李圣魁，劉明明，潘廣山，畢征峰

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，山東 濰坊 261021)

0 引言

探測區(qū)域位于淄博市臨淄區(qū)的山前沖積扇上，地勢南高北低，下游為魯中最大的水源地——侯皋水源地(圖1)。自1991年發(fā)現(xiàn)水源地局部地下水受污染以來，環(huán)保部門曾先后多次對地下水質(zhì)進(jìn)行觀測，也進(jìn)行過不間斷的治理，但下游水質(zhì)一直處于嚴(yán)重污染狀態(tài)，并且污染物濃度居高不下。為了徹底治理污染物對地下水的污染，必須尋找污染物的源頭。根據(jù)前期調(diào)查分析結(jié)果，水中主要污染物成分為石油類、CODmn、氨氮、揮發(fā)酚、苯、二氯乙烷等，而這類污染成分主要來源于乙烯裝置區(qū)。在整個(gè)裝置區(qū)內(nèi)，所有的裝置位于地表之上，并且地表為厚度20～50cm的水泥鋪蓋層，因而排除了地表裝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線發(fā)生了滲漏。因此，選擇合適的探測手段，在裝置區(qū)內(nèi)開展調(diào)查工作，對最終尋找出地下排污管道滲漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，具有重要的意義。

圖1 探地雷達(dá)探測區(qū)概況圖

諸如上述的滲漏污染事故是現(xiàn)代社會廣泛關(guān)注的公共安全問題，因此對此類基礎(chǔ)設(shè)施污染滲漏的調(diào)查研究工作尤為重要。以往的滲漏污染調(diào)查多采用鉆探取樣與土工試驗(yàn)相結(jié)合的直接調(diào)查法，但這些方法在某些場地顯然無法實(shí)施，具有耗時(shí)長、投入大，且容易造成二次污染事故等缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的音聽法、管內(nèi)電視法、示蹤法能夠較準(zhǔn)確地確定滲漏位置，但多適用于壓力管道和無毒、無害流體環(huán)境[1-2]。近年來，環(huán)境地球物理學(xué)方法的發(fā)展，為人們提出了地下污染滲漏檢測的新思路，正逐漸用于環(huán)境污染監(jiān)測、環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害檢測和地下管網(wǎng)滲漏檢測等領(lǐng)域[3-7]。這類方法屬于一種非破壞性的原位測試法，在調(diào)查地下污染時(shí)具有快速、成本低、不破壞場地環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。如葉立龍等，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]，根據(jù)受污染后土層物理性質(zhì)的變化特征，都曾開展過高密度電阻率法、探地雷達(dá)法、自然電位法等地球物理方法的試驗(yàn)和具體應(yīng)用工作，證實(shí)了此類方法都可以有效地圈定污染區(qū)的范圍。上述的方法中，高密度電阻率法探測需要在地面布設(shè)電極，因而在水泥硬化場地中無法開展工作，而自然電位法容易受勘測場地環(huán)境的影響，周圍有強(qiáng)電場干擾時(shí)會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因探地雷達(dá)天線具有較好的屏蔽性能，能有效克服上述缺陷，所以目前被認(rèn)為是一種環(huán)境污染調(diào)查的可靠技術(shù)手段。

本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，對裝置區(qū)地下滲漏問題，采用探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行探測，并詳細(xì)分析獲得的不同類型滲漏污染源的異常特征，劃分不同工業(yè)滲漏污染源地質(zhì)雷達(dá)異常帶，以期獲得污染源頭、規(guī)模及范圍，為后續(xù)治理提供依據(jù)。

1 方法依據(jù)和原理

1.1 方法依據(jù)

探測手段的選取要根據(jù)探測區(qū)域的地質(zhì)特征和環(huán)境因素。該乙烯裝置區(qū)具有特殊的探測背景：①地下排污管道材質(zhì)為鑄鐵，管徑為15～50cm，埋深在1.5～2.5m之間；②地下管道內(nèi)運(yùn)移的物質(zhì)為裝置的沖洗水和廢液，且溫度較高(50℃以上)；③管道內(nèi)輸送無壓液體，且流速緩慢；④管道內(nèi)液體透明度低；⑤廠區(qū)地面鋪設(shè)水泥層厚度大，挖掘取樣困難。基于上述特點(diǎn)，傳統(tǒng)的音聽法、管內(nèi)電視法、示蹤法都不會取得良好的效果。在該探測場地中，因地面全部被水泥硬化，且周圍高壓電線眾多，傳統(tǒng)的高密度電阻率法和自然電位法工作難度大，并且地面干燥，也難于保證電極與地面的良好接觸，供電效果差，導(dǎo)致其測量結(jié)果可信度不高。因此，本次探測主要采用了探地雷達(dá)探測方法。

1.2 探測原理

探地雷達(dá)是一種利用高頻電磁波束反射來探測地下目標(biāo)的一種高分辨率電磁學(xué)方法。高頻電磁脈沖通過位于地面上的發(fā)射天線激發(fā)并傳入地下。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中存在由于巖石物理、化學(xué)性質(zhì)變化引起的電性差異時(shí)，部分脈沖電磁波的能量將被反射回來，并被接收天線記錄下來。由污染物的成分可以知道，探測區(qū)域內(nèi)污染物大多屬于有機(jī)污染物，與周圍土層介質(zhì)相比，受污染土層具有相對較低的介電常數(shù)，因而，電磁波傳播到這樣的分界面上可以形成反射。除了污染區(qū)與未被污染土層之間會產(chǎn)生反射界面外，不同巖性的土層之間也具有不同的電學(xué)特征，同樣也會產(chǎn)生反射電磁波，只要產(chǎn)生反射波，就會在探地雷達(dá)剖面上呈現(xiàn)出對應(yīng)的反射波同相軸，通過對反射波同相軸的追蹤、反射波能量的對比分析，就可以劃分出地質(zhì)結(jié)構(gòu)和污染范圍，這就為利用探地雷達(dá)方法進(jìn)行污染區(qū)探測提供了理論基礎(chǔ)。

1.3 影響土層物理性質(zhì)的因素

利用探地雷達(dá)法進(jìn)行含油污染物污染區(qū)探測時(shí)，探測剖面上的異常特征取決于2個(gè)方面，一是探測區(qū)地下原本的水文和地質(zhì)條件，包括土層性質(zhì)、裂隙發(fā)育程度、構(gòu)造和地下水的飽和度等，二是污染物滲漏入土層后引起的附加效應(yīng)。不同類型的土層、裂隙發(fā)育帶和構(gòu)造帶，均具有不同的介電特性，而污染物的擴(kuò)散則進(jìn)一步導(dǎo)致了介電特性的更復(fù)雜變化。

在本次探測工作中，首先在實(shí)驗(yàn)區(qū)布設(shè)了勘探孔以了解場地地層情況(表1中的ZK1孔)，鉆孔揭示了探地雷達(dá)探測深度范圍內(nèi)(0～5.0m)皆為黏土和粉質(zhì)黏土層，5.0m以下為礫石層。因此，了解0.0～5.0m范圍內(nèi)土層物理性質(zhì)對地層介電常數(shù)和導(dǎo)電性的影響，將有助于探地雷達(dá)資料的解釋。在此類場地條件下，土層的含水量、孔隙度、飽和度、孔隙流體的電導(dǎo)率將是影響探測剖面異常特征的主要因素。

土層的含水量是首先要考慮的問題。在進(jìn)行探地雷達(dá)探測時(shí)，水是最大的“敵人”，它不但影響探測深度，也會由于含水量的不同而在探測剖面上表現(xiàn)出不同的異常特征[16-17]。通常水具有較大的介電常數(shù)，土體孔隙被水填充后，其介電常數(shù)會顯著增大，導(dǎo)致整個(gè)探測深度范圍內(nèi)的土層介電常數(shù)很高，孔隙度越大影響越明顯，但當(dāng)有污染物(實(shí)驗(yàn)區(qū)主要為聚乙烯)滲入后，其介電常數(shù)又會大幅度降低，特別是侵入污染物吸附于土顆粒表面會形成油膜，使得土層的導(dǎo)電性和介電特性主要受控于污染物的介電特性。

表1 鉆孔資料

土層飽和度的差異也是影響土的物理性質(zhì)的重要因素[18-20]。但當(dāng)土層的飽和度大于80%時(shí)，據(jù)Sam Gyu Park el at等[21]對黏土的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，飽和度的改變對土層電阻率的影響不大，從而，依據(jù)土層電阻率的Archie公式[22]可以分析出土層電阻率增大主要是由孔隙水滲入含油污水后導(dǎo)電性變差引起的。

綜上分析，探測區(qū)地層整體上具有較高的介電常數(shù)，而污染物的泄漏將會導(dǎo)致局部的介電常數(shù)降低，在電磁波傳播到這兩種不同物性介質(zhì)的分界面上將會產(chǎn)生反射波，從而根據(jù)這一特點(diǎn)可以圈定污染源頭和污染范圍。

2 數(shù)據(jù)采集處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

探測區(qū)域共布設(shè)主測線3條，測線沿乙烯裝置區(qū)向外排污的主管道走向，并分別在管道兩側(cè)及管道中央位置布設(shè)。測量時(shí)，使用了國產(chǎn)的LTD2000探地雷達(dá)，天線工作頻率為500MHz，最大探測深度在5m左右；時(shí)窗長度為200ns；采用連續(xù)測量方式。

2.2 數(shù)據(jù)處理

由于本次勘探使用了完全屏蔽發(fā)射天線，采集到的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)具有較高的分辨率(圖2a)，但由于地層對電磁波的吸收衰減作用，原始圖像的信噪比較低，且深部能量較弱。因而，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了零點(diǎn)校正、FIR濾波處理和能量衰減補(bǔ)償處理。處理后的圖像見圖2b、圖2c。由圖可見，F(xiàn)IR濾波技術(shù)消除了探測區(qū)交流電場的高頻影響，突出了地層中的有效反射信號，同時(shí)，經(jīng)能量衰減補(bǔ)償后，深部能量也得到了明顯的提高，增加了解釋結(jié)果的可信度。

圖2 探測區(qū)采集的探地雷達(dá)原始(a)、FIR濾波(b)和能量衰減補(bǔ)償圖像(c)

3 結(jié)果分析與討論

使用探地雷達(dá)方法進(jìn)行含油污染物污染區(qū)探測時(shí)，污染區(qū)的含水量、油水的結(jié)合特征，水土的結(jié)合特征、孔隙水的電導(dǎo)率是影響探測剖面異常特征的主要因素。由于這些因素的影響，會改變電磁波在地層中的傳播路徑，從而表現(xiàn)出不同運(yùn)動學(xué)特征和動力學(xué)特征(包括振幅、頻率和相位)。

對探地雷達(dá)資料的解釋，主要是依據(jù)反射波的形狀、波形寬度、同向軸的連續(xù)性、反射振幅大小、相位和頻率等特征。根據(jù)上述特征，將探測結(jié)果分為以下三類：

第一類剖面：如圖3所示，從整個(gè)剖面上可以看到，反射波同向軸連續(xù)，波形穩(wěn)定，反射波振幅和相位一致性好。由圖可見，由淺到深依次可區(qū)分出不同的電磁波反射界面，分別代表了混凝土路面層、墊層、原狀土層和基巖，各層分界面對應(yīng)的反射波同相軸清晰、可追蹤，這類剖面代表了地下地層沒有被污染的情況。

第二類剖面：局部反射波波形比較凌亂，同向軸不連續(xù)，振幅和相位一致性較差，而剖面其他范圍反射波同相軸比較連續(xù)，雖然不如圖3那樣清晰，但仍可以追蹤。圖4為這類異常特征的典型剖面，從圖像中可見，白色虛線標(biāo)注范圍內(nèi)，反射電磁波呈現(xiàn)出上述特征，且在異常范圍的中上部可見明顯的雙曲線型反射波異常，且反射能量高，這是典型的金屬管道引起的異常特征，因管道泄漏引起周圍土層含水量增大、介電常數(shù)有別于正常土層，因此導(dǎo)致了管道周圍泄漏范圍內(nèi)電磁波的雜亂反射特征。

圖3 無污染區(qū)探地雷達(dá)探測剖面特征

圖4 局部(淺層)受污染區(qū)探地雷達(dá)探測剖面特征

第三類剖面：從圖5可以看到，在整個(gè)剖面上，由淺到深反射波波形非常凌亂，無法追蹤反射同向軸，波形表現(xiàn)為低頻，高幅特征，屬于一類嚴(yán)重污染區(qū)的圖像特征。

圖5 嚴(yán)重污染區(qū)的探地雷達(dá)剖面特征

為了更詳細(xì)的分析異常特征，從污染物擴(kuò)散的機(jī)理來解釋這一問題。含油工業(yè)污水通過管線存在的滲漏點(diǎn)侵入土層后，在土層中的擴(kuò)散過程受地下土層性質(zhì)和地下水的影響。第一個(gè)遷移階段基本是在重力作用下，垂直向下進(jìn)入非飽和帶，毛細(xì)管力會使其產(chǎn)生橫向遷移而形成一個(gè)圍繞滲漏體的“油浸帶”，如圖5中A區(qū)域所示。當(dāng)入滲到達(dá)某一層位后(這些層位通常具有很低的滲透性)，油類污染物向下入滲基本停止。但在下滲過程中，如果沿橫向存在滲透性好的土層，滲濾液也會發(fā)生橫向遷移。圖中B區(qū)域?yàn)榈蜐B透性地層，基本上不存在污染物擴(kuò)散引起的異常，而在C區(qū)域，由于土層滲透性增強(qiáng)，A區(qū)域的污染物就會發(fā)生橫向擴(kuò)散?？傮w而言，污染物入滲過程中，由淺到深其擴(kuò)散范圍逐漸增大，在地下呈現(xiàn)上窄下寬的“羽狀體”分布，在探地雷達(dá)探測剖面上也呈現(xiàn)出類似“羽狀體”的圖像特征。

對照以上3種剖面特征，對整個(gè)探測區(qū)域內(nèi)的3條探地雷達(dá)剖面進(jìn)行了分析，確定了類似圖5中剖面異常特征的滲漏點(diǎn)5個(gè)，這些滲漏點(diǎn)是造成下游水源地污染的根源。另外還確定了類似圖4中剖面異常特征的滲漏點(diǎn)8個(gè)，這些滲漏點(diǎn)雖然目前還沒有造成地下水的污染，但隨著時(shí)間的推移，其污染范圍將會進(jìn)一步擴(kuò)大。在確定滲漏點(diǎn)之后，又在上述滲漏點(diǎn)位置進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證(表1)，所布設(shè)的ZK2和ZK3兩個(gè)鉆孔均揭示了污染區(qū)的存在，其分析結(jié)果與探地雷達(dá)得到的結(jié)論完全吻合。

4 結(jié)語

地下管線滲漏檢測是一項(xiàng)非常復(fù)雜的任務(wù)。究竟選用何種檢測手段，最終得到的效果如何，將取決于管線的材質(zhì)類型、埋深、管線輸送液體的特征，以及地表的地質(zhì)條件等因素。對于該裝置區(qū)含油類金屬管線滲漏問題，具有地表為人工鋪設(shè)的硬層管內(nèi)液體溫度高、透明度低和無壓力等特點(diǎn)，因而利用探地雷達(dá)來探測無疑是一種最好的選擇。

探地雷達(dá)資料解譯的精度關(guān)系到結(jié)論的正確與否。在對探測區(qū)內(nèi)各種地質(zhì)條件充分了解的基礎(chǔ)上，對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)電磁波傳播規(guī)律和特征，將剖面總結(jié)為3種類型，依次對整個(gè)探測區(qū)域內(nèi)所有剖面進(jìn)行了分析，有效確定了污染的源頭和范圍。