CN116448624A - 一种土壤地层污染物监测系统及方法 - Google Patents

一种土壤地层污染物监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及污染物监测探测技术领域，具体为一种土壤地层污染物监测系统及方法，包括钻具，用于打孔，建立测井并获取土壤样品；监测单元，位于测井内，包括交替布置的多组封隔器和多组筛管，位于末端的筛管用于与钻具的贯入头抵接，位于首端的封隔器连接保护管；每一组筛管内部均设有采样器，采样器通过对应的采样管线与地面站连接，地面站通过封隔器控制管与封隔器连接；地面站，通过封隔器控制管向封隔器输入或抽出介质，接收监测单元获取的液位、流量和污染物信息，根据测井位置和高程信息，输出污染物流向、流速信息和预测的污染物扩散结果。

Description

一种土壤地层污染物监测系统及方法
技术领域
本发明涉及土壤污染物监测技术领域，具体为一种土壤地层污染物监测系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
土壤中的污染物以渗入地层中的水和气体为主，在突发环境事件中，需要对土壤进行打孔成井，以获取地层中可能发生污染的水和气，并监测这部分来自地层中的水和气流量、液位、流速、方向以及成分等信息，以便于确定污染物的分布情况，为后续的修复作业提供支持。
常规施工监测井工艺需要钻探-下管-填砾-洗井等步骤，工序复杂耗时较长，不利于应急调查时的快速响应，并且每一个监测井只能监测到单一的地层污染情况，要获取不同深度地层的数据，只能通过布设多组深度不同的测井进行，导致施工周期较长，同样不利于应急调查监测的快速响应；其次，钻探过程中往往需要泥浆护壁，容易对地层中的含水层堵塞或污染地层，达不到理想的监测精度。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种土壤地层污染物监测系统及方法，通过钻具获取测井内的土样以确定地层结构和土壤污染情况，通过布设至少三个测点和示踪剂配合获取地下污染物的渗流速度，通过分段分隔获取不同地层中污染物的液位、流量等参数，根据测井所在的位置和高程预测污染物的扩散情况。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种土壤地层污染物监测系统，包括：
钻具，用于打孔，建立测井并获取土壤样品；
监测单元，位于测井内，包括交替布置的多组封隔器和多组筛管，位于末端的筛管用于与钻具的贯入头抵接，位于首端的封隔器连接保护管；每一组筛管内部均设有采样器，采样器通过对应的采样管线与地面站连接，地面站通过封隔器控制管与封隔器连接；
地面站，通过封隔器控制管向封隔器输入或抽出介质，接收监测单元获取的液位、流量和污染物信息，根据测井位置和高程信息，输出污染物流向、流速信息和预测的污染物扩散结果。
钻具包括可拆卸连接的钻杆和贯入头，钻杆内设有土壤取样器，土壤取样器包括与贯入头可拆卸连接的内管和与内管连接的尾杆。
封隔器包括连接在封隔挡板圆周外侧的封隔器本体，筛管与封隔挡板通过第一紧固件连接固定。
封隔器本体通过封隔器控制管与地面站连接，基于地面站的控制，通过封隔器控制管向封隔器本体内注入介质实现膨胀，或抽出介质实现收缩，膨胀时，多组封隔器在测井内分段封隔地层。
采样器包括井下传感器和进样口，进样口通过采样管线与地面站连接，井下传感器通过传感器支架连接在封隔挡板上，进入筛管内部的样品通过井下传感器获取参数，并通过进样口传递至地面站中。
采样管线包括，位于截面中心的取样通道和两侧的通讯线，取样通道用于运输来自进样口的样品，通讯线与井下传感器连接用于传输信号。
地面站包括与监测数据中心连接的土壤气监测模块和地下水监测模块；
土壤气监测模块包括与采样管线连接的气泵组和地面传感器，气泵组的出口设有采样装置；气泵组通过对应的采样管线将气体样品抽出，部分样品通过采样装置收集送入化验室，另一部分样品经地面传感器监测参数后，送入尾气处理装置无害处理后排放；
地下水监测模块包括与采样管线连接的水泵组和地面传感器，水泵组的出口设有采样装置；水泵组通过对应的采样管线将水样品抽出，部分样品通过采样装置收集送入化验室，另一部分样品经地面传感器监测参数后，送入废水处理装置无害处理后排放。
地面站还具有封隔器控制单元，包括与封隔器控制管连接的动力单元，动力单元通过封隔器控制管向封隔器充入介质使其膨胀，实现地层分段封隔，或抽出介质使其回缩用于回收。
本发明的第二个方面提供基于上述系统，实现土壤地层污染物监测的方法，包括以下步骤：
在疑似污染区域中利用钻具成孔，建立测井并获取土壤样品进行地层编录，确定地层结构；
根据地层结构，组装监测单元，在钻杆内装入组装完毕的监测单元，提取钻杆，贯入头和监测单元不随钻杆移动；
封隔器膨胀进行地层分段密封，获取每一段地层中的液位、流量和污染物信息并发送给地面站；
地面站接收监测单元获取的液位、流量和污染物信息，根据测井位置和高程信息，输出污染物流向、流速信息和预测的污染物扩散结果，完成监测后回收封隔器。
在疑似污染区域中利用钻具成孔之前，还具有布置测井，具体为：
在疑似污染区域边缘部位快速布设三个监测点A01、A02、A03，三个监测点形成等边三角形；
根据地下水液位、流向和污染物指标，在最上游A01监测点正上游设定位置投入示踪剂，根据在下游接收到的时间，得到地下水渗流速度；
垂直等水位线方向位于最靠近疑似污染区域中间的A01孔的正下游方向，在疑似污染区域中间布设监测井C01监测区域内污染物信息的变化，在疑似污染区域外沿着垂直等水位线方向布设监测井C02监测下游污染物扩散情况；
根据对流弥散方程得到预测的污染物扩散结果。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、利用钻具建立测井后，根据取出的土样可以确定地层结构，末端的筛管与钻具的贯入头抵接，所有封隔器被输入介质后膨胀，将地层分段封隔，每一组筛管内部的采样器将对应深度地层中的气体和液体抽出，并获取液位、流量和污染物信息，避免不同深度内混合出现串层干扰，从而监测污染物的垂直分布特性。
2、成孔后，钻具的贯入头在提钻时不随钻杆上行至孔口，滞留在地层中，可以有效防止孔壁坍塌，避免钻进过程对地下水的污染，提升污染物监测的精度。
3、成孔后提取地层土样并现场编录，可以精准判断地层结构和含水层位置，能够节省建井时间。
4、采用样品管和通讯线一体的结构，能够减少成孔内的空间占用，同时保护信号传输线路。
5、通过快速布设三个监测点，根据示踪试验、污染区内部及下游监测孔，快速建立监测网得到实时的预测扩散结果。
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是本发明一个或多个实施例提供的实现污染场地不稳定地层监测时利用钻具完成成孔和土壤样品编录的示意图；
图2是本发明一个或多个实施例提供的实现污染场地不稳定地层监测时的装入监测单元示意图；
图3是本发明一个或多个实施例提供的污染场地不稳定地层监测系统中监测单元的结构示意图；
图4是本发明一个或多个实施例提供的污染场地不稳定地层监测系统中采样管线的截面结构示意图；
图5是本发明一个或多个实施例提供的污染场地不稳定地层监测系统中地面站的土壤气监测模块的结构示意图；
图6是本发明一个或多个实施例提供的污染场地不稳定地层监测系统中地面站的地下水监测模块的结构示意图；
图7是本发明一个或多个实施例提供的污染场地不稳定地层监测系统中地面站接收土壤气监测模块和地下水监测模块的数据输出调查结果的示意图；
图8是本发明一个或多个实施例提供的地面站进行地下水分析时的流程示意图；
图9是本发明一个或多个实施例提供的实现污染场地不稳定地层监测时采取的三角形测点布置示意图；
图10是本发明一个或多个实施例提供的实现污染场地不稳定地层监测时采取的网格型测点布置示意图；
图11是本发明一个或多个实施例提供的实现污染场地不稳定地层监测时基于获取的数据以插值方式成图的流程示意图；
图12是本发明一个或多个实施例提供的实现污染场地不稳定地层监测时插值成图时各采样点和插值点的位置示意图；
图13是本发明一个或多个实施例提供的实现污染场地不稳定地层监测时的预测流程图。
图中：100、地面，101、多孔隙地层，102、隔水地层；1、钻杆，2、贯入头，3、土壤取样器，31、尾杆，32、内管，4、保护管，5、封隔器，50、第一紧固件，51、封隔器控制管，511、控制管接头，512、第二紧固件，52、封隔挡板，53、进样口，54、井下传感器，55、传感器支架，6、筛管，7、采样管线；71、采样接头；72、取样通道，73、通讯线，8、地面站。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术中所描述的，常规施工监测井工艺需要钻探-下管-填砾-洗井等步骤，工序复杂耗时较长，不利于应急调查时的快速响应；并且每一个监测井只能监测到单一的地层污染情况，要获取不同深度地层的数据，只能通过布设多组深度不同的测井进行，导致施工周期较长，同样不利于应急调查监测的快速响应；其次，钻探过程中往往需要泥浆护壁，容易对地层中的含水层堵塞或污染地层，达不到理想的监测精度。
因此，以下实施例给出一种土壤地层污染物监测系统，通过钻具获取测井内的土样以确定土壤污染情况，通过布设至少三个测点和示踪剂配合获取地下污染物的渗流速度，通过分段分隔获取不同地层中污染物的液位、流量等参数，根据测井所在的位置、高程以及获取到的污染物信息预测污染物的扩散情况。
实施例一：
如图1-图8所示，一种土壤地层污染物监测系统，包括：
钻具，用于打孔，建立测井并获取土壤样品；
监测单元，位于测井内，包括交替布置的多组封隔器和多组筛管，位于末端的筛管用于与钻具的贯入头抵接，位于首端的封隔器连接保护管；每一组筛管内部均设有采样器，采样器通过对应的采样管线与地面站连接，地面站通过封隔器控制管与封隔器连接；
地面站，通过封隔器控制管向封隔器输入或抽出介质，接收监测单元获取的液位、流量和污染物信息，根据测井位置和高程信息，输出污染物流向、流速信息和预测的污染物扩散结果。
如图1所示，钻具包括可拆卸连接的钻杆1和贯入头2，钻杆1内设有土壤取样器3，土壤取样器3包括与贯入头2可拆卸连接的内管32和与内管32连接的尾杆31。钻杆1携带贯入头2在地面100的指定位置成孔，采集的土壤样品通过土壤取样器3的内管32保存，内管32与贯入头2分离后，尾杆31提升带动内管32将土壤样品从孔中取出进行地层编录。土壤取样后，钻杆1内部形成的空间用于装入监测单元。
地层编录指用文字、图件以及表格等形式，客观反映土壤样品中所观测的地质现象。
本实施例中，钻杆1为贯入式钻机的钻杆，贯入头2为活动式贯入头，土壤取样器3为贯入式土壤取土器。钻头为活动式，提钻时，若钻具全部提出后再下入监测单元会面临很大的塌孔风险，因此本实施例在提钻前下入监测单元，而活动式贯入头不随钻杆上行至孔口，会滞留在地层中；贯入式取土器为常规直推式钻机取样器。
如图2-图3所示，监测单元包括交替布置的多组封隔器5和多组筛管6，位于末端的筛管6用于与贯入头2抵接，位于首端的封隔器5连接保护管4；每一组筛管6内部均设有采样器，采样器通过对应的采样管线7与地面站8连接，地面站8通过封隔器控制管51与封隔器5连接。
根据监测需求和钻杆1成孔的深度，选择一定数量的封隔器5和筛管6形成监测单元，在装入钻杆1内部形成的空间后，末端的筛管6与贯入头2抵接。分离贯入头2和钻杆1后，取出钻杆1，贯入头2则保留在地层中，所有封隔器5膨胀后将地层分段封隔，此时的监测单元固定在孔中。
封隔器5和筛管6的尺寸和数量不做限定，可以根据地层的结构来确定。本实施例中，筛管6覆盖多孔隙地层101，使该地层中的水和气体作为样品进入筛管6内部被采样器取样，膨胀后的封隔器5则抵接在隔水地层102上，用于固定整个监测单元。
封隔器5包括连接在封隔挡板52圆周外侧的封隔器本体，筛管6与封隔挡板52通过第一紧固件50连接固定。
封隔器本体通过封隔器控制管51与地面站8连接，基于地面站8的控制，通过封隔器控制管51向封隔器本体内注入介质实现膨胀，或抽出介质实现收缩，膨胀时，多组封隔器5分段封隔地层的同时将采样器固定。
采样器包括井下传感器54和进样口53，进样口53通过采样管线7与地面站8连接，井下传感器54通过传感器支架55连接在封隔挡板52上，进入筛管6内部的样品通过井下传感器54获取参数，并通过进样口53传递至地面站8中，用于后续的检测。
本实施例中，井下传感器54用于获取对于土壤气的含氧量、重金属、pH、液位等参数，以及对于地下水的温度、压强、湿度、VOC、VOCs以及液位等参数，通过对应参数的传感器集成实现，或是根据监测需求配备对应参数的传感器。
本实施例中，三组封隔器5和三组筛管6在钻杆1内部形成的空间中交替布置，如图3所示，则三组筛管6内部的采样器通过对应的采样管线7连接地面站8，地面站8获取每一组筛管6内部的样品和对应的样品参数。
本实施例中，封隔器控制管51传递的介质为水，通过抽水进行回缩，注入实现膨胀。由于单组控制管的长度有限，则通过配套的控制管接头511形成完整的封隔器控制管51。
本实施例中，保护管4、封隔器5、筛管6组成监测单元的壳体，保护管4提供管线的保护作用，在拆除监测单元时作为提升时的受力结构，通过第二紧固件512固定在位于首端的封隔器5顶部。
本实施例中，保护管4可以为无缝管，封隔器5可以为橡胶封隔器，第一紧固件50和第二紧固件512可以为固定螺栓。筛管6是在管壁上开出设定形状的孔或缝，地层土壤中的水或气体从管壁外侧穿过孔或缝到达管壁内侧，得到水样或气体样品，进而形成带有筛分作用的管状零件，本实施例选用常见的割缝筛管，即沿管道轴向方向切割出多条缝隙，缝宽1-2mm。
本实施例中，采样管线7从对应的筛管6内部引出后，朝向地面方向穿过每一组封隔挡板52后到达地面站，受限于管材长度，同样配套采样接头71形成完整的采样管线7。
如图4所示，采样管线7包括，截面中心为样品的取样通道72，两侧为通讯线73，取样通道72用于运输来自进样口53的样品，通讯线73与井下传感器54连接用于传输信号。采用样品管和通讯线一体的结构，能够减少成孔内的空间占用，同时保护信号传输线路。
如图5-图7所示，地面站8包括与监测数据中心连接的土壤气监测模块和地下水监测模块。
土壤气监测模块包括与采样管线7连接的气泵组和地面传感器，气泵组的出口设有采样装置；气泵组通过对应的采样管线7将气体样品抽出，部分样品通过采样装置（可以是气体采样袋或瓶）收集送入化验室进行高精度化验，另一部分样品经地面传感器监测参数后，送入尾气处理装置无害处理后排放。
本实施例中气泵组包括多组微型抽气泵，每一组微型抽气泵与采样管线7对应连接，地面传感器获取的样品参数送入监测数据中心。
地下水监测模块包括与采样管线7连接的水泵组和地面传感器，水泵组的出口设有采样装置；水泵组通过对应的采样管线7将水样品抽出，部分样品通过采样装置（可以是液体采样袋或瓶）收集送入化验室进行高精度化验，另一部分样品经地面传感器监测参数后，送入废水处理装置无害处理后排放。
本实施例中水泵组包括多组微型抽水泵，每一组微型抽水泵与采样管线7对应连接，地面传感器获取的样品参数送入监测数据中心。
监测数据中心，接收井下传感器54和地面传感器获取的样品参数，根据各测井的坐标和高程信息显示各测井对应的地下水水位、流向、流速以及污染物信息等参数，经数据处理得到监测结果。
还具有封隔器控制单元，包括与封隔器控制管51连接的恒压注/吸水泵，该水泵与水源连接，对封隔器5进行充水膨胀封隔地层段，回收时进行抽水回缩。
如图8所示，利用监测数据中心读取的井下传感器和地面传感器获取的数据能够实现以下目的：
等水位线、流向监测：结合GIS方法，根据测井所在的坐标、高程信息，和井下传感器获取的水位深度信息，得到水面标高，利用克里金插值方法，得到等水位线，对于小微场地，点位控制范围中部垂直等水位线指向低水位方向为地下水流向。
地下水流速监测：结合示踪试验方法来确定，在确定流速方向正上游距离L0距离钻一投料孔，投入井下传感器或是地面传感器可以检测到的示踪剂（可以利用钼酸铵等类似物质），下游检测到时间为T0，则孔隙渗流速度为L0和T0的比值。
污染预测：利用污染物对流弥散方程结合GIS（Geographic InformationSystems，地理信息系统）方法进行拟合预测。
本实施例在作业时：
首先，使用直推贯入式钻机进行成孔，采取的土壤样品进行地层编录，确定地层分层。采取的样品现场采用PID（光离子化检测器）和XRF（X射线荧光光谱仪）进行快筛，选取土壤样品送入实验室检测。
其次，钻至预定深度后，将监测单元放入钻杆内，提取钻杆，贯入头和监测单元不随钻杆上行，完成监测单元入孔、监测井快速建立阶段。
再次，对监测单元的封隔器进行充水，橡胶膨胀，完成分段密封，充水所用的控制管、采样所用的采样管等均为软管，可进行随意连接。
筛管规格，筛管长度按照0.5m为间隔进行预制，设置为0.5m、1.0m、1.5m、2.0m和2.5m五种规格，筛管和封隔段可以采用插接方式，横向螺丝锁定。
回收，监测井为浅层使用时，可以在监测完成后，抽取封隔器液体，拔出至地面，拆解回收，循环使用。
上述系统采用直推贯入式钻具，可有效防止孔壁坍塌，连续采取地层土样的现场编录，可以精准判断地层结构和含水层位置。钻进中不需要清水或泥浆循环，钻进过程无污染，对地下水监测井施工质量有保证，能够适用于应急场地污染调查、封隔帷幕监测等领域的监测，适用范围广，大幅度节省了建井时间。
通过封层阻隔，避免不同深度内混合串层干扰，实现监测污染物垂直分布特性；采取了自动化监测及记录，实时显示指标变化，最终建立了污染羽三维模型及扩散预测，可以准确实时掌握污染物运移及发展趋势，为场地未来风评、修复提供了重要数据基础。
实施例二：
本实施例提供基于上述系统，实现地层污染物监测的方法，包括以下步骤：
在疑似污染区域中利用钻具成孔，建立测井并获取土壤样品进行地层编录，确定地层结构；
根据地层结构，组装监测单元，在钻杆内装入组装完毕的监测单元，提取钻杆，贯入头和监测单元不随钻杆移动；
封隔器膨胀进行地层分段密封，获取每一段地层中的液位、流量和污染物信息并发送给地面站；
地面站接收监测单元获取的液位、流量和污染物信息，根据测井位置和高程信息，输出污染物流向、流速信息和预测的污染物扩散结果，完成监测后回收封隔器。
上述过程中包含建立测井的过程，具体为：
1、使用直推贯入式钻机进行成孔，采取的土壤样品进行地层编录，确定地层分层。采取的样品现场采用PID和XRF进行快筛，按照相关标准采取土壤样品送入实验室检测。
2、钻至预定深度后，根据地层编录表、工况需求，确定监测地层区段，封隔器一般需安装在粘土层段，进而完成监测井组装。封隔器内的采样管、封隔器控制管均为软管，使用预留插头进行插接。
3、将监测单元放入钻杆内，提取钻杆，贯入钻头和监测单元不随钻杆上行，完成监测单元入孔。
4、对监测单元的封隔器充水膨胀，进行分段密封，完成监测井快速建立阶段。
5、回收，监测井为浅层使用，使用后壳抽取封隔器液体后，拔出至地面，拆解回收，循环使用。
建立测井之前还需要确定测井的位置，具体为：
如图9所示，使用三角形测点布置方式，在利用钻具布设测井时，本实施例以污染区域快速调查为例给出布设方案，该方式精度不高能够初步快速估算污染分布，适用于应急调查场地水、土壤气的监测。具体如下：
1、在疑似污染区域边缘部位布设三个监测点A01、A02、A03，形成等边三角形。
2、地下水液位（等水位线）、流向和污染物指标通过污染区域所在位置的地理信息获得。根据地下水等水位线确定地下水流向，在最上游A01监测点正上游L0=50~100m位置布设示踪投源孔，深度钻至第一个含水层中部，投/入传感器可以监测到的示踪剂，在下游的A01测点检测到时间为T0，根据公式L0/T0，计算出孔隙渗流速度。若需多次短期间内测定流速，应切换示踪剂类别。此时可进行应急调查工作。
3、在沿着垂直等水位线方向，且最靠近疑似污染区域中间的A01孔正下游的方向布设若干监测井：在疑似污染区域中间布设监测井C01，用来监测污染区域内的指标变化；疑似污染区域外沿着垂直等水位线方向布设监测井C02，用来监测下游污染物扩散情况。
4、在上述位置的监测井中放入监测单元获取所需的数据，数据通过线缆、VHF（超短波通讯）或移动数据传送给地面站，地面站内的数据分析计算机利用结合GIS方法，根据输入的点位坐标、高程及水位埋深，得到水面标高，利用克里金插值的方法，得到等水位线，点位控制范围中部垂直等水位线指向低水位方向为地下水流向，并实时显示测定各污染物指标情况。
上述测井布置方案不仅局限于应急监测，还可以用于其余类型的监测场景。例如涉及浅层水、土污染监测的多数领域，以及帷幕效果评价、地下水动态监测等领域。
如图9所示，对重要的待修复场地长期监测，或正在进行修复需实时重点监测的场地，则可以采用网格型测点布置方式，这种情况下数据更充分，插值结果更准确，可较准确掌握现场情况。
1、网格化监测，在污染源可能影响到的范围内，按照设定的间距，例如40*40m的间距对场地进行网格化，并按照不高于网格间距的方式布设控制性监测点Jij（如80*80m）。
2、在监测点进行建井、数据采集、插值分析和模拟预测。
3、流向根据布设范围内的测点，通过克里金插值方式获取，所获取的流向为面源流向，精度较高。
4、流速测定及弥散试验，采用场地上游任一钻孔进行投入示踪剂，利用监测井进行接收，根据各监测井检测到示踪剂的时间，进行反演，获取渗流速度（非达西流）、弥散度。通过更换投源换孔及示踪剂，进行反复试验以提高试验精度。对于三角形测点布置方式，仅进行流速测定，弥散试验效果较差予以忽略。
5、需要详细调查的点，可按照网格间距补充土壤调查。
土壤中的含有的挥发性有机污染物会反映包气带的污染情况，土壤气具有较强的隐蔽性、潜伏性、长期性和可挥发性等性质，这些有机物往往会扩散，污染土壤环境和大气，威胁地下水源的水质、改变土壤特性等。因此，需要监测土壤气，查明土壤包气带污染状况，为包气带污染评估、修复方案提供依据。
关于模拟预测。基于井下传感器和地面传感器获取的数据，第一阶段经过插值方法处理得到有关污染物的分布情况，以图形方式展示；第二阶段根据对流弥散方程和地理信息系统（GIS）来模拟溶质的运移（这里将地层土壤中的污染物认为是某种溶质），生成污染分布栅格文件及详细字段统计属性表，从而以图表和文字的方式快速的对污染区域进行监测，不需要花费大量资金成本和人力成本去针对污染区域进行建模。
第一阶段：数据插值成图显示
在钻孔后需要取出土样才能完成建井，从土样中能够获取包气带的位置、厚度及岩性，含水层的位置、厚度及岩性，土壤污染物的信息。使用克里金插值方法，得到地面高程地形、包气带岩性模型、含水层岩性模型以及土壤污染分布图，并可视化展示。
从取出的土样中能够确定包气带、含水层等各地质层的深度（位置），根据对应深度的井下传感器和地面传感器获取包气带温度、压强、湿度等基本物理指标，及土壤气中挥发性有机物检出浓度数值。使用克里金插值方法，得到土壤气挥发性有机物检出图、土壤气温度压强和湿度指标图，并可视化展示。
地下水监测：根据井下传感器和地面传感器，获取地下水流速、水位、重金属浓度、酸碱度和特征污染物浓度。使用克里金插值方法，得到地下水等水位线图、各深度地层的重金属浓度云图、各深度地层的酸碱度图以及地下水污染物浓度图，并可视化展示。
对于具有多层含水层的地层。为降低计算机资源消耗，快速计算出结果，从而在短时间内掌握地层土壤被污染的情况，将粘性土隔水层作为分隔层，忽略隔水层中的污染结果，将每个含水层位作为均质污染地质体，每个层位均根据传感器（井下传感器或地面传感器）进行单独采集数据，作为代表点位，每个含水层位污染分布可采用平面网格插值计算。
计算采用克里金插值方法，利用区域化变量的原始数据和变异函数的结构特点，对未知样点进行线性无偏、最优估计。无偏是指偏差的数学期望为0，最优是指估计值与实际值之差的平方和最小，步骤如下：
1、原始数据采集，以输入三个采样点S1-S3，求待估插值S0为例来进行说明；如图10所示；
2、对污染区域进行网格化处理，选择区域的范围和网格的大小。当测点布置方式为网格型时，采样点的间距越小，则后续结果的精度越高，但需要考虑计算机的处理能力，本实施例选择网格间距与测点的网格间距相同；当测点布置方式为三角形时，将三角形网格化后确定网格间距；根据采样值是否合乎实际情况，确定是否需要转换原始数据；
3、确定变差函数；
本实施例采用用球状模型拟合变差函数，公式为：
；/>；
式中的C 0为块金效应；h为滞后距；为变程；
4、权重估计；
以无偏为前提，kriging方差为最小可得到求解待定权系数的方程组：
；
式中，C（x i ,x j ）是S（x i )和S（x j )的协方差函数；
5、计算插值结果；
待估点估值为：
为克里金插值估值结果。
6、误差分析，利用平均绝对误差MAE（Mean Absolute Error ）、平均绝对百分误差MAPE（Mean Absolute Percentage Error）、均方根误差RMSE（Root Mean Square error）等误差估计方法进行综合评判。
第二阶段：污染模拟预测
包括：建立概念模型，模型调参，溶质运移模拟，预测结果分析。
1、建立地层概念模型S01。所需数据为地面高程、地下水位高程、孔隙度、导水系数、含水层厚度、污染源位置、弥散系数等，反映污染区域的地层状态。
地面高程：根据地形统测结果获取；
地下水位高程：根据监测结果插值获取；
孔隙度：根据取样土样进行经验值获取；
导水系数：根据土样性质进行经验值获取；
含水层厚度：根据钻孔编录资料获取。
2、数据调参S02。根据建立的概念模型应进行试运行，并基于试运行结果进行调参，与监测结果进行对比，避免产生不符合预测精度要求的误差。根据场地监测井获取的水位信息，将其设置为给定水头边界并写入对应的水头图层中，根据地下水流速及水头信息计算含水层渗透系数，并根据含水层岩性等信息，结合经验系数确定含水层的给水度，将相应参数写入对应图层中。
3、溶质运移模拟S03。
利用ArcPy语言编程，制作为ArcGIS工具，利用预测方程预测污染物浓度分布。
地下水流模型采用经典地下水动力学模型，污染运移对流弥散预测方程如下：
；
其中，为地下介质孔隙度，无量纲；/>为物质/>的溶解浓度；/>为时间；/>、/>分别为沿/>、/>坐标轴的距离；/>为水动力弥散系数张量；/>为渗流或者线性孔隙水流速度，它与单位流量或达西流量/>有关，/>；/>为单元体积含水层源（正值）和汇（负值）的体积流量；/>为源汇流中物质/>的浓度；/>为化学反应项。
4、预测结果分析S04
按照设定时间生成污染分布栅格文件及对应的详细字段统计属性表，对不同含水层位污染分布进行单独统计。可根据需求按照相应指标、分布层位、浓度进行单独成图，根据字段统计表进行具体数据求和统计。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种土壤地层污染物监测系统，其特征在于，包括：
钻具，用于打孔，建立测井并获取土壤样品；
监测单元，位于测井内，包括交替布置的多组封隔器和多组筛管，位于末端的筛管用于与钻具的贯入头抵接，位于首端的封隔器连接保护管；每一组筛管内部均设有采样器，采样器通过对应的采样管线与地面站连接，地面站通过封隔器控制管与封隔器连接；
地面站，通过封隔器控制管向封隔器输入或抽出介质，接收监测单元获取的液位、流量和污染物信息，根据测井位置和高程信息，输出污染物流向、流速信息和预测的污染物扩散结果。
2.如权利要求1所述的一种土壤地层污染物监测系统，其特征在于，所述钻具包括可拆卸连接的钻杆和贯入头，钻杆内设有土壤取样器，土壤取样器包括与贯入头可拆卸连接的内管和与内管连接的尾杆。
3.如权利要求1所述的一种土壤地层污染物监测系统，其特征在于，所述封隔器包括连接在封隔挡板圆周外侧的封隔器本体，筛管与封隔挡板通过第一紧固件连接固定。
4.如权利要求3所述的一种土壤地层污染物监测系统，其特征在于，所述封隔器本体通过封隔器控制管与地面站连接，基于地面站的控制，通过封隔器控制管向封隔器本体内注入介质实现膨胀，或抽出介质实现收缩，膨胀时，多组封隔器在测井内分段封隔地层。
5.如权利要求1所述的一种土壤地层污染物监测系统，其特征在于，所述采样器包括井下传感器和进样口，进样口通过采样管线与地面站连接，井下传感器通过传感器支架连接在封隔挡板上，进入筛管内部的样品通过井下传感器获取参数，并通过进样口传递至地面站中。
6.如权利要求1所述的一种土壤地层污染物监测系统，其特征在于，所述采样管线包括，位于截面中心的取样通道和两侧的通讯线，取样通道用于运输来自进样口的样品，通讯线与井下传感器连接用于传输信号。
7.如权利要求1所述的一种土壤地层污染物监测系统，其特征在于，所述地面站包括与监测数据中心连接的土壤气监测模块和地下水监测模块；
土壤气监测模块包括与采样管线连接的气泵组和地面传感器，气泵组的出口设有采样装置；气泵组通过对应的采样管线将气体样品抽出，部分样品通过采样装置收集送入化验室，另一部分样品经地面传感器监测参数后，送入尾气处理装置无害处理后排放；
地下水监测模块包括与采样管线连接的水泵组和地面传感器，水泵组的出口设有采样装置；水泵组通过对应的采样管线将水样品抽出，部分样品通过采样装置收集送入化验室，另一部分样品经地面传感器监测参数后，送入废水处理装置无害处理后排放。
8.如权利要求7所述的一种土壤地层污染物监测系统，其特征在于，所述地面站还具有封隔器控制单元，包括与封隔器控制管连接的动力单元，动力单元通过封隔器控制管向封隔器充入介质使其膨胀，实现地层分段封隔，或抽出介质使其回缩用于回收。
9.基于权利要求1-8任一项所述的一种土壤地层污染物监测系统，实现土壤地层污染物监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在疑似污染区域中利用钻具成孔，建立测井并获取土壤样品进行地层编录，确定地层结构；
根据地层结构，组装监测单元，在钻杆内装入组装完毕的监测单元，提取钻杆，贯入头和监测单元不随钻杆移动；
封隔器膨胀进行地层分段密封，获取每一段地层中的液位、流量和污染物信息并发送给地面站；
地面站接收监测单元获取的液位、流量和污染物信息，根据测井位置和高程信息，输出污染物流向、流速信息和预测的污染物扩散结果，完成监测后回收封隔器。
10.如权利要求9所述的一种土壤地层污染物监测方法，其特征在于，在疑似污染区域中利用钻具成孔之前，还具有布置测井，具体为：
在疑似污染区域边缘部位快速布设三个监测点A01、A02、A03，三个监测点形成等边三角形；
根据地下水液位、流向和污染物指标，在最上游A01监测点正上游设定位置投入示踪剂，根据在下游接收到的时间，得到地下水渗流速度；
在沿着垂直等水位线方向，且最靠近场地中间的A01孔正下游的方向布设若干监测井，具体为：在疑似污染区域中间布设监测井C01监测区域内污染物信息的变化，在疑似污染区域外沿着垂直等水位线方向布设监测井C02监测下游污染物扩散情况；
利用放入监测井中监测单元获取的数据基于对流弥散方程得到预测的污染物扩散结果。
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