监控原位注入修复土壤与地下水过程的电法在线监测系统的制作方法

本实用新型属于土壤和地下水修复技术领域，涉及一种监控原位注入修复土壤与地下水过程的电法在线监测系统。

背景技术：

土壤和地下水是人类赖以生存的物质基础，近年来诸多污染事件的曝光，都表明我国土壤与地下水污染问题日益突出，严重威胁着我们的身体健康，因此，污染场地土壤与地下水的修复治理刻不容缓。我国经济发展正处在转型阶段，原先以资源和环境为代价的发展模式正在逐步被绿色健康的新型经济模式所取代，而对已经污染的土壤及地下水的调查及修复工作，将是近年来国家的一项重要工作。

原位化学氧化/还原修复技术，是通过向氯代烃类土壤或地下水的污染区注入氧化剂或还原剂，经过氧化或还原作用，使污染土壤或地下水中的污染物转化为无毒或相对毒性较小的物质。而在该修复过程中，污染物浓度的变化，中间产物，以及药剂的影响范围和在地下的移动路径，这些因素对修复效果都有着重要的影响。

传统的通过取水样的方式进行固定点监测的方法存在许多限制，包括信息单点化以及取样导致的深度信息不确定性等。而通过跨孔高密度电阻率法(一种地球物理方法)对地下的电阻率分布状况进行成像，能够在药剂灌注期间以及药剂反应期间进行持续的监测，并通过对比前后电阻率的改变，来推断药剂的流径。目前还没有一种能够监控原位注入修复土壤与地下水过程的电法在线监测系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种监控原位注入修复土壤与地下水过程的电法在线监测系统。该系统通过对地下的电阻率分布状况进行在线监测和成像，能够在药剂灌注期间以及药剂反应期间进行持续的监测，对比前后电阻率的改变，来推断药剂的流径，解决传统取水样监测的信息单点化以及取样导致的深度信息不确定性等问题。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：

一种监控原位注入修复土壤与地下水过程的电法在线监测系统，它包括地下监测井、数据采集硬件和数据处理硬件，还包括云平台；所述的数据采集硬件包括数据采集仪器(电法仪)，还包括电缆线、电缆头、电极、多路电极转换器(通道盒)、跳线盒；所述的数据处理硬件包括远程主机(即电脑，该电脑中安装有数据反演软件)；在污染区域内设置有多个地下监测井，地下监测井内布设有电缆线和若干个电极；所述的若干个电极中包括一个供电电极(即连接电源的接地电极)和若干个测量电极；在地下监测井内，若干个电极按照一定的间距排列，每个电极与一条细的电缆线连接，多条细的电缆线绑在一起成为一根粗的电缆线(多芯电缆)，成为具有一定顺序和规律的电缆线；井内的每个电极均通过细的电缆线与设在地面上的多路电极转换器(通道盒)连接，各电极的开关由多路电极转换器控制；在地面上，每个多路电极转换器(通道盒)与两条电缆线连接；连接多路电极转换器(通道盒)的电缆线通过电缆头串接起来并通过跳线盒连接至数据采集仪器即电法仪；电法仪通过云平台与远程主机(电脑)连接。

进一步地，该系统还包括太阳能板，太阳能板依次通过太阳能智能充电控制器、太阳能蓄电池与电法仪连接。

进一步地，所述的数据采集仪器(电法仪)为深圳市赛盈地脉技术有限公司生产的gd系列电法仪。

进一步地，所述的gd系列电法仪，其布设在整个污染区域内的地面上的电缆线是双向接入和交换的；亦即：电缆线的前端和后端均与电缆头连接；电缆头内设有交换装置。

进一步地，所述的gd系列电法仪，其布设在整个污染区域内的地面上的电缆线采用分段集中式布线方式；精密的交换装置分段集中设置在电缆头里，由电缆头分段管理每条高密度电缆。

进一步地，所述的gd系列电法仪，为多通道装置，它具备12个独立的接收通道，支持单边5通道、双边10通道同步测量。

进一步地，所述的gd系列电法仪，支持等间距跳电极，小间距电缆可完成大电极间距测试；在地下监测井内的岩石或沟壑处，电缆上该位置的抽头空置，不安置电极。

进一步地，所述的gd系列电法仪，具有电阻率自动迭代功能，即用户无须关注测量周期和迭代次数，测量过程中系统自动根据采集的数据来调整发射周期和迭代次数，达到测试时间和数据质量的均衡；由此能够实现电法监测的长期无人监控目标。

进一步地，所述的电法在线监测系统，在污染区域内设置了多口地下监测井，每口地下监测井的覆盖面积为10-12平方米，每孔各有40-55个电极，电极间距为0.5-0.8m，按照一定的逻辑规律进行数据的采集。

进一步地，所述的电法在线监测系统，在污染区域内设置有4口地下监测井，每个地下监测井内设有一个供电电极和40个测量电极，各电极之间的间距0.5m，按照一定的逻辑规律进行数据的采集。

采用上述电法在线监测系统监控原位注入修复土壤与地下水过程的方法如下：在污染区域的地下监测井内准备相应的若干井下电极，按照一定的间距排列好，通过多路电极转换器(通道盒)连接成为具有一定顺序和规律的电缆线；再通过电缆头将电缆线串接起来并连接至测量主机(电法仪)，使远程主机下发的数据采集命令能够通过测量主机(电法仪)实现；再将电极放入地下监测井中，接通电源，在地下监测井内进行放电和数据采集(按照一定的逻辑规律进行数据采集)，并且通过数据反演软件进行数据处理；然后，将过硫酸钠溶液注入被污染的氯代烃类土壤以及地下水中，并在药剂灌入的前期、中期、后期，分别观察土壤电阻率变化，来判断污染是否移动、药剂是否到达预期范围。将观测过程前期的值作为背景值，对比前后数据的差异。

该方法所用的数据反演软件为earthimager2dversion2.4.2，该软件为美国agi公司所研发，主要用于电阻率的反演处理，同时也具备激发激化数据的反演处理及正演处理。该软件进行反演处理时，可以加入地表电极的地形校正。所用的数据反演方法为圆滑模型反演。数据处理的步骤如下：导入数据——检验数据可靠性——剔除负值——参数设置——反演处理——收敛性检验——经验细节调整。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的电法在线监测系统，解决了供电和数据传输的两大难题，实现了电法监测的长期无人监控目标；具体为：太阳能板与电法仪连接(现有技术中是电法仪通过干电池直流供电)，解决了供电的难题；电法仪通过云平台与远程主机连接(现有技术中是电法仪直接与主机连接)，解决了数据传输的难题；通过采用具有电阻率自动迭代功能的gd系列电法仪，实现了电法监测的长期无人监控目标。

本实用新型的电法在线监测系统采用电法在线监测方法(跨孔高密度电阻率法)通过对地下的电阻率分布状况进行在线监测和成像，能够在药剂灌注期间以及药剂反应期间进行持续的监测，对比前后电阻率的改变，来推断药剂的流径，解决了传统取水样监测的信息单点化以及取样导致的深度信息不确定性等问题。

本实用新型开发了一种基于地球物理探测技术的原位注射修复过程监控技术。该电法在线监测系统及电法在线监测方法具有时效性、连续性，针对修复药剂在含水层中的扩散和动态分布变化，能够实时反映土壤和地下水的污染修复情况，准确探明污染源的位置和扩散范围，逐步实行修复效果的数字化评估。

本实用新型的电法在线监测系统及监测方法与现有技术相比，具有如下优点：

(1)跨孔形式的电流线流向是360度的，由于电极能够被放到目标深度的位置，使得电流线在比较深的地方也能够有密集的电流，跨孔的方法能够提供深度上更好的解析度。

(2)通过对土壤电导率数据的统计和分析，识别注射过程中药剂在地层空间中的主要传输途径，以及注射完成后药剂在地层中的详细分布情况；评估注射药剂是否能够均匀扩散于污染目标区域，同时与污染物接触或产生混合作用，根据结果针对传输性较不佳区域及时调整注射工艺，建立原位注射修复过程中的监控体系，为及时调整后续药剂注射位置和注射剂量提供依据。

附图说明

图1为本实用新型中的污染区域监测井配置平面图；

图2为本实用新型中井下电极通过多路电极转换器(通道盒)连接成为有一定顺序和规律的电缆线的示意图；

图3为本实用新型中在地面上的数据采集硬件部分的示意图；

图4为本实用新型中的电法在线监测系统的工作原理图；

图5为本实用新型中的灌药期间dw4-dw2剖面的监测结果图；

图6是本实用新型中的灌药期间dw1-dw3剖面的监测结果图；

图7为本实用新型中的孔中电极放电场示意图。

图中：1、电极；2、电缆线；3、电缆头4、跳线盒5、多路电极转换器(通道盒)6、太阳能板7、太阳能蓄电池a、供电电极；b、供电电极；m、测量电极；n、测量电极；g、16m灌药井；h、8m灌药井；dw1、dw2、dw3、dw4均为电极监测井；c、d、e、f均为电导率升高处。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

实施例1

如图1、图2所示，本实用新型一种监控原位注入修复土壤与地下水过程的电法在线监测系统，所述的电法在线监测系统，它包括设在污染区域内的多个地下监测井、数据采集硬件、数据处理硬件和数据反演软件，还包括云平台和太阳能板；所述的数据采集硬件包括数据采集仪器(电法仪)及配套的电缆线2、电缆头3、电极1、多路电极转换器(通道盒)5、跳线盒4；所述的数据处理硬件包括远程主机(电脑)；远程主机中安装有数据反演软件；在污染区域内设置有多个地下监测井，每个地下监测井内布设有一条粗的电缆线(多芯电缆)和若干个电极；所述的若干个电极中包括一个供电电极(即连接电源的接地电极)和若干个测量电极；如图2所示，在地下监测井内，若干个电极按照一定的间距排列，每个电极与一条细的电缆线连接，多条细的电缆线绑在一起成为一根粗的电缆线(多芯电缆)，成为具有一定顺序和规律的电缆线；如图3所示，分别与井内的每个电极连接的多条细的电缆线与设在地面上的多路电极转换器5(通道盒)连接，各电极的开关由多路电极转换器控制；如图3所示，在地面上，每个多路电极转换器(通道盒)与两条电缆线(粗的)连接；连接多路电极转换器(通道盒)的电缆线通过电缆头串接起来并通过跳线盒连接至数据采集仪器即电法仪；如图4所示，电法仪通过云平台与远程主机(电脑)连接。

电法仪上连接有bp-145可充电直流电源。通常情况下，本系统中的数据采集仪器(电法仪)主要还是通过bp-145可充电直流电源供电。此外，为了便于野外便携式供电，电法仪上还连接有太阳能板6，该太阳能板6依次通过太阳能智能充电控制器、太阳能蓄电池7与电法仪连接。太阳能蓄电池和太阳能板只是本系统中在无外接电源情况下可提供供电的一种方式。

如图1所示，所述的电法在线监测系统，在污染区域(临时办公房与绿化区之间的试验地块)内设置了4口地下监测井(电极监测井)，每孔(每个地下监测井)中各有40个测量电极，电极间距0.5m，按照一定的逻辑规律进行数据的采集。试验地块设置的监测井位置如图1中所示。其中，dw1、dw2、dw3、dw4为电极监测井，dw1与dw3之间钻孔后实际量测距离为4.5m，dw2与dw4之间实际量测距离为8.5m。

如图2所示，每个地下监测井(每孔)dw1、dw2、dw3、dw4中各有40个测量电极和一个供电电极，电极间距为0.5m。靠近地表面的第一个电极约在地下1m的位置。如图2所示，钻孔1(dw1或dw2)中有一个供电电极a和40个测量电极m，钻孔2(dw3或dw4)中有一个供电电极b和40个测量电极n。如图3所示，每个多路电极转换器(通道盒)连接20条细的电缆线,这20条细的电缆线分别与井内的20个测量电极连接；在一个地下监测井内，一根粗的电缆线里面是40条细的电缆线绑在一起的，每20条细的电缆线与一个多路电极转换器(通道盒)连接。亦即，一个地下监测井对应设置有两个多路电极转换器(通道盒)、40个测量电极。

所述的电法在线监测系统，所用的数据采集仪器(电法仪)为深圳市赛盈地脉技术有限公司自行研发及生产的gd系列电法仪，即gd-20多通道直流电法仪系统(高密度电法仪系统)。

该gd系列电法仪，其布设在整个污染区域内的地面上的电缆线是双向接入和交换的；即：电缆线的前端和后端均与电缆头连接；电缆头内设有交换装置。亦即，利用前端电缆头管理某抽头，同时还利用后段线芯将抽头第二触点(双抽头电缆)、或者相邻的抽头(单抽头电缆)与后端的电缆头连接，实现双向连接和管理。

该gd系列电法仪，其布设在整个污染区域内的地面上的电缆线采用分段集中式布线方式。高密度测试中，对施工效率和成本影响最大的是高密度交换装置和多抽头电缆；该gd系列电法仪，采用独特的分段集中式的解决方案，将精密的交换装置分段集中在电缆头里，由电缆头分段管理每条高密度电缆。以12-24个抽头为一段，通过两端的电缆头进行集中式交换控制，而各电缆头和主机之间，则采用分布式的控制方式。不仅完全具备了分布式布线简单、适合长断面测试的优点，还具备集中式电缆简单、可靠和成本低的优点。

该gd系列电法仪，为多通道装置，它具备12个独立的接收通道，支持单边5通道、双边10通道同步测量。对于单通道装置，支持两个装置脚本同时测量，提高效率的同时，保证测量的数据环境一致。

该gd系列电法仪，具有电阻率自动迭代功能：即用户无须关注测量周期和迭代次数，测量过程中系统自动根据采集的数据来调整发射周期和迭代次数，达到测试时间和数据质量的均衡。由此能够实现电法监测的长期无人监控目标。

该gd系列电法仪，支持等间距跳电极，小间距电缆可完成大电极间距测试。现场遇到岩石或沟壑，确实无法安置电极的情况，可将电缆上该位置的抽头空置，不影响整个断面的测试。

所述的跨孔高密度电阻率法，其工作方式是：在两钻孔中分别放入一定数量的电极，通过多芯电缆连接至地面，两孔电极形成孔间电极阵，如图2中所示。

所述的跨孔高密度电阻率法的物理前提是地下介质间的导电性差异，它通过a、b供电电极向地下供电流i，然后在m、n测量电极之间测量电位差δv，从而可求得该点(m、n之间)的视电阻率值ρs＝kδv/i；然后根据实测的视电阻率剖面，进行计算、分析，便可获得地下地层中的电阻率分布情况，从而可以划分地层，判定异常等。

数据采集时，先把电极奇偶分组，a、b供电电极奇-偶配对全组合，每次组合后，剩余电极作为测量电极任意组合成多个m、n测量电极，同时，测量测量电极m、n之间的电压和电流值；然后，利用电阻率反演软件进行数据处理，最后得到孔间电阻率分布图，并且，根据土壤电阻率变化，来判断污染是否移动、药剂是否到达预期范围。

如图3所示，所述的电法在线监测系统，其中的数据采集硬件主要由测量主机(电法仪)、多路电极转换器(通道盒)、电极系(包括若干电极)这三部分组成；电极系设在地下监测井内，测量主机(电法仪)、多路电极转换器(通道盒)设在地面上；电极系的多个电极通过电缆线与多路电极转换器(通道盒)连接，各电极的开关由多路电极转换器(通道盒)控制；连接多路电极转换器(通道盒)的电缆线通过电缆头串接起来并由跳线盒连接至电法仪。多路电极转换器(通道盒)通过电缆线控制电极系各电极的供电与测量状态；测量主机(电法仪)通过通讯电缆、供电电缆向多路电极转换器发出工作指令，向供电电极进行供电，并接收、存贮从测量电极m、n之间测量得到的电压和电流值测量数据。数据采集结果自动存入测量主机(电法仪)；测量主机(电法仪)通过通讯软件把原始数据传输给计算机(远程主机)。计算机(远程主机)将数据转换成处理软件要求的数据格式，经相应处理模块进行畸变点剔除、地形校正等预处理后，做视电阻率等值线图；然后在等值线图上根据视电阻率的变化特征，结合药剂灌入的情况，来判断污染是否移动、药剂是否到达预期范围。

图4所示为所述的电法在线监测系统的工作原理图。如图4所示，设在地下监测井内的若干个电极通过多路电极转换器(通道盒)与电缆线连接，电缆线再通过电缆头串接后与电法仪连接；电法仪通过云平台与远程主机(电脑)连接，使远程主机下发的数据采集命令能够通过电法仪实现。太阳能板通过太阳能智能充电控制器、太阳能蓄电池与电法仪连接。图4中所示的电法仪和电极1，用于在线采集电阻率数据；图4中所示的太阳能板2用于电法仪的供电。通过搭建图4中所示的云平台来实现数据实时上传，上传以后再通过远程主机(电脑)中的反演软件earthimager2dversion2.4.2进行数据处理。该电法在线监测系统，解决了供电和数据传输的两大难题，实现了电法监测的长期无人监控目标。

采用上述电法在线监测系统监控原位注入修复土壤与地下水过程的方法如下：在污染区域的地下监测井内准备相应的若干井下电极，按照一定的间距排列好，通过多路电极转换器(通道盒)连接成为具有一定顺序和规律的电缆线，再通过电缆头将电缆线串接起来并连接至测量主机(电法仪)，使远程主机下发的数据采集命令能够通过测量主机(电法仪)实现；再将电极放入地下监测井中，接通电源，在地下监测井内进行放电和数据采集(按照一定的逻辑规律进行数据采集)，并且通过数据反演软件进行数据处理；然后，将过硫酸钠溶液注入被污染的氯代烃类土壤以及地下水中，并在药剂灌入的前期、中期、后期，分别观察土壤电阻率变化，来判断污染是否移动、药剂是否到达预期范围。观测过程前期的值可以作为背景值，对比前后数据的差异。

所述的电法在线监测系统，所用的数据反演软件为earthimager2dversion2.4.2，该软件为美国agi公司所研发，主要用于电阻率的反演处理，同时也具备激发激化数据的反演处理及正演处理。该软件进行反演处理时，可以加入地表电极的地形校正。

所述的电法在线监测系统，所用的数据反演方法为圆滑模型反演。

所述的电法在线监测系统，进行数据处理的步骤如下：导入数据——检验数据可靠性——剔除负值——参数设置——反演处理——收敛性检验——经验细节调整。

图7所示为在孔(地下监测井)内通过电极向大地注入电流时的等势场图。从图7中可以看出，跨孔形式的电流线流向是360度的，由于电极能够被放到目标深度的位置，使得电流线在比较深的地方也能够有密集的电流线。这说明跨孔的方法能够提供深度上更好的解析度。

图5、图6所示为两个剖面在第一次灌药期间的监测结果。监测结果是利用时序反演方法进行处理所得，图5、图6中所显示的为电导率分布变化图，图5中的c处、图6中的d处、e处、f处为电导率升高处。灌药药剂为过硫酸钠，现场进行药剂的电导率量测，其电导率已经超过仪器量测量程。因此，可以判断目标异常为电导率升高的区域。

如图5所示，在初次灌药期间，dw4-dw2剖面有非常明显的电导率升高的迹象，主要升高区域为16m深处(c处)，药剂有向上和向下扩散的趋势，向上扩散至约6m位置。向下扩散超过20m，且推测其主要扩散或优势扩散路径向下，其原因为下方的电导率升高程度要比上方相同距离高。

如图6所示，在dw1-dw3剖面的监测结果图中，下方16m深处(f处)仍然有电导率升高的异常，但其并不像dw4-dw2剖面中呈现出大面积且连续性的升高。其原因是该剖面的数据量测在灌药后期进行，位于深部的药剂很可能通过下方的优势路径迁移。此外，在dw1-dw3剖面的表层约2m的位置(d处)，出现了电导率升高的现象。其原因为灌药过程中，由于灌药速度与药剂吸收速度的控制不准确，药剂从地表溢出，渗入到地表混凝土层，导致电导率升高幅度极大。另外，在dw1-dw3剖面的6m深处(e处)出现了大幅度电导率升高，其原因一方面可能为溢出药剂通过上部流径到达所在区域所致，另一方面也可能是局部土壤材料性质使该区域周围的透水性较差或是异常区域的透水性很好。