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第 29 卷第 10 期2023 年 10 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.10October,2023收稿日期 2023-03-24作者简介 蔡媛媛(1991-),女,河北石家庄人,助理工程师,主要研究方向为水文水资源.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.10.002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)摘 要为了确定垃圾场对街道周围含水层单元的影响,利用电阻率法,对 40 个地电断面进行研究,并以电阻率图的形式呈现。结果表明,未受污染的饱和区电阻率约为 230m,而饱和区的最低电阻率值约为 80m。随着距垃圾场距离的增加,含水层的电阻率也会增加。低电阻率值持续到垃圾场以北约 72 m 的距离,异常低的电阻率表明地下水受到污染。对比1995 与 2005 年的等电阻率图发现,受污染的低电阻率区域的面积增加,污染物羽状流以652m2/a 的速率扩散。关键词垃圾场;饱和带;羽状流;地电断面;地下水污染中图分类号 X523 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)10-0008-051 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,从土壤中吸收或释放、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。在土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、黏土和石灰岩组成。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 401752mm。见图 1。2.2 研究方法本研究的主要测量仪器为 ABEM SAS 300C。8蔡媛媛:电阻率法检测和监测垃圾场引起的地下水污染第 10 期图 1 研究区域概况图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土壤,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 150 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:a=KR(1)K=(AB/2)2-(MN/2)2MN(2)式中:K 为几何因子;a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 a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 r和厚度 tr替换。真实电阻率、厚度和深度计算如下:n=Kn-1(n-1)r(3)tn=(tn/tn-1)t(n-1)r(4)dn=tn,n=1,2,3n(5)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。9第 29 卷第 10 期2023 年 10 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.10October,20233 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,分别为上层表土、黏土质砂、砂质黏土及下覆的保湿黏土质砂。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,上覆砂质黏土,平均电阻率约 350m,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 230m,而饱和区获得的最低电阻率值约为 80m。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层位平均电阻率/m厚度/m顶部深度/m地质解译14200.50.90.00沙质黏土23106.08.26.49.1黏土沙/沙32205.57.611.916.7黏土沙(湿)4104-黏土表 2 1995 和 2005 年野外调查得到的饱和层地电参数探测点位置饱和层电阻率/m19952005层顶部深度/m19952005121020510.110.121421421421423851359.08.64801309.29.8514521010.310.1620021010.710.2723023014.110.0820121010.710.1914520011.210.410901408.810.1119514510.310.41215120011.410.201蔡媛媛:电阻率法检测和监测垃圾场引起的地下水污染第 10 期续表 2探测点位置饱和层电阻率/m19952005层顶部深度/m199520051321120011.410.31423124018.410.3158613011.611.4169013010.710.81722021014.211.21824223513.911.61921921013.911.52022122012.611.72123022012.311.62224123512.611.82323024011.912.02422523014.912.12523222018.412.12623123016.612.02723224011.212.42822123012.312.82921821011.612.6302312207.912.93123624014.413.23224023013.813.23322923516.113.4342412407.413.63523824014.213.53624024013.613.53722222012.313.63823523014.514.33921922014.614.04023022015.314.4 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。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。11第 29 卷第 10 期2023 年 10 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.10October,2023图 4 第 3 层等电阻率图描述的污染程度图 5 研究区域横截处污染程度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。参考文献1 李岩,魏娇娇.淮北平原浅层地下水质量与改水方向J.地下水,2022,44(6):28-30.2 王晓涛,丁风和,张燕霞,等.贺兰山东麓断裂地下水水文地球化学特征J.地震研究,2023,46(1):13-25.3 崔萌,杨虹,卢志坤,等.垃圾处理场所地下水污染监测方法研究:以北天堂简易垃圾填埋场为例J.四川环境,2022,41(4):225-231.4 刘海生,侯胜利,马万云,等.土壤与地下水污染的地球物理地球化学勘查J.物探与化探,2003(4):307-311.5 张景国,熊英举,彭婷.电法探测在贵州白云岩地区地下水勘查中的应用J.冶金管理,2022(17):98-100.6 陈潇潇.电阻率法在地下水勘测中的应用分析J.海河水利,2022(4):101-104.7 郑广宇,王子铭,高正.激电电阻率法在岩溶地区勘探中的应用研究J.湖南水利水电,2022(5):1-5.21