CN110007351B - 一种探测重金属污水的激发极化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境地球物理勘探技术领域，公开了一种探测重金属污水的激发极化方法，在距离探测点横向距离某处、重金属污水池内设置电流发射正极和勘探深度的电流发射负极，在探测重金属污水的激发极化装置另一侧确定极化率接收点，在极化率接收点左右两侧对称设置不极化正极和不极化负极；将电流发射源、衡流控制器、激电仪与电源连接，选择激发极化测量方式，进行探测点探测；移动过程中逐点测量极化率；再进行平面剖面测量，直到完成测线上所有探测点测量。本测量方法结构简单，操作方便，设计合理，探测结果稳定可靠，可广泛应用于工业、矿山工程等重金属污水治理领域的激发极化勘探工作。

Description

一种探测重金属污水的激发极化方法

技术领域

本发明属于环境地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种探测重金属污水的激发极化方法。

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***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***，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。

激发极化法常用的激发极化装置是对称四级装置，这种激发极化装置能用于间接激励目标体激电效应，供电正负极的间距要求较大，过长的正负极距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接触式直接供电激发极化装置的研究报道，因此迫切需要开发一种创新性接触式直接供电激发极化装置，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。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)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。

(2)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，难以解决重金属污染监测问题。

(3)现有技术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。

(4)现有技术中，激发极化装置用于间接激励目标体激电效应，供电正负极的间距要求较大，过长的正负极距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。

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***是对称四级装置地面观测***，大部分监测场地实际情况无法满足上述观测***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：

重金属污水勘探领域还未见有针对接触式直接供电激发极化方法的研究报道，因此迫切需要开发一种创新性接触式直接供电激发极化装置，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。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种探测重金属污水的激发极化方法。解决现有间接激发极化勘探所存在的探测正负极距过大、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。

本发明是这样实现的，一种探测重金属污水的激发极化方法，所述探测重金属污水的激发极化方法采用接触式供电、平面测线梯度方式测量极化率，具体包括：

第一步，通过探测重金属污水的激发极化装置确定探测点开始位置和探测范围，在距离探测点横向距离某处、重金属污水池内设置电流发射正极和勘探深度的电流发射负极，在探测重金属污水的激发极化装置另一侧确定极化率接收点，在极化率接收点左右两侧对称设置不极化正极和不极化负极；

第二步，将电流发射源、衡流控制器、激电仪与电源连接，选择激发极化测量方式，进行探测点探测；

第三步，移动过程中逐点测量极化率；再进行平面剖面测量，直到完成测线上所有探测点测量。

进一步，第一步中，测点开始位置L1和探测范围为L2，在距离探测点横向距离L1处、重金属污水池内设置圆形串联结构电流发射正极和符合3～5倍勘探深度h的横向距离处的电流发射负极，横向距离为L1+L2+L3；

极化率接收不极化正极和负极点与电流发射负极之间的距离为L3，不极化正极和不极化负极之间的距离为L4，L1最小值为R，L3最小值为1.5h，L4取值为0.05～0.15倍的L1值。

进一步，第二步中，选择激发极化测量方式中，电流大于50mA，与平均值的偏差≤2％；接地电阻最大值≤20Ω.m；

探测点探测的方法包括：以探测方向L4为基准，电流发射正极和电流发射负极固定不动、不极化正极和不极化负极按L4距离相逐步向观测方向移动。

进一步，第三步中，进行平面剖面测量的方法包括：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，直到完成测线上所有的探测点。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述探测重金属污水的激发极化方法的探测重金属污水的激发极化装置，所述探测重金属污水的激发极化装置设置有接触式连接电流发射源；

接触式电流发射源上安装有激电仪；

接触式电流发射源的正负极上均连接有正极导线，与接触式电流发射源上的负极相连的负极导线末端连接有电流发射负极；

若干电流发射正极均匀分布在含重金属污水池内，所有电流发射正极相并联且通过导线与电流发射源上的正极相连；

激电仪上的测量正负极分别通过导线连接有不极化正极和负极；

每个电流发射正极连接线路上串联有恒流控制器。

进一步，由所有电流发射正极组成的圆形悬浮结构半径为R，最小R为污水池平面斜线的1/5，满足电流发射覆盖面积需求。

进一步，所述电流发射正极的个数满足t＝int(πR/2m)，满足电流发射强度需求。

进一步，所述电流发射负极置于3～5倍勘探深度范围外，满足作为点电源发射需求。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述探测重金属污水的激发极化装置的矿区重金属元素废水污染检测终端。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述探测重金属污水的激发极化装置的工业场地重金属元素废水污染检测设备。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明公开了一种探测含重金属污染水及污染土壤的激发极化方法，该探测方法采用接触式供电、平面测线梯度方式测量极化率，接触式供电装置包括接触式连接电流发射源，接触式电流发射源上安装有激电仪。接触式电流发射源的正负极上均连接有导线，与接触式电流发射源上的负极相连的导线末端连接有电流发射负极，置于3～5倍勘探深度范围之外；还包括电流发射正极总成，该电流发射正极总成包括若干电流发射正极，电流发射正极均匀分布在含重金属污水池之内，在污水池内进行接触式电流供电，所有电流发射正极相并联且通过导线与电流发射源上的正极相连。激电仪上的测量正负极分别通过导线连接有不极化正极和负极；选取激发极化测量模式，输入相应装置参数及供电时间，逐点直到完成测线上所有的探测点测量极化率。本发明结构简单，操作方便，设计合理，探测结果稳定可靠，可广泛应用于工业、矿山工程等重金属污水治理领域的激发极化勘探工作。

与现有技术相比，本发明提供的探测重金属污水的激发极化方法包括纯电流场接触式供电装置，该装置将激发方式设计为接触式直接供电，在测点范围内产生稳定的、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，能在地面观测到污染源的有效极化异常。本测量方法结构简单，操作方便，设计合理，探测结果稳定可靠，可广泛应用于工业、矿山工程等重金属污水治理领域的激发极化勘探工作。

附图说明

图1是本发明实施例提供的探测重金属污水的激发极化方法流程图。

图2是本发明实施例提供的探测重金属污水的激发极化装置结构示意图。图中：1、电流发射源；2、激电仪；3、正极导线；4、负极导线；5、电流发射负极；6、电流发射正极；7、重金属污水池；8、不极化正极和负极；9、恒流控制器；10、悬浮结构。

图3是本发明实施例提供的需要进行探测的模型结构图。

图4是本发明实施例提供的探测重金属污水的激发极化装置使用状态图。

图5是本发明实施例提供的接触式激发极化法实验成果图。

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。

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。

现有技术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。现有技术传统激发极化法中，监测精度低。现有技术中，激发极化装置用于间接激励目标体激电效应，供电正负极的间距要求较大，过长的正负极距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。重金属污水勘探领域还未见有针对接触式直接供电激发极化装置的研究报道，因此迫切需要开发一种创新性接触式直接供电激发极化装置，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

为解决上述问题，下面结合具体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探测重金属污水的激发极化方法采用接触式供电装置、平面测线梯度方式测量极化率，具体包括：

S101，通过探测重金属污水的激发极化装置确定探测点开始位置L1和探测范围L2，在距离探测点横向距离L1处、重金属污水池内设置圆形串联结构电流发射正极和符合3～5倍勘探深度h横向距离(L1+L2+L3)处的电流发射负极，在探测重金属污水的激发极化装置另一侧确定极化率接收不极化正极和负极，极化率接收不极化正极和负极点与电流发射负极之间的距离为L3，在极化率接收点左右两侧对称设置不极化正极M和不极化负极N，不极化正极和不极化负极之间的距离为L4，L1最小值为R，L3最小值为1.5h，L4取值为0.05～0.15倍的L1值。

S102，将电流发射源、衡流控制器、激电仪与电源连接，打开仪器电源进入***检查，选择激发极化测量方式，检查悬浮接触式供电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；下一步是探测点设计：以探测方向L4为基准，电流发射正极和电流发射负极固定不动、不极化正极M和不极化负极N按L4距离相逐步向观测方向移动。

S103，移动过程中逐点测量极化率；再进行平面剖面测量：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，直到完成测线上所有的探测点。

如图2所示，本发明实施例提供的探测重金属污水的激发极化装置包括接触式连接电流发射源1，接触式电流发射源上安装有激电仪2。

接触式电流发射源的正负极上均连接有导线3，与接触式电流发射源上的负极相连的导线4末端连接有电流发射负极5，置于3～5倍勘探深度范围之外；还包括电流发射正极总成，该电流发射正极总成包括若干电流发射正极6，电流发射正极均匀分布在含重金属污水池7之内，在污水池内进行接触式电流供电，所有电流发射正极相并联且通过导线与电流发射源上的正极相连。

激电仪上的测量正负极分别通过导线连接有不极化正极和负极8；选取激发极化测量模式，输入相应装置参数及供电时间，逐点直到完成测线上所有的探测点测量极化率。

每个电流发射正极连接线路上串联有恒流控制器9。

由所有电流发射正极组成的圆形悬浮结构10半径为R，最小R为污水池平面斜线的1/5。

所述电流发射正极的个数满足t＝int(πR/2m)。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例：

使用本发明的接触式供电、平面测线梯度测量方式的激发极化方法对如图3所示的含重金属污染水及土壤(预埋)土槽模型进行探测时，首先设计圆形悬浮接触式探测重金属污水的激发极化装置；确定探测点开始位置L1和探测范围L2，在距离探测点横向距离L1处、重金属污水池7内设置圆形串联结构电流发射正极6和符合3～5倍勘探深度h横向距离(L1+L2+L3)处的电流发射负极5，在探测重金属污水的激发极化装置另一侧确定极化率接收电极8,极化率接收点8与电流发射负极之间的距离为L3，在极化率接收点左右两侧对称设置不极化正极M和不极化负极N，不极化正极和不极化负极之间的距离为L4，L1最小值为R，L3最小值为1.5h，L4＝2cm；其次是装置工作准备：将电流发射源1、衡流控制器9、激电仪2与电源连接，打开仪器电源进入***检查，选择激发极化测量方式，检查悬浮接触式供电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；下一步是探测点设计：以探测方向L4为基准，电流发射正极3和电流发射负极5固定不动、不极化正极M和不极化负极N按L4距离相逐步向观测方向移动。

如图4所示，移动过程中逐点测量极化率；最后是平面剖面测量：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，直到完成测线上所有的探测点，探测结果如图5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 (8)

1.一种探测重金属污水的激发极化方法，其特征在于，所述探测重金属污水的激发极化方法采用接触式供电、平面测线梯度方式测量极化率，具体包括：

第一步，通过探测重金属污水的激发极化装置确定探测点开始位置和探测范围，在距离探测点横向距离某处、重金属污水池内设置电流发射正极和勘探深度的电流发射负极，在探测重金属污水的激发极化装置另一侧确定极化率接收点，在极化率接收点左右两侧对称设置不极化正极和不极化负极；

第二步，将电流发射源、衡流控制器、激电仪与电源连接，选择激发极化测量方式，进行探测点探测；

第三步，移动过程中逐点测量极化率；再进行平面剖面测量，直到完成测线上所有探测点测量；

第一步中，探测范围为L2，在距离探测点横向距离L1处、重金属污水池内设置圆形串联结构电流发射正极和符合3~5倍勘探深度h的横向距离处的电流发射负极，极化率接收不极化正极和负极点与电流发射负极之间的距离为L3，横向距离为L1+L2+L3；

不极化正极和不极化负极之间的距离为L4，L1最小值为R，L3最小值为1.5h，L4取值为0.05~0.15倍的L1值；

第二步中，选择激发极化测量方式中，电流大于50mA，与平均值的偏差≤2%；接地电阻最大值≤20Ω.m；

探测点探测的方法包括：以探测方向为基准，电流发射正极和电流发射负极固定不动、不极化正极和不极化负极按L4距离逐步向观测方向移动。

2.如权利要求1所述的探测重金属污水的激发极化方法，其特征在于，第三步中，进行平面剖面测量的方法包括：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，直到完成测线上所有的探测点。

3.一种实施权利要求1所述探测重金属污水的激发极化方法的探测重金属污水的激发极化装置，其特征在于，所述探测重金属污水的激发极化装置设置有接触式连接电流发射源；

接触式电流发射源上安装有激电仪；

接触式电流发射源的正负极上均连接有正极导线，与接触式电流发射源上的负极相连的负极导线末端连接有电流发射负极；

若干电流发射正极均匀分布在含重金属污水池内，所有电流发射正极相并联且通过导线与电流发射源上的正极相连；

激电仪上的测量正负极分别通过导线连接有不极化正极和负极；

每个电流发射正极连接线路上串联有恒流控制器。

4.如权利要求3所述的探测重金属污水的激发极化装置，其特征在于，

由所有电流发射正极组成的圆形悬浮结构半径为R，最小R为污水池平面斜线的1/5。

5.如权利要求3所述的探测重金属污水的激发极化装置，其特征在于，

所述电流发射正极的个数满足t=int(πR/2m)。

6.如权利要求3所述的探测重金属污水的激发极化装置，其特征在于，所述电流发射负极置于3~5倍勘探深度范围外。

7.一种搭载权利要求3所述探测重金属污水的激发极化装置的矿区重金属元素废水污染检测终端。

8.一种搭载权利要求3所述探测重金属污水的激发极化装置的工业场地重金属元素废水污染检测设备。