电阻率法检测和监测垃圾场引起的地下水污染

蔡媛媛

(河北省衡水水文勘测研究中心,河北 衡水 053000)

1 概 述

由于经常被屏蔽而免受直接的人类活动影响,地下水已经成为最安全的饮用水来源[1]。 但地下水资源中任何未被发现的污染,都会对环境中的生物持续生存构成威胁[2]。 随着城市化的发展和城市人口的增长,垃圾处理成为亟待解决的问题,而远离人群聚居区的垃圾场堆填是常见的垃圾处理方式。 但如果垃圾场的规划不适当,将会对环境健康造成危害[3]。 在本研究区域内,以人工挖井为主的浅层地下水源约占生活和灌溉水源的85%,地下水污染风险较高。

通过地球物理学技术来解决科学和社会问题已得到高度发展[4]。 相比于钻探获取点数据的常规方法,电阻率法因其钻探到目标地层的过程更快、经济且无创,特别适合于检测地下水中的离子杂质[5]。 该方法不用于直接检测污染物,而是用于调查污染物移动的地质环境,通过监测来确定污染物在空间和时间上的分布。

垃圾场多种类型的垃圾混合物会改变其本身的电特性,从±壤中吸收或释放、迅速迁移和分散,并根据理化特性,在不同水平上积聚饱和度[6]。 在±壤或地下水存在的情况下,许多污染物和可操作的生物过程会增加自由离子浓度。这些产生垂直和横向迁移的渗滤液,通常会降低电阻率。 利用电阻率法,可以将这种电阻率的降低与天然的地下水区分开来[7]。

为此,本文通过一项为期10 年的密集研究项目,利用电阻率法,检测和监测垃圾场对研究区域地下含水层单元的污染影响,确定垃圾场周围的污染程度和污染羽状流。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

该站点位于石家庄市藁城区,地形为盆地,主要由沙子、砂岩、黏±和石灰岩组成。 沉积盆地内发现基底复合体的岩石,但被约2.5km 沉积物掩埋。 该站点周围是居民区,垃圾场的废物类型可以归类为家庭垃圾。 调查区域覆盖面积约99.441m2。 该地区为温带季风性气候,四季分明,雨量集中在夏秋季,干湿期明显,年均湿度65%,年均降水量401～752mm。 见图1。

图1 研究区域概况图

2.2 研究方法

本研究的主要测量仪器为ABEM SAS 300C。这是一种由发射器和接收器单元组成的复合单元,通常由直流或低频交流电源供电。 电流通过两个外部电流电极A 和B 送入地面,具体见图2。电流在两个内电势电极之间产生一个电压,地电仪将电压和电流转换为电阻,显示在屏幕上。

图2 测量仪器工作示意图

相关的辅助工具包括：

1)被驱动到地面的钢金属电极：通常为4个,但有时可能少于4 个,这取决于所使用的阵列类型。 其中两个电极A 和B 将电流导入地面电流电极,另外两个电位电极用于电流产生的电位差。

2)连接电缆：4 卷绝缘电缆,通常以红、黑两种颜色表示,用鳄鱼夹分别与电极和地电仪连接。

3)测量卷尺：用于对现场长度进行精确测量,即用于测量横向间距、电极间距、现场尺寸等。

4)锤子：用于将电极驱动到地下。

5)弯刀：在茂密或交通不便的地方工作时,为了清除路径,可以切割树枝,树枝可以用作放桩材料,并且可以松开坚硬的±壤,以便更好地穿透和接触电极。

6)指南针：用于准确定位野外方向。

7)数据记录材料：包括铅笔、显示调查地点的数据表、日期、地电断面位置、观察者、使用的电极阵列、使用的仪器、测深点、电位和电流电极间距、几何因子等。

在南北方向上建立基线,并垂直于基线标记遍历,形成网格网络。 在网格的节点上,总共建立40 个地电断面位置。 电极间距(AB/2)从1～50 m 变化,最大扩展长度100 m。 电导率法人工产生的电流通过2 个电流电极C1、C2,与由另一对内电极P1、P2 测量得到的电位差传入地面。电极间距与穿透深度成正比,电极间距越大,穿透深度越大。 电阻率值由已知参数计算得出,公式如下：

式中：K为几何因子;ρa为电阻率;AB为电流电极间距;MN为电位电极间距;R为电阻。

将获得的表观电阻率ρa相对于电极间距AB/2 绘制在叠加ABEM log-log 图上的描图纸上,以获得深度测深曲线。 将描图纸放置在主曲线上,使测深曲线与主曲线上的模型曲线逐段匹配。 然后移动描图纸,直到测深曲线的每一段都找到完美或接近完美的模型。

用十字标记原点,并注明通常用kn表示的曲线编号;根据类型曲线将测深曲线移动到辅助曲线;用折线在描记纸上描出辅助曲线上与主曲线同号的曲线,并记录厚度比tn/tn-1。 重复该过程,直到所有曲线匹配完毕。 将测深曲线返回到双对数图即ABEM log-log 曲线图中,并将十字标记位置对应的电阻率和电极间距值分别由电阻率ρr和厚度tr替换。 真实电阻率、厚度和深度计算如下：

式中：n为层数;d为深度。

采用RESIST®软件包进行计算机建模和迭代,由以上曲线匹配过程得到的现场数据和模型参数构成输入数据参数。

3 结果与分析

数据分析的结果显示为测深曲线、地电参数表和等电阻率图。 区内优势场曲线为KQ 型,为4 层地下设置,见图3。

图3 研究区域典型场曲线

表1 为研究区获得的典型地电序列最新成果汇总。 由表1 可知,研究区下覆4 个地电层,平均埋深约15m,分别为上层表±、黏±质砂、砂质黏±及下覆的保湿黏±质砂。 区内大部分手掘井终止于浅层第三层含水层单元。 该层平均厚度约6.6 m,上覆砂质黏±,平均电阻率约350Ω·m,平均厚度7.1m。 在1995 和2005 年两次野外调查基础上,对第3 层的地电行为进行分析和对比。 未受污染的饱和区平均实测电阻率约为230Ω·m,而饱和区获得的最低电阻率值约为80Ω·m。

根据1995 和2005 年野外调查,得到的饱和层地电参数汇总见表2。

表1 2005 年调查的地电参数及层位解释

表2 1995 和2005 年野外调查得到的饱和层地电参数

将电阻率值贴在研究区底图上(图1),制作等电阻率图,见图4。 图4 揭示了1995-2005 年共10 年研究期间饱和层的污染程度。 图4(a)和图4(b)分别为1995 和2005 年调查推断的第3层等电阻率图。 两幅图均显示出与污染和未污染地下相对应的两个明显低电阻率和高电阻率区域,且污染程度预计最接近垃圾场,并向北减弱。 图4(b)的东西扩展似乎受到这些方向上可能存在的不可渗透岩石单元的阻碍。 相反,沿该轴的多孔且不可渗透的岩石单元似乎有助于污染向北快速扩散,这是地下流体可能的流动方向。 对于电阻率对比度,平均最大、最小层电阻率之比为2.9,即渗滤液污染地下水引起的电阻率对比度约为2.9 倍,约为1995 年的1.5 倍,跨度为10 年。

图4 第3 层等电阻率图描述的污染程度

从含水层电阻率等值线图可以看出,随着距堆填距离的增加,地层电阻率有增大的趋势,表明污染源是导电的,并且电导率随着远离堆填向北移动而减小。 通过对比图4(a)和图4(b)等电阻率图可知,后者低电阻率区增加,表明污染物羽状流呈半球状向外扩散。

1995 和2005 年受影响面积的估算,是将等电阻率图上受影响区域划分为已知尺寸的正方形网格,然后根据覆盖的正方形个数,求和计算面积。 结果表明,1995 年受污染影响的地下面积约4 275m2;2005 年增加到10 800m2,10 年内面积差超过100%。 见图5。

4 结 论

1)本次调查结果显示,在垃圾场东西向36m、北向56m 范围内存在明显的低阻对比,表明该井已受到污染。 污染物呈放射状扩散,影响面积约10 800m2。

2)1995-2005 年的10 年间,污染的空中扩散约为6 525m2,即假设均匀和各向同性的介质扩散速率约为652.5m2/a。

3)垃圾场堆填对研究区居住在人工挖浅井房屋中的家庭构成潜在危害,应紧急中止向该地区倾倒垃圾。 建议在该地区进行地球化学分析,以查明污染物性质。 同时,从该地区抽取的水必须经过适当处理,以减轻对居民的危害。