CN110068867A - 一种预埋测量电极的激发极化法监测重金属污水泄漏方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境地球物理勘探技术领域，公开了一种预埋测量电极的激发极化法监测重金属污水泄漏方法，预埋渗漏通道区和主体污染区土壤模型，设置监测重金属污水泄漏的激发极化装置；监测重金属污水泄漏的激发极化装置中的主体污染区与污水源区之间由泄漏通道区相连，主体污染区预埋与泄漏方位垂直的监测电极带，在监测电极带两端布置供电电极带，每条监测电极带上安装条形铜电极；选取激发极化测量模式，输入相应装置参数及供电时间，逐两个监测电极直到完成监测电极带上所有的监测点测量极化率。本发明针对污染水泄漏区域的监测，可填补污染水泄漏精确监测的空白。

Description

一种预埋测量电极的激发极化法监测重金属污水泄漏方法

技术领域

本发明属于环境地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种预埋测量电极的激发极化法监测重金属污水泄漏方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

随着经济的快速发展，矿区、工业场地重金属元素废水污染的加重，环境污染问题日益严重，矿区、工业场地环境污染监测的研究及其综合治理在实际工程及环境岩土工程中备受关注。研究统计表明，数以百计的重污染企业用地及周边土壤处理场地中，重金属污染形势异常严峻，污染范围由处理场地向周边土壤、由浅层向深层深度逐步蔓延，甚至导致地下水污染，严重影响我国经济和社会的可持续发展。重金属废水监测技术发展、评价系统构建是污染治理的基本前提和基础，而如何在考虑监测成本、效率及精度因素背景下发展新型重金属废水泄漏监测技术手段是当前一项极具挑战的任务。

传统污染废水监测多采用化学药剂示踪法、取样分析法及钻探监测等方法技术，可实现“所见即所得”监测效果，理论与应用研究较成熟。然而，示踪法仅能定性指示泄漏方位、使用不当则带入二次污染源；取样分析无法给出废水泄漏通道；钻孔取样以“一孔之见”推断泄漏分布、孔位贯入则破坏污染分布和富集结构、长周期监测不适用性等。基于污染废水与其周围介质在物理性质上的差异，地球物理监测技术通过分析和研究地下一定深度范围内物理场特征，广泛用于推断地下污染废水泄漏的空间及物性分布。如磁法应用于填埋场渗漏检测的可行性论证，明确了其适用范围。采用瞬变电磁法对封场后的垃圾填埋场渗漏污染液体进行了探测，划分了垃圾填埋深度和范围，并圈定了污染边界。地质雷达探测地下水石油烃污染可行性进行分析，讨论探测效果的影响因素；地质雷达应用于典型城市污染场地调查评估，为污染场地后期的修复等提供了较好的参考价值。但重金属污染废水磁异常及电磁感应效应强度微弱，易受环境干扰；探地雷达时间剖面仅用于定性解释，无法给出明确的属性推断。

基于重金属污染废水与其围岩介质电阻率差异，电阻率法广泛用于工业场地重金属污染废水泄漏监(检)测。电阻率孔压静力触探方法应用于环境污染水及场地土壤评价分析。污染土电阻率特性及电阻率法检测的应用研究进展总结，指出电阻率法对污染场地污染物特性进行监测评价的发展趋势。开展了非饱和Cu溶液污染砂的交流电阻率特性，明确了其电阻率随电流频率、铜离子含量、含水量变化规律。开展了不同土壤中含油污水污染区的电性变化研究及污染区探测；通过分析了Pb溶液污染土壤、Zn溶液污染土壤在剪切破坏的过程中电阻率变化情况，定义了土体的原始电阻率和敏感度来反映污染土的电阻率特性，污染程度越高，原始电阻率值越小，敏感度越低。开展了铬污染土电阻率实验的比较与分析，研究采用铬污染土电阻率变化曲线斜率变化表征污染程度变化。总体上，电阻率法用于重金属废水及土壤污染监测方面有着坚实的理论基础及广泛应用实践，但电阻率幅值高低变化仅用于定性指示污染程度存在与否。尽管实验重金属污染废水电阻率变化规律获得了较大进展，但实际场地存在的复杂因素均能引起上述电阻率变化，特别是在区分地下水或饱和水土壤与污染源方面，电阻率法通常无能为力。

激发极化效应被认为是围岩介质与周围液体界面上的双电层引起，一直以来是激电找水的基本原理，在孔隙水、裂隙水及岩溶水勘探领域有着成熟的应用。对于与地下水具有相同属性的污染废水而言，激发极化法不断应用于工业场地污染监测领域。早期，针对水污染的导电性和激电性与污染浓度变化关系进行了研究，并通过实验表明不同污染成分样品的电阻率和极化率均随孔隙液浓度的增加而减小，采用传统激发激化法监测地下水污染是比较困难的。后期，开展了在不同含水率(不同浓度铬盐污染物的情况下，铬污染土壤样品的电阻率、复电阻率和复介电常数与污染物浓度及含水率变化关系的一些实验观测结果，开展了污染土壤电性参数的主要影响因素探索研究。对不同种类不同含量的土壤污染物的标本进行测量实验，归纳总结其土壤污染物的频谱激电相位特征，为频谱激电应用于土壤污染物调查奠定了坚实基础。通过在室外铬污染模拟场地进行时频域激电探测试，研究结果指出单纯的时域参数(视电阻率和视极化率)很难区分含水率和铬浓度差引起的低阻异常，而采用频域参数相角或将可区分含水率和铬浓度差引起的低阻异常。

可见，传统激发极化法在污染废水及污染土壤的监测方面具有较好的优势及应用基础，基于长导线激发电场系统，在目标污染体规模大小、方位及激电效应强度等多种不确定因素综合影响下，激电异常强度甚是微弱；加之监测环境通常干扰源普遍存在，监测精度亟待提高。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)尽管实验重金属污染废水电阻率变化规律获得了较大进展，但实际场地存在的复杂因素均能引起上述电阻率变化，特别是在区分地下水或饱和水土壤与污染源方面，电阻率法通常无能为力。

传统激发极化法在污染废水及污染土壤的监测方面具有较好的优势及应用基础，基于长导线激发电场系统，在目标污染体规模大小、方位及激电效应强度等多种不确定因素综合影响下，激电异常强度甚是微弱；加之监测环境通常干扰源普遍存在，监测精度低。

(2)常用的激发极化观测系统是对称四级装置地面观测系统，这种激发极化地面观测系统能用于间接测量目标体激电效应，对监测目标体规模要求较大，微弱激发极化效应具有现场布线难度大、工作效率低、干扰信号复杂、探测精度低等缺点。当前重金属污水勘探领域还未见有针对预埋测量电极的激发极化方法监测重金属污水泄漏的研究报道，因此迫切需要开发一种创新性预埋式激发极化装置，用以对矿区、工业场地重金属元素废水污染分布探测及研究工作。

现有间接激发极化勘探所存在的微弱激发极化效应监测现场布线难度大、工作效率低、干扰信号复杂、探测精度低、成本高、效率低等问题。

解决上述技术问题的难度：

(1)污染废水及污染土壤的监测环境错综复杂，干扰信号强度较大；当目标污染体规模大小、方位及激电效应强度等多种不确定因素综合影响下，激电异常强度甚是微弱，导致推断解释精度极其有限。

(2)常用的激发极化观测系统是对称四级装置地面观测系统，大部分监测场地实际情况无法满足上述观测系统布设要求，导致原本就甚是微弱的激电异常信号更难以区分，不能满足勘探需求。

解决上述技术问题的意义：

通过设计合理的测量电极激发极化法，针对多种不确定因素综合影响下导致的微弱激电异常强度问题，提出直接观测激电异常的技术手段，将为各种规格矿区、工业污水池泄漏处理、运行维护以及污水处理池的持续、高效运行提供技术保障。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种预埋测量电极的激发极化法监测重金属污水泄漏方法。本发明可实现重金属污水泄漏区域的精确监测，为污水处理场地的持续、高效运行提供技术保障。

本发明是这样实现的，一种预埋测量电极的激发极化法监测重金属污水泄漏方法，所述预埋测量电极的激发极化法监测重金属污水泄漏方法包括：

预埋渗漏通道区和主体污染区土壤模型，根据渗漏通道区和主体污染区土壤模型尺寸范围确定监测电极带范围和供电电极带范围；

在监测电极带内预埋测量条形电极，在横向距离大于等于渗漏通道区和主体污染区土壤模型尺寸范围以外预埋供电电极带的条形电极、供电电极带之间设置电流发射正负极，距离为3～5倍勘探深度横向距离；

在测量电机带内极化率接收点左右两侧对称设置条形正极和条形负极，条形正极和条形负极之间的距离为取值范围为渗漏通道区和主体污染区土壤模型尺寸范围值的0.05～0.15倍；土壤上部或下部测线距离最小值为渗漏通道区和主体污染区土壤模型尺寸范围值；

连接电源，选择激发极化测量方式，检测悬预埋供电电极带、测量电极带内条形电极装置各个电路供电电流；

以探测方向为基准，供电电极带内电流发射条形正极和电流发射条形负极固定不动、条形正极和条形负极按条形正极和条形负极之间的距离逐步向观测方向移动，移动过程中逐点测量极化率；并进行地面不极化电极激电探测。

进一步，勘探深度横向距离为：渗漏通道区和主体污染区土壤模型尺寸范围值与两倍土壤测线距离的和。

本发明的另一目的在于提供一种监测重金属污水泄漏的激发极化装置，包括：污水区、泄漏通道区、主体污染区、供电电极带、监测电极带、条形铜电极和连接导线；

主体污染区与污水源区之间由泄漏通道区相连，主体污染区预埋与泄漏方位垂直的监测电极带，在监测电极带两端布置供电电极带，每条监测电极带上安装条形铜电极，并分别用导线连接；

供电电极带条形铜电极经导线连接电流发射源，电流发射源经导线连接激电仪，电流发射源的正负极导线末端水平距离置于勘探深度数值之外；

激电仪上的测量正负极分别通过导线连接预埋测量电极带连续导线；选取激发极化测量模式，输入相应装置参数及供电时间，逐两个监测电极直到完成监测电极带上所有的监测点测量极化率。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述的监测重金属污水泄漏的激发极化装置的矿区重金属污水泄漏监测设备。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述的监测重金属污水泄漏的激发极化装置的工业污水池泄漏处理监测设备。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明的预埋测量电极的激发极化法监测重金属污水泄漏方法及系统。包括污水区、泄漏通道区、主体污染区、供电电极带、监测电极带、条形铜电极和连接导线。其中,主体污染区与污水源区之间由泄漏通道区相连，主体污染区预埋与泄漏方位垂直的监测电极带，在监测电极带两端布置供电电极带，每条监测电极带上安装条形铜电极，并分别用导线连接。该监测方法采用供电电极带条形铜电极经导线连接电流发射源，电流发射源经导线连接激电仪，电流发射源的正负极导线末端水平距离置于勘探深度数值之外。激电仪上的测量正负极分别通过导线连接预埋测量电极带连续导线；选取激发极化测量模式，输入相应装置参数及供电时间，逐两个监测电极直到完成监测电极带上所有的监测点测量极化率。

本发明填补了激发极化法用于重金属污水泄漏精确监测的空白，将为各种规格矿区、工业污水池泄漏处理、运行维护以及污水处理池的持续、高效运行提供技术保障。

本发明将预埋测量电极的激发极化方法将应用地球物理中的电法勘探与传统预埋式测量方式紧密的结合在一起，充分发挥了二者在各自领域中的优势，将高效的极化率探测方法集成在传统的重金属污水泄漏监测中。

与现有技术相比，本发明提供的监测重金属污水泄漏的激发极化装置为纯电流场装置，该装置采用预埋式铜电极进行直接测量，在污水泄漏范围内产生稳定的、能获取污染场地范围较大重金属污水的较高强度激发电流场，可有效激发污染水及污染土壤的感应电场，能在监测区域观测到污染源的有效极化异常。本发明针对污染水泄漏区域的监测，可填补污染水泄漏精确监测的空白。该预埋式测量电极的激发极化法通过推广，将为各种规格矿区、工业污水池泄漏处理、运行维护以及污水处理池的持续、高效运行提供技术保障。

附图说明

图1是本发明实施例提供的监测重金属污水泄漏的激发极化装置示意图。

图2是本发明实施例提供的进行探测的模型结构图。

图3是本发明实施例提供的预埋测量电极的激发极化法实验成果图。

图中：1、污水区；2、泄漏通道区；3、主体污染区；4、供电电极带；5、监测电极带；6、条形铜电极；7、连接导线；8、电流发射源；9、激电仪10、电源发射电极；11、测量电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

传统激发极化法在污染废水及污染土壤的监测方面具有较好的优势及应用基础，基于长导线激发电场系统，在目标污染体规模大小、方位及激电效应强度等多种不确定因素综合影响下，激电异常强度甚是微弱；加之监测环境通常干扰源普遍存在，监测精度低。常用的激发极化观测系统是对称四级装置地面观测系统，这种激发极化地面观测系统能用于间接测量目标体激电效应，对监测目标体规模要求较大，微弱激发极化效应具有现场布线难度大、工作效率低、干扰信号复杂、探测精度低等缺点。当前重金属污水勘探领域还未见有针对预埋测量电极的激发极化方法监测重金属污水泄漏的研究报道，因此迫切需要开发一种创新性预埋式激发极化装置，用以对矿区、工业场地重金属元素废水污染分布探测及研究工作。现有间接激发极化勘探所存在的微弱激发极化效应监测现场布线难度大、工作效率低、干扰信号复杂、探测精度低、成本高、效率低等问题。

为解决上述问题，下面结合具体技术方案对本发明作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的监测重金属污水泄漏的激发极化装置包括污水区1、泄漏通道区2、主体污染区3、供电电极带4、监测电极带5、条形铜电极6和连接导线7。其中，主体污染区1与污水源的主体污染区3之间由泄漏通道区2相连，主体污染区3预埋与泄漏方位垂直的监测电极带5，在监测电极带5两端布置供电电极带4，每条监测电极带5上安装条形铜电极6，并分别用导线连接7。该监测方法采用供电电极带4条形铜电极6经导线连接7电流发射源8，电流发射源经导线连接激电仪9，电流发射源的正负极10导线末端水平距离置于勘探深度数值之外。激电仪上的测量正负极11分别通过导线连接预埋测量电极带连续导线；选取激发极化测量模式，输入相应装置参数及供电时间，逐两个监测电极直到完成监测电极带上所有的监测点测量极化率。

如果污水处理池没有发生泄漏，污水区处理池外各部分极化率特征相似，极化率值差别不大，可认为是均匀极化率，各监测电极带之间的极化率值分布比较平稳。如果污水区处理池出现泄漏，则泄漏区域中的土壤多为重金属元素填充，而重金属元素蔓延边界形成双电层介质，导致极化率高于未受污染土壤的电阻率，所以泄漏区域的极化率会比未泄漏的区域极化率高，此时监测电极带电极直接测量污染体的极化率分布在泄漏区域部分将升高，依此可定位泄漏污水蔓延至监测电极带区域位置，不同位置预埋的电极带极化率异常分布指示了污染水体动态运移情况，实现监测的目的。

本发明实施例提供的预埋测量电极的激发极化法监测重金属污水泄漏方法，包括：

预埋渗漏通道区和主体污染区土壤模型，根据模型尺寸范围L1确定监测电极带范围和供电电极带范围；

在监测电极带内预埋测量条形电极，在横向距离大于等于L1以外预埋供电电极带的条形电极、供电电极带之间设置电流发射正负极A、B，距离为3～5倍勘探深度h横向距离；

在测量电机带内极化率接收点左右两侧对称设置条形正极M和条形负极N，条形正极M和条形负极N之间的距离为L3，L2最小值为L1，L3取值为0.05～0.15倍的L1值；

将电流发射源、激电仪与电源连接，打开仪器电源进入系统检查，选择激发极化测量方式，检测悬预埋供电电极带、测量电极带内条形电极等装置各个电路供电电流；

以探测方向L3为基准，供电电极带内电流发射条形正极和电流发射条形负极固定不动、条形正极M和条形负极N按L3距离相逐步向观测方向移动，移动过程中逐点测量极化率；再进行传统地面不极化电极激电探测。

在本发明实施例中，勘探深度横向距离为：渗漏通道区和主体污染区土壤模型尺寸范围值与两倍土壤测线距离的和，即L1+2*L2。

L3取值为0.05～0.15倍的L1值；电流大于50mA，与平均值的偏差≤2％；接地电阻最大值≤20Ω.m。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例

使用上述预埋测量电极的激发极化方法监测重金属污水泄漏对如图2所示的含重金属污染水及土壤(预埋)土槽模型进行探测时，首先预埋土壤模型，包括渗漏通道区2和主体污染区3；根据模型尺寸范围L1确定监测电极带5范围和供电电极带4范围，在监测电极带5内预埋测量条形电极6，在横向距离大于等于L1以外预埋供电电极带的条形电极6、供电电极带4之间(L1+2*L2)设置电流发射正负极A、B，距离符合3～5倍勘探深度h横向距离要求，在测量电机带内极化率接收点左右两侧对称设置条形正极M和条形负极N，条形正极M和条形负极N之间的距离为L3，L2最小值为L1，L3＝2cm；其次是装置工作准备：将电流发射源8、激电仪9与电源连接，打开仪器电源进入系统检查，选择激发极化测量方式，检查悬预埋供电电极带、测量电极带内条形电极等装置各个电路供电电流，要求所有电流大于50mA，与平均值的偏差≤2％；接地电阻最大值≤20Ω.m；下一步是预埋式测量电极激电观测：以探测方向L3为基准，供电电极带4内电流发射条形正极和电流发射条形负极固定不动、条形正极M和条形负极N按L3距离相逐步向观测方向移动，如图2所示，移动过程中逐点测量极化率；最后是传统地面不极化电极激电观测：选取激发极化测量模式，输入相应装置参数，供电时间设置为8S，测量选用一个半周期，不极化正极M和不极化负极N按L3距离相逐步向观测方向移动，直到完成测线上所有的探测点，传统地面不极化电极与预埋式电极探测结果如图3所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种预埋测量电极的激发极化法监测重金属污水泄漏方法，其特征在于，所述预埋测量电极的激发极化法监测重金属污水泄漏方法包括：

预埋渗漏通道区和主体污染区土壤模型，根据渗漏通道区和主体污染区土壤模型尺寸范围确定监测电极带范围和供电电极带范围；

在监测电极带内预埋测量条形电极，在横向距离大于等于渗漏通道区和主体污染区土壤模型尺寸范围以外预埋供电电极带的条形电极、供电电极带之间设置电流发射正负极，距离为3～5倍勘探深度横向距离；

在测量电机带内极化率接收点左右两侧对称设置条形正极和条形负极，条形正极和条形负极之间的距离为取值范围为渗漏通道区和主体污染区土壤模型尺寸范围值的0.05～0.15倍；土壤上部或下部测线距离最小值为渗漏通道区和主体污染区土壤模型尺寸范围值；

连接电源，选择激发极化测量方式，检测悬预埋供电电极带、测量电极带内条形电极装置各个电路供电电流；

以探测方向为基准，供电电极带内电流发射条形正极和电流发射条形负极固定不动、条形正极和条形负极按条形正极和条形负极之间的距离逐步向观测方向移动，移动过程中逐点测量极化率；并进行地面不极化电极激电探测。

2.如权利要求1所述的预埋测量电极的激发极化法监测重金属污水泄漏方法，其特征在于，勘探深度横向距离为：渗漏通道区和主体污染区土壤模型尺寸范围值与两倍土壤测线距离的和。

3.如权利要求1所述的预埋测量电极的激发极化法监测重金属污水泄漏方法，其特征在于，电流大于50mA，与平均值的偏差≤2％；接地电阻最大值≤20Ω.m。

4.一种实施权利要求1所述预埋测量电极的激发极化法监测重金属污水泄漏的监测重金属污水泄漏的激发极化装置，其特征在于，所述监测重金属污水泄漏的激发极化装置包括：污水区、泄漏通道区、主体污染区、供电电极带、监测电极带、条形铜电极和连接导线；

主体污染区与污水源区之间由泄漏通道区相连，主体污染区预埋与泄漏方位垂直的监测电极带，在监测电极带两端布置供电电极带，每条监测电极带上安装条形铜电极，并分别用导线连接；

供电电极带条形铜电极经导线连接电流发射源，电流发射源经导线连接激电仪，电流发射源的正负极导线末端水平距离置于勘探深度数值之外；

激电仪上的测量正负极分别通过导线连接预埋测量电极带连续导线；选取激发极化测量模式，输入相应装置参数及供电时间，逐两个监测电极直到完成监测电极带上所有的监测点测量极化率。

5.一种搭载权利要求4所述的监测重金属污水泄漏的激发极化装置的矿区重金属污水泄漏监测设备。

6.一种搭载权利要求4所述的监测重金属污水泄漏的激发极化装置的工业污水池泄漏处理监测设备。