锌污染土壤探地雷达反射波属性特征研究.pdf

分类号 X825 密级UDC 502专业学位硕士学位论文锌污染土壤探地雷达反射波属性 特征研究专业学位名称 工程硕士（建筑与土木工程领域）锌污染土壤探地雷达反射波属性特征研究摘要当前我国土壤的重金属污染问题十分严峻，我们亟待研究出一种能够 快速、大面积检测土壤重金属污染情况的方法，而探地雷达作为一种操作简 便有效的地球物理方法，在该领域的应用研究具有很大潜力。本文在广泛搜 集重金属污染相关资料及前往尾矿库现场实地调研的基础上，利用室内模 型试验和数值分析等手段，研究了锌污染土壤的探地雷达反射波信号属性 特征，并分析了土壤中锌离子浓度与复介电常数之间的关系，本文研究成果 对利用探地雷达进行土壤重金属污染检测具有一定的借鉴意义。本文主要研究内容及结论如下：(1)在广泛搜集土壤重金属污染相关资料及在尾矿库现场调研取样的 基础上，设计锌污染土壤室内模型试验，研发出一套制备探地雷达法污染土 壤检测模拟试验土样的装置，利用单一变量控制法制作不同锌离子浓度、不 同土壤湿密度和不同土壤含水率的土样模型，采用剖面法获取其相应的探 地雷达数据。(2)利用探地雷达信号属性分析技术，分别探究了锌离子浓度、土壤 湿密度和土壤含水率三种单一变量与雷达波波速、反射波振幅属性、频谱属 性和时频属性之间的关系。分析结果表明：锌离子浓度对污染土壤雷达波波 速影响较小，而雷达波波速分别随着锌污染土壤湿密度和含水率的增大而 降低；反射波峰值振幅随着锌离子浓度、湿密度和含水率的增大而减小；反 射波傅里叶变换频谱与广义S变换的单一时刻频谱规律一致，即峰值频率 随着锌离子浓度、湿密度和含水率的增大而减小。(3)为从机理上解释验证上述规律，采用矢量网络分析仪测试不同锌 离子浓度土壤的复介电常数，结果表明：当其他条件一致时，锌离子含量变 化对土壤复介电常数实部影响较小，而虚部数值则随着锌离子浓度的增加 而变大，从而解释了探地雷达反射波属性特征上所表现出的随着锌离子浓 度增加导致峰值振幅变小、高频成分衰减的规律。关键词：锌污染土 检测 探地雷达 属性特征 复介电常数RESEARCH ON ATTRIBUTE CHARACTERISTICS OFGROUND PENETRATING RADAR REFLECTED WAVE INZINC CONTAMINATED SOILABSTRACTAt present,it is very serious of heavy metal contamination in China.We urgently need to develop a rapid and large-scale method to detect heavy metal contamination in soil.As a simple and effective geophysical method,ground penetrating radar(GPR)has great potential for application in this field.Based on the extensive collection of heavy metal contamination data and the investigation of tailings ponds,the attribute characteristics of ground penetrating radar(GPR)reflected waves in zinc-contaminated soils are researched by means of indoor model tests and numerical analysis,and the relationship between Zn2+concentration and complex dielectric constant is analyzed.The research results in this dissertation are of reference significance fbr using GPR to detect heavy metal contaminated soil.The main contents and conclusions of this dissertation are as follows:(1)Indoor model tests of zinc contaminated soil were designed on the basis of extensive collection of heavy metal contaminated soil data and field investigation and sampling in tailings pond.A device of preparing simulated soil samples for detection of contaminated soil by GPR is developed.Soil samples with different Zn2+concentration,different soil wet density and different soil moisture content were made by single variable control method.The corresponding GPR data were obtained by the section method.(2)By using the signal attribute analysis technique of ground penetrating radar(GPR),the relationship between the three single variables of Zn2+concentration,soil wet density,soil moisture content and radar wave velocity,hireflected wave amplitude,spectrum and time-frequency attributes was researched.The analysis results show that:Zn2+concentration had little effect on radar wave velocity of contaminated soil,but radar wave velocity decreased with the increase of wet density and moisture content of contaminated soil respectively.The peak amplitude of reflected wave decreases with the increase of Zn2+concentration,wet density and moisture content.The reflected wave Fourier Transform spectrum is consistent with the Generalized S Transform spectrum at a single time,that is,the peak frequency decreases with the increase of Zn2+concentration,wet density and moisture content.(3)The complex dielectric constant of soil with different Zn2+concentration was measured by vector network analyzer in order to explain and verify the above rules from the mechanism.The results show that:When other conditions are consistent,the change of Zn2+content has little effect on the real part of soil complex dielectric constant,while the imaginary part value increases with the increase of Zn2+concentration,which explains the attribute characteristics rule of GPR reflected wave,such as the peak amplitude decreases and the attenuation of high frequency components with the increase of Zn2+concentration.KEY WORDS:Zinc Contaminated Soil;Detection;Ground Penetrating Radar(GPR);Attribute Characteristics;Complex Dielectric Constantrv目录摘要.IABSTRACT.Ill第一章绪论.11.1 选题依据与研究意义.11.2 国内外研究现状.3121探地雷达应用研究现状.3122探地雷达环境污染检测领域研究现状.41.2.3探地雷达污染检测研究存在的问题.81.3 主要研究内容及创新点.91.3.1 主要研究内容.91.3.2 主要创新点.10第二章探地雷达原理与属性分析方法.112.1 引言.112.2 探地雷达基本原理.112.2.1 电磁波基本理论.112.2.2 探地雷达工作原理.132.3 探地雷达探测方式.172.3.1 反射式探测.172.3.2 透射式探测.182.3.3 折射式探测.192.4 探地雷达属性分析方法.202.4.1 振幅类属性.20242频谱统计类属性.222.4.3 时频分布属性.242.5 本章小结.28第三章锌污染土模型试验及探地雷达数据采集.293.1 引言.293.2 尾矿库现场调研取样情况.293.3 锌污染土模型试验方案设计.32v3.3.1 模型试验目的.323.3.2 模型试验土壤材料选取.323.3.3 试验土块尺寸设计.333.3.4 试验土块压制模具设计.343.4 试验土块变量设计.353.5 试验土块制作方法及流程.373.6 探地雷达数据采集.413.6.1 探地雷达系统介绍.413.6.2 采集参数设置.423.6.3 测试探地雷达天线实际中心频率.433.6.4 不同土块探地雷达原始数据图像.443.7 本章小结.46第四章模型试验数据探地雷达属性特征分析.484.1 探地雷达数据预处理.484.2 分析GPR天线实际中心频率.504.3 不同锌离子浓度污染土块数据分析.514.3.1 雷达波波速分析.524.3.2 振幅类属性分析.534.3.3 频谱属性分析.554.3.4 时频属性分析.574.4 不同湿密度污染土块数据分析.604.4.1 雷达波波速分析.614.4.2 振幅类属性分析.624.4.3 频谱属性分析.644.4.4 时频属性分析.654.5 不同含水率污染土块数据分析.674.5.1 雷达波波速分析.684.5.2 振幅类属性分析.694.5.3 频谱属性分析.714.5.4 时频属性分析.724.6 基于矢量网络分析仪的复介电常数测试.744.7 本章小结.77第五章主要结论与展望.79VI5.1 主要结论.795.2 展望.80参考文献.81致谢.85攻读学位期间参与的科研项目及取得的科研成果.86VII广西大学工程硕士学位论文锌污染土壤探地 雷 达反射波属 性将征研究第一章绪论1.1 选题依据与研究意义土壤作为一种重要的自然资源，是人类赖以生存和发展的物质基础。近年来，中国 经济迅猛发展，但随着人们的各种经济生产活动，使重金属元素等有毒、有害物质不断 渗入土壤，我国的土壤重金属污染问题日益严重重金属是指比重大于5的金属元素，在环境污染研究领域所研究的重金属元素主要指镉、铅、锌、铝等生物毒性显著的元素。广西壮族自治区地处祖国西南部，国土面积23.76万平方千米。其中耕地面积443.1 万公顷，园地面积110.3万公顷，林地面积1334.9万公顷，草地面积112.5万公顷，城 镇村及工矿用地面积82.5万公顷。广西壮族自治区现已查明资源储量的矿产有93种，约占全国已查明资源总量矿种的45.75%。广西矿产资源丰富、种类繁多、储量较大，素 有“有色金属之乡”的别称，伸、锡、铝、钮、镒等矿藏储量位居全国前列。矿产开发 业是广西的主要产业之一，矿产工业总产值占全区工业总产值的18.86%。“十一五”广西壮族自治区匕壤污染状况调查结果表叨，广西上壤特点上要表现为:一是大多数土壤呈酸性，并且上壤的养分含量比较低；一是I：壤的旗金属背景值较高,有色金属成矿带是导致上壤重金属背景值较高的天然原因；三是七壤污染分布不均匀,以重金属污染为主，受矿产开发经济活动的影响，矿业集中区污染企业和矿区周边土壤 所受重金属污染的程度较大，主要超标重金属元素依次为镉、神、镒、铭、银、铅、锌、铜等，沿海地区则因工业起步晚，土壤基本未受污染，仍处在土壤背景值水平。广西壮族自治区的地貌总体为山地丘陵性盆地，可耕地面积稀少，仅占全区土地总 面积的11.04%,据有关统计，广西受污染的农田已达2.67万平方千米，占水田面积的 1.76%,由此可见广西的土壤污染问题相当严重，尤其是矿产资源的开发和冶炼带来的 重金属污染问题十分突出。因此，我们需要坚持进行大范围的土壤污染调查及整治工作。近年来土壤重金属污染问题也得到了广西有关部门的高度重视，在广西环境保护 和生态建设“十三五”规划中列出了四项“土壤环境治理与修复”、四项“重金属污染 治理”环境保护重点项目，总投资422738.89万元。广西大学工程硕士学位论文锌污染土壤探地雷达反射波属性特征研究图1-1某重金属污染区域Fig.1-1 A heavy metal contaminated area在制定污染区域的环境处理方案时，需要准确划定污染区域的范围并了解污染程度,这就要求对污染区域先进行定性和定量检测。目前土壤污染检测普遍采用的是化学检测 方法，但是这类方法不仅成本较高，费时费力，还存在以下问题：（1）通过打井、土壤 表层取样和地下钻芯取样等方式收集到的环境样品数量有限，且污染物可能随着地下水 迁移，所以每个样品的检测结果只代表其附近区域的污染情况，很难根据检测结果准确 地划定大面积的污染范围及确定各处的污染程度；（2）当污染面积较大或污染区域取样 条件复杂时，会使样品的采集变得非常困难。因此，目前急需研究出除传统化学检测之 外的方法以弥补现有方法的不足。探地雷达（Ground Penetrating Radar,GPR）,或称地质雷达，是一种用于确定地下 介质分布的广谱电磁技术方法。在过去几十年中，探地雷达的应用呈现出多样化特征叫 在诸如地下水污染检测、工程地质检测、沉积物探测、冰川探测和考古探测等多方面的 成功应用，使得探地雷达在地球物理探测领域和土木工程、环境工程等领域的应用研究 迅速发展。随着经济社会的不断发展，由尾矿库溃坝、垃圾处理厂渗漏、加油站泄露和其他社 会生产过程所引起的土壤及地下水污染已经成为一个严重的社会问题，包括探地雷达在 内的许多地球物理探测方法在确定这些污染场地特性方面发挥着重要作用。对污染区域 提出整治方案需要获得污染物在地下的分布情况以及地下的地质情况等先验知识，鉴于 前面所述的原因，探地雷达等非破坏性的大面积检测方法被逐渐运用，以分析污染区域 的特征，提供其整体平均特性，进而辅助验证由钻孔采样等传统方法获得的局部测量结 2广西大学工程硕士学位论文锌污染土壤探地雷达反射波属性特征研究果。基于以上认识，本文在广西自然科学基金青年项目”基于探地雷达谱属性的污染土 壤介质参数反演及污染程度检测”（项目编号：2017GXNSFBA198199）的资助下，结合 广西某铅锌矿尾矿库实际工程情况，开展了利用探地雷达检测室内锌污染土模型的试验 研究。本文通过开展室内锌污染土壤模型试验，模拟不同锌元素污染浓度、不同土壤湿 密度和不同土壤含水率的锌污染土壤，并获取其探地雷达信号数据，分析了不同情况下 的锌污染土壤探地雷达信号属性特征。本文的研究成果对利用探地雷达进行重金属污染 土壤区域的大面积检测具有一定的理论和实践意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 探地雷达应用研究现状探地雷达的发展历史最远可追溯到20世纪初期。1910年，G.Letmbach与H.Lowy 在某项专利文件中首次阐明了探地雷达的构想。1926年，Hiilsenbeck在其研究中注意 到，不仅是电导率，任何物质介电特性的改变均会使电磁波发生反射，他首次确定了电 磁反射波与地下媒质之间的关系，为探地雷达系统在技术原理上奠定了基础久19世纪 60年代，Cook设计出冲击脉冲雷达系统：该系统会向地下发射窄脉冲，该脉冲拥有相 当大的宽频带，因此不仅能减弱地下电磁波损耗介质的吸收效果，还能够提升分辨率。然而因为地下损耗介质的电磁波衰减性质比空气更强，并且电磁波在地下损耗介质中的 传播情况更为杂乱，所以在20世纪60年代这类方法只能用于研究对电磁波耗损不大的 地层环境之中比如在1961年，Waite即利用机载雷达对冰层进行了探测。20世纪70年代以后，探地雷达系统开始逐渐进入商用市场。Annan与Coswa严 对探地雷达系统的数据采集功能和天线频率的选取进行了深入研究。1985年，美国工程 师使用脉冲雷达技术探测纽约市地铁隧道的工程结构，结果表明该雷达能够穿过6到8 层、厚度在28至31厘米的砖层，并且可以发现混凝土地板下面的空洞。1994年，美国 GSSI公司研制出SIR系列探地雷达，该雷达能够应用于路面检测。日本JRC公司在20 世纪90年代也研制出各种雷达检测系统，可用于检测混凝土内部的缺陷口】。时至今日，探地雷达的使用范围已经囊括了建筑工程、桥梁工程、隧道工程、环境工程、市政工程、3广西大学工程硕士学位论文锌污染土壤探地雷达反射波属性特征研究地雷探测等诸多领域。目前得益于硬件水平的提高与数字信号处理技术的发展，探地雷达技术在许多领域 都取得了令人瞩目的成果。而探地雷达作为一种能实现快速、无损检测的浅埋目标探测 技术，在进行大面积污染土壤检测方面具有突出优势，运用探地雷达技术进行土壤污染 检测是目前国内外众多研究者重点研究的方向。1.2.2 探地雷达环境污染检测领域研究现状利用探地雷达研究污染土壤的理论基础是污染物的侵入会造成地下介质的复介电 常数和电导率等电性参数发生改变，而这些参数的变化又会体现在探地雷达回波的谱属 性上，通过分析探地雷达回波的谱属性变化，就可以分析土壤介质的受污染情况。影响 分析结果准确性的主要因素有两个，一是能否准确求取地下介质参数，二是介质参数与 污染物之间建立的关系是否正确。根据所查阅到的学术研究资料表明，目前利用探地雷达所进行的环境污染检测研究 主要分布在两个领域：第一个领域是探测土壤与地下水所受的有机类污染刈，第二个 领域是探测城市垃圾场附近区域的土壤与地下水污染3-26。国内外已有研究资料显示，通过探地雷达反射波变化确定土壤污染区域时空分布特征的研究已取得较大进展2刀，并 在检测土壤有机污染和垃圾填埋场附近土壤污染两个领域的实际应用中取得了良好效 果。国外在利用探地雷达检测土壤有机污染的研究方面做了许多有益的工作。美国学者 Babcock等28通过人工控制将非水相流体(DNAPL)污染物注入饱和砂土及粘土系统内，在实验室中测量探地雷达能量的偏移(AVO)响应与该非水相流体污染物之间的幅度变 化关系，实验表明，当污染物层厚度与主频率处的信号波长近似时，可以诱发AVO异 常。美国研究人员Glaser等【29】针对目前生物燃料(如乙醇)替代化石燃料在市场上变得 越来越普遍，并且很可能发生与目前化石燃料储存过程中相似的意外泄漏现象问题，运 用室内砂箱试验和数值模拟的手段，研究了利用探地雷达检测砂箱中乙醇泄漏的可能性,证实了运用探地雷达检测在不同饱和度水平砂基质中的乙醇泄漏是可能的。Bano等国 通过将水注入砂箱模拟一个地下含水层模型，并在其中注入有机类污染物，运用900 MHz和1200 MHz的屏蔽天线进行共中心点法(CMP)和恒定偏移(CO)剖面法的探 地雷达测量，并利用时域有限差分法(FDTD)数值建模与介电常数混合模型估算污染 4广西大学工程硕士学位论文锌污染土攘探地雷达反射波属性特征研究砂体的体积与物理特性。巴西研究人员Lima等即利用谱激发极化法和地质雷达相结合 的方法，查证了巴西某石油化工公司因DNAPL污染物渗漏而造成的污染物残留处，并 在文中说明经过处理的探地雷达剖面能够描述潜水面起伏的情况，并能够描述流经上部 潜水带层的污染羽前锋形态。巴西里约热内卢天主大学Osterreicher-Cunha等13刃进行了 石油类有机污染物在热带非饱和土壤中传输降解原理的研究，并且评估了探地雷达等地 球物理检测手段在石油类有机物污染区域的应用情况。Pettersson等四在某南极科考站,利用探地雷达和水平线圈磁法仪研究了如何通过无损地球物理勘测手段检测非水相流 体泄漏污染的范围。Atekwana等网利用地质雷达法、电磁法等地球物理勘测手段研究 了长期遭受有机污染物泄漏地层，获取了有机污染物分布情况及其与所得地球物理信号 之间的规律。由上述分析可知，国外研究人员在利用探地雷达检测土壤有机污染方面取得了不少 成果，但是在他们的研究工作中比较重视探地雷达方法在具体应用情况下的可行性研究 与机理分析，并没有形成一套有效的系统性应用方法，这使得探地雷达方法在检测土壤 有机污染方面的应用范围还没有得到有效扩展。国内研究人员对于利用探地雷达进行有机污染检测的研究也取得了很大进展。在国 内关于该领域的基础研究方面，吉林大学王妓等135】在遭受轻非水相流体(LNAPL)污染 土壤的检测研究中运用了探地雷达天线-目标极化瞬时属性分析方法，通过对预处理后 包含天线-目标极化特征的信息进行瞬时属性分析，证明了 LNAPL污染范围可以被清晰 地识别，提高了探地雷达的有机污染检测能力。吉林大学史柏语等MM在遭受轻非水相 流体污染土壤的检测研究中运用极化偏移算法，在实验室建立轻非水相流体污染土壤模 型，并对污染土壤模型使用全极化探地雷达系统进行检测，通过重构包含极化特征的信 息并进行成像操作，提高了探地雷达有机污染检测能力。中国海洋大学丁浩网针对地下 油类污染区时空演变不同阶段所表现出的介电特性和探地雷达异常特征，开展实验和正 演模拟研究，分析了不同阶段污染介质遵循的介电模型、探地雷达探测剖面异常特征和 描述评定方法，提高了地下油类污染区探地雷达资料处理的针对性和解译准确度。中国 海洋大学王仙丽网通过对油类污染土壤所得探地雷达典型剖面特征进行系统性总结，利 用反射波法建立介电模型，为利用探地雷达进行土壤油类污染物污染情况的定量化评估 奠定了基础。中国海洋大学侯晓冬4。建立了利用探地雷达对土壤部分类型污染程度进行 5广西大学工程硕士学位论文锌污染土壤探地雷达反射波属性特征研究定量评价的方法，并建立了污染物浓度和土壤介电常数间的量化分析公式。中国海洋大 学郭秀军等41利用探地雷达法、高密度电阻率法等手段对油类污水管道泄漏所造成的污 染土层进行检测，基于异常区布设的钻孔取样分析资料显示，含油污水的侵入会引起地 下粘土层电阻率增高，随着污水侵入量增大，土壤电阻率也会越大，相应位置的探地雷 达图像则表现为低频、高幅特征，研究结果证实了探地雷达等地球物理方法对此类含油 污水污染区探测的适用性。国防科学技术大学李维亮陶结合武警部队油库（站）的安全 管理实际，开展了利用探地雷达对加油站地埋油罐进行泄漏监测的分析研究。而国内在利用探地雷达对土壤有机污染进行检测的应用实例方面：中国地质调查局 南京地质调查中心康晓钧等网运用探地雷达、钻探和化学分析等手段对江苏南部某市A 渗漏加油站进行勘查，结果发现在加油站东北方向探地雷达影像出现强反射异常特征,清楚地显示出污染物或污染晕向下方扩散的特点，表明探地雷达可以用于加油站渗漏污 染探查。贾小菲等M在天津市某化工厂内利用探地雷达对不同污染类型土壤及地下水的 污染状况进行详细调查和相应的雷达剖面图像分析，探讨了探地雷达在风险调查评估中 的应用有效性。王金梅等MJ在天津市部分加油站、化工厂和污水管道等区域利用探地雷 达对不同污染类型土壤及地下水的污染状况进行调查研究，分析其得到的土壤污染特征 图像表明，在污染场地风险调查评估中运用探地雷达技术可以直观地了解场地内地质污 染分布情况。中国轻工业环境保护研究所李培中等网选取北京市西北部地下水埋深相对 较浅的某区域加油站为研究对象，采用高分辨率探地雷达进行实地测试，结果表明除了 识别地下储罐的分布、埋深和相对大小等传统功能外，根据地下不同分层介质的组成差 异和雷达反射剖面图的变化情况，探地雷达还可较为准确地进行浅层土壤有机污染情况 识别和地下水水位埋深判断。杨民等囱为了解江苏省内某化工厂地下有机烧类的污染范 围，分别运用探地雷达法和高密度电阻率法对场地进行测量，得到不同测线的异常特征,圈定出测线上的污染区域，并利用实测数据分析出污染物迁移深度。对比国内研究人员在运用探地雷达法检测土壤有机污染方面所做的研究与应用工 作，其获得的具体成果是值得肯定的，并且部分学者也提出一些定量化的系统性方法。但是如果在利用探地雷达检测实际污染场地的应用实例中能够运用这些定量化方法，并 将所得结果反馈给提出这些方法的研究人员，使他们能对原有方法加以修正，或许将取 得更为合理且有效的研究成果。6广西大学工程硕士学位论文锌污染土壤探地雷达反射波属性特征研究随着我国社会经济水平的稳步提升，日益剧增的城市垃圾已经成为我国不可忽视的 环境问题。在城市垃圾填埋场的整个建设及维护周期中，需要进行大量地下勘查作业,探地雷达技术因其无损性和可靠性等优点，非常适合于垃圾场建设和维护过程中的地下 勘查工作。在国内利用探地雷达进行垃圾场地下勘查的研究工作已取得一定进展，而在 国外关于这方面的应用已相当普及，譬如在德国，探地雷达方法经常运用于和城市垃圾 场维护相关的各种地下勘查工作之中。在进行城市垃圾填埋场建设与维护相关的地下勘查中时，探地雷达的主要用途有以 下几个方面：1、在选址过程中，搭配各种地球物理方法对垃圾场预备建设场区进行地质 环境条件勘查；2、配合其他分类方法对垃圾场的垃圾进行分类；3、估计垃圾污染源的 扩散范围及对周围土壤介质的污染程度；4、圈定垃圾掩埋场分布范围，确定垃圾掩埋深 度及厚度。在关于垃圾填埋场污染物迁移引起的土壤污染调查研究方面，国内外学者也取得不 少成果。巴西研究人员Porsani等在巴西东南部某城市垃圾填埋场中，使用探地雷达技 术确定了因为残余废弃物造成的地下污染区。斯里兰卡研究人员Wijewardana等48使用 探地雷达对斯里兰卡某露天垃圾场垃圾渗滤液所引起的地下水污染情况进行探测研究，并利用GPR Max2D软件对不同污染物水平下的反射波响应进行模拟，其结果证明探地 雷达技术可识别垃圾渗滤液引起的地下水污染羽流。刘敦文等网利用探地雷达圈定某垃圾掩埋场的分布范围，确定了垃圾掩埋深度及厚 度，其研究认为与没有经过扰动的普通围岩相比较，掩埋后的垃圾场GPR信号一般有 三种明显差别特征：第一，杂乱的反射波替换了普通地层上固有的连续反射波信号；第 二，由于垃圾掩埋场中往往会埋藏有非常多散碎状强反射物，GPR信号中会发现很多双 曲线型异常；第三，垃圾掩埋场区域内的电导率往往比普通围岩要高一些，所以在GPR 信号中往往会出现更为强烈的信号衰减情况。程业勋等5。使用GPR技术对北京市某垃 圾填埋场进行污染物泄漏探测研究，作者提出因为该垃圾填埋场区域的地表黏土层较为 密实，由混合泄漏污染液所造成的介电性质变化对GPR发射波的反射能力不够强。刘 海生等测试了我国北方某垃圾填埋场中垃圾渗漏液污染土壤的视电阻率以及垃圾渗 漏液的实测电阻率，比较了探地雷达法、高密度电阻率法、瞬变电磁法等地球物理勘测 手段应用于垃圾填埋场污染检测的实际效果。中国地质大学（北京）王龙52和于九龙四 7广西大学工程硕士学位论文锌污染土填探地雷达反射波属性特征研究利用探地雷达法、高密度电阻率法和激发极化法等手段对河北与北京的几处城市垃圾场 进行实地探测，通过研究证明，在城市垃圾场地下污染检测应用中，探地雷达法、高密 度电阻率法和激发极化法等方法均有一定效果，并且经过比较后表明探地雷达法对于浅 部地层垃圾污染分布情况具有较好的探测效果。中国地质大学（北京）闫天龙M选定高 密度电阻率法和探地雷达法为研究对象，针对不同物性和不同程度的污染，使用 RES2DM0D和GPRSIM软件，将正演的高密度电阻率数据进行反演，并将正演的探地 雷达数据进行整理和绘图，之后将课题组在保定某垃圾填埋场所获得的实际探测数据与 构建模型进行对比，研究结果证明这两种地电方法均有一定成效，该课题组的赵云鹏a 则在总结对比该课题组前期研究成果后，针对不同性质与水平的污染情况，正演模拟了 GPR方法和高密度电阻率法的污染检测模型。黄宁囤则针对珠江三角洲地区地下水污 染问题，确立通过探地雷达法和高密度电阻率法相结合进行地下水污染现状调查的环境 地球物理调查模式，对广州黄埔大田山垃圾场等六处区域，圈出了其地下水污染程度较 严重区域的污染范围，并对污染物来源与污染源特点进行分析与总结，为珠江三角洲地 区地下水污染评价和治理提供了依据。目前许多学者对探地雷达在环境污染检测方面的应用进行了探索，但鲜有文献对利 用探地雷达进行重金属污染场地检测作相关研究。中南大学张文静等15刀利用探地雷达分 层界限探测技术、岩土取样和荧光分析技术，对湖南省湘江流域大脚岭铅锌矿复垦尾矿 库的重金属离子下向迁移问题展开系统对比研究，分析出复垦尾矿库重金属元素下向迁 移的规律，同时其分层探测结果表明，复垦土壤与尾砂层的分界较为明显，但其并没有 研究当地土壤重金属污染情况与探地雷达反射波属性特征之间的联系。由上述分析可知，目前在利用探地雷达进行环境污染检测的研究与应用方面已经取 得长足的进步，在国内北京、上海、南京等地部分加油站、化工厂和垃圾填埋场也有许 多成功的环境检测应用实例，但是针对废弃或复垦尾矿库等可能存在重金属污染情况场 地的污染检测问题还有待深入研究。1.2.3 探地雷达污染检测研究存在的问题分析国内外利用探地雷达（GPR）等地球物理方法进行土壤污染检测的研究与应用 情况，可以说取得了不少成果，但是仍存在一些问题缺乏深入研究，亟待进一步发掘，比如：8广西大学工程硕士学位论文锌污染土壤探地 雷 达反射波属 性特征研究(1)在现有利用探地雷达进行污染土壤检测的研究中，以针对土壤有机污染和垃 圾填埋场混合污染物迁移污染的研究为主，而对于废弃或复垦尾矿库等可能存在重金属 污染区域的研究则比较匮乏。而矿区可能存在的土壤重金属污染问题，正是困扰目前中 国环境保护领域的一大难题。(2)在迄今为止的研究中，没有通过复介电常数等重金属污染土壤的电性参数，建 立土壤重金属污染情况与探地雷达反射波属性特征之间关系的系统性方法，使得利用探 地雷达反演方法获取大面积土壤的重金属污染情况仍存在困难。1.3 主要研究内容及创新点13.1 主要研究内容本文主要研究内容如下：(1)在深入了解土壤重金属污染类型、污染程度分类标准的基础之上，前往广西某 铅锌矿尾矿库进行重金属污染现场调研取样工作。带回尾矿库现场的尾砂样品进行光谱 半定量分析检测，确定锌(Z n)元素为本文室内污染土模型试验的重金属污染源，为后 期锌元素污染土壤模型试验的设计与制作提供理论与数据基础。(2)根据前期收集的重金属土壤污染相关资料，和对广西某铅锌矿尾矿库实地调 研取样所获得的数据资料，设计锌污染土壤室内模型试验，研发出一套制备探地雷达法 污染土壤检测模拟试验土样的装置，利用单一变量控制法制作不同锌离子浓度、不同土 壤湿密度和不同土壤含水率的土样模型，采用剖面法获取其相应的探地雷达数据。(3)利用探地雷达信号属性分析技术，以室内锌污染土壤模型试验的探地雷达回 波信号数据为基础，通过GREDBASIC软件、REFLEXW软件、SEGY文件分析器等软 件对原始信号数据进行预处理；测试分析出试验所用探地雷达天线的实际中心频率；使 用MATLAB作为数值分析工具，通过编制数据处理程序分析污染土壤模型的探地雷达 反射波属性特征，具体分析了锌污染土壤中锌离子浓度、土壤湿密度和土壤含水率这三 种单一变量与雷达波波速、振幅类属性、频谱属性和时频分布属性之间的关系。其中对 于时频分布属性的分析还引入基于广义S变换的时频分析方法，该方法可以较好地调节 时频分析中的频域分辨率，进而能够更直观、更深入地描述污染土壤探地雷达回波信号 9广西大学工程硕士学位论文锌污染土壤探地雷达反射波属性特征研究的时频分布特征。(4)制作单一研究变量为不同锌离子浓度的六组土饼，测试并分析其复介电常数 实部、虚部数值变化规律与锌离子浓度之间的关系，解释了反射波属性特征上所表现出 的相关规律。1.3.2主要创新点本文主要创新点如下：(1)采用室内污染土壤模型试验与数值分析相结合的方法，利用探地雷达信号属 性分析技术，研究了锌污染土壤中不同锌离子浓度、不同湿密度和不同含水率三种单一 变量变化情况与探地雷达信号的雷达波波速、反射波振幅类属性、频谱属性和时频属性 之间的关系，并以基于矢量网络分析仪技术的复介电常数测试手段对所得结论进行验证。(2)研发出一套制备探地雷达法污染土壤检测模拟试验土样的装置。本套试验装 置由电液伺服千吨压剪试验机、易脱模拼装式钢制模具、分土格栅网、竖向传力构件等 部分构成，该装置通过千吨压剪试验机精确调节压缩高度控制土壤密实度。利用该装置 制备的大体积试验土样尺寸能满足探地雷达反射波和直达波分离以及不受边界反射影 响的试验要求，同时具有结构简单、操作方便、控制精度高等优点。10广西大学工程硕士学位论文锌污染土壤探地雷达反射波属性特征研究第二章探地雷达原理与属性分析方法2.1 引言探地雷达主要利用电磁波探测地下的低损耗介质情况，在探地雷达技术发展早期,该方法主要用于探测自然界的地质情况。如今，探地雷达技术的运用早已延伸到对沥青、混凝土和复合材料等其他介质的探测方面。探地雷达技术经过几十年不断发展，目前使 用范围已经覆盖建筑工程、岩土工程、环境工程、市政工程、考古、矿产资源勘察等诸 多领域，并且获得许多相关学科研究人员的认可，尤其在地下低损耗介质探测方面取得 了显著的成果。参考Chopra关于地震属性理论的阐述Ml,探地雷达属性即是从探地雷达探测记录 中提取的有关电磁波运动学、动力学、几何学及统计学等方面特征。探地雷达属性技术 从20世纪90年代才开始独立的专题研究，虽然相比于更为成熟的地震属性技术，探地 雷达属性技术研究起步较晚，但目前已取得比较多研究成果与许多成功的应用实例。运 用探地雷达属性技术进行雷达资料分析，能够增强地下目标物的视觉效应，有利于对探 地雷达数据进行更为合理的解释。选取合适的探地雷达属性不仅能加强对期望获取的地 下目标体的敏感性，还能使探地雷达工作者更好地了解所探测的地质环境，这将有利于 探地雷达工作者进一步判断所测目标物特性。探地雷达属性分类体系目前还没有形成统 一标准，本文主要将探地雷达属性划分为两类59：第一类是依据探地雷达单道波信号计 算的属性，例如相位、频谱统计类属性和振幅类属性等；第二类是