基于地质雷达信号波的土壤重金属污染探测方法研究

发布时间：2020-05-22 14:06

【摘要】：土壤重金属污染问题已成为世界性的环境问题。土壤中的重金属污染具有持续时间长,残留毒性强,短期内难以恢复的特点,不仅影响植物生长,而且会通过食物链进入动物和人体内部,从而导致人类健康受到严重威胁。虽然传统的检测方法精准度较高,但其检测方法复杂、操作繁琐,导致检测时间较长,并且容易产生二次污染。然而,一些新型的检测方法还未得到推广,很难满足环境监测的需求,因此急需探索一种简单高效、方便快捷、准确度高、成本较低的重金属检测方法。本文以国家自然科学基金面上项目:小流域尺度上包气带水分运动参数与探地雷达信号的耦合过程研究(41372260)为依托,在室内实验和野外取样原位探测的基础上,分析在不同土、重金属种类和含水率下介电常数的变化规律,研究介电常数与重金属污染特征的关系,在此基础上研究地质雷达信号波与重金属污染的关系,构建重金属污染浓度与电磁波振幅属性之间的特征函数,并在济源市开展原位探测进行应用,为建立重金属污染浓度与电磁波振幅属性之间的关系模型提供理论依据,并对土壤环境保护以及探测、治理和修复土壤重金属污染具有重要意义。本文在大量试验和理论探索的基础上,取得了以下主要结论:(1)土壤介质与介电常数关系无污染条件下,当含水率高于15%时,在粉质黏土、粉土、粉砂、细砂和中砂五种介质中,介电常数的变化规律为:粉质黏土粉土粉砂细砂中砂,表明细颗粒土壤对介电特性影响比粗颗粒土壤的影响要大。(2)含水率、重金属浓度与介电常数关系当含水率低于5%时,Cd、Pb污染对中砂介质的介电特性影响不明显;在粉质黏土和粉土介质中,当含水率高于20%时,Cd、Pb污染对粉质黏土、粉土介质的介电特性影响十分显著,并且重金属Cd、Pb浓度越高,对粉质黏土、粉土介质的介电特性影响越明显;在粉砂、细砂、中砂介质中,当含水率高于15%时,Cd、Pb污染对粉砂、细砂、中砂介质的介电特性影响十分显著,并且重金属Cd、Pb浓度越高,对粉砂、细砂、中砂介质的介电特性影响越明显。在粉质黏土介质中,当含水率低于20%,重金属浓度的变化对土样的介电常数影响不大。当含水率高于20%,且Pb、Cd浓度分别高于200 mg/kg、1.3 mg/kg时,浓度对介电常数影响较为明显,随着重金属浓度增大,介电常数呈现增大的趋势。当含水率接近30%,且Pb、Cd浓度分别高于200 mg/kg、1.3 mg/kg时,介电常数达到最大值。土壤的介电常数受到含水率、重金属污染浓度和土壤颗粒三者的共同影响,当含水率较高时,土壤介质颗粒越细,其介电常数对重金属污染浓度的变化越敏感。(3)电磁波属性与重金属浓度的关系均方根振幅和平均绝对值振幅趋势线的相关性系数较高,达到0.7和0.8329,均方根振幅在浓度为250mg/kg到300mg/kg的范围内一直在2000到3000之间上下波动,在浓度为50mg/kg到100mg/kg的范围在1000左右,平均绝对值振幅和均方根振幅图形相似,同样是浓度为50mg/kg到100mg/kg,振幅减小。因此,均方根振幅和平均绝对值振幅这两种电磁波属性对地质雷达随浓度变化的反应最为敏感。(4)通过利用编制的地质雷达电磁波属性分析处理软件提取振幅数据,并构建重金属污染浓度与电磁波振幅属性之间特征函数。通过利用地质雷达信号波与重金属污染的关系函数计算出重金属浓度。经过对比,重金属浓度与实测重金属浓度吻合程度较好。因此,可以通过平均绝对值振幅属性变化规律预测出实际重金属浓度变化规律。
【图文】：

示意图,测试原理,介电常数,示意图

图 2-2 介电常数测试原理示意图Fig. 2-2 Principle of dielectric constant test达探测方法探测的方法分为 3 种，包括多偏移距反射法、固定距离方法利用雷达波的旅行时间推算出速度，再通过速度推距反射法心点法法(Common Midpoint)是通过固定两个天线的一个中心，向移动。共中心点法在介质中传播的路径如图 2-3 所示线， r 代表接收天线。

示意图,介质制备,过程,示意图

图 3-3 介质制备过程示意图Fig.3-3 Schematic diagram of media preparation3.5 测试方法3.5.1 含水率测量本试验使用电热恒温干燥箱，选取传统的烘干法测量含水率。首先，将采回的扰动土置于瓷盘中放入电热恒温干燥箱中，烘干时间达 12 小时以上并设定温度为 105℃，然后用振筛机和筛网对烘干后的土进行筛分，得到纯度较高的五种介质，即粉土、粉质黏土、粉砂、细砂、中砂，再将盛装介质土样的容器进行称重并记录，烘干后的介质土样装入容器后再次称重记录，减去容器质量，即为土样的质量，，并依此计算出配制不同含水率土样所需的蒸馏水的质量。最后，在测定介电常数后，取出干净样本盒称重记录，装入试验样本后再次称重记录，并放入电热恒温干燥箱烘干，烘干后再次称重，即可根据以上数据通过以下公式得到
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X833

【参考文献】