。反演软件使用的是瑞典的RES2DINV直流电阻率反演软件[21]。

图8为直径5 cm高阻体反演电阻率断面等值线图，从组图中可以看出，当R取0.1～2.0时，所有的电阻率剖面上都能基本反演出高阻体的空间位置；但在R>0.8的电阻率断面上，高阻体底部边界比实际略浅，反演精度不高，但相比依据视电阻率进行解释更加精确，其中反演电阻率断面上横向高阻区域比实际略宽，并且部分剖面还会出现一些小的假异常。反演后的电阻率断面在高阻体下方都会出现一个很大区域的低阻异常区，这主要是由于底部高阻边界影响造成的，在实测数据解释时，要特别注意这个特征，以免出现解释错误。通过结合视电阻率断面在横向空间上的精确定位，就可以很精确地探测和定位高阻体的空间位置。

图8 直径5 cm高阻体反演电阻率断面等值线Fig.8 Inversion resistivity section contour map of a 5 cm diameter high resistance body

图9为直径10 cm高阻体反演电阻率断面等值线图，从组图中可以看出反演得出的结论与直径5 cm高阻体的反演结果基本一样，但在R<0.8的断面上，直径10 cm高阻体的反演结果要比直径5 cm高阻体的反演结果更加精确，特别是异常中心封闭的高阻区域电阻率值更接近高阻模型体的电阻率值，所以对于较大堵塞区域更容易实现定位探测。

图9 直径10 cm高阻体反演电阻率断面等值线Fig.9 Inversion resistivity section contour map of a 10 cm diameter high resistance body

从以上的分析可以得出,对于潜流人工湿地，地面高密度电阻率数据进行反演后的电阻率断面在高阻体下方都会出现一个很大区域的低阻异常区，这主要是由于底部高阻边界影响造成的，在实测数据解释时，要注意这个特征，以免出现解释错误。反演得到的视电阻率断面对异常体的空间定位比视电阻率断面效果更好，特别是在垂向空间上的定位，通过结合视电阻率断面在横向空间上的精确定位，就可以很精确地探测和定位高阻体的空间位置。通过视电阻率断面等值线图和反演的电阻率等值线图进行联合解释，可以很精确地探测和定位高阻体的空间位置。

4 结 论

本文根据潜流人工湿地结构和特点，使用地面高密度电阻率法对人工湿地堵塞模型进行了探测实验，并且进行了提高人工湿地系统电阻率差异实验，通过绘制视电阻率断面等值线和反演电阻率等值线，以及加入NaCl溶液后的电阻率曲线图，对探测效果进行了讨论，得出以下结论：

1)通过在人工湿地中添加电解质溶液(NaCl溶液)的方法来提高堵塞区域和未堵塞区域的电阻率差异，以实现人工湿地堵塞区域的探测和定位的目的是可行的。

2)地面高密度电阻率方法能够较好地探测和定位人工湿地高阻堵塞区域，根据实验结果，当高阻异常体尺寸越大、高阻异常体顶部埋深与电极间距的比值越小，探测效果越明显。

3)地面高密度电阻率法的视电阻率断面对高阻堵塞区域的水平位置定位较准确，但对垂向空间位置定位效果较差，通过对数据进行反演得到的电阻率断面对异常体的空间定位比视电阻率断面效果更好，特别是在垂向空间上的定位。

4)对于人工湿地堵塞探测的数据处理来说，综合利用视电阻率断面等值线图和反演的电阻率断面等值线图，可以更准确地探测和定位高阻堵塞区的空间位置。