CN111398360A - 基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法及系统 - Google Patents

基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法及方法，其技术方案为：包括：确定ERT和IP探测布线方式；根据布线情况，采集同一测线的ERT数据和IP数据；进行数据预处理及数据反演，获取电阻率和极化率剖面图；根据反演结果，圈定污染疑似区域。本发明解决了ERT在圈定包气带中LNAPLs污染源区的范围时存在的模糊性问题，为LNAPLs污染源区的精准定位提供可靠依据。

Description

基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法及 系统
技术领域
本发明涉及污染地下水的探测领域，尤其涉及一种基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法及系统。
背景技术
随着社会经济的快速发展，尤其是工业园区的大量涌现，落后的废污水处理技术及中小企业偷漏排造成场地周边地下水及地表水水质污染。地下水污染正由点源污染、条带状污染向面状污染扩散，由浅层向深层渗透，污染程度和强度也在不断增加。污染场地的地下水污染情况调查工作变得尤为关键。
传统的污染场地的调查多采用按一定比例直接钻探取样分析，得出污染情况。发明人发现，传统的污染区调查覆盖面不广，设计的取样点位针对性不强，成本高，无用样品浪费大，仅对点或线上的情况进行分析，调查结果准确性低，耗时长，且容易遗漏因污染扩散造成的深层土壤和地下水的污染，很难利用调查数据分析污染场地的迁移规律。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法及系统，解决了ERT在圈定包气带中LNAPLs污染源区的范围时存在的模糊性问题，为LNAPLs污染源区的精准定位提供可靠依据。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法，包括：
确定ERT和IP探测布线方式；
根据布线情况，采集同一测线的ERT和IP数据；
进行数据预处理及数据反演，获取电阻率和极化率剖面图；
根据反演结果，圈定污染疑似区域。
作为进一步的实现方式，确定ERT和IP测线时，小范围采用十字形交叉测线，大范围采用井字形布线方式。
作为进一步的实现方式，数据采集时，通过供电电极供电、测量电极测量相应位置的地电信息；并依次改变供电电极和测量电极的相对位置而获得整条测线的地电信息。
作为进一步的实现方式，当包气带中的孔隙被自由相的LNAPLs填充时，利用ERT采集到的数据集反演出电阻率剖面图，对于同一区域，再次使用IP采集得到的数据集反演出极化率剖面图。
作为进一步的实现方式，使用ERT测量LNAPLs时，假设地面为无限均匀的水平面，地下充满均匀各向同性的导电介质，其测量得到地下物质的视电阻率ρs。
作为进一步的实现方式，当地下只有一种岩石时，视电阻率ρs的值等于围岩电阻率ρ1；当地下电阻率不均匀时，在高阻体上测得的视电阻率ρs值比围岩电阻率ρ1值大；在低阻体上测得的视电阻率ρs值比围岩电阻率ρ1小。
作为进一步的实现方式，使用IP测量LNAPLs时，测量得到的视极化率表示为：
Figure BDA0002460367230000021
其中，ΔU2(T，t)表示供电时间T和断电后t时刻测得的二次电位差，ΔU(T)是供电时间T测得的电压。
作为进一步的实现方式，根据地电特征信息及钻孔资料解释包气带中LNAPLs的污染源区空间范围。
第二方面，本发明实施例还提供了基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测系统，包括：
布线方式确定模块，用于确定ERT和IP探测布线方式；
数据采集模块，用于采集同一测线的ERT和IP数据；
数据处理模块，用于进行数据预处理及数据反演，获取电阻率和极化率剖面图；
污染疑似区域圈定模块，用于根据反演结果，圈定污染疑似区域。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
本发明的一个或多个实施方式根据包气带中污染源区存在充满孔隙介质的自由相LNAPLs，而紧邻污染源区的孔隙介质被水、LNAPLs及生物降解产物等多种混合物填充。由于填充物质的不同造成地电性质差异，地电性质的差异致使污染源区和非污染源区具有不同的电阻率和极化率性质，可根据这些性质圈定污染物的空间范围分布。当包气带中的孔隙被自由相的LNAPLs时，利用ERT采集到的数据集反演出的电阻率剖面图显示为高阻区，但是由于包气带中的还存在其他物质致使ERT的反演成像具有很大的模糊性。对于同一区域，再次使用IP采集得到的数据集反演出的极化率剖面图在LNAPLs污染区显示为低极化率，这是由于孔隙介质中被不极化的自由相LNAPLs填充造成的。利用IP可很好的解决ERT反演成像中的模糊性问题，结合ERT和IP能够有效地圈定包气带中LNAPLs的空间污染范围，为下一步包气带地下水中LNAPLs的污染防治和修复中起到促进作用。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
ERT，高密度电阻率法(Electrical Resistivity Tomography)；
IP，激发极化法(Induced Polarization)；
LNAPLs，轻质非水相液体(Light Non-Aqueous Phase Liquids)。
实施例一：
下面结合附图1对本发明进行详细说明，具体的，如下：
本实施例提供了一种基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法，由于地球物理勘探技术属于快速、非侵入、非破坏性的无损检测技术，针对所探测目标体并未造成侵入式破坏，并具备探测范围大(水平及深度范围)、速度快及准确性高等优点；而ERT和IP技术属于地球物理方法中的电法分支。ERT和IP技术是利用地下受污染区的岩、土、水导电性差异为基础，研究人工施加稳定电流的作用下传导电流分布规律的物探方法。可以在地面对地下污染情况进行整条测线揭露，只需在场地内布设多条测线即可圈定污染源区的位置。
本实施例采用ERT和IP结合，具体包括以下步骤：
步骤1：核查现场地质资料，根据现场实际情况，确定ERT和IP探测布线的场地试验方案。
其中，现场地质资料包括污染场地地下水流向、污染空间范围及污染深度等。确定ERT和IP测线时，可根据已有资料对污染范围进行研判，即小范围可采用“十”字形交叉测线，大范围采用“井”字形布线方式。测线之间的距离可视研判范围而定。
步骤2：根据现场布线情况，使用电法仪基于同一测线进行ERT和IP数据采集。
在进行数据采集时，通过一组供电电极供电、测量电极测量得到该位置的地电信息；并依次改变供电电极和测量电极的相对位置，以获得整条测线的地电信息。
使用ERT测量LNAPLs时，假设地面为无限均匀的水平面，地下充满均匀各向同性的导电介质。而地面往往起伏不平，地下介质也不均匀，各种岩石相互重叠，断层裂隙纵横交错，或者有矿体填充其中；这时仍然使用高密度电阻率法测量得到的电阻率值，在一般情况下既不是围岩电阻率，也不是矿体电阻率，而是地下物质的视电阻率，用ρs表示。即：
Figure BDA0002460367230000061
式(1)中，K表示与电极排列有关的装置系数，UMN为MN之间的电位差，I为供电电流。当地下只有一种岩石时，按式(1)计算得到的视电阻率ρs值等于围岩电阻率ρ1。
当地下电阻率不均匀时，在高阻体上测得的视电阻率ps值比围岩电阻率ρ1值大；在低阻体上测得的视电阻率ps值比围岩电阻率ρ1小。因此，ps的变化状态不但能反映出地下不均匀体的位置和不均匀体电阻率的相对高低，而且，由于ps以围岩电阻率ρ1作为正常背景值，故在ps剖面线上，能够比电位和电场强度剖面线更清楚地反映出地下不均匀体的埋藏情况，ps异常曲线不受正常电流场分布不均匀性的影响。
当地下有多种电阻率不同的岩体存在时，测得的视电阻率ρs值仍为地下所有岩体总的作用结果。视电阻率ρs不等于某一岩体的电阻率值，它与地下不均匀的分布状态和各个不均匀体的电阻率值有关。由于在任何不均匀情况下，电位差值总是与供电电流成正比，故由式(1)得到，视电阻率值与供电电流无关，只与地下不均匀体情况和各电极的位置和排列方式等有关。
在使用IP测量LNAPLs时，地下物质的电导率与物质孔隙度、含水率、离子浓度与离子迁移率等有关。测量得到的视极化率用下式表示：
Figure BDA0002460367230000071
式中ΔU2(T，t)是供电时间T和断电后t时刻测得的二次电位差，ΔU(T)是供电时间T测得的电压。极化率是用百分数表示的无量纲参数。由于ΔU2(T，t)和ΔU(T)均与供电电流I成正比(线性关系)，故极化率是与电流无关的常数。但极化率与供电时间T和测量延时t有关，因此，当提到极化率时，必须指出其对应的供电和测量时间T和t。
步骤3：进行数据预处理并利用反演软件进行数据反演，获得真实的电阻率和极化率剖面图。
通过数据预处理对一些不正确的数据点(如极化率是负数的情况)进行删除处理。所述反演软件可选择有限元法、有限差分法或其他优化方法，使得反演结果更为平滑。
步骤4：根据反演结果，圈定污染疑似区域。即高电阻率低极化率区域。
具体的，根据地电特征信息及钻孔资料解释包气带中LNAPLs的污染源区的空间范围。在被LNAPLs充分填充的地下介质孔隙中，由于LNAPLs的不导电性会导致所测区域的电阻率变大(电导率变小)，而紧邻被LNAPLs充分填充的区域会因LNAPLs的填充不充分或生物降解作用而使该区域的电阻率相对较小(电导率相对变大)。
同时，在被LNAPLs充分填充的地下介质孔隙中，由于LNAPLs的对颗粒表面的包裹而抑制其极化效果或改变地下介质孔隙中的孔喉尺寸而影响薄膜极化效果，而紧邻被LNAPLs充分填充的区域会因LNAPLs的填充不充分或生物降解作用而改变地下孔隙中流体的化学性质致使地下水电导率的增加，而这种增加仅能同IP效应的复电导(阻)率中的体电导(阻)率(bulk conductivity/resistivity)来表征。
由于填充物质的不同造成地电性质差异，地电性质的差异致使污染源区和非污染源区具有不同的电阻率和极化率性质，可根据这些性质圈定污染物的空间范围分布。当包气带中的孔隙被自由相的LNAPLs填充时，利用ERT采集到的数据集反演出的电阻率剖面图显示为高阻区，但是由于包气带中的还存在其他物质致使ERT的反演成像具有很大的模糊性。对于同一区域，再次使用IP采集得到的数据集反演出的极化率剖面图在LNAPLs污染区显示为低极化率，这是由于孔隙介质中被不极化的自由相LNAPLs填充造成的。
利用IP可很好的解决ERT反演成像中的模糊性问题，结合ERT和IP能够有效地圈定包气带中LNAPLs的空间污染范围，为下一步包气带地下水中LNAPLs的污染防治和修复中起到促进作用。
实施例二：
本实施例提供了一种基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测系统，包括：
布线方式确定模块，用于确定ERT和IP探测布线方式；
数据采集模块，用于采集同一测线的ERT和IP数据；
数据处理模块，用于进行数据预处理及数据反演，获取电阻率和极化率剖面图；
污染疑似区域圈定模块，用于根据反演结果，圈定污染疑似区域。
实施例三：
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一所述的基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法。
实施例四：
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例一所述的基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法。
以上实施例二-四中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法，其特征在于，包括：
确定ERT和IP探测布线方式；
根据布线情况，采集同一测线的ERT数据和IP数据；
进行数据预处理及数据反演，获取电阻率和极化率剖面图；
根据反演结果，圈定污染疑似区域。
2.根据权利要求1所述的基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法，其特征在于，确定ERT和IP测线时，小范围采用十字形交叉测线，大范围采用井字形布线方式。
3.根据权利要求1所述的基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法，其特征在于，数据采集时，通过供电电极供电、测量电极测量相应位置的地电信息；并依次改变供电电极和测量电极的相对位置而获得整条测线的地电信息。
4.根据权利要求1所述的基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法，其特征在于，当包气带中的孔隙被自由相的LNAPLs填充时，利用ERT采集到的数据集反演出电阻率剖面图，对于同一区域，再次使用IP采集得到的数据集反演出极化率剖面图。
5.根据权利要求4所述的基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法，其特征在于，使用ERT测量LNAPLs时，假设地面为无限均匀的水平面，地下充满均匀各向同性的导电介质，其测量得到地下物质的视电阻率ρs；
当地下只有一种岩石时，视电阻率ρs的值等于围岩电阻率ρ1；当地下电阻率不均匀时，在高阻体上测得的视电阻率ρs值比围岩电阻率ρ1值大；在低阻体上测得的视电阻率ρs值比围岩电阻率ρ1小。
6.根据权利要求4所述的基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法，其特征在于，使用IP测量LNAPLs时，测量得到的视极化率表示为：
Figure FDA0002460367220000021
其中，ΔU2(T，t)表示供电时间T和断电后t时刻测得的二次电位差,
Figure FDA0002460367220000022
表示供电时间T测得的电压。
7.根据权利要求1所述的基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法，其特征在于，根据地电特征信息及钻孔资料解释包气带中LNAPLs的污染源区空间范围。
8.基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测系统，其特征在于，包括：
布线方式确定模块，用于确定ERT和IP探测布线方式；
数据采集模块，用于采集同一测线的ERT和IP数据；
数据处理模块，用于进行数据预处理及数据反演，获取电阻率和极化率剖面图；
污染疑似区域圈定模块，用于根据反演结果，圈定污染疑似区域。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的基于ERT和IP圈定包气带中LNAPLs的污染源区探测方法。
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