劉景財，劉家琳，賴凱倫，劉國斌，張 弦，高碩陽

（中國環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所，北京 100012）

0 引 言

土壤污染會對人類生活產(chǎn)生嚴重影響，隨著降雨量的增加，土壤中的污染物質(zhì)會隨雨水從地表下滲，最終導(dǎo)致地下水污染。我國約70%的城鎮(zhèn)居民以地下水作為直接飲用水，地下水污染將使可飲用水儲量下降，對人體造成嚴重影響。治理地下水污染的前提是修復(fù)已經(jīng)被污染的土壤，因此急需解決土壤污染問題。土壤污染在修復(fù)與治理之前，需要明確污染范圍、污染物擴散深度以及被污染區(qū)域的地質(zhì)情況等。污染區(qū)域修復(fù)完成之后，還需要對修復(fù)完成的區(qū)域進行長時間的監(jiān)測，包括對地下水和周邊土壤的檢測和評估，以驗證污染區(qū)域修復(fù)效果。在土壤修復(fù)和治理的過程中，都需要快速高效的監(jiān)測方法和工具。傳統(tǒng)的鉆探取樣加化學(xué)分析的探測方法耗費時間長、耗費成本高、空間分辨率低，而通過地球物理探測的方法建立的污染場地監(jiān)控系統(tǒng)具有時空分辨率高、無損、成本低的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對污染場地長期、實時、有效地監(jiān)控，進而為土壤的修復(fù)和治理工作提供重要的指導(dǎo)，有利于提升土壤修復(fù)和治理的有效性和完整性。

1 硬件結(jié)構(gòu)

污染場地監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用硬件電路和虛擬儀器共同開發(fā)完成。硬件電路主要包括信號輸出模塊、信號采集模塊、電極轉(zhuǎn)換器。信號輸出模塊是由高壓信號源（由信號發(fā)生器和功率放大器組成）和供電電極組成，信號采集模塊是由信號采集裝置、采集線纜、濾波裝置和采樣電極組成。虛擬儀器主要包括串口的控制模塊、信號輸出模塊、信號采集模塊、信號處理模塊和數(shù)據(jù)保存模塊等。整個三維監(jiān)控系統(tǒng)是由各個模塊分工完成各項功能的。系統(tǒng)功能主要包括信號輸出及數(shù)據(jù)采集、處理、存儲等，同時也兼顧著查詢歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)可視化和污染場地預(yù)警等功能。

圖1 污染場地監(jiān)控系統(tǒng)框圖

高密度電阻率法與直流電阻率法檢測原理大致相同，區(qū)別在于測量裝置的排列是一種組合式的排列，就是多種溫納裝置的疊加和重復(fù)性的工作。溫納裝置的工作原理如圖2所示，A、B為供電電極，M、N為采樣電極，采樣為A、B所產(chǎn)生的電壓，是采樣電極M、N之間電勢變化的真實反映。高密度電阻率法的采樣深度是由采樣電極和供電電極之間的間距決定的。

圖2 溫納裝置測量方法

高密度電阻率法采集的數(shù)據(jù)僅能表示一個二維空間，因此本文采用基于正交對角線的溫納方法對研究區(qū)域進行探測。如圖3所示，在地面布置多排電極，通過改變測量方向，測量更多的數(shù)據(jù)，對檢測區(qū)域的各個方向進行探測，實現(xiàn)對研究區(qū)域的三維勘探。

圖3 基于正交對角線的溫納方法

系統(tǒng)實現(xiàn)是通過上位機軟件經(jīng)RS 485通信協(xié)議發(fā)送指令，控制高壓信號源的信號發(fā)生器發(fā)出信號，通過功率放大器增加信號的強度，信號通過電極轉(zhuǎn)換器到達檢測區(qū)域。檢測區(qū)域內(nèi)的電極由電極轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)供電和采集的功能，以提高電極的利用率和對檢測區(qū)域更加全面和細致的檢測。

2 開發(fā)環(huán)境及系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 開發(fā)環(huán)境

虛擬儀器（Virtual Instrument）是一種按照儀器的要求來組織需求、以計算機的軟件和硬件為依托實現(xiàn)各種儀器功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文采用LabVIEW進行虛擬儀器的開發(fā)。LabVIEW以高度集成化的程序框圖作為開發(fā)形式。開發(fā)環(huán)境提供的信號輸出、采集、處理函數(shù)及數(shù)據(jù)存儲函數(shù)、串口控制函數(shù)等被封裝成程序框圖。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

三維場地監(jiān)控系統(tǒng)軟件是在LabVIEW平臺上開發(fā)的，軟件系統(tǒng)包括采集模塊、自動檢測模塊、串口控制模塊和操作指令生成模塊。采集模塊主要負責(zé)控制硬件輸出和采集信號以及對采集的信號進行分析處理。串口控制模塊主要是通過RS 485通信協(xié)議控制硬件（繼電器），實現(xiàn)電極轉(zhuǎn)換器的功能。自動檢測模塊用來控制硬件的輸出和采集信號，檢驗電極與檢測區(qū)域之間是否充分接觸。為了提高檢測的效率，在三維場地監(jiān)控系統(tǒng)工作之前，利用操作指令生成模塊對整個檢測區(qū)域的供電和采樣電極進行合理的劃分。

上述設(shè)計模式把程序執(zhí)行流程的各個過程作為各種狀態(tài)，依據(jù)程序執(zhí)行時的邏輯關(guān)系，確定狀態(tài)發(fā)生的先后順序，狀態(tài)與狀態(tài)之間相互獨立，不僅使軟件執(zhí)行時的邏輯更加清晰、子模塊的獨立性和復(fù)用率更高、狀態(tài)與狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)性變?nèi)鹾酮毩⑿宰儚姡€使軟件開發(fā)的工作更加高效。

（1）自動檢測模塊

污染場地監(jiān)控系統(tǒng)自動檢測模塊界面如圖4所示，其功能是檢測電極與檢測區(qū)域是否接觸完整。如圖5所示，若監(jiān)控區(qū)域的地質(zhì)比較松軟，在布置電極時會出現(xiàn)電極懸空的狀況，電極懸空使得電極與檢測區(qū)域接觸不完整，激勵信號不能輸送到檢測區(qū)域，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集之后得到的結(jié)果與場地真實信息存在較大誤差。因此在污染場地采集數(shù)據(jù)之前要對整個系統(tǒng)進行檢測，確保電極與檢測區(qū)域完整接觸。自動檢測模塊的工作原理是在測線上選取相鄰兩電極作為供電電極A、B，如圖6所示，通過供電電極向檢測區(qū)域輸入激勵信號，同時測量圖6中電阻R的電壓值，通過電阻R的電壓值計算電路中的電流值，由供電電壓值和電路中電流值求出供電電極A、B之間的電阻，即：

圖5 電極布置

圖6 自動檢測模塊電路

式中：是電阻R的測量電壓值；是電路中電流值；是電阻R的電阻值；是電路中的總電壓；是供電電極A、B之間的電阻。通過圖4中電阻值-電極編號圖依次顯示的相鄰電極之間的電阻，確定電極與檢測區(qū)域接觸的完整性。

圖4 污染場地監(jiān)控系統(tǒng)自動檢測模塊界面

圖7為污染場地監(jiān)控系統(tǒng)自動檢測模塊程序執(zhí)行流程，其中初始化的命令文件是利用不同電極作為供電電極A或B，執(zhí)行確定供電先后順序的功能。在布置電極時，給每個電極編號確定電極順序，依據(jù)電極編號的不同區(qū)分電極作為供電電極A或B時的位置。因此，文件中每一行記錄的是供電和采樣電極的編號。流程圖中初始化信號輸出參數(shù)通過圖8所示的信號輸出子程序?qū)崿F(xiàn)，程序執(zhí)行時讀取輸出信號參數(shù)文件，文件中包含的參數(shù)：信號輸出設(shè)備的物理地址和物理通道，輸出信號的波形、頻率和幅值，信號輸出模式、輸出周期等。圖9是信號采集的子程序，程序執(zhí)行時需要設(shè)置信號采集設(shè)備的物理地址和物理通道、采樣率、采樣模式等參數(shù)。圖10為串口通信子程序，上位機通過串口通信的方式向下位機繼電器組發(fā)送斷開或閉合指令，程序執(zhí)行時配置通信的物理地址、波特率等參數(shù)，然后將通信地址和繼電器的開關(guān)命令寫入到VISA函數(shù)（串口通信函數(shù)），等待200 ms硬件執(zhí)行命令，關(guān)閉串口，完成一次對繼電器的開關(guān)控制。

圖7 自動檢測模塊流程

圖8 信號輸出子程序

圖9 數(shù)據(jù)采集子程序

圖10 串口通信子程序

信號采集設(shè)備采集的是多通道混合動態(tài)信號，需要使用信號拆分節(jié)點將多通道混合信號拆分成單通道獨立信號，并使用信號轉(zhuǎn)換節(jié)點將單通道的動態(tài)信號轉(zhuǎn)換成靜態(tài)數(shù)據(jù)，對每個通道的靜態(tài)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，通過圖11中的數(shù)據(jù)處理算法得到電壓信號中的有效值。

圖11 FFT子程序

（2）數(shù)據(jù)采集模塊

污染場地監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊采用電阻率法的溫納裝置對監(jiān)控區(qū)域進行監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集，主界面如圖12所示。溫納裝置的工作原理是在檢測區(qū)域水平或垂直方向依次選取A、M、N、B這4個間距相等的電極點。如圖13所示，以電極點M和N為采樣電極，以電極點A和B為供電電極。通過供電電極A和B向檢測區(qū)域輸入激勵信號，同時采樣電極M和N采集電壓數(shù)據(jù)，并且測量圖13中電阻R的電壓值。通過測量電阻R的電壓值來計算電路中的電流值。通過測量得到M、N之間的電壓值和電路中電流值，計算測量區(qū)域的電阻率。公式如下：

圖12 數(shù)據(jù)采集模塊主界面

圖13 數(shù)據(jù)采集模塊電路

其中：是電阻R的測量電壓值；是電阻R的電阻值；是電路中的電流值；為裝置系數(shù)，表示供電電極和采樣電極之間的關(guān)系；AM和AN分別表示電極A與電極M和N之間的水平距離；BM和BN分別表示電極B與電極M和N之間的水平距離；?是采樣電極M和N之間的測量電壓值；是采樣電極M與N之間的視電阻率值。

圖14為污染場地監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊程序執(zhí)行流程，其中信號輸出、信號采集、數(shù)據(jù)處理、繼電器控制與自動檢測模塊的相關(guān)功能相同；不同的是數(shù)據(jù)采集模塊的命令文件和數(shù)據(jù)的最終處理方式。數(shù)據(jù)采集模塊的命令文件是供電和采樣電極的位置，文件中每一行都記錄了供電和采樣電極的編號，因此在選擇供電和采樣的位置時需要先后對4個繼電器進行選通操作；數(shù)據(jù)采集模塊對數(shù)據(jù)的最終處理方式是將采集數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，以便以后對數(shù)據(jù)進行分析處理。數(shù)據(jù)保存是通過建立數(shù)據(jù)存儲表，把供電和采樣電極位置信息、采樣值等數(shù)據(jù)存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中。圖15是數(shù)據(jù)保存子程序。數(shù)據(jù)保存流程是：創(chuàng)建數(shù)據(jù)連接的通道，打開數(shù)據(jù)連接通道，配置數(shù)據(jù)庫的名稱，向數(shù)據(jù)庫中插入數(shù)據(jù)，關(guān)閉通道、釋放資源，完成數(shù)據(jù)保存的流程。

圖14 數(shù)據(jù)采集模塊程序流程

圖15 數(shù)據(jù)保存子程序

（3）電阻率成像模塊

污染場地監(jiān)控系統(tǒng)電阻率成像模塊是通過布置在監(jiān)控區(qū)域的多個電極，采集監(jiān)控區(qū)域的電阻率數(shù)據(jù)，并采用正反演算法對電阻率數(shù)據(jù)進行處理得到電阻率圖像。模塊界面如圖16所示。電阻率反演以圓滑約束最小二乘法為基礎(chǔ)，如式（6）所示，實時構(gòu)造實測數(shù)據(jù)與正演模型的目標函數(shù)后使其達到最小值。

圖16 電阻率成像模塊界面

式中：Δ是數(shù)據(jù)殘差向量；是偏導(dǎo)數(shù)矩陣；是阻尼系數(shù)；是光滑矩陣；Δ是模型參數(shù)修正向量。計算式（6）中的偏導(dǎo)數(shù)矩陣，得到模型參數(shù)修正向量Δ，將其代入式（7），得到新的預(yù)測模型參數(shù)向量，即：

迭代至實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)間平均均方誤差RMS（如式（8）所示）滿足要求，結(jié)束電阻率反演。

如圖17所示的污染場地監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)成像子程序，主要是使用ActiveX控件實現(xiàn)MATLAB腳本節(jié)點中的數(shù)據(jù)成像算法，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)繪圖功能。

圖17 電阻率成像子程序

3 模擬實驗

模擬實驗采用圖18所示的沙槽物理仿真模型來模擬污染場地。首先在長、寬、高分別為3 m、1.5 m、1.5 m的沙槽中鋪上塑料薄膜，然后填充細沙礫模擬大地。選用直徑為10 cm、厚度為5 cm的銅質(zhì)圓餅作為異物，模擬污染物。模擬實驗過程，首先對沙槽各個位置電阻率進行測量，然后將異物放于沙槽，再次測量改變后沙槽的電阻率。

圖18 實驗場地

圖19、圖20為在實驗沙槽中測得數(shù)據(jù)的三維成像，圖中橫軸表示測量長度，縱軸表示測量寬度，豎軸表示測量深度，單位是cm。由于沙槽中填入沙礫比較干燥、導(dǎo)電性相對較差，所以測得電阻率比較高。圖19是第一次測量背景數(shù)據(jù)成像，得到=10 cm位置切片圖。圖20是第二次測量數(shù)據(jù)成像，得到=10 cm位置切片圖。通過比較可知，圖20中電阻率相對較低的中間區(qū)域，深度大約在15 cm到25 cm之間是異物。

圖19 第一次實驗電阻率剖分圖

圖20 第二次實驗電阻率剖分圖

4 結(jié) 語

本文使用虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW語言開發(fā)了污染場地監(jiān)控系統(tǒng)。軟件開發(fā)環(huán)境為軟件開發(fā)提供了大量的函數(shù)庫，降低了污染場地監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)周期。系統(tǒng)依據(jù)地球物理勘探的原理、方法以及不同物質(zhì)電阻率差異性對污染場地進行監(jiān)控。通過室內(nèi)沙槽模擬污染場地的實驗，驗證了污染場地監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和有效性。本文所采用的方法與傳統(tǒng)物理勘探、化學(xué)勘探方法相比，可以實現(xiàn)連續(xù)長期的監(jiān)控，更不會對監(jiān)控區(qū)域造成二次污染。以期為土壤的修復(fù)和治理工作提供重要的指導(dǎo)，提升土壤修復(fù)和治理的有效性和完整性。