一种LNAPL运移监测装置及其数据处理方法

一种lnapl运移监测装置及其数据处理方法
技术领域
1.本发明涉及水文地质技术领域，具体为一种lnapl运移监测装置及其数据处理方法。


背景技术：

2.目前，我国处于经济快速发展阶段，因此被称为“现代工业血液”的轻非水相液体(lnapl)类产品大量应用于交通运输、塑料、化纤制造等各种行业。但是，在lnapl类产品生产过程中时常会出现跑、冒、滴、漏等事故而对土壤和地下水造成非常严重的污染。由于其不溶于水的性质，进入地下水后会形成多相流体系，迁移特征较为复杂。且lnapl不易降解，对地下水会造成长期的污染，对人类的生产和生活会产生巨大的危害。因此了解lnapl在地下水中运移规律，阻止lnapl对自然环境的污染刻不容缓。
3.迄今为止，学术界对lnapl运移监测的方法十分有限。钻孔取样和现场开挖监测井是对lnapl污染进行监测和评价的传统方法。例如cn201920503541.4，一种用于有机污染场地调查与长期监测取样井系统，需要在现场建设一口监测井便于之场地调查、治理修复以及后期监测过程中进行取样。虽然监测井可以同时兼顾多个功能，但是这种方法对现场具有损坏性可能会改变现场的原生态环境，只能够对某一个点数据进行分析且很难实现在相同条件下进行多次测量，不能够进行大量、连续、持续的动态监测。电阻率法是以砂石(17)的导电性差异为基础，通过观测、研究人工建立的地中稳定电流场的分布规律，来解决地质问题的一种物探方法。适用于普遍存在电性差异的岩石、土体，因此电阻率法在水文地质、工程地质、岩土工程、场地调查等领域中广泛应用。例如cn201510671579.9，基于高密度电阻率法的污染土检测方法，在污染区域和周边未污染区域同时都布置测线来采集电阻率数据然后对其进行反演得到得到相应的电阻率剖面，通过对比两个区域的电阻率反演剖面来判断污染物分布情况。这种方法可以快速、无损、低成本的以面状形式呈现污染物分布。然后通过对电阻率反演剖面的分析，有时很容易忽视污染程度不太严重的区域导致之后制定污染场地修复措施方案的不全面。当前，国内利用高密度电阻率法监测污染物运移的过程大多数适用于室外大尺度的污染物运移监测，对室内小尺度污染物运移的监测还不是很成熟。


技术实现要素：

4.因此，研发lnapl运移监测装置及其数据处理方法，获取室内小尺度lnapl运移快速、无损、准确数据处理方法，为开展lnapl运移机理与模型研究提供新的思路。
5.为解决上述技术中存在的问题，本发明提供了一种lnapl运移监测装置及其数据处理方法，提供一种可以模拟地下水位波动条件下lnapl垂直运移监测装置和方法，利用四维时移方法对数据进行处理，能够实现室内小尺度lnapl运移过程准确分析。
6.本发明提供的一种lnapl运移监测装置，具体包括：
7.lnapl运移主体和监测系统。
8.所述lnapl运移主体包括：
9.亚克力透明柱，其内装有水和lnapl。
10.排水装置，与所述亚克力透明柱连通，用于排放亚克力透明柱内的水。
11.多个测压管，连接在亚克力透明柱的侧壁和底部，与亚克力透明柱相连通。
12.多个紫铜电极棒，插设在亚克力透明柱侧壁上、并延伸进入亚克力透明柱内与lnapl相接触。
13.所述监测系统，与多个紫铜电极棒电连接，用于监测lnapl的运移。
14.进一步的，本发明提供的一种lnapl运移监测装置，还包括lnapl输送装置，所述lnapl输送装置包括：
15.蠕动泵，一端通过软管与马氏瓶相连通，另一端通过软管与亚克力透明柱的顶部相连通。
16.进一步的，本发明提供的一种lnapl运移监测装置，还包括供水装置，所述供水装置包括：
17.供水箱，通过进水软管与亚克力透明柱的底部相连通。
18.开关阀，设于供水箱与进水软管的连接处。
19.进一步的，本发明提供的一种lnapl运移监测装置，所述排水装置包括：
20.第一烧杯，通过排水软管与亚克力透明柱的底部相连通。
21.多个排水孔，竖向均匀开设于亚克力透明柱的侧壁。
22.多个排水止水夹，设置在对应的多个排水孔上。
23.溢流孔，开设于亚克力透明柱的侧壁的顶部。
24.第二烧杯，设于溢流孔的下方。
25.进一步的，本发明提供的一种lnapl运移监测装置，所述lnapl运移主体还包括：
26.砾石，铺设在亚克力透明柱的内部。
27.纱网，铺设于砾石上。
28.砂石，铺设于纱网上，其粒径大于纱网的孔径。
29.进一步的，本发明提供的一种lnapl运移监测装置，所述监测系统包括：
30.电极转化装置，与多个紫铜电极棒通过导线连接。
31.duk-2b高密度电法仪，通过导线与电极转化装置相连。
32.200v直流电源箱，与duk-2b高密度电法仪电连接。
33.计算机，与duk-2b高密度电法仪电连接。
34.本发明提供的一种lnapl运移监测装置的数据处理方法，包括以下步骤：
35.检测lnapl运移主体与监测系统的接地电阻，根据接地电阻调整紫铜电极棒深入到亚克力透明柱中的深度。
36.控制亚克力透明柱内水的排放。
37.观察测压管内的水位高度，判断亚克力透明柱中地下水位高度。
38.通过监测系统实时监测lnapl产品的电阻率数据。
39.根据电阻率数据绘制不同时刻二维电阻率变化率等值线图。
40.记录测压管内的lnapl液面高度，将其与二维电阻率变化率等值线图对比：若电阻率变化率大于0，则此处已经存在lnapl，且电阻率变化率值越大则此处lnapl浓度越大，若
电阻率变化率小于0，则此处含水量变大。
41.进一步的，本发明提供的一种lnapl运移监测装置的数据方法，所述通过监测系统实时监测lnapl产品的电阻率数据，具体包括：
42.通过duk-2b高密度电法仪监测一次电阻率数据，并通过多个紫铜电极棒收集不同时刻的电阻率数据。
43.进一步的，本发明提供的一种lnapl运移监测装置的数据方法，所述根据电阻率数据绘制不同时刻二维电阻率变化率等值线图，包括对电阻率数据进行预处理，具体包括：
44.将duk-2b高密度电法仪采集到的包含坐标点的电阻率数据传输到计算机，利用公式对其装置系数进行校正，再根据采集到的电压值与电流值的数据，利用公式计算得到其电阻率。
45.其中，k为装置系数，am为电极a、m之间的间距，an为电极a、n之间的间距，mn为电极m、n之间的间距，ρs为电阻率，δu为电压变化量，i为电流。
46.进一步的，本发明提供的一种lnapl运移监测装置的数据方法，所述根据电阻率数据绘制不同时刻二维电阻率变化率等值线图，还包括：
47.将同一时刻监测前后对称两个有坐标点的半剖面的电阻率数据整合为一个有坐标点的完整剖面的电阻率数据，将最开始监测的完整剖面电阻率数据作为背景值，利用公式将不同时刻监测的每组完整剖面数据均进行时移处理，处理完成后的数据进行网格化处理，x轴为垂直测线方向，y轴为测线方向，绘制不同时刻二维电阻率变化率等值线图。
48.其中，εi为i时刻的电阻率变化率，ρi为i时刻的完整剖面的电阻率，ρ0为最开始监测的完整剖面的电阻率。
49.与现有技术相比，本发明提供了一种lnapl运移监测装置及其数据处理方法，其有益效果是：
50.本发明的多个排水孔和测压管的安装，可以模拟地下水位波动的状态并准确判断砂石中地下水和lnapl液面高度；本发明的数据处理方法，通过绘制二维电阻率变化率等值线图可以直观地揭示不同时刻lnapl运移情况；本发明的利用高密度电法系统监测lnapl运移，能够准确、连续、快速的监测室内小尺度lnapl的运移情况，为地下水中lnapl运移的监测提供一种新的手段。
附图说明
51.图1为发明提供的一种lnapl运移监测装置的结构示意图；
52.图2为本发明提供的一种lnapl运移监测装置的数据方法的流程图。
53.图中：1.亚克力透明柱、2.测压管、3.紫铜电极棒、4.蠕动泵、5.软管、6.马氏瓶、7.供水箱、8.进水软管、9.第一烧杯、10.排水软管、11.排水孔、12.排水止水夹、13.溢流孔、14.第二烧杯、15.砾石、16.纱网、17.砂石、18.电极转化装置、19.duk-2b高密度电法仪、20.200v直流电源箱、21.计算机。
具体实施方式
54.下面结合附图1至图2，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
55.实施例1：本发明提供的一种lnapl运移监测装置，具体包括：lnapl运移主体和监测系统；lnapl运移主体包括：亚克力透明柱1，其内装有水和lnapl；排水装置，与亚克力透明柱1连通，用于排放亚克力透明柱1内的水；多个测压管2，连接在亚克力透明柱1的侧壁和底部，与亚克力透明柱1相连通；多个紫铜电极棒3，插设在亚克力透明柱1侧壁上、并延伸进入亚克力透明柱1内与lnapl相接触；监测系统，与多个紫铜电极棒3电连接，用于监测lnapl的运移。
56.本发明提供的一种lnapl运移监测装置，还包括lnapl输送装置，lnapl输送装置包括：蠕动泵4，一端通过软管5与马氏瓶6相连通，另一端通过软管5与亚克力透明柱1的顶部相连通。
57.本发明提供的一种lnapl运移监测装置，还包括供水装置，供水装置包括：供水箱7，通过进水软管8与亚克力透明柱1的底部相连通；开关阀，设于供水箱7与进水软管8的连接处。
58.本发明提供的一种lnapl运移监测装置，排水装置包括：第一烧杯9，通过排水软管10与亚克力透明柱1的底部相连通；多个排水孔11，竖向均匀开设于亚克力透明柱1的侧壁；多个排水止水夹12，设置在对应的多个排水孔11上；溢流孔13，开设于亚克力透明柱1的侧壁的顶部；第二烧杯14，设于溢流孔13的下方。
59.本发明提供的一种lnapl运移监测装置，lnapl运移主体还包括：砾石15，铺设在亚克力透明柱1的内部；纱网16，铺设于砾石15上；砂石17，铺设于纱网16上，其粒径大于纱网16的孔径。
60.本发明提供的一种lnapl运移监测装置，监测系统包括：电极转化装置18，与多个紫铜电极棒3通过导线连接；duk-2b高密度电法仪19，通过导线与电极转化装置18相连；200v直流电源箱20，与duk-2b高密度电法仪19电连接；计算机21，与duk-2b高密度电法仪19电连接。
61.本发明提供的一种lnapl运移监测装置的数据处理方法，包括以下步骤：检测lnapl运移主体与监测系统的接地电阻，根据接地电阻调整紫铜电极棒3深入到亚克力透明柱1中的深度；控制亚克力透明柱1内水的排放；观察测压管2内的水位高度，判断亚克力透明柱1内的砂石17中地下水位高度；通过监测系统实时监测lnapl产品的电阻率数据；根据电阻率数据绘制不同时刻二维电阻率变化率等值线图；记录测压管2内的lnapl液面高度，将其与二维电阻率变化率等值线图对比：若电阻率变化率大于0，则此处已经存在lnapl，且电阻率变化率值越大则此处lnapl浓度越大，若电阻率变化率小于0，则此处含水量变大。通过监测系统内的duk-2b高密度电法仪19监测一次电阻率数据，还包括：通过多个紫铜电极棒3收集不同时刻的电阻率数据。
62.本发明提供的一种lnapl运移监测装置的数据处理方法，通过监测系统实时监测lnapl产品的电阻率数据，具体包括：通过duk-2b高密度电法仪19监测一次电阻率数据，并通过多个紫铜电极棒3收集不同时刻的电阻率数据。
63.本发明提供的一种lnapl运移监测装置的数据处理方法，根据电阻率数据绘制不
同时刻二维电阻率变化率等值线图，包括对电阻率数据进行预处理，具体包括：将duk-2b高密度电法仪19采集到的包含坐标点的电阻率数据传输到计算机21，利用公式对其装置系数进行校正，再根据采集到的电压值与电流值的数据，利用公式计算得到其电阻率；其中，k为装置系数，am为电极a、m之间的间距，an为电极a、n之间的间距，mn为电极m、n之间的间距，ρs为电阻率，δu为电压变化量，i为电流。
64.本发明提供的一种lnapl运移监测装置的数据处理方法，根据电阻率数据绘制不同时刻二维电阻率变化率等值线图，还包括：将同一时刻监测前后对称两个有坐标点的半剖面的电阻率数据整合为一个有坐标点的完整剖面的电阻率数据，将最开始监测的完整剖面电阻率数据作为背景值，利用公式将不同时刻监测的每组完整剖面数据均进行时移处理，处理完成后的数据进行网格化处理，x轴为垂直测线方向，y轴为测线方向，绘制不同时刻二维电阻率变化率等值线图；其中，εi为i时刻的电阻率变化率，ρi为i时刻的完整剖面的电阻率，ρ0为最开始监测的完整剖面的电阻率。
65.在本实施例中，亚克力透明柱1是由高度60cm，直径25cm，厚度0.5cm的亚克力管和底板为直径27cm，厚度0.5cm的亚克力板密封拼接而成。在亚克力透明柱1一侧从下向上每隔10cm布置一个直径1cm排水孔，共布置五个排水孔，底板下靠近排水孔一侧布置一个直径1cm排水孔，用于控制地下水位下降；在排水孔对称位置布置同样五个直径1cm小孔和底板下远离排水孔一侧布置一个直径1cm排水孔，用于安装测压管2来观察lnapl运移过程中地下水位高度的变化。
66.在与排水孔垂直一侧布置18个直径0.15cm微小孔，并在其对称位置也同样布置一排微小孔，用于插入紫铜电极棒。紫铜电极棒表面涂有一层导电硅胶用来增强导电性，能够降低接地电阻。由于18个间距为3cm电极有效探测深度约为12cm，所以在其对称面布置同样一排电极，能更完整的反映整个测线剖面上lnapl运移过程。
67.供水装置包括进水软管8和供水箱7，进水软管8一端与供水箱7出水口相连，另一端与底板中间进水孔连接，供水箱设有开关阀用于将水稳定地流入运移主体来饱和砂石。
68.lnapl输送装置包括软管5、蠕动泵4和马氏瓶6，软管5一端连接马氏瓶6，另一端与蠕动泵4连接；蠕动泵4是一种可以控制流速的液体灌装装置，由驱动器、泵头、泵管组成，通过重复压缩弹性软管使管中的流体朝一定方向运动；由于其流速与软管直径、压缩转速、液体粘度等因素有关。需要先绘制蠕动泵输送lnapl的压缩转速(rpm)与流速(ml/min)之间关系曲线，从而依据滴入lnapl速率来选择相应的压缩转速。
69.监测装置包括导线、电极转化装置18、duk-2b高密度电法仪19、200v直流电源箱20，利用导线将36个紫铜电极棒3与电极转化装置18连接，将duk-2b高密度电法仪19与电极转化装置18和计算机21连接，同时接入200v直流电源箱20；由于采用温纳对称四极方法监测时，duk-2b高密度电法仪19对电极间距参数设置最小10cm，然而实际电极间距小于10cm，因此需要对数据进行预处理；先将duk-2b高密度电法仪19采集到的包含坐标点的电阻率数据传输到计算机，利用公式对其装置系数进行校正，再根据采集到的电压值
与电流值的数据，利用公式计算得到其电阻率；其中，k为装置系数，am为电极a、m之间的间距，an为电极a、n之间的间距，mn为电极m、n之间的间距，ρs为电阻率，δu为电压变化量，i为电流。
70.利用四维时移方法对电阻率数据进行处理，更加关注不同时刻电阻率数据差异，凸显电阻率随时间的变化情况，可以准确分析lnapl运移过程。首先将同一时刻监测前后对称两个有坐标点的半剖面的电阻率数据整合为一个有坐标点的完整剖面的电阻率数据。将最开始监测的完整剖面电阻率数据作为背景值，利用公式将不同时刻监测的每组完整剖面数据都进行时移处理。处理完成后的数据进行网格化处理，x轴为垂直测线方向，y轴为测线方向，绘制不同时刻二维电阻率变化率等值线图，能够更加直观地描述lnapl运移过程；其中，εi为i时刻的电阻率变化率，ρi为i时刻的完整剖面的电阻率，ρ0为最开始监测的完整剖面的电阻率。
71.使用本装置进行lnapl运移监测时，先组装监测装置，利用导线把紫铜电极棒3和电极转化装置18连接，电极转化装置18另一端与duk-2b高密度电法仪19连接，同时接入200v直流电源箱20；检测装置接地电阻来判断导线与电极接触是否正常以及调整紫铜电极棒3深入到砂石17中的深度；通过进水软管8将供水箱7出水口和进水孔连接，控制开关阀使水流稳定地流入运移主体底部的砾石区，使砂石17达到饱和状态；调节底板排水软管10高度与侧面不同高度排水孔止水夹12，能够控制砂石内地下水位下降，同时观察测压管水位高度，可以准确判断砂石17中地下水位高度；通过软管5将马氏瓶6和蠕动泵4连接，将lnapl加入到砂石17中并同时控制地下水位的下降，之后每隔一定时间段通过duk-2b高密度电法仪19监测一次电阻率数据，通过36个紫铜电极棒3位置所收集不同时刻的数据，对数据先进行预处理，然后进行时移方法处理后，通过surfer软件网格化处理绘制出不同时刻二维电阻率变化率等值线图。电阻率变化率大于0的话说明此处已经存在lnapl并且电阻率变化率值越大说明此处lnapl浓度越大，电阻率变化率小于0的话说明此处的含水量变大，这是由于lnapl不溶于水性质导致lnapl驱替水引起砂石中水的移动，通过监测不同时间，不同位置上电阻率值变化，可以详细地说明lnapl运移情况，揭示整个lnapl运移过程；在duk-2b高密度电法仪19监测电阻率数据的同时观察且记录测压管2内水和lnapl液面高度，将其与二维电阻率变化率等值线图中表现出电阻率变化率值大于0的区域对比，更加有效可靠的分析lnapl运移过程；所加入lnapl为加有苏丹红ⅲ染料的柴油，可以根据需要调节。
72.具体操作时，按照以下步骤进行:
73.[1]首先在亚克力透明柱1底部装入约高2cm砾石15做为铺垫，在砾石15上方布置一层孔径小于砂石17粒径的纱网16，然后在纱网16上方装入砂石17，并且在多个排水孔11和多个测压管2孔内部壁侧布置细纱网，防止砂石17泄漏堵塞小孔。亚克力透明柱1顶部预留2-3cm，可以控制lnapl液面保持在同一高度模拟不同压力条件下lnapl运移状态。当lnapl液面超过溢流孔13时，记录溢出到第二烧杯14中lnapl总量。蠕动泵4从马氏瓶6中泵出lnapl总量减去溢出lnapl总量即可得到渗入到砂石17中lnapl总量。
[0074]
[2]将紫铜电极棒3插入到前后对称36个直径为0.15cm微小孔并深入砂石17中3-4cm，然后完全塑封微小孔，防止微小孔处发生泄漏影响试验结果。
[0075]
[3]将底板下的进水软管8与开关阀连接，调节开关阀控制流速使水流稳定地流入砾石6区域从而使砂石17达到饱和，同时将排水软管10和侧面排水孔11用排水止水夹12夹住，当观察到砂石17上表面有一层薄水膜和测压管2达到最大高度且稳定时证明砂石17已经完全饱和。关闭开关阀将底板下的排水软管10打开，依靠重力排水并且静置24h使其达到非饱和状态，重复饱水、排水步骤3-4次，使运移主体中砂石17内部各处密实度相同，尽量减少因密实度差异而导致出现电阻率异常区。
[0076]
[4]饱水、排水过程中检查亚克力透明柱1侧边小孔是否有漏水现象，需及时密封处理。用导线将紫铜电极棒3和电极转化装置18一端相连接，电极转化装置18另一端与duk-2b高密度电法仪19连接，同时给duk-2b高密度电法仪19接入200v直流电源箱20。操作duk-2b高密度电法仪19检测紫铜电极棒3与砂石17之间接地电阻，若接地电阻过大，需要检查导线与紫铜电极棒3接触是否良好以及通过调整紫铜电极棒3插入砂石17中深度使接地电阻在合适范围内，大部分情况下接地电阻要求小于5k。
[0077]
[5]当最后一次砂石17达到饱和后，操作duk-2b高密度电法仪19用温纳方法监测饱和状态时电阻率数据。然后打开最高处的排水止水夹12并将排水软管10升高到与最高处的排水孔11相同高度，将排水软管10和最高处的排水孔11中排出水接到烧杯10并记录水量。观察测压管2高度与最高处的排水孔11高度一致且保持稳定时证明地下水位已处于稳定状态。在水位下降过程中，根据试验要求每隔一定时间段使用duk-2b高密度电法仪19监测电阻率数据，并且记录时间和剖面文件名。
[0078]
[6]地下水位稳定后，打开蠕动泵4将马氏瓶6中加有苏丹红ⅲ染料的lnapl通过软管2输送到砂石17上表面。可以根据不同的试验要求来调节蠕动泵压缩转速控制滴入lnapl速率，并且记录滴入lnapl总量。每隔一定时间段监测一次电阻率数据，观察并记录测压管2中水和lnapl液面高度，记录从运移主体外壁观察到lnapl向下运移距离。由于lnapl与水不相溶性质会导致驱替水现象，将最高处的排水孔11处驱替水接入烧杯10中并记录水量。可以定量对比排出水量与渗到砂石17中的lnapl量。
[0079]
[7]当观察到最高处的排水孔11有lnapl流出，测压管2液面高度稳定不再变化时证明在当前地下水位状态下lnapl运移已经达到最大限度。用最高处的排水止水夹12夹住最高处的排水孔11，打开排水止水夹12同时将排水软管10降到与第二高处的排水孔11相同高度，将排水软管10和第二高处的排水孔11中排出的水排入烧杯10并记录水量。重复上述步骤[6]来监测地下水位降低过程中电阻率变化情况。
[0080]
[8]重复上述步骤[6]—[7]，依次打开不同高度的排水止水夹12来监测地下水位连续下降程中电阻率变化情况。
[0081]
[9]将duk-2b高密度电法仪19监测得到带有坐标的电阻率数据导入计算机30后进行数据预处理。先利用公式对其装置系数进行校正，再利用公式计算得到其正确的电阻率。将同一时刻监测前后对称两个有坐标点的半剖面的电阻率数据整合为一个有坐标点的完整剖面的电阻率数据。
[0082]
[10]利用公式对完整剖面电阻率数据进行时移处理，使用surfer软件对带有坐标的完整剖面电阻率数据进行网格化处理，绘制不同时刻二维电阻率
变化率等值线图。最后通过对不同时刻测压管2中水和lnapl液面高度，不同时刻亚克力透明柱1外壁观察到lnapl向下运移距离，不同时刻二维电阻率变化率等值线图作对比，使所监测的信息更准确，能够更加直观明了地描述地下水位波动时lnapl运移过程。
[0083]
以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。