CN115420778A - 一种浅层土壤污染快速调查定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土壤污染调查领域，提供了一种浅层土壤污染快速调查定位方法及系统，包括在调查区域规划校准测线和常规测线，先对校准测线分别用高密度电阻率法和电磁法进行采集，再对常规测线采用电磁法进行采集；根据校准测线的采集数据，利用高密度电阻率法对电磁法进行数据校准，得到校准方程；利用获得的校准方程对常规测线采集数据进行处理，对校准后的常规测线采集数据进行反演，获得地下介质电阻率；将调查区域的地下介质电阻率与对应的地下介质电阻率正常值进行比较，根据比较结果判断调查区域的污染范围和污染程度；本发明具有工作高效、原位无损及测量范围广等优势，为及时开展污染治理和场地开发提供保障。
Description
技术领域
本发明属于土壤污染调查技术领域，具体涉及一种浅层土壤污染快速调查定位方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来，随着社会经济的快速发展和人类生产活动的加剧，致使土壤污染日益严重和普遍。土壤污染已经成为危害人类健康以及环境安全的重大问题。
传统的土壤污染调查方法，多是基于一定密度分布的钻孔，进行直接取样分析、化验、监测，一般成本较高，在钻井过程中存在污染物垂直扩散的风险，并且采集信息在时间及空间上不连续，精度范围有限。另外，电法勘探也越来越多的应用到污染地块调查当中，如高密度电阻率法和电磁法等。其中高密度电阻率法能够准确的描绘出地下电阻率分布情况，并根据电阻率进行污染区域判断，针对突发性的污染事件，在大范围场地进行快速调查定位时，因为工序本身和对污染场地的条件限制，往往不能很好的满足要求；电磁法能够实现大范围场地浅层土壤的快速调查，但是往往只能得到污染物的大致范围，无法做到准确定位，这样极大的限制了电磁法的直接应用。
也就是说，现有的土壤污染调查方法对于突发性浅层土壤污染不能够快速、准确调查，也不能够快速、非侵入、全方位的查明污染的分布范围。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种浅层土壤污染快速调查定位方法及系统，本发明在利用电磁法对浅层土壤快速调查的基础上，结合高密度电阻率法对地下电阻率分布准确刻画的优点，实现对突发性浅层土壤污染快速、准确的调查定位。该方法具有工作高效、原位无损及测量范围广等优势，为及时开展污染治理和场地开发提供保障。
根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种浅层土壤污染快速调查定位方法，采用如下技术方案：
一种浅层土壤污染快速调查定位方法，包括：
在调查区域规划校准测线和常规测线，先对校准测线分别用高密度电阻率法和电磁法进行采集，再对常规测线采用电磁法进行采集；
根据校准测线的采集数据，利用高密度电阻率法对电磁法进行数据校准，得到校准方程；
利用获得的校准方程对常规测线采集数据进行处理，对校准后的常规测线采集数据进行反演，获得地下介质电阻率；
将调查区域的地下介质电阻率与对应的地下介质电阻率正常值进行比较，根据比较结果判断调查区域的污染范围和污染程度。
进一步地，所述校准测线是为结合高密度电阻率法对电磁法进行校准而规划，为常规测线之外的一条位于测区内的全新测线；所述常规测线为电磁法测量路线，布满整个测区。
进一步地，对校准测线进行数据采集时，电磁法测量和高密度电阻率法测量不同时进行，电磁法测量应采取手动点测模式，在每2个电极中间进行数据采集，或者采用连续采集模式，根据行进速度设定采集频率；
对常规测线进行数据采集时，采用连续采集模式，根据行进速度调整采集频率。
进一步地，所述根据校准测线的采集数据，利用高密度电阻率法对电磁法进行数据校准，得到校准方程，包括：
根据校准测线的高密度电阻率法采集数据进行反演，得到测量断面的电阻率分布；
基于测量断面的电阻率分布，进行电磁感应的正演，得到与电磁感应设备采集格式相同的视电导率；
基于所述视电导率进行线性回归分析，利用最小二乘法求出参数a和b，得出线性校准方程。
进一步地，基于测量断面的电阻率分布，进行电磁感应的正演，得到与电磁感应设备采集格式相同的视电导率，具体为：
其中，Hs为电磁感应仪器发射线圈产生的初级电磁场，Hp为初级电磁场在地下产生的涡流，进而感应出的次级电磁场，J0和J1分别是0阶和1阶贝塞尔函数，λ是径向波数，s是归一化的测量深度，R0为反射因子，反射因子取决于每一层的厚度和该层的电导率值，从第N+1层递归获得，其中RN+1＝0,
其中，i为虚数单位，f为电磁感应设备工作频率，μ0为真空磁导率，σERT(hn)是一个和地层厚度hn有关的函数，R0通过假设第0层为空气，电导率值为0mS/m获得，Rn是第n层的反射系数，Γn+1是第n+1层的等效阻抗值。
进一步地，基于所述视电导率进行线性回归分析，利用最小二乘法求出参数a和b，得出线性校准方程，具体为：
σERT＝a×σEM+b
其中，σERT为高密度电阻率法经正演后得到的视电导率值，σEM为电磁法得到的视电导率值。
进一步地，调查区域的地下介质电阻率与对应的地下介质电阻率正常值相比较，根据其变化率来寻找污染区域并判断污染程度，其变化率计算公式为：
其中，ρc是调查区域的地下介质电阻率相对于对应地层类型的地下介质电阻率正常值的变化率；ρi是调查区域的地下介质电阻率，单位为ohmm；ρs是对应地层类型的地下介质电阻率正常值，单位为ohmm。
根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种浅层土壤污染快速调查定位系统，采用如下技术方案：
一种浅层土壤污染快速调查定位系统，包括：
数据采集模块，被配置为在调查区域规划校准测线和常规测线，先对校准测线分别用高密度电阻率法和电磁法进行采集，再对常规测线采用电磁法进行采集；
校准方程构建模块，被配置为根据校准测线的采集数据，利用高密度电阻率法对电磁法进行数据校准，得到校准方程；
数据校准模块，被配置为利用获得的校准方程对常规测线采集数据进行处理，对校准后的常规测线采集数据进行反演，获得地下介质电阻率；
土壤污染确定模块，被配置为将调查区域的地下介质电阻率与对应的地下介质电阻率正常值进行比较，根据比较结果判断调查区域的污染范围和污染程度。
根据一些实施例，本发明的第三方案提供了一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一个方面所述的一种浅层土壤污染快速调查定位方法中的步骤。
根据一些实施例，本发明的第四方案提供了一种计算机设备。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一个方面所述的一种浅层土壤污染快速调查定位方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明面对浅层污染的情况，相较以钻孔取样为主要手段的传统调查方式，避免了污染物信息在空间上的不连续，并且能有效防止污染物垂直扩散，在保证调查精度的基础上，极大的节约了时间成本和经济成本。相较于单独使用高密度电阻率法和电磁法，既避免了在大范围场地布设多条测线，也有效解决了电磁法不能准确定位的问题，该方法实施过程更方便简洁的特点，真正做到了土壤污染的快速调查定位。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例所述的方法的流程图；
图2是本发明实施例的整个场地在地下1.04m处反演电阻率分布图；
图3是本发明实施例的污染区域三维效果展示图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种浅层土壤污染快速调查定位方法，该方法包括以下步骤：
在调查区域规划校准测线和常规测线，先对校准测线分别用高密度电阻率法和电磁法进行采集，再对常规测线采用电磁法进行采集；
根据校准测线的采集数据，利用高密度电阻率法对电磁法进行数据校准，得到校准方程；
利用获得的校准方程对常规测线采集数据进行处理，对校准后的常规测线采集数据进行反演，获得地下介质电阻率；
将调查区域的地下介质电阻率与对应的地下介质电阻率正常值进行比较，根据比较结果判断调查区域的污染范围和污染程度。
以某坑塘勘探为例，该坑塘南北长140m，东西长45-65m，面积约为7338m2。该坑塘在2013-2014年填埋了工业废油渣，并在上部覆盖一层回填土和建筑垃圾等。根据现场踏勘，该坑塘地面较平坦，地面长有芦苇和杂草。
按步骤依次完成以下工作：
(1)在调查区域规划常规测线和校准测线。其中常规测线为26条，覆盖整个调查区域，测线间距为2m；每条测线长度不固定，根据场地的实际情况进行安排；自西向东每一条测线分别命名为A1，A2，A3，……，A26。校准测线为1条，命名为B1，长度为128m。校准测线是为结合高密度电阻率法对电磁法进行校准而规划，一般为常规测线之外的一条位于测区内的全新测线。常规测线为电磁法测量路线，应布满整个测区，根据调查密度确定每条测线间距，建议间隔为2-5m。
(2)对B1校准测线分别采用高密度电阻率法和电磁法进行采集。首先用高密度电阻率法采集数据，电极间距为0.5m。然后使用加拿大DualEM Inc公司生产的DualEM-421s采集数据，使用连续采集模式，采集频率为2Hz。
在采集校准测线数据时，电磁法测量和高密度电阻率法测量不可同时进行，电磁法测量应采取手动点测模式，在每2个电极中间进行数据采集，必要时也可采用连续采集模式，根据行进速度设定采集频率。
(3)对A1，A2，A3，……，A26测线采用电磁法进行采集。使用连续采集模式，采集频率为2Hz，每条测线采集的数据都保存在一个新文档中，采集完成花费2小时。对常规测线进行数据采集时，可选用效率更高的连续采集模式，根据行进速度调整采集频率。在正常步速下，选取2Hz(即每秒钟采集2次)的采集频率。
使用电磁法采集数据时，在不影响正常采集的情况下，将仪器尽量贴近地表，发现视电导率异常的区域及时做出标记，包括数据和场地标记，以便反演时进行数据和场地的位置对照。
(4)根据校准测线的采集数据，利用高密度电阻率法采集数据对电磁法采集数据进行校准。
在本实施案例中，采用美国Res2Dinv二维反演软件，对高密度电阻率法采集的数据进行反演，得到地下介质电阻率分布。将这一数据作为地下电导率(电阻率与电导率为倒数关系)的真实分布情况，计算出初级电磁场和次级电磁场比率的正交部分，基于Maxwell方程组，确定电磁感应仪器在由N层组成的一维分层地球上的响应：将高密度电阻率法采集数据进行反演，得到地下介质电阻率值，再将此数据进行电磁感应的正演，获得视电导率值，正演公式如下：
其中，QHCP是在HCP结构线圈条件下，获得的地下介质的视电导率值，QPRP是PRP结构线圈条件下，获得的地下介质的视电导率值，Hs为电磁感应仪器发射线圈产生的初级电磁场，Hp为初级电磁场在地下产生的涡流，进而感应出的次级电磁场；J0和J1分别是0阶和1阶贝塞尔函数，λ是径向波数，s是归一化的测量深度，R0为反射因子，反射因子取决于每一层的厚度和该层的电导率值，可以从第N+1层递归获得，其中RN+1＝0,
其中，i为虚数单位，f为电磁感应设备工作频率，μ0为真空磁导率，σERT(hn)是一个和地层厚度hn有关的函数，R0通过假设第0层为空气，电导率值为0mS/m获得，Rn是第n层的反射系数，Γn+1是第n+1层的等效阻抗值。
结合电磁感应设备的运行参数，包括工作频率，测量时距地面高度，计算出与电磁感应设备采集格式相同的视电导率数据，进行回归分析，建立线性校准方程。
在获得视电导率数据后，进行线性回归分析，建立校准方程，利用最小二乘法求出参数a和b，最终得到线性校准方程如下：
σERT＝a×σEM+b (5)
其中，σERT为高密度电阻率法经正演后得到的视电导率值，σEM为电磁法得到的视电导率值。需要说明的是，此处的电磁法得到的视电导率是包括校准测线的电磁法数据和常规测线的电磁法数据，先根据校准侧线获得方程的系数，再获得系数之后带入常规侧线使用。
(5)利用线性校准方程对包括A1，A2，A3，……，A26在内的所有测线采集的电磁感应数据逐一进行校准处理。并对校准后的数据进行反演获得地层电阻率。在本实施案例中，使用丹麦的Aarhus Workbench进行反演，获得由电磁法获得的地下介质的电阻率。Workbench可以对每一个测量通道的原始数据和测量数据进行比较和删除，并且能够反映反演数据的可信程度。也就是说，将常规侧线的采集数据经过校准方程校准之后，以达到提高精度的目的，再使用软件做反演。
(6)计算调查区域的由电磁法获得的地下介质电阻率相较于对应的地下介质电阻率正常值的变化率，变化率计算公式为：
其中，ρc是调查区域的地下介质电阻率相对于对应地层类型的地下介质电阻率正常值的变化率；ρi是调查区域的地下介质电阻率，单位为ohmm；ρs是对应地层类型的地下介质电阻率正常值，单位为ohmm。
根据比较结果判断调查区域的污染范围和污染程度。判断标准为调查区域的地下介质电阻率相对于对应地层类型的地下介质电阻率正常值的变化率不小于30％时，可认为是调查区域土壤受到污染，且变化率越大，污染程度越重。图2所示为地下1.04m处的反演结果，在区域1的电阻率值明显高于周边3倍以上，因此判断该区域存在污染物。图3所示为调查区域的3D效果展示，在区域1，有明显的电阻率变化情况，最深处达到地下1.9m，向南部呈连续分布状况。
(7)在本实施例中，为了进一步掌握污染的具体情况，可在上述确定的污染区，进行土壤取样检测(送回实验室进行气相色谱等分析)。
由本实施例可知，场地调查时间成本和经济成本的节约。传统的调查方法是基于钻井原位土壤取样，在进行场地调查时，通常基于国家发布的准则和污染场地条件，采用平面及垂向布点方式，如系统布点法，分区布点法。而针对突发性的浅层土壤污染，若进行整个场地的系统布点，会带来更大的工作量和调查周期。另外，相较于单独使用高密度电阻率法，两种方法的调查效率也有很大不同，在本实施例中，完成本技术方案的数据采集仅需2小时左右，若按照相同采集密度使用高密度电阻率法采集数据，需要6-7天。而相较于单独使用电磁法，本技术方案获得了更准确的定位，采用本技术方案，可以在充分的利用电磁法便捷优势的基础上，结合高密度电阻率法做数据校准，真正实现浅层土壤污染的快速调查定位。
实施例二
本实施例提供了一种浅层土壤污染快速调查定位系统，包括：
数据采集模块，被配置为在调查区域规划校准测线和常规测线，先对校准测线分别用高密度电阻率法和电磁法进行采集，再对常规测线采用电磁法进行采集；
校准方程构建模块，被配置为根据校准测线的采集数据，利用高密度电阻率法对电磁法进行数据校准，得到校准方程；
数据校准模块，被配置为利用获得的校准方程对常规测线采集数据进行处理，对校准后的常规测线采集数据进行反演，获得地下介质电阻率；
土壤污染确定模块，被配置为将调查区域的地下介质电阻率与对应的地下介质电阻率正常值进行比较，根据比较结果判断调查区域的污染范围和污染程度。
上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
上述实施例中对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分可以参见其他实施例的相关描述。
所提出的系统，可以通过其他的方式实现。例如以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如上述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时，可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合或者可以集成到另外一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的一种浅层土壤污染快速调查定位方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的一种浅层土壤污染快速调查定位方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种浅层土壤污染快速调查定位方法，其特征在于，包括：
在调查区域规划校准测线和常规测线，先对校准测线分别用高密度电阻率法和电磁法进行采集，再对常规测线采用电磁法进行采集；
根据校准测线的采集数据，利用高密度电阻率法对电磁法进行数据校准，得到校准方程；
利用获得的校准方程对常规测线采集数据进行处理，对校准后的常规测线采集数据进行反演，获得地下介质电阻率；
将调查区域的地下介质电阻率与对应的地下介质电阻率正常值进行比较，根据比较结果判断调查区域的污染范围和污染程度。
2.如权利要求1所述的一种浅层土壤污染快速调查定位方法，其特征在于，所述校准测线是为结合高密度电阻率法对电磁法进行校准而规划，为常规测线之外的一条位于测区内的全新测线；所述常规测线为电磁法测量路线，布满整个测区。
3.如权利要求1所述的一种浅层土壤污染快速调查定位方法，其特征在于，对校准测线进行数据采集时，电磁法测量和高密度电阻率法测量不同时进行，电磁法测量应采取手动点测模式，在每2个电极中间进行数据采集，或者采用连续采集模式，根据行进速度设定采集频率；
对常规测线进行数据采集时，采用连续采集模式，根据行进速度调整采集频率。
4.如权利要求1所述的一种浅层土壤污染快速调查定位方法，其特征在于，所述根据校准测线的采集数据，利用高密度电阻率法对电磁法进行数据校准，得到校准方程，包括：
根据校准测线的高密度电阻率法采集数据进行反演，得到测量断面的电阻率分布；
基于测量断面的电阻率分布，进行电磁感应的正演，得到与电磁感应设备采集格式相同的视电导率；
基于所述视电导率进行线性回归分析，利用最小二乘法求出参数a和b，得出线性校准方程。
5.如权利要求4所述的一种浅层土壤污染快速调查定位方法，其特征在于，基于测量断面的电阻率分布，进行电磁感应的正演，得到与电磁感应设备采集格式相同的视电导率，具体为：
其中，Hs为电磁感应仪器发射线圈产生的初级电磁场，Hp为初级电磁场在地下产生的涡流，进而感应出的次级电磁场，J0和J1分别是0阶和1阶贝塞尔函数，λ是径向波数，s是归一化的测量深度，R0为反射因子，反射因子取决于每一层的厚度和该层的电导率值，从第N+1层递归获得，其中RN+1＝0,
其中，i为虚数单位，f为电磁感应设备工作频率，μ0为真空磁导率，σERT(hn)是一个和地层厚度hn有关的函数，R0通过假设第0层为空气，电导率值为0mS/m获得，Rn是第n层的反射系数，Γn+1是第n+1层的等效阻抗值。
6.如权利要求4所述的一种浅层土壤污染快速调查定位方法，其特征在于，基于所述视电导率进行线性回归分析，利用最小二乘法求出参数a和b，得出线性校准方程，具体为：
σERT＝a×σEM+b
其中，σERT为高密度电阻率法经正演后得到的视电导率值，σEM为电磁法得到的视电导率值。
7.如权利要求1所述的一种浅层土壤污染快速调查定位方法，其特征在于，调查区域的地下介质电阻率与对应的地下介质电阻率正常值相比较，根据其变化率来寻找污染区域并判断污染程度，其变化率计算公式为：
其中，ρc是调查区域的地下介质电阻率相对于对应地层类型的地下介质电阻率正常值的变化率；ρi是调查区域的地下介质电阻率，单位为ohmm；ρs是对应地层类型的地下介质电阻率正常值，单位为ohmm。
8.一种浅层土壤污染快速调查定位系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，被配置为在调查区域规划校准测线和常规测线，先对校准测线分别用高密度电阻率法和电磁法进行采集，再对常规测线采用电磁法进行采集；
校准方程构建模块，被配置为根据校准测线的采集数据，利用高密度电阻率法对电磁法进行数据校准，得到校准方程；
数据校准模块，被配置为利用获得的校准方程对常规测线采集数据进行处理，对校准后的常规测线采集数据进行反演，获得地下介质电阻率；
土壤污染确定模块，被配置为将调查区域的地下介质电阻率与对应的地下介质电阻率正常值进行比较，根据比较结果判断调查区域的污染范围和污染程度。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种浅层土壤污染快速调查定位方法中的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种浅层土壤污染快速调查定位方法中的步骤。
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