一种基于簇井的土壤透气率真空抽提分层测试方法与流程

本发明涉及土壤环境治理修复领域，尤其是一种基于簇井的土壤透气率真空抽提分层测试方法。

背景技术：

随着工业化、城市化的快速发展，我国面临严峻的土壤污染问题。土壤气相抽提、多相抽提、生物通风、空气喷射是目前国外最常用的原位土壤修复技术，这些技术通过在土壤层中布置抽提井、通风井，利用真空泵、通风泵驱使土壤-地下水中空气流动从而促进土壤地下水中污染物的解析、脱附、挥发、降解，从而使污染土壤得到净化，近几年在国内受到越来越多的研究和应用。

土壤透气率是指单位时间内单位面积、单位厚度土壤所通过的空气数量，表征土壤透过空气的能力，它影响着土壤的气体交换和自净能力，是土壤重要的性能指标，同时也是气相抽提、多相抽提、生物通风、空气喷射等土壤地下水修复技术最重要的参数之一，很大程度上决定技术的适用性，并直接影响抽提/通风影响半径、抽提/通风井数量以及井位布置。因此，土壤透气率的测试对于土壤环境治理具有重要意义。

土壤透气率目前主要通过相关参数估算、实验室测试、常压测试、变压测试、真空抽提测试等方法获取。相关参数估算法是在缺乏测试条件的情况下，利用土壤水力传导系数、气体粘滞系数、水粘滞系数等参数通过经验公式进行估算求得土壤透气率，该方法快捷简便，但误差大。实验室测试法通过在土体一端施加一定气压形成稳定气流后，然后测量一定时间内通过土体的空气体积，进而计算土壤透气率，由于土壤的非均质性，该方法仅能反映一些关于土壤孔隙几何特征和对流及传输过程之间相互作用的关系，用于评估天然土壤的透气性能作用有限。常压测试法利用连通器原理通过玻璃瓶、量筒、秒表等工具测量常压下土壤透气率，该法需要在常压下测量，由于大气压不稳定导致测量精度较低。变压测试法通过安装在包气带压力计来测量大气压力变化、依据计算土体的通气量来获取土壤透气率，该法仅可测试垂向透气率，且若包气带较深、透气性较强，大气压力波动会干扰测试结果。真空抽提测试法在土体中设置抽提井、气压监测井，通过真空抽提使土体形成压降，进而通过土体气压分布计算土壤透气率，该法是目前测量土壤透气率最准确的方法，但是该法得到的是土体的平均透气率，由于土壤空间异质性，结果代表性不高，同时，现有真空抽提法的气压监测井是单层井，一个监测点位仅能获取一个气压数据，影响了测试结果的代表性，而如果要获取不同深度土壤的透气率，则需要分层钻井、分层测试，额外耗费人力、物力和时间。

故，现有技术具有较大的改进空间。

技术实现要素：

为了弥补现有技术的不足，本发明提出一种基于簇井的土壤透气率真空抽提分层测试方法，通过该方法可以测量监测点不同深度、不同层位的气体压力，进而计算土壤透气率，结果精度高、代表性高，且能通过一次测量获取不同深度、不同土层土壤的透气率，一次测试可以获取不同土层的透气率，节省人力、物力和时间，有效用于土壤污染治理修复设计与施工。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供一种基于簇井的土壤透气率真空抽提分层测试方法，包括如下步骤：

1)分析测试地块的水文地质资料：所述水文地质资料包括土层岩性特性、地下水文特性，确定目标测试土层及抽提土层深度；

2)建井：在土壤包气带建立抽提井和监测井，包括如下步骤：

a.定位：抽提井布设1口，在以抽提井为圆心的圆周方向上均匀布设若干口监测井，且各监测井距抽提井的径向距离不同；

b.钻孔：抽提井和监测井的建立均采用机械钻机钻孔，所述抽提井和监测井的孔径、孔深相同，所述孔深大于抽提土层的埋深；

c.安装井管：井管由白管和筛管组成，从上至下依次为白管、筛管、白管，白管与筛管固定连接并相互连通，筛管外壁包裹有细纱网；抽提井内安装一根井管，所述井管的中心与钻孔中心线重叠，长度与抽提井的深度一致，根据抽提土层深度设置筛管的长度及位置；监测井采用簇井结构，即一个钻孔内并列且等距安装多根井管，所述监测井内的各井管的管径、筛管的长度相同，井管的数量根据土层属性分布设置，各井管的长度不大于各目标测试土层的埋深，筛管分别位于目标测试土层内，以确保土层的代表性；

d.装填滤料和封井材料：抽提井和监测井均采用洁净的石英砂作为滤料，采用膨润土及膨润土浆作为封井材料；所述滤料至少覆盖筛管的长度，所述膨润土填充在滤料层上，所述膨润土泥浆填充在膨润土上，一直填充至另一根井管的筛管底部或与地面平齐，确保有效阻隔水流和气流；

e.砌筑井台：井口处使用混凝土固定井管，混凝土浇筑一直从地面到膨润土泥浆回填上部；

3)设备连接：通过钢丝软管或者pvc管将抽提井的井管与真空泵连接，并在抽提井和监测井内的各井管的管头安装有气压表，在抽提井的井管的管头安装有气体流量计；

4)气相抽提与气流监测：开启真空泵，使待测区土体内产生负压，驱动土壤间隙内气体流动，一定时间后，气流达到稳定状态，抽提井内的井管的气体表、气体流量计读数基本保持不变，记录抽提井内的井管气压表、气体流量计读数以及各监测井内井管的气压表读数；

5)土壤透气率计算：根据下式计算不同距离不同深度的土层土壤监测点位的土壤透气率：

式中：ka为土壤透气率，量纲为m²；qv为抽提井内井管的气体流量，量纲为m³/s；μa为空气粘滞系数，量纲为pa·s，取1.83×10^-5pa·s；b为抽提井内井管的筛管长度，即抽提土层厚度，量纲为m；r1为抽提井内井管的内半径，量纲为m；r2为监测井中心距抽提井中心的距离，量纲为m；p1为抽提井内井管的绝对气体压力，量纲为pa；p2为距离抽提井r2点位处监测井内井管的绝对气体压力，量纲为pa。

根据以上方案，所述土层岩性特性至少包括土层属性分布、土层的层底埋深、粒径分布，所述地下水文特性至少包括地下水类型、埋深、地下水渗透系数。

根据以上方案，所述抽提井和监测井的孔径不小于200mm。

根据以上方案，所述井管采用pvc材质，所述白管与筛管之间采用螺纹或者管套连接，所述筛管预先由激光切割滤缝，滤缝宽度为0.5mm，筛缝可以确保井管内外气流连通，同时又可以阻止滤料等进入井管。

根据以上方案，所述抽提井井内井管的管径为63mm以上。

根据以上方案，所述监测井内的各井管的管径不超过50mm，所述井管与井管之间、井管与孔壁之间距离不小于10mm。

根据以上方案，所述监测井内的各井管的的筛管长度为100-200mm。

根据以上方案，所述安装井管后将所述监测井内的多根井管用多孔定位板固定，以确保井管之间间隙保持稳定，利于滤料、封井填料能充分进入间隙，使井管之间有足够的气密性，簇井内气流不窜层。

根据以上方案，所述膨润土的厚度至少为20cm。

本发明的有益效果在于：

本发明所述土壤透气率测试方法采用真空抽提可以维持土体恒定的气压状态，有效克服外界大气压力波动的干扰，使测试结果更准确；通过真空抽提进行现场、原位测试，可以避免对土体进行扰动，更能反映土体天然的透气性能；通过簇井分层监测，能获取同一点位不同深度、层位的土壤透气率，使测试结果更有代表性，而且一次测试即可获取不同土层的透气率，有效节省人力、物力和时间，为土壤修复治理方案设计及施工运行提供更多科学依据。

附图说明

图1是本发明所述基于簇井的土壤透气率真空抽提分层测试方法的流程示意图；

图2是本发明所述基于簇井的土壤透气率真空抽提分层测试方法中定位的示意图；

图3是本发明所述基于簇井的土壤透气率真空抽提分层测试方法中监测井的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚的对本发明进行阐述，本发明选择山东某a地块为应用案例，结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明，但不用来限制本发明的应用范围。

如图1-3所示，本发明所述一种基于簇井的土壤透气率真空抽提分层测试方法，包括如下步骤：

1)分析a地块的水文地质资料：所述a地块的土层自上而下依次为：第①层填土，层底埋深约3.2m，以粉质黏土为主，夹砖砾，干-稍湿，松散；第②层粉土，层底埋深约为5.1m，稍湿，稍密；第③层粉质黏土，层底埋深9.0m以下，稍湿，可塑-硬塑；地下水为孔隙承压水，埋深9.41-10.77m，地下水渗透系数为1.70×10^-3-8.86×10^-3cm/s；通过上述分析确定目标测试土层为第①层填土、第②层粉土、第③层粉质黏土，抽提土层深度为地面以下2.0-7.0m；

2)建井：在a地块的土壤包气带建立抽提井和监测井，包括如下步骤：

a.定位：布设1口抽提井，编号为ew0，以抽提井ewo为圆心在0°、90°、180°、270°方向上分别径向距离抽提井ew01.0m、2.0m、4.0m、8.0m处布设4口监测井，分别编号为mw1、mw2、mw3、mw4；

b.钻孔：抽提井和监测井的建立均采用机械钻机钻孔，所述抽提井和监测井的孔径、孔深相同，所述孔径为200mm，所述孔深为8.0m；

c.安装井管：井管采用pvc材质，由白管和筛管组成，从上至下依次为白管、筛管、白管，白管与筛管采用管套固定连接并相互连通，筛管外壁包裹右细纱网，以充分保证井管的透气性同时防止井管被泥砂堵塞，所述筛管预先由激光切割滤缝，滤缝宽度为0.5mm；抽提井ew0内安装一根井管，所述井管的中心与钻孔中心线重叠，管径为63mm，内径为55mm，使井管有足够的通气面积，井管长8m，筛管深度为地面以下2.0-7.0m；监测井采用簇井结构，即一个钻孔内并列且等距安装三根井管，分别编号为w1、w2、w3，各井管管径均为50mm，井管与井管之间距离为10mm、井管与孔壁之间距离为15mm，井管w1长度为3.1m，筛管深度为地面以下2.8-3.0m，井管w2长度为4.5m，筛管深度为地面以下3.8-4.0m，井管w3长度为6.5m，筛管深度为地面以下5.8-6.0m，所述三根井管的筛管分别位于目标测试土层内，有效保证测试数据的代表性；完成安装井管后将所述监测井内的三根井管用多孔定位板固定，以确保井管之间间隙保持稳定，利于滤料、封井填料能充分进入间隙，使井管之间有足够的气密性，簇井内气流不窜层；

d.装填滤料和封井材料：抽气井和监测井均采用洁净的石英砂作为滤料，采用膨润土及膨润土浆作为封井材料；所述滤料覆盖筛管的长度，所述膨润土填充在滤料层上，厚度为20cm，所述膨润土泥浆填充在膨润土上，一直填充至另一根井管的筛管底部或与地面平齐，确保有效阻隔水流和气流；

e.砌筑井台：井口处使用混凝土固定井管，混凝土浇筑一直从地面到膨润土泥浆回填上部；

3)设备连接：通过pvc管将抽气井的井管与真空泵连接，并在抽气井和监测井内的各井管的管头安装有气压表、气体流量计；

4)气相抽提与气流监测：开启真空泵，使待测区土体内产生负压，驱动土壤间隙内气体流动，4h后气流达到稳定状态，抽提井内的井管的气体表、气体流量计读数基本保持不变，所述气体表p1读数为5.9kpa、气体流量计qv读数为0.017m³/s，记录抽提井内的井管气压表、气体流量计读数以及各监测井内井管的气压表读数，见下表1；

表1抽提井及监测井内井管的真空度及绝对负压汇总

其中，真空度为井管内气压表的读数，绝对气压＝标准大气压(101325pa)-真空度；

5)土壤透气率计算：根据下式计算不同距离不同深度的土层土壤监测点位的土壤透气率：

式中：ka为土壤透气率，量纲为m²；qv为抽提井内井管的气体流量，量纲为m³/s；μa为空气粘滞系数，量纲为pa·s，取1.83×10^-5pa·s；b为抽提井内井管的筛管长度，即抽提土层厚度，量纲为m；r1为抽提井内井管的内半径，量纲为m；r2为监测井中心距抽提井中心的距离，量纲为m；p1为抽提井内井管的绝对气体压力，量纲为pa；p2为距离抽提井r2点位处监测井内井管的绝对气体压力，量纲为pa；

计算结果见下表2：

表2土壤透气率计算结果汇总

从上表2可见，该a地块的土壤透气率随着土壤的垂向分层而具有明显的差异，填土层土壤透气率为1.07-5.07×10^-11m²，平均为2.66×10^-11m²，粉土层土壤透气率为1.01-3.22×10^-11m²，平均为1.91×10^-11m²，而下层粉黏土层土壤透气率为0.96-1.53×10^-11m²，平均为1.23×10^-11m²。

本发明所述基于簇井的土壤透气率真空抽提分层测试方法，采用真空抽提可以维持土体恒定的气压状态，有效克服外界大气压力波动的干扰，使测试结果更准确；通过真空抽提进行现场、原位测试，可以避免对土体进行扰动，更能反映土体天然的透气性能；通过簇井分层监测，能获取同一点位不同深度、层位的土壤透气率，使测试结果更有代表性，而且一次测试即可获取不同土层的透气率，有效节省人力、物力和时间，为土壤修复治理方案设计及施工运行提供更多科学依据。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。