肖敬瑞，丁彥禮，劉 良，王 梅，白少元,3，熊 彬

(1.桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西恒晟水環(huán)境治理有限公司，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

1 引 言

人工濕地是20世紀(jì)70年代興起的一種污水處理工藝，由于具有投資少，能耗低、工藝設(shè)備簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)管理方便、系統(tǒng)配置可塑性強(qiáng)、運(yùn)行費(fèi)用低、出水具有一定生物安全性、生態(tài)環(huán)境效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地得到人們的關(guān)注[1]。然而大量的工程實(shí)踐表明，隨著人工濕地運(yùn)行時(shí)間的增加，其內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)不同程度的堵塞[2]。以前人工濕地發(fā)生堵塞時(shí),對(duì)堵塞的判斷及堵塞的程度僅能定性的進(jìn)行評(píng)價(jià)，無法對(duì)堵塞區(qū)域進(jìn)行精確定位。因此，針對(duì)人工濕地堵塞區(qū)域的定位探測是亟待解決的問題。

目前有關(guān)人工濕地堵塞監(jiān)測方法的研究取得了很大的進(jìn)展，可應(yīng)用的方法主要為以下幾種，分別是生物電池法[3]、電導(dǎo)率法[4]、探地雷達(dá)法[5]、水力傳導(dǎo)率法[6]、示蹤劑法[7,8]、分析堵塞物質(zhì)性質(zhì)[9]。其中應(yīng)用最廣的是水力傳導(dǎo)率法和示蹤劑法，但這2種方法都有明顯的缺點(diǎn)，如水力傳導(dǎo)率在測量過程中易受干擾、示蹤劑消耗量大且易吸附等[2]。最具前景的監(jiān)測方法則是基于基質(zhì)電磁和電阻特性的電導(dǎo)率法和探地雷達(dá)法，電導(dǎo)率法和探地雷達(dá)法對(duì)濕地內(nèi)部造成的干擾較小，在濕地堵塞物定性定量方面具有良好的發(fā)展前景[10,11]。Matos等[12]使用探地雷達(dá)探測了種植香蒲與未種植植被的兩個(gè)全尺寸水平潛流人工濕地的堵塞特性，結(jié)果表明探地雷達(dá)可以探測出堵塞區(qū)域，但地質(zhì)雷達(dá)方法也存在縱向尺度定位不精確的問題，并且由于人工濕地一般縱向尺度較小和處于水飽和狀態(tài)，存在基底和邊界反射較強(qiáng)、堵塞區(qū)域反射不夠清晰的問題，探測精度不夠理想。電阻率法對(duì)濕地內(nèi)部造成的干擾較小，可以快速、無損、有效地反映濕地堵塞狀況[2,13]。Morvanno[13]使用電阻率層析成像研究和時(shí)域反射技術(shù)對(duì)垂直流人工濕地進(jìn)行了探測，監(jiān)測了人工濕地的含水率動(dòng)態(tài)，結(jié)果表明，由于物性差異不夠大，水分含量與高密度電阻率數(shù)據(jù)之間沒有顯著的相關(guān)性，無法進(jìn)行任何預(yù)測。Martinez-Carvajal等[14]將X射線斷層掃描和電阻率層析成像結(jié)合，測量了人工濕地的沉積層和礫石層，通過人工濕地的電阻率斷面和X射線斷面，可以探測堵塞區(qū)域，但電阻率法由于物性差異不夠大，導(dǎo)致精度不高，需要和X射線法結(jié)合來進(jìn)行推斷。目前關(guān)于電阻率法的相關(guān)研究還是比較少，為擴(kuò)大使用，還需長期進(jìn)行大量的研究[2]。

因此，根據(jù)潛流人工濕地結(jié)構(gòu)和堵塞區(qū)域的特點(diǎn)，本文提出利用地面高密度電阻率來探測和定位人工濕地堵塞區(qū)域，并且提出一種提高人工濕地系統(tǒng)電阻率差異的方法，從人工濕地堵塞探測的電阻率方法討論、電阻率法的水槽模擬實(shí)驗(yàn)和提高人工濕地系統(tǒng)電阻率差異方法幾個(gè)方面探討了利用地面高密度電法探測和定位人工濕地堵塞區(qū)域的可行性。

2 地面高密度電阻率法探測堵塞實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

高密度電阻率法[15,16]又稱電阻率層析成像法(Electrical Resistivity Tomography，ERT)，是一種陣列式的電法勘探方法，屬于電阻率法的范疇，它是在常規(guī)電法勘探基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種勘探方法，是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)，研究在施加電場的作用下，地下傳導(dǎo)電流的變化分布規(guī)律。其儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。地面高密度電阻率主要由直流電源、測量主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器、電纜和電極構(gòu)成測量系統(tǒng)，其中測量電極按照等間距布置在待測地質(zhì)斷面上。在進(jìn)行電阻率測量時(shí)有供電電極AB和測量電極MN，以地面A、B為供電點(diǎn)，向地下輸入電流強(qiáng)度為I的電流，在A、B中間段內(nèi)安置測量電極M、N得到電位差ΔU，最后按式(1)計(jì)算視電阻率：

(1)

式中,ρs為視電阻率，單位為Ω·m；ΔU為電位差，單位為mV;I為供電電流，單位為mA；K為裝置系數(shù)。

圖1 高密度電法儀器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of high density electrical instrument structure

2.2 地面高密度電阻率法裝置類型

地面高密度電阻率法的野外工作裝置類型比較多，包含有二極裝置、三極裝置和四極裝置及其變種等[17]。由于三極裝置異常相對(duì)比較復(fù)雜，且并不是所有的人工濕地都能滿足布設(shè)“無窮遠(yuǎn)極”的條件，人工濕地堵塞探測不適合使用三極裝置。在人工濕地堵塞探測中，測量裝置采用對(duì)稱四極裝置(施倫貝爾裝置)，該裝置對(duì)淺表層的水平異常勘探效果較好，且探測出的異常體位置及形態(tài)特征較為準(zhǔn)確，異常解釋相對(duì)容易[18]。

2.3 人工濕地視電阻率

相對(duì)于地殼地質(zhì)體結(jié)構(gòu)來說，人工濕地床體相對(duì)比較簡單。如果僅僅針對(duì)飽和人工濕地床體而言，影響電阻率的主要因素是孔隙水的導(dǎo)電性。以飽和石英砂巖為例，其電阻率與孔隙中水的電阻率存在以下關(guān)系[19]：

(2)

式中,ω為含水率(或孔隙率)，單位為%；ρ為電阻率，單位為Ω·m;ρw為孔隙中水的電阻率，單位為Ω·m。

從上式(2)可以看出，當(dāng)ω固定不變時(shí)，介質(zhì)電阻率ρ與ρw成正比。而介質(zhì)孔隙中水的電阻率與水中溶解的導(dǎo)電離子的濃度有關(guān)，溶解的導(dǎo)電離子的濃度越大，電阻率越低。

在單一填料人工濕地中，其電阻率主要受孔隙水的電阻率控制，可以認(rèn)為電阻率是各向同性的；在分層填料人工濕地中，不同粒徑飽和填料的含水率(ω)變化很小，主要還是受孔隙水電阻率控制，也可以近似認(rèn)為電阻率是各向同性的。所以，可以假設(shè)飽和人工濕地填料電阻率是各向同性的。

如果人工濕地發(fā)生堵塞，堵塞體的電阻率與人工濕地飽和填料背景電阻率值不同，在堵塞區(qū)域附近，電極裝置周圍的介質(zhì)是一個(gè)電性不均勻體，測量得到的視電阻率值與飽和填料背景電阻率值不同。因此，在人工濕地探測堵塞探測中，主要影響因素還是人工濕地床體高阻邊界。如果不考慮高阻邊界，未堵塞的人工濕地電阻率值認(rèn)為是近似均勻各向同性的。

此外，對(duì)于視電阻率的計(jì)算方面，采用半空間的視電阻率計(jì)算公式計(jì)算得到的視電阻率，除了邊界附近存在較小的誤差外，其他區(qū)域誤差相對(duì)較小。因此，可以采用半空間的視電阻率計(jì)算公式計(jì)算視電阻率。

實(shí)際中使用的電阻率法探測人工濕地堵塞還存在一個(gè)比較嚴(yán)重的障礙，實(shí)際人工濕地中堵塞區(qū)域與未堵塞的濕地床體對(duì)電阻率起關(guān)鍵控制作用的是填料之間的溶液，所以堵塞區(qū)域的電阻率比未堵塞的濕地床體電阻率高出的數(shù)值是有限的，很難滿足電阻率探測中要求的有較大電阻率差異的條件。為了能在實(shí)際人工濕地中利用電阻率法準(zhǔn)確和有效地實(shí)現(xiàn)堵塞區(qū)域的探測和定位，可以通過在人工濕地中添加電解質(zhì)溶液(NaCl溶液)的方法來提高堵塞區(qū)域和未堵塞區(qū)域的電阻率差異，使堵塞區(qū)域相對(duì)電阻率提高，突出堵塞區(qū)域的高阻特征，以達(dá)到堵塞區(qū)域的定位探測目的。

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)地面高密度電阻率法實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)采用水槽模擬方式進(jìn)行，水槽的長、寬、高分別為146 cm、119 cm和102 cm，儀器使用WDJD-2高密度電阻率測量系統(tǒng)，自制水平高密度電極板(如圖2)，飽和細(xì)沙作為高阻模型。測量裝置采用對(duì)稱四極裝置(施倫貝爾裝置)，水平高密度電極板實(shí)接電極數(shù)為30，電極間距5 cm，滾動(dòng)數(shù)為27，剖面數(shù)為14，測點(diǎn)數(shù)為196個(gè)。測量和測點(diǎn)布線為了避開水槽邊界的影響，布置在y=50 cm處，測量選擇電極間距為5 cm、電極個(gè)數(shù)30個(gè)。高阻體直徑分別為5 cm、10 cm的近球狀模型體，以水槽下方角點(diǎn)設(shè)定為坐標(biāo)原點(diǎn)，高阻體平面坐標(biāo)為(x=72.5 cm、y=50 cm)。高阻體設(shè)計(jì)了4個(gè)不同的頂部埋深(模型體頂部到水面的距離)分別為h=0.5 cm、2 cm、4 cm、10 cm進(jìn)行測量，對(duì)應(yīng)的R(高阻體頂部埋深/電極間距)=0.1、0.4、0.8、2；

圖2 自制對(duì)稱四極跑極方式示意圖Fig.2 Self-made schematic diagram of symmetrical quadrupole pole-running mode

2)提高人工濕地系統(tǒng)電阻率差異實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)采用水槽模擬方式進(jìn)行，水槽的長、寬、高分別為56.5 cm、36.7 cm和32.4 cm，儀器使用WDDS-1型數(shù)字電阻率儀，12 V直流蓄電池，2～4目和6～10目混合粒徑石英砂，導(dǎo)線若干，自來水，NaCl碘鹽，1 L燒杯，玻璃棒。測量裝置采用對(duì)稱四極裝置(施倫貝爾裝置)。通過配置濃度分別為0、1、5、10、20、40、60、80、100、200、400、600、800、1 000、2 000 mg/L的NaCl溶液，依次把不同濃度NaCl溶液裝進(jìn)物流箱，體積為物流箱容積的一半以上，然后用原位法測定各種濃度NaCl溶液的電阻率；其次將石英砂裝入物流箱中，體積為物流箱體積的一半，依次配置濃度為0、10、20、30、40、60、80、100、120、140、160、180、200、240、280、320、360、400、450、500、550、600、650和700 mg/L的NaCl溶液，測量時(shí)分別倒入石英砂中，用WDDS-1型數(shù)字電阻率測定其電阻率。在物流箱中長短邊分別設(shè)計(jì)了兩條相互垂直的線進(jìn)行測量，每條線進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并最終取平均值作為介質(zhì)的電阻率。

3 結(jié)果與討論

3.1 提高人工濕地系統(tǒng)電阻率差異實(shí)驗(yàn)

1)不同濃度NaCl溶液測定結(jié)果與分析

測定的不同濃度NaCl溶液時(shí)得到的電阻率曲線如圖3所示，NaCl溶液的電阻率隨濃度呈冪函數(shù)變化，且電阻率曲線變化可以分為快速降低區(qū)(0～400 mg/L)、緩慢降低區(qū)(400～1 000 mg/L)和基本平穩(wěn)區(qū)(>1 000 mg/L)。因此，如果想添加NaCl來改變自來水中電阻率的話，添加區(qū)域應(yīng)該選擇在快速降低區(qū)，這樣不但能減少NaCl的加入量，而且可以快速實(shí)現(xiàn)降低溶液電阻率的目的。

圖3 不同濃度NaCl溶液的電阻率曲線Fig.3 Resistivity curves of NaCl solutions with different concentrations

2) 加入NaCl溶液的石英砂電阻率測定結(jié)果與分析

測定的加入不同濃度NaCl溶液的飽和石英砂填料時(shí)得到的電阻率曲線如圖4所示。從圖中以看出,加入不同濃度NaCl溶液的飽和石英砂填料電阻率近似呈冪函數(shù)變化，電阻率曲線變化規(guī)律基本同圖3,不同濃度NaCl溶液的電阻率變化規(guī)律一致。其中未加NaCl溶液(NaCl濃度0 mg/L)的飽和填料電阻率為190 Ω·m ，當(dāng)加入濃度為80 mg/L的NaCl溶液時(shí),石英砂填料電阻率為96 Ω·m，達(dá)到2倍電阻率差異。

圖4 加入不同濃度NaCl溶液的飽和石英砂電阻率曲線Fig.4 Resistivity curve of saturated quartz sand with different concentrations of NaCl solution

從以上的分析可以得出，通過在人工濕地中添加電解質(zhì)溶液(NaCl溶液)的方法來提高堵塞區(qū)域和未堵塞區(qū)域的電阻率差異，以實(shí)現(xiàn)人工濕地堵塞區(qū)域的探測和定位的目的是可行的。

3.2 視電阻率斷面圖分析

通過地面高密度電阻率法方法，根據(jù)設(shè)計(jì)的測點(diǎn)、電極間距和高阻體大小，測量整個(gè)設(shè)計(jì)測量范圍內(nèi)的二維數(shù)據(jù)。測點(diǎn)布設(shè)的高密度電極系統(tǒng)測量了不同高阻體大小和不同高阻體埋深的視電阻率數(shù)據(jù)，通過分別提取所有測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)分別組成二維斷面數(shù)據(jù)并繪制二維斷面視電阻率斷面等值線圖，根據(jù)視電阻率斷面等值線圖的特征可以對(duì)堵塞區(qū)域進(jìn)行分析定位。

圖5為離高阻異常體20 cm左右測線的視電阻率斷面等值線圖，從圖上可以看出，視電阻率除了下部區(qū)域受底部邊界和裝置系數(shù)變化引起的層狀高阻異常外，并不存在其他高阻異常特征，可以視其為背景空白值。

圖6為當(dāng)放置高阻體直徑為5 cm時(shí)的視電阻率斷面等值線圖。通過視電阻率斷面與空白模型視電阻率斷面對(duì)比，除下部區(qū)域受底部邊界和裝置系數(shù)變化引起的層狀高阻異常外，由圖6(a)和圖6(b)中可以看出，當(dāng)R=0.1和0.4時(shí)，探測效果較好，在異常體位置出現(xiàn)較明顯的高阻異常；由圖6(c)中可以看出，當(dāng)R=0.8時(shí)，探測效果變?nèi)?，異常體位置異常較微弱；由圖6(d)中可以看出，當(dāng)R>0.8時(shí)，視電阻率斷面與空白模型并無太大區(qū)別。R值越小，異常越明顯，但該異常也僅能定位高阻體的水平位置，對(duì)于垂向空間位置無法精確定位。

圖6 直徑5 cm高阻體視電阻率斷面等值線Fig.6 Contour map of apparent resistivity section of high resistance body with a diameter of 5 cm

圖7為當(dāng)放置高阻體直徑為10 cm時(shí)的視電阻率斷面等值線圖。通過視電阻率斷面與空白模型視電阻率斷面對(duì)比，除下部區(qū)域受底部邊界和裝置系數(shù)變化引起的層狀高阻異常外，由圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)中可以看出,當(dāng)R=0.1、0.4和0.8時(shí)，探測效果較好,在異常體位置出現(xiàn)較明顯的高阻異常，直徑10 cm的高阻體要比直徑5 cm的高阻體探測效果要好；由圖7(d) 中可以看出,當(dāng)R=2.0時(shí)，異常體位置異常較微弱，視電阻率斷面與空白模型并無太大區(qū)別。高阻異常體尺寸越大，異常越明顯，但該異常也僅能定位高阻體的水平位置，對(duì)于垂向空間位置無法精確定位。

圖7 直徑10 cm高阻體視電阻率斷面等值線Fig.7 Contour map of apparent resistivity section of high resistance body with a diameter of 10 cm

從以上的分析可以得出，對(duì)于潛流人工濕地，當(dāng)高阻異常體尺寸越大，探測效果越明顯；高阻異常體頂部埋深與電極間距的比值越小，探測效果越明顯。為了探測和定位埋深較大的高阻體，需要適當(dāng)增大電極間距或者增大高阻體與背景電阻率的差異。其中根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，視電阻率斷面對(duì)高阻區(qū)域的水平位置定位較準(zhǔn)確，而對(duì)垂向空間位置定位效果較差。

另外，對(duì)于人工濕地工程實(shí)例來說，水飽和人工濕地未堵塞區(qū)域和堵塞區(qū)域的電阻率差異不是很大，不能保證有較好的探測效果?？梢酝ㄟ^在人工濕地中加入電解質(zhì)溶液的方法來強(qiáng)化人工濕地未堵塞區(qū)域和堵塞區(qū)域的電阻率差異[20]，從而提升人工濕地堵塞區(qū)域探測精度和探測效果。

3.2 視電阻率斷面數(shù)據(jù)反演

通過對(duì)視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理，將視電阻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮杪蕯?shù)據(jù)，消除裝置系數(shù)變化對(duì)數(shù)據(jù)解釋造成的干擾，使垂向空間分辨率精度變高，可以提高地面高密度電阻率法的探測和定位效果。此次反演實(shí)驗(yàn)以5 cm和10 cm直徑的高阻體為例。反演軟件使用的是瑞典的RES2DINV直流電阻率反演軟件[21]。

圖8為直徑5 cm高阻體反演電阻率斷面等值線圖，從組圖中可以看出，當(dāng)R取0.1～2.0時(shí)，所有的電阻率剖面上都能基本反演出高阻體的空間位置；但在R>0.8的電阻率斷面上，高阻體底部邊界比實(shí)際略淺，反演精度不高，但相比依據(jù)視電阻率進(jìn)行解釋更加精確，其中反演電阻率斷面上橫向高阻區(qū)域比實(shí)際略寬，并且部分剖面還會(huì)出現(xiàn)一些小的假異常。反演后的電阻率斷面在高阻體下方都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大區(qū)域的低阻異常區(qū)，這主要是由于底部高阻邊界影響造成的，在實(shí)測數(shù)據(jù)解釋時(shí)，要特別注意這個(gè)特征，以免出現(xiàn)解釋錯(cuò)誤。通過結(jié)合視電阻率斷面在橫向空間上的精確定位，就可以很精確地探測和定位高阻體的空間位置。

圖8 直徑5 cm高阻體反演電阻率斷面等值線Fig.8 Inversion resistivity section contour map of a 5 cm diameter high resistance body

圖9為直徑10 cm高阻體反演電阻率斷面等值線圖，從組圖中可以看出反演得出的結(jié)論與直徑5 cm高阻體的反演結(jié)果基本一樣，但在R<0.8的斷面上，直徑10 cm高阻體的反演結(jié)果要比直徑5 cm高阻體的反演結(jié)果更加精確，特別是異常中心封閉的高阻區(qū)域電阻率值更接近高阻模型體的電阻率值，所以對(duì)于較大堵塞區(qū)域更容易實(shí)現(xiàn)定位探測。

圖9 直徑10 cm高阻體反演電阻率斷面等值線Fig.9 Inversion resistivity section contour map of a 10 cm diameter high resistance body

從以上的分析可以得出,對(duì)于潛流人工濕地，地面高密度電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行反演后的電阻率斷面在高阻體下方都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大區(qū)域的低阻異常區(qū)，這主要是由于底部高阻邊界影響造成的，在實(shí)測數(shù)據(jù)解釋時(shí)，要注意這個(gè)特征，以免出現(xiàn)解釋錯(cuò)誤。反演得到的視電阻率斷面對(duì)異常體的空間定位比視電阻率斷面效果更好，特別是在垂向空間上的定位，通過結(jié)合視電阻率斷面在橫向空間上的精確定位，就可以很精確地探測和定位高阻體的空間位置。通過視電阻率斷面等值線圖和反演的電阻率等值線圖進(jìn)行聯(lián)合解釋，可以很精確地探測和定位高阻體的空間位置。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)潛流人工濕地結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，使用地面高密度電阻率法對(duì)人工濕地堵塞模型進(jìn)行了探測實(shí)驗(yàn)，并且進(jìn)行了提高人工濕地系統(tǒng)電阻率差異實(shí)驗(yàn)，通過繪制視電阻率斷面等值線和反演電阻率等值線，以及加入NaCl溶液后的電阻率曲線圖，對(duì)探測效果進(jìn)行了討論，得出以下結(jié)論：

1)通過在人工濕地中添加電解質(zhì)溶液(NaCl溶液)的方法來提高堵塞區(qū)域和未堵塞區(qū)域的電阻率差異，以實(shí)現(xiàn)人工濕地堵塞區(qū)域的探測和定位的目的是可行的。

2)地面高密度電阻率方法能夠較好地探測和定位人工濕地高阻堵塞區(qū)域，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)高阻異常體尺寸越大、高阻異常體頂部埋深與電極間距的比值越小，探測效果越明顯。

3)地面高密度電阻率法的視電阻率斷面對(duì)高阻堵塞區(qū)域的水平位置定位較準(zhǔn)確，但對(duì)垂向空間位置定位效果較差，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得到的電阻率斷面對(duì)異常體的空間定位比視電阻率斷面效果更好，特別是在垂向空間上的定位。

4)對(duì)于人工濕地堵塞探測的數(shù)據(jù)處理來說，綜合利用視電阻率斷面等值線圖和反演的電阻率斷面等值線圖，可以更準(zhǔn)確地探測和定位高阻堵塞區(qū)的空間位置。