專利名稱：地下輕非水相液態(tài)污染物擴散的實時自動監(jiān)測方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及ー種地下輕非水相液態(tài)污染物(LNAPLs)擴散的實時自動監(jiān)測方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
地下水是水資源的重要組成部分，由于水量穩(wěn)定、水質(zhì)好，是農(nóng)業(yè)灌溉、エ礦和城市的重要水源之一，然而隨著工業(yè)的持續(xù)蓬勃發(fā)展，地下水正遭遇著嚴重的污染危機。目前在世界范圍內(nèi)，有機污染物的地下污染越來越受到重視。絕大部分有機污染物在水中的溶解度很小，在地下與水和空氣互不相融并以液相的形式存在，在研究中通稱這類污染物為非水相液體，即NAPLs (non-aqueous phase liquids);其中密度比水大的稱為重非水相液體，即DNAPLs (dense non-aqueous phase liquids);密度比水小的稱為輕非水相液體，即LNAPLs (light non-aqueous phase liquids)。重非水相液體常見的有高毒有機氯溶劑(如三氯こ烯TCE、四氯こ烯PCE、三氯甲烷TCA)、煤焦油、四氯化碳、氯仿、ニ氯甲烷等；輕非水相液體如燃料油類，常見的有汽油、柴油、煤油，苯類如ニ甲苯、甲苯、苯等。我國正處在經(jīng)濟快速發(fā)展的時期，各種石化類產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，在生產(chǎn)、貯存、使用及運輸過程中難免會造成跑冒滴漏，從而污染地下環(huán)境。輕非水相污染物由于和水不混溶，毒性大，不易降解，對地下多孔介質(zhì)造成的污染存在滯后效應(yīng)，成為地下水的長期污染源，對人類的生存和生活存在難以估計的危害，因此對其擴散進行監(jiān)測，及時采取措施防止其進ー步污染很有必要。目前國際上利用示蹤劑法、非入侵影像法以及TDR等方法來動態(tài)監(jiān)測污染物的空間變化過程，已經(jīng)取得了一定的成效。國內(nèi)有學(xué)者分別采用生物量指標監(jiān)測，紫外光電法和電阻率影像法實現(xiàn)輕非水相液體的動態(tài)監(jiān)測。總結(jié)以上方法，均為通過測定地下輕非水相污染引起的介質(zhì)物理化 學(xué)性質(zhì)變化，進而通過第三方物體(儀器、生物、化學(xué)物質(zhì))不同參數(shù)的變化來間接描述污染物的動態(tài)污染過程。示蹤劑法和生物量指標監(jiān)測法需要定時取樣進行室內(nèi)試驗分析，試驗操作復(fù)雜，周期長，對于重要污染過程容易遺漏，不能及時準確的反應(yīng)污染物的遷移位置；TDR法和紫外光電法成本高，操作復(fù)雜。電阻率影像法為非入侵影像法的ー種，應(yīng)用較為廣泛，且成本低，但是現(xiàn)有電阻率監(jiān)測技術(shù)具有無法實現(xiàn)長期實時自動監(jiān)測的不足。針對以上問題，發(fā)明人曾做過室內(nèi)模擬試驗，并發(fā)表相關(guān)論文，但是論文只研究了電阻率法監(jiān)測均質(zhì)砂土中LNAPLs垂向遷移的可行性，且為單點測試，沒有涉及到監(jiān)測系統(tǒng)污染自動識別及運移三維空間范圍確定的功能及步驟。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有監(jiān)測方法成本高，操作復(fù)雜，不能實時監(jiān)測等問題，本發(fā)明提供了ー種地下輕非水相液態(tài)污染物擴散的實時自動監(jiān)測方法及系統(tǒng)，可實時動態(tài)監(jiān)測LNAPLs泄漏后的擴散過程以及降雨或地下水抽取時LNAPLs重新分布過程。地下輕非水相液體污染物擴散的實時自動監(jiān)測方法，包括
I)根據(jù)模擬預(yù)測或常規(guī)地下水水樣監(jiān)測以確定監(jiān)測地區(qū)的可疑污染源區(qū)域以及可疑污染源的監(jiān)測點位；并獲取監(jiān)測地區(qū)的特征LNAPLs污染物；其特征在于包括以下步驟2)選取各個監(jiān)測點位的現(xiàn)場地下水和土壤樣品，進行電阻率探測污染運移模擬監(jiān)測，驗證對該監(jiān)測點位的適用性，若該監(jiān)測點位的土壌含水率大于5%則具有適應(yīng)性，并獲得特征LNAPLs污染在各個具有適應(yīng)性的監(jiān)測點位發(fā)生后的電阻率變化范圍Ei, i G M，M為具有適應(yīng)性的監(jiān)測點位的數(shù)量；3)根據(jù)監(jiān)測點位的地下水的深度變化范圍，選取電阻率監(jiān)測裝置的探桿長度；根據(jù)所需的探測精度選取電阻率探桿上電極環(huán)的間距；例如地下水位變化在-1Om -1lm范圍內(nèi)，則電阻率探桿的長度應(yīng)>1 lm。4)根據(jù)地下水流方向，在可疑污染源區(qū)內(nèi)存在待監(jiān)測地下水的監(jiān)測點位貫入ー套電阻率監(jiān)測裝置，作為第一監(jiān)測點位，在距離該套監(jiān)測裝置400 600m范圍內(nèi)的位于地下水上游和下游的監(jiān)測點位分別至少貫入ー套電阻率監(jiān)測裝置；并使電阻率監(jiān)測裝置的GPRS天線伸出地面。在地下水流方向兩側(cè)且距第一監(jiān)測點位200 300m的位置分別至少貫入ー套電阻率監(jiān)測裝置；對于LNAPLs污染較嚴重區(qū)，可加密探桿布設(shè)，但不得少于5個呈“十字”分布的探桿，否則不足以繪制污染空間的三維數(shù)據(jù)。為了進一歩確保測量效果，其改進的方案如下首先，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的地下水的正上方挖掘ー個豎井，使該豎井與地 下水相通，將該豎井作為地下水監(jiān)測井，也是第一監(jiān)測點位；然后在該監(jiān)測井中懸掛ー套電阻率監(jiān)測裝置；在距離該監(jiān)測井400 600m范圍內(nèi)的位于地下水上游和下游的監(jiān)測點位分別至少貫入ー套電阻率監(jiān)測裝置；并使電阻率監(jiān)測裝置的GPRS天線伸出地面；井中的探桿長度應(yīng)保證其探入水面以下至少20cm ;且在地下水流方向兩側(cè)且距該監(jiān)測井200 300m的位置分別至少貫入ー套電阻率監(jiān)測裝置。由于實際地下環(huán)境復(fù)雜，土壤質(zhì)地各異，為優(yōu)化現(xiàn)場應(yīng)用，在電阻率探桿頂端設(shè)置配套鉆頭，對于粘性土采用螺旋鉆頭回轉(zhuǎn)鉆入，對于粉土和砂土采用錐形鉆頭錘擊鉆入。5)設(shè)置采集參數(shù)，包括選擇開啟用于監(jiān)測的電阻率監(jiān)測裝置，及其采集頻率和用于采集的電極環(huán)數(shù)目；對現(xiàn)場的電阻率情況進行實時采集，并將采集到的電阻率上傳服務(wù)器。6)顯然，監(jiān)測區(qū)域在初始時刻為未污染區(qū)域，探測裝置埋設(shè)后，將測得的區(qū)域未污染時的數(shù)據(jù)作為背景值，實時傳輸回來的數(shù)據(jù)通過和背景值對比，若電阻率達到某個監(jiān)測點位も的下限，即當所接收的電阻率變化率q G 時，則自動識別為出現(xiàn)LNAPLs污染，同時進行報警，并將報警短信發(fā)送至指定客戶。其中，j G N，N為電阻率監(jiān)測裝置的數(shù)量，ej表示第j個電阻率監(jiān)測裝置測得的電阻率變化值。7)系統(tǒng)識別出現(xiàn)LNAPLs污染后，上位機數(shù)據(jù)處理模塊會自動啟動相應(yīng)程序，繪制各監(jiān)測點的電阻率曲線并保存。8)分析污染后某時刻的電阻率曲線，得到LNAPLs運移前鋒所到達位置，以及監(jiān)測點位的LNAPLs污染深度范圍，稱之為峰值帶，綜合各監(jiān)測點位運移前鋒位置，從而得到實時三維空間污染范圍。上述特征LNAPLs污染在某監(jiān)測點位發(fā)生后的電阻率變化范圍E的確定方法如下取監(jiān)測點位現(xiàn)場未污染土樣和地下水樣，利用已獲得的特征LNAPLs污染物，例如油類，確定監(jiān)測點位受到該特征LNAPLs污染時電阻率變化率數(shù)值范圍，當污染物濃度超過國家標準規(guī)定最低限值時界定為土壤受到污染，當土體污染物達到飽和狀態(tài)時為污染上限。地下輕非水相液體污染物擴散的實時自動監(jiān)測系統(tǒng)，包括實現(xiàn)探測、數(shù)據(jù)采集和無線傳送功能的電阻率探測系統(tǒng)，以及實現(xiàn)發(fā)送指令、數(shù)據(jù)接收、自動識別污染及實時顯示與自動報警功能的上位機，其特征在于所述的電阻率探測系統(tǒng)包括至少五個電阻率監(jiān)測裝置，所述的電阻率監(jiān)測裝置包括電阻率探桿和設(shè)置在電阻率探桿頂部的設(shè)備艙，該設(shè)備艙內(nèi)設(shè)有GPRS無線傳輸模塊和數(shù)據(jù)控制模塊，以及伸出設(shè)備艙外的GPRS天線；所述的電阻率探桿是外表面等間距地設(shè)有至少4個電極環(huán)的圓柱形結(jié)構(gòu)體，所述的電極環(huán)經(jīng)由位于圓柱形結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的導(dǎo)線與數(shù)據(jù)控制模塊連接；所述的上位機包括內(nèi)含客戶端控制程序的服務(wù)器，以及與服務(wù)器相連接的報警裝置；所述的客戶端控制程序用于設(shè)置電阻率探測系統(tǒng)的參數(shù)、發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令、遠程同步傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)、自動識別污染、顯示污染后實時電阻率曲線，井向報警裝置發(fā)出報警信號；所述的客戶端控制程序通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)與電阻率探測系統(tǒng)的通訊。上述電阻率探桿為中空的管狀尼龍模塊插接而成的中空的圓柱形結(jié)構(gòu)體，并有銅質(zhì)電極環(huán)夾扣在相鄰兩模塊之間，在圓柱形結(jié)構(gòu)體內(nèi)部有導(dǎo)線使所述銅質(zhì)電極環(huán)與數(shù)據(jù)控制模塊連接，且中空的圓柱形結(jié)構(gòu)體內(nèi)灌有環(huán)氧樹脂系膠結(jié)劑。本發(fā)明針對以上問題做出了有效改進，不僅實現(xiàn)了污染自動判別，而且可以得到污染后任意時刻的地下三維空間分布，實現(xiàn)了三維空間內(nèi)的污染實時監(jiān)測。本發(fā)明的監(jiān)測方法操作簡單、測量準確、運行可靠、能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測并且無線傳輸數(shù)據(jù)，可實時動態(tài)監(jiān)測NAPLs泄漏后擴散過程。本方法可通過污染前鋒推進過程確定污染范圍，因此可廣泛應(yīng)用于大型石化企業(yè)、加油站等NAPLs泄漏后的地下污染動態(tài)監(jiān)測。本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)可一臺中心監(jiān)控計算機控制多套現(xiàn)場污染監(jiān)測裝置，多組數(shù)據(jù)同時接收，實現(xiàn)多點監(jiān)測；可實現(xiàn)無線雙向通訊，支持長時間在線，可實現(xiàn)長期無人值守自動監(jiān)測，數(shù)據(jù)自動保存；硬件部分可以根據(jù)需要量身定做，系統(tǒng)配置靈活，降低了成本。


圖1是本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場布設(shè)圖。圖2是本發(fā)明的監(jiān)測方法實施流程圖。圖3是本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)工作程序。圖4是監(jiān)測點位背景電阻率值(圖中示意有五處點位)。圖5識別污染后沿水流方向監(jiān)測點位測量電阻率值及運移峰值帶。圖6識別污染后垂直水流方向監(jiān)測點位測量電阻率值及運移峰值帶。其中，1、鉆頭，2、探桿，3、電極環(huán)，4、設(shè)備艙，5、GPRS天線，6、上位機，7、遠程無線傳輸，8、地下水位，9、監(jiān)測井，10、地下水流，11、包氣帶，12、飽水帶，13、LNAPLs透鏡體，14、輸油管道，15、儲罐。
具體實施例方式如圖1 3所示，地下輕非水相液體污染物擴散的實時自動監(jiān)測方法，包括I)根據(jù)模擬預(yù)測或常規(guī)地下水水樣監(jiān)測以確定監(jiān)測地區(qū)的可疑污染源區(qū)域以及可疑污染源的監(jiān)測點位；并獲取監(jiān)測地區(qū)的特征LNAPLs污染物；探桿埋設(shè)點位即監(jiān)測點位的選取直接關(guān)系到監(jiān)測結(jié)果的實用性。調(diào)研現(xiàn)有地下水環(huán)境質(zhì)量調(diào)查與評價報告，選取LNAPLs檢出率較高污染源水流下游地下水保護目標為主監(jiān)測點，其上下游及兩側(cè)位置作為輔助監(jiān)測點；若為油罐區(qū)，則在地下水的下游選取監(jiān)測點位是最關(guān)鍵的；2)選取監(jiān)測點位的現(xiàn)場地下水和土壤樣品，進行電阻率探測污染運移模擬監(jiān)測，驗證對該監(jiān)測點位的適用性，若該監(jiān)測點位的土壌含水率大于5%則具有適應(yīng)性；并獲得LNAPLs污染在該監(jiān)測點位發(fā)生后的電阻率變化率范圍EjBT :取監(jiān)測點位現(xiàn)場未污染土樣和地下水樣，利用已獲得的特征LNAPLs污染物，例如油類，確定監(jiān)測點位受到該特征LNAPLs污染時電阻率變化率數(shù)值范圍，當污染物濃度超過國家標準規(guī)定最低限值時界定為土壤受到污染，當土體污染物達到飽和狀態(tài)時為污染上限。污染過程電阻率變化范圍如下記為啊
權(quán)利要求
1.地下輕非水相液體污染物擴散的實時自動監(jiān)測方法，包括 1)根據(jù)模擬預(yù)測或常規(guī)地下水水樣監(jiān)測以確定監(jiān)測地區(qū)的可疑污染源區(qū)域以及可疑污染源的監(jiān)測點位；并獲取監(jiān)測地區(qū)的特征LNAPLs污染物； 其特征在于包括以下步驟 2)選取各個監(jiān)測點位的現(xiàn)場地下水和土壤樣品，進行電阻率探測污染運移模擬監(jiān)測，驗證對該監(jiān)測點位的適用性，若該監(jiān)測點位的土壤含水率大于5%則具有適應(yīng)性，并獲得特征LNAPLs污染在各個具有適應(yīng)性的監(jiān)測點位發(fā)生后的電阻率變化范圍E i，i e M，M為具有適應(yīng)性的監(jiān)測點位的數(shù)量。
3)根據(jù)監(jiān)測點位的地下水的深度變化范圍，選取電阻率監(jiān)測裝置的探桿長度；根據(jù)所需的探測精度選取電阻率探桿上電極環(huán)的間距； 4)根據(jù)地下水流方向，在可疑污染源區(qū)內(nèi)存在待監(jiān)測地下水的監(jiān)測點位貫入一套電阻率監(jiān)測裝置，作為第一監(jiān)測點位，在距離該套監(jiān)測裝置400 600m范圍內(nèi)的位于地下水上游和下游的監(jiān)測點位分別至少貫入一套電阻率監(jiān)測裝置；并使電阻率監(jiān)測裝置的GPRS天線伸出地面； 在地下水流方向兩側(cè)且距第一監(jiān)測點位200 300m的位置分別至少貫入一套電阻率監(jiān)測裝置； 5)設(shè)置采集參數(shù)，包括選擇開啟用于監(jiān)測的電阻率監(jiān)測裝置，及其采集頻率和用于采集的電極環(huán)數(shù)目；對現(xiàn)場的電阻率情況進行實時采集，并將采集到的電阻率上傳服務(wù)器； 6)探測裝置埋設(shè)后，將測得的區(qū)域未污染時的數(shù)據(jù)作為背景值，實時傳輸回來的數(shù)據(jù)通過和背景值對比，若電阻率達到某個監(jiān)測點位Ej的下限，即當所接收的電阻率變化率ε j e Ej時，則自動識別為出現(xiàn)LNAPLs污染，同時進行報警，并將報警短信發(fā)送至指定客戶，其中，j e N, N為電阻率監(jiān)測裝置的數(shù)量，ε j表示第j個電阻率監(jiān)測裝置測得的電阻率變化值。
7)系統(tǒng)識別出現(xiàn)LNAPLs污染后，繪制各監(jiān)測點的電阻率曲線并保存； 8)分析污染后某時刻的電阻率曲線，得到LNAPLs運移前鋒所到達位置，以及監(jiān)測點位的LNAPLs污染深度范圍，稱之為峰值帶，綜合各監(jiān)測點位運移前鋒位置，從而得到實時三維空間污染范圍。
2.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)測方法，其特征在于上述特征LNAPLs污染在某監(jiān)測點位發(fā)生后的電阻率變化范圍E的確定方法如下 取監(jiān)測點位現(xiàn)場未污染土樣和地下水樣，利用已獲得的特征LNAPLs污染物，確定監(jiān)測點位受到該特征LNAPLs污染時電阻率變化率數(shù)值范圍，當污染物濃度超過國家標準規(guī)定最低限值時界定為土壤受到污染，當土體污染物達到飽和狀態(tài)時為污染上限。
3.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)測方法，其特征在于上述步驟4)中對于粘性土采用螺旋鉆頭回轉(zhuǎn)鉆入，對于粉土和砂土采用錐形鉆頭錘擊鉆入。
4.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)測方法，其特征在于上述步驟4)是以如下方法代替 首先，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的地下水的正上方挖掘一個豎井，使該豎井與地下水相通，將該豎井作為地下水監(jiān)測井；然后在該監(jiān)測井中懸掛一套電阻率監(jiān)測裝置；在距離該監(jiān)測井400 600m范圍內(nèi)的位于地下水上游和下游的監(jiān)測點位分別至少貫入一套電阻率監(jiān)測裝置；并使電阻率監(jiān)測裝置的GPRS天線伸出地面；井中的探桿長度應(yīng)保證其探入水面以下至少20cm ;且在地下水流方向兩側(cè)且距該監(jiān)測井200 300m的位置分別至少貫入一套電阻率監(jiān)測裝置。
5.地下輕非水相液體污染物擴散的實時自動監(jiān)測系統(tǒng)，包括實現(xiàn)探測、數(shù)據(jù)采集和無線傳送功能的電阻率探測系統(tǒng)，以及實現(xiàn)發(fā)送指令，數(shù)據(jù)接收，實時顯示與自動報警功能的上位機(6)， 其特征在于所述的電阻率探測系統(tǒng)包括至少五個電阻率監(jiān)測裝置，所述的電阻率監(jiān)測裝置包括電阻率探桿(2)和設(shè)置在電阻率探桿(2)頂部的設(shè)備艙(4)，該設(shè)備艙(4)內(nèi)設(shè)有GPRS無線傳輸模塊和數(shù)據(jù)控制模塊，以及伸出設(shè)備艙外的GPRS天線(5);所述的電阻率探桿(2)是外表面等間距地設(shè)有至少4個電極環(huán)(3)的圓柱形結(jié)構(gòu)體，所述的電極環(huán)(3)經(jīng)由位于圓柱形結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的導(dǎo)線與數(shù)據(jù)控制模塊連接； 所述的上位機(6)包括內(nèi)含客戶端控制程序的服務(wù)器，以及與服務(wù)器相連接的報警裝置；所述的客戶端控制程序用于設(shè)置電阻率探測系統(tǒng)的參數(shù)、發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令、遠程同步傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)、自動識別污染、顯示污染后實時電阻率曲線，并向報警裝置發(fā)出報警信號；所述的客戶端控制程序通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)與電阻率探測系統(tǒng)的通訊。
6.如權(quán)利要求5所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于上述電阻率探桿(2)為中空的管狀尼龍模塊插接而成的中空的圓柱形結(jié)構(gòu)體，并有銅質(zhì)電極環(huán)(3)夾扣在相鄰兩模塊之間，在圓柱形結(jié)構(gòu)體內(nèi)部有導(dǎo)線使所述銅質(zhì)電極環(huán)(3)與數(shù)據(jù)控制模塊連接，且中空的圓柱形結(jié)構(gòu)體內(nèi)灌有環(huán)氧樹脂系膠結(jié)劑。
全文摘要
地下輕非水相液體污染物擴散的實時自動監(jiān)測方法及系統(tǒng)，包括取監(jiān)測點位；獲取特征LNAPLs污染物及特征LNAPLs污染在該監(jiān)測點位發(fā)生后的電阻率變化范圍E；確定電阻率探桿的長度；確定電極環(huán)的間距；根據(jù)地下水流方向，監(jiān)測井中懸掛一套電阻率監(jiān)測裝置，在地下水上游和下游的監(jiān)測點位分別至少貫入一套電阻率監(jiān)測裝置；設(shè)置采集參數(shù)；實時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，若電阻率達到E的下限時，則自動報警。本發(fā)明的監(jiān)測方法操作簡單，測量準確、運行可靠、能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測并且無線傳輸數(shù)據(jù)，可實時動態(tài)監(jiān)測LNAPLs泄漏后擴散過程，也可監(jiān)測降雨或地下水抽取時LNAPLs重新分布過程，可廣泛應(yīng)用于大型石化企業(yè)、加油站等LNAPLs泄露后的地下污染動態(tài)監(jiān)測。
文檔編號G01N27/10GK103033540SQ20131001505
公開日2013年4月10日 申請日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者賈永剛, 潘玉英, 單紅仙, 郭磊 申請人:中國海洋大學(xué)