CN117665240A - 一种地下水水质因子运移监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地下水监测技术领域，尤其是涉及一种地下水水质因子运移监测系统及方法。所述系统，包括监测点布置单元、采集单元和检测单元，所述监测点布置单元连接采集单元，所述采集单元分别连接监测点布置单元与检测单元；所述监测点布置单元包括监测井、清洗器、压力计和隔绝板，所述压力计连接隔绝板布置在监测井内，所述监测井连接采集单元，所述采集单元包括孔隙水采样器和地下水存储器，所述检测单元包括重金属分析器、水质分析器和微生物检测器。本发明的技术方案，能够对地下水污染物的浓度进行检测，并通过地下水水质因子运移监测对污染物的来源以及流向进行判断，为监测地下水污染提供了解决方式。
Description
技术领域
本发明涉及地下水监测技术领域，尤其是涉及一种地下水水质因子运移监测系统及方法。
背景技术
现有技术中，地下水水质监测系统能够对地下水的水质污染情况进行监测，监测其含有的污染物进行水质评估，随着工业化城市的发展大量的工业废水被排放到地下，造成地下水的污染，污染物通过地下水水质因子的运移进入到人们的生活，影响生活中的正常用水，随着人们生活水平的提高，对水资源安全的问题也越来越重视，但是目前的地下水监测系统只能对安装范围内水资源污染物的浓度进行监测，并不能通过地下水水质因子运移对污染物进行浓度的预测，也不能对污染源进行识别和定位，极大的减少了水质监测系统在地下水监测中的作用，现阶段需要一种地下水水质因子运移监测系统及方法。
发明内容
为了解决地下水水质因子运移对污染物浓度预测难以及不能对污染源进行识别和定位的问题，本发明提供一种地下水水质因子运移监测系统及方法。
第一方面，本发明提供的一种地下水水质因子运移监测系统，采用如下的技术方案：
一种地下水水质因子运移监测系统，包括：
监测点布置单元、采集单元和检测单元，所述监测点布置单元连接采集单元，所述采集单元分别连接监测点布置单元与检测单元；
所述监测点布置单元包括监测井、清洗器、压力计和隔绝板，所述压力计连接隔绝板布置在监测井内，所述监测井连接采集单元，所述采集单元包括孔隙水采样器和地下水存储器，所述孔隙水采样器连接地下水存储器，所述地下水存储器连接检测单元，所述检测单元包括重金属分析器、水质分析器和微生物检测器。
进一步地，所述监测井连接采集单元，包括所述监测井连接孔隙水采样器，所述隔绝板将压力不同的含水层进行分隔，所述孔隙水采样器对监测井内分隔完成的含水层进行采样。
进一步地,所述清洗器包括潜水泵、伸缩杆、电机和清理刷，所述电机依次连接伸缩杆和清理刷，所述清理刷与隔绝板上方连接，所述潜水泵连接清理刷，所述潜水泵对隔绝板分层的污水进行收集清洗。
进一步地，所述地下水存储器包括采样管和采样瓶，所述采样管采用PVC塑料管，所述采样瓶采用真空玻璃瓶，所述孔隙水采样器连接地下水存储器，包括所述采样瓶通过采样管连接孔隙水采样器。
进一步地，所述地下水存储器连接检测单元，包括所述地下水存储器的采样瓶分别连接金属分析器、水质分析器和微生物检测器。
第二方面，一种地下水水质因子运移监测方法，包括：
基于检测的历史数据进行数据的收集和整理，运用电解质对地下水水质因子扩散速度进行计算，在监测井内投入电解质，在相邻的监测井内进行监测井间的电流测量，将测量结果进行绘制，取其电流高峰值，通过观测时间和监测井间距离得到地下水溶质扩散速度。
进一步地，还包括基于水质因子扩散速度对地下水水质因子运移模型进行构建，将测量的数据指标和溶质扩散速度进行模型关联，根据观测数据和测量结果对地下水水质因子运移模型的固定参数进行计算及校准。
进一步地，还包括基于地下水水质因子运移模型的构建进行模型求解，通过模型的固定参数和地下水溶质扩散速度对地下水污染物的浓度及污染物浓度随地下水水质因子运移的衰减率进行计算。
进一步地，还包括基于污染物浓度的衰减率对地下水水质因子运移模型进行模型模拟，结合不同的场景及地理条件对模型进行模拟和预测，根据预测结果对污染物的流向及来源位置进行判断。
进一步地，还包括基于地下水水质因子运移模型模拟对模拟结果进行验证，对模拟结果与实测数据进行对比，对比结果在误差范围内进行结果分析，对比结果大于误差范围通过参数校准进行模型优化。
综上所述，本发明具有如下的有益技术效果：
1、本发明的一种地下水水质因子运移监测系统，通过隔绝板对监测井内部构建分层结构，含水层不同所具有的污染物不同，分层结构的构建有效提高采样器采集的样本精确度，采用清洗器与真空玻璃瓶确保采集的样本不受到外界因素的干扰，采用上述装置为污染源进行识别和定位提供了精准的数据。
2、本发明的一种地下水水质因子运移监测方法，通过对模型的构建、优化和求解分析为地下水污染源追踪和溯源提供了理论支持，对监测系统提供的精确数据进行分析，模拟出地下水水质因子的运移轨迹，对污染物的来源位置、扩散范围和潜在影响进行判断，为采取相应的防控措施提供科学依据。
附图说明
图1是本发明实施例1的一种地下水水质因子运移监测系统的结构示意图。
图2是本发明实施例2的一种地下水水质因子运移监测方法的步骤示意图。
图3是本发明实施例2的一种地下水水质因子运移监测方法的计算结果数据图。
图4是本发明实施例2的一种地下水水质因子运移监测方法的数据曲线图。
其中，1、检测单元；2、地下水存储器；3、压力计；4、监测井；5、存放管道；6、孔隙水采样器；7、隔绝板；8、固定卡；9采样管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参照图1，本实施例的一种地下水水质因子运移监测系统，包括：
监测点布置单元、采集单元和检测单元，所述监测点布置单元连接采集单元，所述采集单元分别连接监测点布置单元与检测单元；
所述监测点布置单元包括监测井、清洗器、压力计和隔绝板，所述压力计连接隔绝板布置在监测井内，所述监测井连接采集单元，所述采集单元包括孔隙水采样器和地下水存储器，所述孔隙水采样器连接地下水存储器，所述地下水存储器连接检测单元，所述检测单元包括重金属分析器、水质分析器和微生物检测器。
所述监测井连接采集单元，包括所述监测井连接孔隙水采样器，所述隔绝板将压力不同的含水层进行分隔，所述孔隙水采样器对监测井内分隔完成的含水层进行采样。
所述清洗器包括潜水泵、伸缩杆、电机和清理刷，所述电机依次连接伸缩杆和清理刷，所述清理刷与隔绝板上方连接，所述潜水泵连接清理刷，所述潜水泵对隔绝板分层的污水进行收集清洗。
所述地下水存储器包括采样管和采样瓶，所述采样管采用PVC塑料管，所述采样瓶采用真空玻璃瓶，所述孔隙水采样器连接地下水存储器，包括所述采样瓶通过采样管连接孔隙水采样器。
所述地下水存储器连接检测单元，包括所述地下水存储器的采样瓶分别连接金属分析器、水质分析器和微生物检测器。
具体的，
本实施例的一种地下水水质因子运移监测系统包括以下内容：
如图1所示，所述检测单元1内包括重金属分析器、水质分析器和微生物检测器，分别对水中重金属、酸碱度和水内含有的微生物进行检测，所述重金属分析器采用电化学方法的分析仪器，因其具有较低的检测限，检测地下水时更容易发现含有的微量重金属，所述水质分析器主要是对地下水中的酸碱度和PH值进行检测，所述微生物检测器采用聚合酶链式反应仪，所述微生物检测器不仅能检测微生物污染更能检测地下水中的病原体，有些地下水经过滤后会作为饮用水，则病原体的检测是检测中必要环节。
地下水存储器2作为采集与检测的缓冲部分，采用真空玻璃管来确保地下水样本不受到污染，样本的采集通过压力计3与隔绝板7将含水层根据不同的压力分隔开并放置在监测井4内，所述监测井4采用的是钻孔井，实现采样目的的同时降低了开采成本，存放管道5置于监测井4内，用于安装压力计3隔绝板7和孔隙水采样器6，避免因监测井4内部不均匀导致的安装困难问题，存放管道5能起到循环利用的作用，采样完成后解开固定卡8将存放管道5包括内部的压力计3、隔绝板7和孔隙水采样器6从监测井4内取出，移动到下一个监测井内进行安装，孔隙水采样器6经采样管9将地下水样本存储到玻璃管内，根据含水层的不同进行标记。
所述清洗器要在存放管道5安装前进行监测井4内壁的清洗，清洗时需要将下方含水层进行隔离，清洗器含有两条输水管道，分别为净水管道和污水管道，净水对井壁内测冲刷，污水管道连接潜水泵将清洗后的废水进行排除，清洗完成后将存放管道5安装，通过上述措施实现对地下水水质的精确采样，避免了因外界因素干扰检测结果，为下一步的分析提供了精确的数据支持。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例提供一种地下水水质因子运移监测方法，包括：基于检测的历史数据进行数据的收集和整理，运用电解质对地下水水质因子扩散速度v进行计算，在监测井内投入电解质，在相邻的监测井内进行监测井间的电流测量，将测量结果进行绘制，取其电流高峰值，通过观测时间和监测井间距离得到地下水溶质扩散速度。
还包括基于水质因子扩散速度对地下水水质因子运移模型进行构建，将测量的数据指标和溶质扩散速度进行模型关联，根据观测数据和测量结果对地下水水质因子运移模型的固定参数进行计算及校准。
还包括基于地下水水质因子运移模型的构建进行模型求解，通过模型的固定参数和地下水溶质扩散速度对地下水污染物的浓度及污染物浓度随地下水水质因子运移的衰减率进行计算。
还包括基于污染物浓度的衰减率对地下水水质因子运移模型进行模型模拟，结合不同的场景及地理条件对模型进行模拟和预测，根据预测结果对污染物的流向及来源位置进行判断。
还包括基于地下水水质因子运移模型模拟对模拟结果进行验证，对模拟结果与实测数据进行对比，对比结果在误差范围内进行结果分析，对比结果大于误差范围通过参数校准进行模型优化。
具体的，
本实施例的一种地下水水质因子运移监测方法，包括以下内容：
S1.如图2所示，地下水水质因子运移模型的建立需要监测系统检测的历史数据与地下水溶质的扩散速率，对于地下水溶质的扩散速率的计算采用电解质计算方法，在地下水水流方向的钻井中根据不同的含水层投入电解质，在相邻的钻井中进行电流测量，将含水层概化为一维无限长的运输介质，电解质的运输规律由公式为
上式中，x表示注入点与测量点的距离，t表示测量时间，C(x，t)表示为在t时刻x处注入电解质的浓度，m表示为注入电解质的质量，w表示为测量的横截面积，n表示为有效孔隙度，表示为纵向弥散系数，/>表示为圆周率，/>为水流速度，将测量结果绘制成测量曲线，取其电流最高值，记录电流最高值的测量时间t，对测量孔与注入孔之间的距离x进行统计，同时记录有效孔隙度n与测量横截面积w，在根据测量区的地质报告得到纵向弥散系数/>，根据地质通常分为砂土与黏土，根据上式计算地下水溶质的扩散速率。
S2.如图3所示，基于上述得到的数据进行模型的选择与建立，在对流弥散方程的基础上选择确定性模型，确定性模型的理论严谨且计算方法比较完善，在后续进行轨迹模拟时具有更好的观测性，随水流运动公式为：
在浓度差压力的运动: />
上式中，D为分子扩散系数，表示为浓度，/>表示为水流速度，/>表示为密度，v为浓度差作用下溶质的速度，V为溶质运移速度，p为压力，/>为水动力粘滞系数，k表示为渗透系数，所述渗透系数取决于岩土的孔隙性和流体的物理性质，由公式：
得到渗透系数的取值范围，上式中d为含水层土的有效粒径，e为土壤的孔隙比。
如图4所示，由测得污染物的浓度与第一步计算的地下水溶质的扩散速率带入上式，得到在固定时间内污染物随距离的变化情况及衰减率，将计算结果绘制曲线图，与实际测量结果尽心比较进行下一步的模型优化，通过模拟软件对污染物的流经途径进行模拟预测，根据预测结果对污染物的流向及来源位置进行判断，判断污染物来源的大体方位以及流向生活区污染物的剩余浓度。
本发明的工作原理如下：
通过压力计测量的不同压力将地下水分为不同含水层，随着深度的不同其含有的污染物浓度不同，通过孔隙水采样器对含水层进行采样，采样完成后由重金属分析器、水质分析器和微生物检测器对地下水水质因子污染物浓度的测量，监测井在检测区域的开采方式为五点取样，通过相邻监测井的浓度比较进行数据分析。
通过测量数据进行数学模型的构建，确定地下水水质因子扩散速度，将所得数据带入进行模型求解，污染物的浓度随着时间与距离的增加而减少，计算污染物浓度的衰减率，将计算结果与实际测量结果相比较进行模型优化减少计算误差，模型优化完成后由监测井的测量数据计算其他方位污染物浓度，通过对污染物扩散轨迹进行模拟判断污染物的来源、流向和进入生活区污染物剩余的浓度。
以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种地下水水质因子运移监测系统，其特征在于，包括：
监测点布置单元、采集单元和检测单元，所述监测点布置单元连接采集单元，所述采集单元分别连接监测点布置单元与检测单元；
所述监测点布置单元包括监测井、清洗器、压力计和隔绝板，所述压力计连接隔绝板布置在监测井内，所述监测井连接采集单元，所述采集单元包括孔隙水采样器和地下水存储器，所述孔隙水采样器连接地下水存储器，所述地下水存储器连接检测单元，所述检测单元包括重金属分析器、水质分析器和微生物检测器。
2.根据权利要求1所述的一种地下水水质因子运移监测系统，其特征在于，所述监测井连接采集单元，包括所述监测井连接孔隙水采样器，所述隔绝板将压力不同的含水层进行分隔，所述孔隙水采样器对监测井内分隔完成的含水层进行采样。
3.根据权利要求2所述的一种地下水水质因子运移监测系统，其特征在于,所述清洗器包括潜水泵、伸缩杆、电机和清理刷，所述电机依次连接伸缩杆和清理刷，所述清理刷与隔绝板上方连接，所述潜水泵连接清理刷，所述潜水泵对隔绝板分层的污水进行收集清洗。
4.根据权利要求1所述的一种地下水水质因子运移监测系统，其特征在于，所述地下水存储器包括采样管和采样瓶，所述采样管采用PVC塑料管，所述采样瓶采用真空玻璃瓶，所述孔隙水采样器连接地下水存储器，其中，所述采样瓶通过采样管连接孔隙水采样器。
5.根据权利要求1所述的一种地下水水质因子运移监测系统，其特征在于，所述地下水存储器连接检测单元，包括所述地下水存储器的采样瓶分别连接金属分析器、水质分析器和微生物检测器。
6.一种地下水水质因子运移监测方法，基于如权利要求1-5任意一项所述的监测系统，其特征在于，包括：
基于检测的历史数据进行数据的收集和整理，运用电解质对地下水水质因子扩散速度进行计算，在监测井内投入电解质，在相邻的监测井内进行监测井间的电流测量，将测量结果进行绘制，取测量结果的电流高峰值，通过观测时间和监测井间距离得到地下水溶质扩散速度。
7.根据权利要求6所述的一种地下水水质因子运移监测方法，其特征在于，还包括基于水质因子扩散速度对地下水水质因子运移模型进行构建，将测量的数据指标和溶质扩散速度进行模型关联，根据观测数据和测量结果对地下水水质因子运移模型的固定参数进行计算及校准。
8.根据权利要求7所述的一种地下水水质因子运移监测方法，其特征在于，还包括基于地下水水质因子运移模型的构建进行模型求解，通过模型的固定参数和地下水溶质扩散速度对地下水污染物的浓度及污染物浓度随地下水水质因子运移的衰减率进行计算。
9.根据权利要求8所述的一种地下水水质因子运移监测方法，其特征在于，还包括基于污染物浓度的衰减率对地下水水质因子运移模型进行模型模拟，结合不同的场景及地理条件对模型进行模拟和预测，根据预测结果对污染物的流向及来源位置进行判断。
10.根据权利要求9所述的一种地下水水质因子运移监测方法，其特征在于，还包括基于地下水水质因子运移模型模拟对模拟结果进行验证，对模拟结果与实测数据进行对比，对比结果在误差范围内进行结果分析，对比结果大于误差范围通过参数校准进行模型优化。
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