一种定量监测DNAPL运移过程与饱和度的方法技术

本发明专利技术公开了一种定量监测DNAPL运移过程与饱和度的方法。在二维砂箱中进行DNAPL的入渗试验，应用光透法与高密度电阻率法进行动态监测，分别利用CCD相机、LCR数字电桥采集数据。采用“水-DNAPL”两相中DNAPL饱和度的计算公式对光透法的数据进行处理。高密度电阻率法的数据处理是将获得的电阻值数据转化为电阻率值，然后利用Archie公式获得重非水相液体的饱和度空间分布。Archie公式中参数β值采用与光透法相结合的新方法来获取,根据不同时刻的饱和度空间分布可以估算注入砂箱内的DNAPL总量，并将其与实测的入渗量进行对比。结果表明，本发明专利技术能定量监测饱和孔隙介质中DNAPL的入渗过程，且估算的DNAPL入渗量与实测值比较吻合。

【技术实现步骤摘要】
一种定量监测DNAPL运移过程与饱和度的方法
本专利技术涉及污染环境学领域，具体涉及一种定量监测DNAPL污染物运移过程以及饱和度的方法。
技术介绍
土壤和地下水环境中不混溶有机化合物污染是环境污染领域研究的热点方向之一。这类不混溶有机化合物通常称为非水相液体(Non-AqueousPhaseLiquid-NAPL)，其中比重大于水的称为重非水相液体（DNAPL-DenseNAPL)，比重小于水的则称为轻非水相液体（LNAPL-LightNAPL)。近年来国内外许多学者致力于NAPL运移规律及其饱和度的研究(O'Carrolletal.,2007;Chambersetal.,2004;徐炎兵等，2009)，但目前国内的研究主要集中于LNAPL（武晓峰等，2000；李国山等，2008），对DNAPL研究相对较少。对孔隙介质中DNAPL运移规律的室内试验研究，可采用一些非破坏性、非侵入性的技术手段，如γ-射线衰减法（Gardner,1986）、X-射线透射法（Liuetal.,1993）、光透法（Hoa,1981;Tidwelletal.,1994;Bobetal.,2008）等。在上述这些技术中，光透法所需的专业设备费用最低，且对人体没有危害。国外利用光透法对于“水-汽”两相中水饱和度的研究较多。如Tidwell和Glass[Tidwelletal.,1994]利用光透法提出了一个包含简单经验参数的计算介质水饱和度的数学模型；Niemet和Selker（Niemetetal.,2001）则在二维透明多孔介质中利用光透法建立了5个数学模型估算介质的水饱和度。在这些研究基础上，Bob和Brooks（Bobetal.,2008）将一种修正后的光透法引入到“水-DNAPL”两相中DNAPL饱和度的研究中。光透法的优点是监测的结果分辨率高并可进行连续自动监测，既可以定性分析多孔介质中DNAPL的运移规律，还能定量计算DNAPL的分布和入渗量。虽然光透法有诸多优点，但也有其局限性。如只适用于室内实验，不能应用于野外；只适用于二维条件，不能应用于三维情况。采用光透法中时，通常会涉及阿尔奇公式，阿尔奇公式准确性关键在于其中参数β值测定。β值的确定以往都是通过另外配备砂样进行试验测定。通过配备不同DNAPL饱和度的砂样，测定每个砂样的电阻率值，做出一条DNAPL饱和度值与电阻率值之间关系的标准曲线，对曲线进行拟合便可得β值。但这种做法存在二个难点：一是很难保证配备的砂样与实际的实验装置中充填的砂样在密实度等方面完全一致，二是很难实现DNAPL（尤其是具有挥发性的DNAPL）以某一特定饱和度均匀分布在配备的砂样中。高密度电阻率成像法(ElectricalResistivityTomography-ERT)是广泛应用于地下水研究领域的一种监测方法（Zhouetal.,2001;Singhaetal.,2005;Michotetal.,2003）。它的优点包括：非破坏性的监测介质中流体的运动以及物质的迁移，不仅可以应用于室内不同维度试验（刘汉乐等，2008），而且还适用于野外不同的空间尺度。但目前利用该方法获取介质内DNAPL饱和度并量化污染物分布的研究少见报道。主要是因为该方法目前尚存在一些难解问题，其中一个就是介质真实电阻率与污染物含量之间的量化关系。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种利用光透法与高密度电阻率法相结合，定量监测DNAPL运移过程与饱和度的方法，采用该方法得到的DNAPL入渗量与实测值比较吻合。本专利技术所述的一种定量监测DNAPL运移过程与饱和度的方法，包括以下步骤：（1）利用光透系统中CCD相机拍照记录砂箱内饱水时的光强值Is以及DNAPL入渗过程中多孔介质内的光强值I，（2）采用高密度电阻率法测量砂箱内饱水以及DNAPL入渗过程中的电阻值；（3）采用“水-DNAPL”两相中DNAPL饱和度的计算公式对光透法的数据进行处理，水/NAPL二相流中DNAPL饱和度计算公式为：其中，So为DNAPL相饱和度；Ioil为砂箱完全饱DNAPL时CCD相机记录的光强值；Is为饱水时光强值；I为CCD相机实时拍摄记录的光强值。（4）将电阻值换算为电阻率，电阻率计算公式如下：上式中：R为测得的电阻，ρ为电阻率值，为电极装置系数，为电流电极a的第(i,j,k)个镜像电流源距离电位电极b之间的距离。（5）根据光透法计算出的二维砂箱内孔隙介质不同时刻的DNAPL饱和度空间分布，以及应用高密度电阻率法测量出的砂箱内不同位置、不同时刻的电阻值，选出某一时刻部分观测点处电阻值与水的饱和度值拟合出Archie公式中的参数β值；（6）用高密度电阻率法确定DNAPL饱和度过程中，水的饱和度Sw可由Archie公式求得，该公式为：Sw＝(ρ0/ρt)1/β式中：β为与砂样特性如颗粒粒径、密度等相关的参数；ρ0为孔隙介质完全饱水时的电阻率；ρt为t时刻介质中同时含有水与DNAPL相时的电阻率；（7）利用以上公式获得的不同时刻DNAPL饱和度空间分布图再估算不同时刻注入砂箱内的DNAPL总量，计算公式如下：式中：V为估算的介质中DNAPL总体积，单位ml；So(i,j)为空间某一单元(i,j)处的DNAPL饱和度；A和H分别为单元面积与厚度；φ为孔隙介质的孔隙度。步骤（1）中，所述的光强值是基于像素点的光强资料，其空间分辨可达1mm以下。步骤（2）中测量电阻值为CCD相机两次拍照间隙之间，做到两种方法同时监测。步骤（3）中Ioil/Is是利用实验过程中的DNAPL饱和区域光强值和初始时刻饱水区域光强值计算得到。步骤（5）中计算出的参数β值为整个砂箱介质内的平均值。有益效果：本专利技术将光透法与高密度电阻率法相结合，利用光透法得到的结果来计算阿尔奇公式中的参数值，从而实现高密度电阻率法对孔隙介质中DNAPL的量化测量。一方面通过光透法在不破坏介质条件下定量监测二维砂箱内孔隙介质不同时刻的DNAPL饱和度空间分布，另一方面同时应用高密度电阻率法测量砂箱内不同位置，不同时刻的电阻值，根据选出的部分观测点处电阻值与水的饱和度值拟合出Archie公式中的参数β值。这种方法可以克服传统方法获取β值时的两个难点。结果表明，与光透法结合后的高密度电阻率成像法能定量监测饱和孔隙介质中DNAPL的入渗过程，且估算的DNAPL入渗量与实测值比较吻合，提出的基于光透法计算β值的新方法是有效且可行的。附图说明图1是实验砂箱示意图。图2是光透法得到的不同时刻DNAPL饱和度空间分布图。图3是光透法DNAPL入渗估算值与实测值关系曲线。图4是电阻-水饱和度关系曲线。图5是高密度电阻率法得到的不同时刻DNAPL饱和度空间分布图。图6是高密度电阻率法DNAPL入渗估算值与实测值关系曲线。具体实施方式实验开始前，先用灭菌后的自来水注入砂箱，将砂箱内残留的气泡冲走或溶解，使其成为饱和孔隙介质。饱水完成后，让砂箱静置24h，使其成为静水状态。往砂箱中注入DNAPL前，应先用CCD相机拍摄饱水砂箱记录其光强值作为背景值，还应用LCR数字电桥测量砂箱饱水时的电阻值作为背景值。将染色后的TCE用注射泵从图1中的9号孔注入。记录注入开始时间、结束时间、总共注入TCE量。在整个注本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定量监测DNAPL运移过程与饱和度的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）利用光透系统中CCD相机拍照记录砂箱内饱水时的光强值Is以及DNAPL入渗过程中多孔介质内的光强值I，（2）采用高密度电阻率法测量砂箱内饱水以及DNAPL入渗过程中的电阻值；（3）采用“水‑DNAPL”两相中DNAPL饱和度的计算公式对光透法的数据进行处理，水/NAPL二相流中DNAPL饱和度计算公式为：So=lnIs-lnIlnIs-lnIoil=lnI/IslnIoil/Is]]>其中，So为DNAPL相饱和度；Ioil为砂箱完全饱DNAPL时CCD相机记录的光强值；Is为饱水时光强值；I为CCD相机实时拍摄记录的光强值。（4）将电阻值换算为电阻率，电阻率计算公式如下：ρ=KABMNR]]>KABMN=8π[Σk=-ggΣj=-ggΣi=-gg(1RijkAM-1RijkBN-1RijkAN+1RijkBN)+Σk=-g-1g+1Σj=-g-1g+1Σi=-g-1g+1(1RijkAM-1RijkBN-1RijkAN+1RijkBN)]-1]]>上式中：R为测得的电阻，ρ为电阻率值，为电极装置系数，为电流电极a的第(i,j,k)个镜像电流源距离电位电极b之间的距离。（5）根据光透法计算出的二维砂箱内孔隙介质不同时刻的DNAPL饱和度空间分布，以及应用高密度电阻率法测量出的砂箱内不同位置、不同时刻的电阻值，选出某一时刻部分观测点处电阻值与水的饱和度值拟合出Archie公式中的参数β值；（6）用高密度电阻率法确定DNAPL饱和度过程中，水的饱和度Sw可由Archie公式求得，该公式为：Sw＝(ρ0/ρt)1/β式中：β为与砂样特性如颗粒粒径、密度等相关的参数；ρ0为孔隙介质完全饱水时的电阻率；ρt为t时刻介质中同时含有水与DNAPL相时的电阻率；（7）利用以上公式获得的不同时刻DNAPL饱和度空间分布图再估算不同时刻注入砂箱内的DNAPL总量，计算公式如下：V=Σj=1n1Σi=1n2So(i,j)×φ×A×H]]>式中：V为估算的介质中DNAPL总体积，单位ml；So(i,j)为空间某一单元(i,j)处的DNAPL饱和度；A和H分别为单元面积与厚度；φ为孔隙介质的孔隙度。...

【技术特征摘要】
1.一种定量监测DNAPL运移过程与饱和度的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用光透系统中CCD相机拍照记录砂箱内饱水时的光强值Is以及DNAPL入渗过程中CCD相机实时监测砂箱的光强值I；(2)采用高密度电阻率法测量砂箱内饱水以及DNAPL入渗过程中的电阻值；(3)采用“水-DNAPL”两相中DNAPL饱和度的计算公式对光透法的数据进行处理，水/DNAPL二相流中DNAPL饱和度计算公式为：其中，So为DNAPL相饱和度；Ioil为砂箱完全饱DNAPL时CCD相机记录的光强值，Is为饱水时光强值；I为DNAPL入渗过程中CCD相机实时监测砂箱的光强值；(4)将电阻值换算为电阻率，电阻率计算公式如下：上式中：R为测得的电阻，ρ为电阻率，为电极装置系数，为电流电极a的第(i，j，k)个镜像电流源距离电位电极b之间的距离；(5)根据光透法计算出的二维砂箱内孔隙介质不同时刻的DNAPL饱和度空间分布，以及应用高密度电阻率法测量出的砂箱内不同位置、不同时刻的电阻值，选...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶淑君，吴吉春，郭健，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32