CN117686544A - 多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及岩土探测领域，具体公开了一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统及方法，监测系统包括多探头组件、数据采集及分析系统和电缆，多探头组件包括外壳和固定设置于外壳中的多组联合探头模块，多组联合探头模块沿外壳的轴向依次间隔排布且分别位于不同深度的地层；每组联合探头模块包括核磁探头和电导率探头，每组联合探头模块中，核磁探头的测量频率各不相同；数据采集及分析系统包括核磁共振谱仪、电导率信号处理器和工控机；电缆连接于多组联合探头模块和数据采集及分析系统，用于供电以及传输测量数据。本申请可对地下土体尤其是污染场地开展原位核磁共振和电导率测量，并进行长期、连续的原位监测。

Description

多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统及方法

技术领域

本申请涉及岩土探测领域，尤其是涉及一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统及方法。

背景技术

土体电导率是评价土体的重要指标，土体的电导率与土体中重金属污染的含量相关，重金属污染物浓度升高时土体电导率值增大，因此可通过测量污染土的电导率检测原状土中重金属污染物的含量。然而土体电导率受重金属离子浓度和土体含水量共同影响，当测量到土体电导率值升高时，难以判断是由重金属污染物还是土体含水率增加导致的。

核磁共振技术能够反映土体的含水率与水分分布情况，如何实现核磁共振与电导率测试相结合，同时获取土体水分含量及重金属离子信息，对于污染场地重金属无机污染物实时监测及污染程度评价具有重要的应用价值。

另一方面，原状土取样过程难以避免取土、运输引起的附加扰动，且取样后开展的实验测试难以还原地下条件；同时，土体性质具有时空变异性，取样有可能不具有代表性。因此，需要一种装置对地下土体尤其是污染场地开展原位核磁共振和电导率测量，并进行长期、连续的原位监测。

发明内容

为了对地下土体开展原位核磁共振和电导率测量，并进行长期、连续的原位监测，本申请提供一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统及方法。

本申请提供的一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统采用如下的技术方案：

一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统，包括：

多探头组件，包括筒状的外壳和固定设置于所述外壳中的多组联合探头模块，多组所述联合探头模块沿所述外壳的轴向依次间隔排布且分别位于不同深度的地层；每组所述联合探头模块包括一个核磁探头和至少两个电导率探头，每组所述联合探头模块中，所述核磁探头的测量频率各不相同；

数据采集及分析系统，包括核磁共振谱仪、电导率信号处理器和工控机；

电缆，连接于多组所述联合探头模块和所述数据采集及分析系统，用于供电以及传输测量数据。

将多探头组件下放至钻孔中，使多个联合探头模块分别埋置于不同深度的土层，对不同深度位置原状土的核磁信息和电导率进行同时测量。不同频率的核磁探头采集的数据统一由电缆传输至地面的核磁共振谱仪，从采集信号频率上实现了多个核磁探头数据的区分。

测量数据经过工控机处理，得到不同深度位置土体的T2分布谱和电导率信息，根据T2分布谱可得到土体的含水率、水分分布信息，结合含水率和电导率信息，可以得到污染土重金属污染物信息。

将多探头组件长期埋置于地下土体进行原位测量，对污染场地中重金属污染物随着时间的迁移和变化情况进行长期、连续监测。

进一步地，所述核磁探头包括套筒和贯穿于所述套筒的套管，所述套管与所述套筒共轴线且二者固定连接，所述套筒中设置有核磁组件。

进一步地，所述套管的轴向长度大于所述套筒的轴向长度，相邻的两个所述套管之间通过螺纹连接，所述电缆安装于所述套管内，所述电导率探头连接于所述套管外。

如此可实现任意数量联合探头模块的连接。

进一步地，所述核磁组件包括固定设置于所述套筒中的磁体和绕设于所述套筒外的射频线圈，所述射频线圈连接有射频线圈电路，所述射频线圈电路连接于所述电缆。

进一步地，每个所述核磁探头中，所述磁体包括两个极性相反的空心圆柱型磁铁，两个所述磁铁沿自身轴向间隔排布，产生围绕轴线的圆环形静磁场B0；所述射频线圈位于两个所述磁铁之间，所述射频线圈产生的射频磁场B1沿磁体轴向且与静磁场B0垂直。

进一步地，所述套筒的外周侧的中部设置有供所述射频线圈缠绕的凹槽。

进一步地，不同的所述核磁探头中，所述磁体的磁场强度各不相同，使得每个所述核磁探头的共振频率各不相同。

每个核磁探头都采用不同磁场强度的磁体，根据磁场强度B0和共振频率的关系，每个探头的共振频率/>都不相同，将每个探头的射频线圈频率和磁体产生静磁场B0的磁场强度调谐一致，使得每个核磁探头都在不同的频率下工作，不同频率射频线圈采集的数据统一由电缆传输至地面谱仪系统，从采集信号频率上实现了多个核磁探头数据的区分。

进一步地，多个所述电导率探头绕所述套管的轴线对称分布，所述电导率探头包括壳体和设置于所述壳体中的电导率传感组件。

进一步地，所述电导率传感组件包括时域反射探针和连接于所述时域反射探针的控制电路，所述控制电路连接于所述电缆；所述壳体中设置有用于驱使所述时域反射探针伸出所述壳体并与土体接触的探针驱动装置，所述壳体和所述外壳均开设有供所述时域反射探针穿过的通孔。

探针驱动装置驱使时域反射探针伸出壳体并与土体接触，测量土体的电导率；每组联合探头模块中的多个电导率探头分别对同一深度土体不同方向的电导率进行测量。

本申请提供的一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测方法，采用一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统，包括以下步骤：

步骤一：将多探头组件下放至土体钻孔中的目标层段；

步骤二：多组联合探头模块分别对不同深度的土层同时进行电导率和核磁共振测量；

步骤三：通过电缆传输，电导率信号处理器接收所有电导率探头采集的数据；核磁共振谱仪接收所有核磁探头的测量信号并进行频谱分析，以区分每个核磁探头采集的核磁共振原始测量数据；

步骤四：原始测量数据传输至工控机，对不同深度位置核磁探头和电导率探头的测量数据进行处理，得到不同深度位置土体的T2分布谱和电导率信息；

步骤五：根据T2分布谱得到土体的含水率、水分分布信息，根据含水率和电导率信息得到污染土重金属污染物信息；

步骤六：将多探头组件长时间埋置于钻孔中，对土体进行长期、连续监测。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.多个联合探头模块分别埋置于不同深度的土层，对不同深度位置原状土的核磁信息和电导率进行同时测量，可同时获取不同深度位置原状土的含水率、水分分布和电导率信息；结合含水率和电导率信息，用以评价重金属离子污染程度，从而对污染场地中重金属污染物随着时间的迁移和变化情况进行实时监测；

2.每个核磁探头都采用不同磁场强度的磁体，使得每个核磁探头都在不同的频率下工作，不同频率的射频线圈采集的数据统一由电缆传输至地面谱仪系统，从采集信号频率上实现了多核磁探头数据的区分；

3.将多探头组件长期埋置于地下土体进行原位测量，可对地下土体尤其是污染场地进行长期、连续的原位监测。

附图说明

图1是本申请实施例的整体结构示意图；

图2是本申请实施例中多探头组件的剖视结构示意图；

图3是本申请实施例中电导率探头的剖视结构示意图；

图4是本申请实施例中基于多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统测量结果示意图。

附图标记：1、核磁探头；11、磁体；12、射频线圈；13、套筒；14、套管；15、外壳；16、射频线圈电路；2、电导率探头；21、时域反射探针；22、控制电路；23、探针驱动装置；24、壳体；3、数据采集及分析系统；31、核磁共振谱仪；32、电导率信号处理器；33、电缆；34、工控机。

具体实施方式

以下结合附图1-4对本申请作进一步详细说明。

实施例1

本申请实施例公开一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统。参照图1，多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统包括多探头组件、数据采集及分析系统3和电缆33。

参照图2，多探头组件包括筒状的外壳15和固定设置于外壳15中的多组联合探头模块，多组联合探头模块沿外壳15的轴向依次间隔排布且分别位于不同深度的地层。每组联合探头模块包括一个核磁探头1和至少两个电导率探头2；每组联合探头模块中，核磁探头1的测量频率各不相同。本实施例中，联合探头模块设置有三组，每组联合探头模块中，电导率探头2设置为两个。

参照图1，数据采集及分析系统3包括核磁共振谱仪31、电导率信号处理器32和工控机34。电缆33连接于多组联合探头模块和数据采集及分析系统3，用于供电以及传输测量数据。

将多探头组件下放至钻孔中，使多个联合探头模块分别埋置于不同深度的土层，对不同深度位置原状土的核磁信息和电导率进行同时测量。不同频率的核磁探头1采集的数据统一由电缆33传输至地面的核磁共振谱仪31，从采集信号频率上实现了多个核磁探头1数据的区分。

测量数据经过工控机34处理，得到不同深度位置土体的T2分布谱和电导率信息，根据T2分布谱可得到土体的含水率、水分分布信息，结合含水率和电导率信息，用以评价重金属离子污染程度。

将多探头组件长期埋置于地下土体进行原位测量，对污染场地中重金属污染物随着时间的迁移和变化情况进行长期、连续监测。

参照图2，核磁探头1包括套筒13和贯穿于套筒13的套管14，套管14与套筒13共轴线且二者通过环氧树脂粘连固定，套筒13的外壁贴合于外壳15的内壁，套筒13内设置有核磁组件。套管14的轴向长度大于套筒13的轴向长度，电导率探头2连接于套管14的外壁，相邻的两个套管14之间通过螺纹连接，如此可实现任意数量联合探头模块的连接。电缆33安装于套管14内。

参照图2，核磁组件包括固定设置于套筒13中的磁体11和绕设于套筒13外的射频线圈12，套筒13的外周侧的中部设置有供射频线圈12缠绕的凹槽；射频线圈12连接有射频线圈电路16，射频线圈电路16连接于电缆33。每个核磁探头1中，磁体11包括两个空心圆柱型磁铁，两个磁铁沿自身轴向间隔排布且二者的极性相反，即二者的磁场方向相反，产生围绕轴线的圆环形静磁场B0，静磁场B0均匀的区域为敏感区域。射频线圈12位于两个磁铁之间，射频线圈12产生的射频磁场B1沿磁体11轴向且与静磁场B0垂直。

进一步地，不同的核磁探头1中，磁体11的磁场强度各不相同，使得每个核磁探头1的共振频率各不相同。根据磁场强度B0和共振频率的关系，每个核磁探头1的共振频率/>都不相同，将每个核磁探头1的射频线圈12频率和磁体11产生静磁场B0的磁场强度调谐一致，使得每个核磁探头1都在不同的频率下工作，不同频率射频线圈12采集的数据统一由电缆33传输至地面谱仪系统，从采集信号频率上实现多核磁探头1数据的区分。

为了使核磁探头1的磁场能够到达需要测量的土体区域，套管14采用非磁性不锈钢制成，套筒13采用聚四氟乙烯材料制成，外壳15采用无磁不导电的玻璃钢材料制成。

参照图2，多个电导率探头2绕套管14的轴线对称分布。参照图3，电导率探头2包括壳体24和设置于壳体24中的电导率传感组件。具体的，电导率传感组件包括时域反射探针21和连接于时域反射探针21的控制电路22，控制电路22连接于电缆33。壳体24中设置有用于驱使时域反射探针21伸出壳体24并与土体接触的探针驱动装置23，壳体24和外壳15均开设有供时域反射探针21穿过的通孔。

测量土体的电导率时，通过探针驱动装置23驱使时域反射探针21伸出壳体24并与土体接触；测量完毕后，通过探针驱动装置23驱使时域反射探针21缩回壳体24内。每组联合探头模块中的多个电导率探头2分别对同一深度土体不同方向的电导率进行测量。

本申请实施例一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统的实施原理为：将多探头组件下放至钻孔中，使多个联合探头模块分别埋置于不同深度的土层，对不同深度位置原状土的核磁信息和电导率进行同时测量。不同频率的核磁探头1采集的数据统一由电缆33传输至地面的核磁共振谱仪31，从采集信号频率上实现了多个核磁探头1数据的区分。

测量数据经过工控机34处理，得到不同深度位置土体的T2分布谱和电导率信息，根据T2分布谱可得到土体的含水率、水分分布信息，结合含水率和电导率信息，用以评价重金属离子污染程度。

将多探头组件长期埋置于地下土体进行原位测量，对污染场地中重金属污染物随着时间的迁移和变化情况进行长期、连续监测。

实施例2

本申请实施例公开一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测方法，采用实施例1公开的一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统，包括以下步骤：

步骤一：将多探头组件下放至土体钻孔中的目标层段。

步骤二：多组联合探头模块中的电导率探头2和核磁探头1分别对不同深度的土层同时进行电导率和核磁共振测量；利用探针驱动装置23将每个探头的时域反射探针21都推出至探头外，与土体充分接触，测量三个不同深度位置土体的电导率，测量完毕后通过探针驱动装置23将每个探头的时域反射探针21都收回至探头内；开始进行核磁共振测量，三个核磁探头1测量频率分别为1.113MHz、1.117MHz、1.122MHz，对不同深度位置土层同时进行原位核磁共振测量。

步骤三：通过电缆33传输，电导率信号处理器32接收所有电导率探头2的电磁波信号，转换为电导率值；核磁共振谱仪31的多通道接收器接收所有核磁探头1的测量信号并进行频谱分析，以区分每个核磁探头1采集的核磁共振原始测量数据。

步骤四：原始测量数据传输至工控机34，对不同深度位置核磁探头1和电导率探头2的测量数据进行处理，得到不同深度位置土体的T2分布谱和电导率信息；

获得T2分布谱的方法如下：

土中氢核数量和磁化信号强度成正比，核磁共振探头测量的核磁共振横向磁化矢量回波衰减信号如公式（1）：

(1)

式（1）中，是一个回波衰减信号中第i个磁化矢量强度，/>为衰减时间，/>为设定的第j个横向弛豫时间，/>为第j个横向弛豫时间对应的幅度；三个探头分别测量，得到三组回波衰减信号；

核磁共振测量原始信号可经反演算法处理需要通过反演得到，即可得到T2分布谱，三个核磁探头测量分别得到不同深度位置土的T2分布；T2分布中短T2部分对应着土体中的小孔隙中的水，长T2部分是较大孔隙水的反映，基于T2谱能够得到土的微观孔隙结构特征。

步骤五：根据T2分布谱得到土体的含水率、水分分布信息，根据含水率和电导率信息评价重金属离子污染程度；

由T2分布谱得到土体的含水率的方法如下：

按公式（2）计算不同深度位置核磁探头测量的土含水量：

(2)

式（2）中，为单个核磁共振探头测量土体中水信号的总体积；/>和分别为T2分布谱的最小值和最大值；

按公式（3）计算该深度位置土体的含水率：

(3)

式（3）中，为核磁共振探头测量区域的总体积；/>为含水率；通过三个核磁探头测量，分别得到三个不同位置土的含水率/>、/>、/>。

获得电导率信息的方法如下：

将每个深度位置的两个电导率探头的测量结果求平均值作为该深度土体的电导率，如式（4）所示，得到三个深度位置对应的电导率值、/>、/>。

(4)

测量数据处理完毕后得到如图4所示的多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统对不同深度土同时测量的T2分布谱、含水率以及电导率。

根据土的含水率，对测量的土体电导率值进行校正得到孔隙水电导率，消除含水率这一影响因素，利用孔隙水电导率监测土体中是否有重金属离子污染，步骤如下：

根据Archie阿尔奇公式，建立土体电导率与孔隙水电导率的关系：

(5)

即：(6)

式（5）、（6）中，为土体电导率，即测量得到的电导率；/>为孔隙水电导率；/>为含水率，/>为与土体性质有关的常数。

根据式（6），算出地下不同深度位置土体的孔隙水电导率，能反映重金属污染物Cr(VI)、Ni²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺等离子浓度，重金属污染物浓度越高电导率升高越明显，从而用以评价重金属离子污染程度。

步骤六：将多探头组件长时间埋置于钻孔中，持续测量土体核磁共振和电导率信号，根据测量结果得到的孔隙水电导率监测污染场地中重金属污染物随着时间的迁移和变化情况。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统，其特征在于：包括：

多探头组件，包括筒状的外壳和固定设置于所述外壳中的多组联合探头模块，多组所述联合探头模块沿所述外壳的轴向依次间隔排布且分别位于不同深度的地层；每组所述联合探头模块包括一个核磁探头和至少两个电导率探头，每组所述联合探头模块中，所述核磁探头的测量频率各不相同；

数据采集及分析系统，包括核磁共振谱仪、电导率信号处理器和工控机；

电缆，连接于多组所述联合探头模块和所述数据采集及分析系统，用于供电以及传输测量数据。

2.根据权利要求1所述的一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统，其特征在于：所述核磁探头包括套筒和贯穿于所述套筒的套管，所述套管与所述套筒共轴线且二者固定连接，所述套筒中设置有核磁组件。

3.根据权利要求2所述的一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统，其特征在于：所述套管的轴向长度大于所述套筒的轴向长度，相邻的两个所述套管之间通过螺纹连接，所述电缆安装于所述套管内，所述电导率探头连接于所述套管外。

4.根据权利要求3所述的一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统，其特征在于：所述核磁组件包括固定设置于所述套筒中的磁体和绕设于所述套筒外的射频线圈，所述射频线圈连接有射频线圈电路，所述射频线圈电路连接于所述电缆。

5.根据权利要求4所述的一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统，其特征在于：每个所述核磁探头中，所述磁体包括两个极性相反的空心圆柱型磁铁，两个所述磁铁沿自身轴向间隔排布，产生围绕轴线的圆环形静磁场B0；所述射频线圈位于两个所述磁铁之间，所述射频线圈产生的射频磁场B1沿磁体轴向且与静磁场B0垂直。

6.根据权利要求5所述的一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统，其特征在于：所述套筒的外周侧的中部设置有供所述射频线圈缠绕的凹槽。

7.根据权利要求4所述的一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统，其特征在于：不同的所述核磁探头中，所述磁体的磁场强度各不相同，使得每个所述核磁探头的共振频率各不相同。

8.根据权利要求2所述的一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统，其特征在于：多个所述电导率探头绕所述套管的轴线对称分布，所述电导率探头包括壳体和设置于所述壳体中的电导率传感组件。

9.根据权利要求8所述的一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统，其特征在于：所述电导率传感组件包括时域反射探针和连接于所述时域反射探针的控制电路，所述控制电路连接于所述电缆；所述壳体中设置有用于驱使所述时域反射探针伸出所述壳体并与土体接触的探针驱动装置，所述壳体和所述外壳均开设有供所述时域反射探针穿过的通孔。

10.一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测方法，其特征在于：采用权利要求1-9任一项所述的一种多探头核磁共振与电导率联合的原位地下监测系统，包括以下步骤：

步骤一：将多探头组件下放至土体钻孔中的目标层段；

步骤二：多组联合探头模块分别对不同深度的土层同时进行电导率和核磁共振测量；

步骤三：通过电缆传输，电导率信号处理器接收所有电导率探头采集的数据；核磁共振谱仪接收所有核磁探头的测量信号并进行频谱分析，以区分每个核磁探头采集的核磁共振原始测量数据；

步骤四：原始测量数据传输至工控机，对不同深度位置核磁探头和电导率探头的测量数据进行处理，得到不同深度位置土体的T2分布谱和电导率信息；

步骤五：根据T2分布谱得到土体的含水率、水分分布信息，根据含水率和电导率信息得到污染土重金属污染物信息；

步骤六：将多探头组件长时间埋置于钻孔中，对土体进行长期、连续监测。