电磁剖面法在污染物探测及修复效果评价中的应用

李金伟　崔亚彤

摘 要：近年来，伴随产业结构和土地利用的调整，一些受到污染的土地被重新开发利用，污染物时刻威胁着人们的健康。现阶段污染物调查工作中常采用有损的、侵入式的挖掘和钻探方法，调查结果为散点状且易造成二次污染。常见的污染物主要分为重金属、轻非水相液体（LNAPL）、重非水相液体（DNAPL）、总石油碳氢化合物（TPH）和多氯联苯（PCB）等，相对于周围土体存在电性差异。文章给出了一种电磁剖面法圈定污染物范围，通过对不同时间节点探测结果的数据分析，实现对环境治理效果的定性评价。通过工程实例，说明了该方法的可行性和有效性。在污染物调查阶段，该方法可以准确圈定污染物范围；在修复治理期间，在不同时间节点的场地污染物探测，可以评估修复效果。

关键词：电导率；污染物；重非水相液体；工程物探；环境治理

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

隨着20世纪90年代工农业的快速发展，土壤和地下水遭到诸多污染，如工矿企业、重污染企业的生产活动，工业废弃地，废弃物堆放，燃煤排放、污水灌溉，农药化肥的使用等。近年来，伴随产业结构和土地利用重新调整，受到污染的土地被重新开发利用，污染物时刻威胁着人们的健康。目前常见的污染物主要分为重金属、轻非水相液体（LNAPL）、重非水相液体（DNAPL）、总石油碳氢化合物（TPH）和多氯联苯（PCB）等，其中DNAPL是指密度大于水、不易溶于水、易挥发的化学物质，主要由石油工业或其他有机化工带来的污染产物，常见的有氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯等含氯化学物质。DNAPL暴露途径主要为人群直接接触土壤或地下水和吸入向上挥发进入空气中DNAPL，人体长期接触或吸入DNAPL会增加患癌风险。因此，对DNAPL污染物的探测及修复治理工作非常重要。

目前DNAPL的探测方法主要分为两类，第一类是传统方法，如挖掘、钻探取样等方式，此类方法准确、成熟、完善，但是取样点位存在随机性和片面性，同时挖掘和钻探属于侵入式探测，易造成二次污染（刘雪松等，2011）。第二类是物探方法，由于DNAPL与周围环境存在地球物理参数差异，地球物理探测技术可以探测出其异常响应（Ajo-Franklin et al.，2006），较为常用的方法主要有电磁剖面法（刘虎等，2009）、地质雷达（佘松盛，2019；李大心，1994）、电阻率成像法（刘汉乐等，2008；王玉等，2009；李培华等，2021）等，此类方法具有无损、高效、经济、准确、直观等优势，近年来受到广泛关注。其中：电磁剖面法属于电磁感应法，具有操作简单、探测效率高、分辨率高等特点，此类方法在土壤盐分、土壤含水量以及土壤有害物质探测中得到了大量的应用（Eigenberg et al.，2002）；该方法基于探测目标体与周围土体的电性差异圈定异常体范围，由于污染物与周围土体存在电性参数差异，利用该方法可以对大面积疑似污染区域进行无损探测。本文给出了一种利用电磁剖面法圈定污染物范围的探测方法，通过对不同时间节点的探测结果进行数据分析，实现对环境治理效果的评价以及修复效果的评价，对指导后续修复治理工作具有重要作用。

1  探测方法及原理

电磁剖面法基于电磁感应原理，是利用介质电导率差异来探测地质体的赋存情况，具有快速采集、分辨率高等特点。电磁剖面法是通过发射线圈（Tx）向地下发射交变电流产生的随时间变化的磁场（一次场H_1），一次场H_1在地下介质中感应出电流，这些电流又产生二次磁场（二次场H_2）。二次场H_2和一次场H_1均被接收线圈（Rx）接收（图1）。

当线圈收发距不同时，即可探测到不同的深度，当线圈处于垂直偶极模式时，探测深度为2.2 m、4.2 m和6.7 m，当线圈处于水平偶极模式时，探测深度为1.1 m、2.1 m和3.3 m。利用电磁剖面法进行污染物探测，对实测得到的电导率进行二维和三维成像，通过分析解译地层视电导率成像剖面，进而推测污染物的分布范围，实现准确且高效探测污染物的目的，流程图如图2所示。

2  工程实例

通过天津市津南区一个工程实例，分析电磁剖面法在探测DNAPL的实际效果。根据前期调查得知，地块内曾存在使用有机溶剂清洗剂的电子厂、冲压件厂、精密电子生产车间、照相机生产车间等潜在污染源。因此，对地块内潜在的污染单元进行电磁剖面法探测，掌握污染物的范围及修复效果，保证环境治理工作的顺利进行。

2.1  地质概况

场地内埋深19 m以浅的地层按成因年代可分为人工填土层（Qml）、全新统上组河床—河漫滩相沉积（Q4 3 al）和全新统中组浅海相沉积（Q4 2 m），按物理力学性质进一步划分为①1杂填土、①2素填土、④1粉质黏土、⑥1粉质黏土、⑥3粉土和⑥4粉质黏土。

场地包气带厚度为0.45～4.76 m，包气带岩性以素填土、杂填土为主，包气带在场地内连续稳定存在，防污性能中—弱。

场地内潜水含水层地下水水位埋深为0.45～4.76 m，水位标高为0.25～1.37 m；地下水径流方向由南西向北东流动，水力坡度0.56‰。

2.2  地球物理特征

电导率为电阻率的倒数，该工程地质情况所涉及电阻率如表1所示，DNAPL污染物等相对于周围土壤表现为高电阻率、低电导率（郭秀军等，2006；白兰等，2008），因此通过电性的差异可推测出污染物分布范围。

2.3  土壤污染状况调查与风险评估

土壤污染状况调查采用初步调查和钻探详查2种方式，详查阶段地块内共布设土壤采样点位64个。综合初步和详细调查结果可知：土壤中氯乙烯检出值最大值超过第一类用地管控值，对人体健康通常存在不可接受风险，应当采取风险管控或修复措施（王红梅等，2022）；乙苯、顺式-1，2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、三氯甲烷检出值超过第一类用地筛选值但未超过第一类用地管控值，需要开展风险评估，以确定风险水平。土壤中氯乙烯含量超标点位分布、土壤中氯乙烯含量超标区域深度范围以及电磁剖面法探测范围图如图3所示，共7个区域氯乙烯含量超标。根据工程需求，需对A-H区域采用电磁剖面法进行污染物探测，进一步划定污染物分布范围。

2.4  电磁剖面法探測

污染物探测面积为6 658 m2，场地相对平整，场地内无明显干扰源，探测区域如图3所示。

1）数据采集：电磁剖面法使用的是捷克GF公司CMD-Explorer电磁剖面系统。CMD-Explorer电磁剖面系统具有2个偶极模式，当线圈处于垂直偶极模式时，探测深度为2.2 m、4.2 m和6.7 m；当线圈处于水平偶极模式时，探测深度为1.1 m、2.1 m和3.3 m。本次采用垂直偶极手动探测模式，采样点距为1 m，测线间距1 m，治理前后进行2次探测。

2）数据处理：先检查质量，剔除异常点；再进行电磁剖面成像。

2.5  探测结果分析

探测数据处理后得到2组电磁成像剖面，分别为污染物治理前后0～2.2 m深度平均视电导率成像剖面，0～4.2 m深度平均视电导率成像剖面，0～6.7 m深度平均视电导率成像剖面。

1）第一次探测（治理前）

图4为探测区域污染物治理前0～2.2 m、0～4.2 m和0～6.7 m深度范围的视电导率分布图，图上深灰色区域表现为相对低电导率（30～40 mS·m-1），推测为DNAPL（氯乙烯）的反应；浅灰色区域表现为相对中等电导率（40～50 mS·m-1），推测为素填土的反应。

通过对比分析可知，电磁成像结果中污染物分布范围与钻探详查中污染物分布范围基本一致，说明了电磁剖面法在污染物探测中能够定性分析污染物分布情况，划定污染物边界，验证该方法的有效性、可靠性。

2）第二次探测（治理后）

本项目利用原位氧化法进行污染物第一次治理，采用高压旋喷注射工艺进行原位氧化药剂的注入，原位化学氧化选用过硫酸盐作为氧化剂，同时使用液碱作为活化剂，使过硫酸盐更充分地氧化、降解土壤、地下水中的有机污染物。

第一次治理后，由于原位氧化药剂的注入，使得污染物进一步降解，原有污染物位置的电导率增大，图5为探测区域污染物治理后0～2.2 m、0～4.2 m和0～6.7 m深度范围的视电导率分布图，图上深灰色区域表现为相对低电导率（30～40 mS·m-1），推测为DNAPL（氯乙烯）的反应；浅灰色区域表现为相对中等电导率（40～50 mS·m-1），推测为素填土的反应。相对于第一次探测（治理前）污染物分布范围变小，说明第一次注药治理后，药物渗透于土壤中，污染区域明显减少。

第一次治理后，对污染区域污染物超标点位进行再次取样检测，取样深度7.5 m，检测结果见表2。对比治理前后检测值可看出污染物含量同比下降，污染物治理后视电导率成像结果与检测结果基本一致。

3  结论

本文通过工程实例阐述了电磁剖面法在污染物探测及修复效果评价中的有效性。相对于传统的挖掘、钻探等侵入式调查，电磁剖面法具有便捷、无损、反应灵敏等优点，能够实现区域内满覆盖探测，结果更贴近实际情况。在修复过程中，通过对污染区域不同时间节点进行探测，对污染物修复效果进行评价，有利于后续环境治理工作的开展、方案调整及成本控制，实现精准治理和有效治理。但电磁剖面法受复杂地质条件的限制，还无法做到定量检测，需与钻探验证进行综合解译。

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收稿日期：2023-05-29；修回日期：2023-08-15

第一作者简介：李金伟（1992- ），男，学士，工程师，从事工程地球物理理论研究及应用。E-mail：lijinwei_geo@163.com

引用格式：李金伟，崔亚彤，2023.电磁剖面法在污染物探测及修复效果评价中的应用［J］.城市地质，18（4）：107-112