CN103529087B - 一种地下水曝气修复二维模型试验成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下水曝气修复二维模型试验成像方法，包括如下步骤：1）在二维模型试验槽前面板上，以正方形排列等间距布置测试电极，电阻率测试采用商业高密度电法仪基于温纳四电极法；2）按研究需要填装污染饱和土，然后测定空间各点土体电阻率初始值；3）曝气修复试验开始后，每隔5-10min测量一次电阻率，直至曝气停止后土体的电阻率稳定为止；4）基于线性插值绘制土体电阻率等值线图或云图，即可实现对地下水曝气修复过程的可视化成像。通过建立土体气相饱和度、污染物浓度与其电阻率间关系，则可对曝气过程气相运动规律及修复效果作定量评价。本发明在试验过程中无需采样分析即可获得曝气修复过程的可视化图像。

Description

一种地下水曝气修复二维模型试验成像方法

技术领域

本发明涉及利用高密度电阻率的成像方法，特别是涉及一种地下水曝气修复二维模型试验成像方法。

背景技术

地下水曝气技术（AirSparging，AS）被认为是去除饱和土壤和地下水中可挥发有机化合物的最有效方法之一。AS是与土壤气相抽提（SoilVaporExtraction，SVE）互补的一种技术，其目的是去除在水位以下的地下水中的挥发/半挥发性有机污染物。AS技术将新鲜空气注入地下水位以下饱和土中，通过气液固相间传质过程，污染物从土壤或地下水挥发到空气中，含有污染物的空气在浮力的作用下不断上升，到达地下水位以上的非饱和区域，在SVE系统真空抽提作用下，含污染物的空气被抽出地下，并在地表处理，从而达到场地修复的目的。同时，注入的空气还能为饱和土壤中的好氧生物提供足够的氧气，促进污染物的生物降解。近年来，国内许多学者和科研机构对地下水曝气技术进行了大量的理论研究和室内模型试验。然而在进行模型试验时，对于气流形态、气相饱和度和污染物浓度的监测往往不是很方便。对于气流形态的监测，有的学者采用将实验土样换成不同粒径的透明玻璃珠，然后使用照相机进行图像采集后进行分析。对于污染物浓度的监测则需要取大量的液体和气体样品进行定量分析，不但费时费力，而且需要较多的测试费用。

高密度电阻率成像法（ElectricalResistivityTomography，简称ERT）是在传统的电阻率法的基础上发展起来的一项新技术，主要是通过布置大量的电极测定介质的电阻率差异，以达到对介质进行勘察的地球物理方法。近年来，ERT技术在研究水文过程及确定水文地质参数方面已经取得了一定的成果。与其它方法相比，高密度电阻率成像法具有测量设备简单，操作方便，勘测过程中自动化程度高的优点。由于电阻率成像法在勘测中测点密度较高，得到的信息较丰富，该方法一经提出，就在很多领域得到了应用。目前，高密度电阻率成像法不仅可用于分析勘测体静态导电性在空间上的差异，获得介质物性状态在空间上的分布，还可通过对介质电阻率在时间上的变化特征进行分析，探讨介质中所发生的物理过程并确定相关的参数。由于该方法具有较强的实用性，因此在工程实践中得到了广泛应用。在国外，高密度电阻率成像法已经被广泛应用于地下水水文研究中，例如确定渗流区中优势流的路径、监测非饱和带水体的入渗过程、确定地下水的流动方向和速度、求解三维空间土壤含水量和圈定污染物的分布范围。在室内实验尺度上，样品精细结构勘查的要求和数据采集技术的提高以及反演方法的改进，都促进了高密度电阻率成像法的进一步发展，使其电极布置方式更为灵活，可以沿阵列式多方向甚至弧形方向收集和采集数据。目前，高密度电阻率成像法动态监测岩土体中水分入渗过程、岩土样内部微细结构描述、以及多孔介质中液相分布等多个方面测试研究中均有成功应用。

发明内容

技术问题：针对曝气法室内模型试验的需求，本发明提供一种地下水曝气修复二维模型试验过程地下水饱和带内气相运动规律、修复前后土体中污染物浓度分布的电阻率可视化成像方法，从而为曝气法室内模型试验提供一种更好的监测手段，更利于曝气修复机理试验研究。

技术方案：本发明中地下水曝气修复二维模型试验成像方法，包括如下步骤：

1）在曝气修复二维模型试验槽前面板上以正方形排列等间距布置测试电极，并将电极通过多芯电缆连接到电极转换装置，再将电极转换装置与电压电流测量装置相连接；

2）在曝气修复二维模型试验槽中按所需干密度分层填装土样后，注入污染物并对土体进行饱和处理，然后进行电阻率测试获得模型槽内土体的电阻率分布初始值，测试模式基于温纳四电极法，测试过程分排进行，同一排电极沿水平方向每四个相邻电极为一组，从左至右测试各组电极。当上一排电极测试完成后，对下一排电极按同样方法进行测试；

3）曝气修复试验开始后，利用电阻率测试系统每隔5-10min采用温纳四电极法测量一次电阻率分布，直至曝气修复工艺停止后，整个模型槽内土体的电阻率稳定为止；

4）在曝气修复二维模型试验槽土体所在的二维平面上，基于空间坐标将所有测点的电阻率进行线性插值，绘制出土体电阻率的等值线图，即实现对地下水曝气修复过程的可视化成像。

本发明方法的步骤2）和3）中采用高密度电法仪进行电阻率测试。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

由于土体为不透明介质，因此，试验过程中的气相运动规律无法用肉眼观察。目前常用的方法为将试验土样更换成为符合现场粒径级配的透明玻璃珠，然后使用高清数码相机对曝气修复过程中的气流形态进行拍摄，再结合图像处理技术进行分析。这种方法由于没有使用真实的土样进行试验，无法反映真实土体中曝气修复过程复杂的物理化学机理，并且由于受到照片分辨率的限制可能会有较大误差，特别是无法清晰描述水气过渡带，而且无法建立气相饱和度及污染物浓度与图像间量化关系。对于污染物浓度的测试，传统方法需要对模型槽内不同位置处采取水样进行物理化学分析，不但耗时费力，且费用昂贵，还有可能因为取样扰动造成测试结果的失真。

本发明采用电阻率成像技术，无需在试验过程中进行采样分析即可获得曝气修复过程的可视化图像，因此是一种无损、快捷、可视化监测方法。监测数据可对曝气过程气相运动及修复前后污染物分布规律等进行定量描述，测量设备简单，操作方便，监测过程自动化程度高，能更好地为挥发性有机污染物曝气修复机理室内模型试验研究提供帮助。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是温纳四电极法测定土体电阻率模式示意图。

图中有：1、电极；2、试验槽前面板；3、多芯电缆；4、电极转换装置；5、电压电流测量装置；6、计算机。

具体实施方式

本发明的地下水曝气修复二维模型试验成像方法，包括如下步骤：

1）地下水曝气修复二维模型试验槽采用绝缘材料制作（如高强度透明有机玻璃），在试验槽前面板2上以正方形排列沿水平（X）和竖直（Y）方向以等间距a（2～3cm左右）布置导电金属电极1。电极1一端出露在模型槽内侧，可直接测定槽体内土体或水分介质的导电特性，电极1另一端在模型槽外侧通过多芯电缆3连接到电极转换装置4，然后将电极转换装置4与电压电流测量装置5相连接。

2）在曝气修复二维模型试验槽中按所需干密度分层填装土样后，注入污染物并对土体进行饱和处理，然后进行电阻率测试获得模型槽内土体的电阻率分布初始值。

电阻率测试采用商业高密度电法仪，通过计算机进行实时控制与测量。测试模式基于温纳四电极法，即采用距离相等的四个电极作为一组，令一定强度的电流由外侧两个电极输入，测试中间两个电极间的电压。由于材料的电阻率受温度影响，因此测试过程中应保持环境温度恒定。

使用温纳四电极法测量时，四个测试电极分别为C1、C2、P1、P2，布设在同一直线上，向外侧两个电极C1和C2输入电流，测量中间两个电极P1和P2间的电压，然后使用下式计算土体的电阻率：

$\mathrm{\ρ}=4\mathrm{\πaR}/(1+\frac{2a}{\sqrt{a^2+4b^2}}-\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}})$

其中，ρ为土体电阻率（Ω·m）；R为实测电阻（Ω）；a为相邻电极间距离（m）；b为测试电极插入土中深度（m）。当测试电极入土深度b不超过0.2a时，可假定b＝0，则计算公式可简化为：

ρ＝2πaR

在模型槽前面板上按照温纳四电极法进行电阻率测试。测试过程，沿X方向上自左至右依次选择四个相邻电极进行测量，所得电阻率代表了二维模型试验槽内相应于中间两个电极中间位置处土体的导电特性。如此，依次进行电极转换和测定，自上而下对整个面板上的各层电极序列进行测试，所得结果即为二维模型试验槽内各点的土体电阻率分布。

3）曝气修复试验开始后，利用电阻率测试系统每隔5-10min采用温纳四电极法测量一次电阻率分布，直至曝气修复工艺停止后，整个模型槽内土体的电阻率稳定为止。

4）在曝气修复二维模型试验槽土体所在的二维平面上，基于空间坐标将所有测点的电阻率进行线性插值，绘制出土体电阻率的等值线图，即实现对地下水曝气修复过程的动态可视化成像。

以上述地下水曝气修复过程的动态可视化成像为基础，综合所有时刻的测量结果，即可得到不同时刻土体内电阻率随时间变化规律。

同时，可通过室内试验预先建立土体的气相饱和度、土体污染物浓度与其电阻率间定量关系，利用电阻率云图定量描述与评价地下水饱和带曝气过程中气相运动规律及污染土的修复效果，从而实现对试验数据的解译：

①地下水饱和带土体中进行曝气修复时，压缩空气自曝气口喷出后，在浮力作用下向上运动。由于气相在饱和土体中的运动，将引起土体导电性变差、电阻率升高，因此气相运动过程及范围与曝气修复过程的电阻率的分布及变化有很好的对应关系。若在室内试验中预先建立饱和土体的气相饱和度与其电阻率间定量关系，则可利用电阻率云图定量地反映地下水饱和带曝气过程中的气相饱和度分布及变化规律。

②当饱和土体遭受有机物污染后，孔隙水中由于污染物的存在而改变其导电性。若通过室内试验获得饱和土体污染物浓度与电阻率间定量关系，则通过曝气修复试验前后的电阻率云图可以定量化地反映修复前后污染物的浓度分布规律及修复效果。

Claims (2)

1.一种地下水曝气修复二维模型试验成像方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1）在曝气修复二维模型试验槽前面板（2）上以正方形排列等间距布置测试电极（1），并将电极（1）通过多芯电缆（3）连接到电极转换装置（4），再将所述电极转换装置（4）与电压电流测量装置（5）相连接；

2）在曝气修复二维模型试验槽中按所需干密度分层填装土样后，注入污染物并对土体进行饱和处理，然后进行电阻率测试获得模型槽内土体的电阻率分布初始值，测试模式基于温纳四电极法，测试过程分排进行，同一排电极沿水平方向每四个相邻电极为一组，从左至右测试各组电极，当上一排电极测试完成后，对下一排电极按同样方法进行测试；

3）曝气修复试验开始后，利用电阻率测试系统每隔5-10min采用温纳四电极法测量一次电阻率分布，直至曝气修复工艺停止后，整个模型槽内土体的电阻率稳定为止；

4）在曝气修复二维模型试验槽土体所在的二维平面上，基于空间坐标将所有测点的电阻率进行线性插值，绘制出土体电阻率的等值线图，即实现对地下水曝气修复过程的可视化成像。

2.根据权利要求1所述的地下水曝气修复二维模型试验成像方法，其特征在于，所述步骤2）和3）中采用高密度电法仪进行电阻率测试。