水上電阻率的測量方法

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③ 水資源污染的監測

(1)無機污染的監測

被無機鹽污染的水，由於離子濃度增高，使其電阻率降低。一般來說，地下電阻率與介質孔隙的連通性、孔隙中是否有液體以及液體的電阻率有關。如果孔隙的大小和連通性基本不變，而液體的電阻率只和污染有關，用電法就可以確定污染的范圍和程度，通過電測深和時間域電磁法可以確定污染的垂向分布，而通過電剖面法和頻率域電磁法可以確定污染的橫向范圍，用電(磁)測量比只用鑽探成本低、效率高。此外，電(磁)測井也是一種輔助手段。

應用地面電法監測污染的基本條件是:污染水與非污染水電阻率有明顯差別，埋藏不太深，污染水體有一定的厚度，地表物質電性比較均勻。工作時可先用電測深或時域電磁法確定污染水體頂底板深度，然後按一定系統進行固定極距的電剖面或固定裝置和頻率的頻域電磁測量。電法一般都要與少量監測井互相配合，解釋時利用地質、鑽探和其他地球物理資料。對工礦廢水污染的監測是受到廣泛關注的問題，利用地球物理方法對工礦廢水進行污染監測有許多成功的實例。

圖9.1用電法監測工廠廢水對岩溶的加速作用

工廠的廢水排入地下，不僅污染水源，而且在某些地區還加速地下岩溶的發育過程。例如在蘇聯的奧卡河沿岸有一個大的化工廠生產硫酸，酸性廢水滲入地下，溶蝕了石膏質的岩石，在這些岩石中形成了岩溶洞穴，老洞穴不斷加大、新洞穴不斷出現，連續成地下通道，沿著這些通道，溶解的物質流入奧卡河，造成河水污染。通過地面電法測量和河水電阻率測量可以圈定岩溶水的通道位置，並且評價岩溶作用隨時間的變化。從圖9.1中時間t₁和t₂兩次觀測的視電阻率曲線可以看出，低電阻率的范圍加寬，是溶洞變寬的結果。河水電阻率測量表明，被溶解物質的流入量明顯增加(低電阻率面積擴大)。通過上述測量確定了廢水污染的范圍和程度，以便採取必要的措施。

礦山和油田廢水也是水資源的重要污染源，例如在美國有成千上萬口已經廢棄的、封閉不好的油氣井，由於二次回採而使產油層產生過壓，這些井會使注入油田的鹵水沿鑽孔向上運移而進入淺部的飲用水含水層。在俄克拉荷馬州林肯縣產油的普魯砂層附近曾利用可控源音頻大地電磁法來圈定鹵水的污染。從 20 世紀 30 年代就開始從普魯砂層採油，從 50 年代開始注入鹵水來提高回採率。瓦穆薩組是該區飲水的主要水源層，淡水層的底部深度變化於 40 ～ 135m 之間，固溶物總量低於 500mg/L。1979 年所打的試驗井表明在油田上含水層的鹵水含量異常高。在該區選出的一些部位按一定網格開展了可控源音頻大地電磁法，圖 9. 2 是一口廢井附近典型的視電阻率擬剖面，它表明深部的良導物質向地表運移，其他一些測線上也檢測到另外一些污染體。根據地球物理結果所打的兩口試驗井的 Br/Cl 比值表明，瓦穆薩組的污染源確實是普魯砂層的鹵水。

圖 9. 2 廢注水井附近的視電阻率等值線圖

(2)有機污染的監測

地下水有機污染的種類較多，其物性特徵不盡相同，探測難度較大。來自煉油廠、化肥廠、制葯廠等排放的廢液多為有機污染，它們在自然環境下不易降解，化學需氧量(COD)、總有機碳(TOD)等指標較高。多數情況下有機污染物與水是非混溶的。輕非水相液體污染物(LNPAL)集中在地下水的表層，而重非水相液體(DNPAL)污染物集中在地下水的底部，這使地下水不同程度地混雜了有機雜質，引起地下水在物理性質和化學性質上的變化。這樣可以根據不同的物理性質(化學性質)選取不同的地球物理方法。

20世紀90年代加拿大和美國的學者在加拿大安大略省開展了一項針對乙烯(C₂Cl₄)的試驗研究。乙烯用於服裝乾洗和金屬清洗，僅1986年美國就生產乙烯12×10⁸L。乙烯的特點是密度大，在水中下沉，不太受地下水橫向流動的影響。雖然乙烯的溶解度(200mg/L)低，但仍然比世界衛生組織規定的飲水標准(0.01mg/L)高幾個數量級，每排放1L乙烯最終可污染1000×10⁴L的地下水。試驗場地面積9m×9m，周圍用鋼板打入地下，穿過3.3m厚的地表含水層進入下伏半隔水層，有效地隔斷場地內外的水力聯系。通過鑽孔向場地內注入770L乙烯，在圍繞注入孔的9個監測孔內進行中子、密度和感應測井，還定期測地面和井地電阻率。探地雷達工作頻率200MHz，300MHz，500MHz，900MHz，沿測線進行測量。地球物理監測開始於注液前幾天，注液延續了3d，注液後觀測38d，第一個星期每8h觀測一次，以後時間逐漸加長。隨後採用表面活化劑清除乙烯，再監測清除的過程。在中子測井曲線上，由於氯俘獲中子，出現明顯的負峰，如圖9.3(a)所示，從電阻率異常的變化上則可以看出乙烯隨時間的運移，如圖9.3(b)所示。探地雷達測量表明，注入的乙烯先在注入點下1m深左右的界面上匯聚，然後沿該界面向兩側擴散。

圖9.3注乙烯後參數變化

地面加油站儲油罐和地下儲油設施普遍存在腐蝕和泄漏現象，難以發現。北京、沈陽、西安、成都均發生過此類事故。發生在北京地區某加油站的一次漏油事故中，由於污染區面積較大，致使自來水廠停水和地下施工停工。國外此類事故更多，據報道美國對21萬個加油站調查發現，在20世紀70年代以前建設的加油站幾乎都有滲漏，其中1.8萬個已對地下水造成污染。油氣滲漏的檢測技術較多，其中烴類檢測技術(油離烴)、探地雷達技術，能現場實時給出檢測結果，且快速、方便;吸收烴乙烷、熒光光譜法探測精度高、結果可靠。圖9.4和圖9.5分別是北京市某加油站滲漏污染范圍的游離烴CH₄和吸附烴C₂H₄檢測效果圖。

圖9.4北京某加油站滲漏污染范圍的游離烴CH₄檢測效果圖

圖9.5北京某加油站滲漏污染范圍的吸附烴C₂H₄檢測效果圖

石油污染頗為常見，已有許多利用地球物理方法探測石油污染的實例。例如利用探地雷達探測石油污染、用常規的直流電法和電磁法有可能探測石油污染。石油進入地下介質的孔隙系統後可使其電阻率明顯增高。研究人員利用地面低頻電磁或電阻率成像方法追索到幾十至幾百米深處的石油污染。例如在美國俄克拉荷馬城的Carlswell空軍基地，利用鑽孔EM測量數據作出地下電阻率三維分布圖像，推斷出石油污染的位置，據此所打的鑽孔證實了高阻區域與油污染吻合。

圖9.6屏蔽體法的室內試驗和數學模擬結果

浮在潛水面上的高阻油層對電法測量來說會產生屏蔽作用，因此研究人員提出了「屏蔽體」法(SB)。屏蔽體法是一種井地電法，一個供電電極置於污染層之下，用於確定污染層的范圍。室內模擬和數學模擬的結果如圖9.6所示。圖(a)為室內測得石油污染帶上的電位值V(mV);圖(b)為數學模擬計算的電位值V(mV);圖(c)為數學模擬計算的電位梯度ΔV(mV/m)。室內模擬在電解質槽內進行，數學模擬採用有限元法。在野外試驗中採用了電測深和屏蔽法兩種方法，其目的是確定石油污染的范圍，污染層厚度0.2m，深5.7m，賦存於7m厚的第四系礫－砂沉積中，下伏不滲透的白堊系沉積。電測深AB/2最大為50m，在AB/2=15m時沿一些測線出現了電阻率的升高，為污染帶的響應，但最高異常值僅達背景值的15%，難於斷定污染帶的橫向范圍，而屏蔽法顯示了污染帶的范圍比電測深要清晰得多，地球物理野外測量結果已被監測孔證實。

澳大利亞CoffeyPartners公司曾提出，用探地雷達和低頻電磁法探測石油污染有一定的困難，只有頻率在30kHz～5MHz間的電磁波法效果最好。當頻率為1.2MHz時，通過土壤和風化岩石的最大探測深度約30m。在南澳的一個大型柴油機車加油站發現在終端泵站和加油點之間有明顯漏油。開始用EM31電磁儀作剖面測量和探地雷達探測均未奏效，後改用GRC－2儀器作無線電波剖面法，其垂直發射線圈和水平接收線圈沿剖面移動，兩者保持零耦合狀態，測量垂直磁場強度，線圈距在工作期間保持不變。結果在柴油污染范圍內測出明顯垂直磁場強度低值異常，並經鑽探和槽探證實。

總之，地下水有機污染濃度較低，物理化學性質上的變化較小，監測難度大，必須採用高解析度、高密度的方法以及應用地球物理的綜合解釋方法技術。

(3)地下水污染路徑的動態監測

以河北滄州為例。河北滄州地處濱海平原，該區以沖積－湖積的粉細砂鬆散岩層為主，並夾有多層海積層。自上而下共有五組含水層，且咸、淡水交替出現，地下水含氟量較高(2～7mg/L)，地下水補、經、排條件差，地下水循環交替作用緩慢，垂向補給逐漸被側向補給所代替。由於集中開采地下水，使得滄州地下水失衡而形成巨大的地下水漏斗(圖9.7)。

圖9.7滄州漏斗Q₂含水組水位下降剖面圖

滄州漏斗的形成給地下水資源的開發、利用帶來了嚴重的問題，尤其是地下水嚴重污染。由於漏斗的形成，加速了地面污水向地下水的倒灌，使地下水造成污染，同時稠密的機井給地表(淺層)污水、鹹水和淡水層形成的污染通道，使所利用的含水層遭受不同程度的污染。利用地球物理方法，如用直流電法和探地雷達，在地面監(遙)測地下水漏斗的動態變化、監測地面上工業和生活污水向漏斗遷移的路徑，從污染源和污染路徑上卡住污染物對地下水的污染。

(4)井中多個含水層之間交叉污染的監測

已經廢棄的工業用井和供水用井，以及一些設計得不適當的監測井穿過多個含水帶，使得地下水流系統「短路」。如果其中有的含水層已被污染，便會產生水層之間的交叉污染。美國地質調查所和美國環境保護署合作在賓夕法尼亞州東南部三疊紀斯托克頓組地層中利用地球物理方法研究了廢棄井中多個含水層之間的交叉污染，測量了井內的垂向水流，取樣並分析了井中的液體。所使用的地球物理方法包括井徑測井、液體電阻率測井、液體溫度測井、自然伽馬測井和單點電阻測井。在16個鑽孔的45～143之間進行，用以劃分岩性、地層，圈定了含水裂隙和井液垂向運移帶，測量了垂向液流，確定了井液的運移方向和速度。

(5)地表水污染治理中的地球物理工作

在杭州西湖換水過程中曾經成功地應用了地球物理方法。西湖由於常年污染，湖水的水質和透明度日益變差，市政府決定開鑿隧道引錢塘江水更換西湖湖水。為了解江水進入西湖的運移和分布情況、換水的進度和效果，利用電阻率法在換水過程中及其前後進行了動態和靜態觀測(圖9.8)。

在換水之前對江水和湖水的電阻率進行了測量，江水的電阻率變化范圍為81～93Ω·m，平均為88Ω·m。西湖由五個相互連通的湖泊組成，其中電阻率最低的變化范圍為55～60Ω·m，平均為57Ω·m，最高的變化范圍為69.5～75Ω·m，平均為72Ω·m。這是利用電阻率法監測換水過程的基礎。水電阻率觀測比例尺為1∶5000，線距200～400m，整個湖面均勻發布20條測線。觀測儀器為測井全自動記錄儀，安裝在電瓶驅動船上，用七心電纜連接電源、探測器和自動記錄儀。探測器為井液流體電極系，固定在水深約70cm處，換水期間每天沿各測線連續探測水的電阻率一次。根據觀測結果，可以得出江水進入西湖後逐日的擴散范圍、水流的主要方向，指導了換水工作的進行。同時發現了一些原來未發現的污染源。

(6)地下水污染防護中的地球物理工作

地球物理方法也可用來監測有機化合物污染的治理過程。美國能源部執行了一項「非乾旱區土壤和地下水易揮發有機化合物綜合示範計劃(VOC-NAS)」，向地下注入甲烷與空氣的混合物，作為新陳代謝的碳源，以繁殖一種微生物，使三氯乙烯降解。混合物注入地下後，在運移的途徑上，由於置換了地層水，使電阻率升高，因而可以通過地下(井間)電阻率層析使運移的途徑成像。電阻率層析是在5個鑽孔之間進行的，每一孔內有21個電極，從地面到61m深度等距發布，兩孔之間的地面有4個電極。結果發現，注入氣體流動途徑為復雜的三維通道網，有些通道延伸到距注入井30m以外，這些通道在幾個月過程中並不穩定，不斷有新通道出現，氣體注入通道的電阻率隨時間而增大。影響微生物繁殖的其他因素還包括大氣降水和來自地表的水溶養分。所以，在另一組試驗中，水從地面滲入地下並作出滲入前和滲入過程中某一瞬間電阻率差值的圖像，這些圖像表明，水的入滲也是限於具有三維結構的狹窄通道，水流受地層滲透率變化(砂和泥的分布)的控制，不過水流通道隨時間的變化小。這些通道在圖像上表現為低阻帶。

圖9.8西湖初次換水混合流推進圖

美國桑迪亞國家實驗室提出一種不盡相同的治理方案，並在南卡羅萊納州的一個場地進行了試驗。該場地也被揮發性的三氯乙烯和四氯乙烯污染。為了治理污染，打了兩口水平井，由潛水面以下的井注入空氣，而由上面的另一口井抽取污染物，當空氣通過地下孔隙時溶解揮發性污染物，再被上面的井抽出。空氣在地下的分布會直接影響治理的范圍並且影響如何對注入氣流進行調節。因此，桑迪亞實驗室利用監測井井間地震數據，根據注入氣體飽和度變化引起的地震波速變化了解空氣的分布。為能提高解析度，選用井間地震層析成像方法，既減少近地表雜訊的影響及與近地表物質有關的衰減，又使震源和檢波器更接近目標，減少高頻波的能量損耗，高頻波波長短而具有更高的空間解析度。為此，在空氣注入前後都作了S波和P波層析。S波震源為頻率掃描氣動可控震源，用井中三分量檢波器。震源和檢波孔相距27.4m，孔內測點垂向距離1m。

捷克的一家發電廠也進行過類似的監測，他們為了檢查粉煤灰堆放池的施工質量，在未敷設防滲層之前先在池底埋設若干條平行長導線作為檢測用的供電電極，然後在其上敷設防滲層。施工結束後向池內放水，將設置在防滲層下的長導線作為供電線路的一個極，另外一個極置於無窮遠，在小船上用單電位電極進行測量，在池邊用經緯儀測量定位。如果測到高電位異常，即為防滲層破漏處，發現率為94%。