CN103033540A

CN103033540A - 地下轻非水相液态污染物扩散的实时自动监测方法及***

Info

Publication number: CN103033540A
Application number: CN2013100150540A
Authority: CN
Inventors: 贾永刚; 潘玉英; 单红仙; 郭磊
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2033-01-15
Also published as: CN103033540B

Abstract

地下轻非水相液体污染物扩散的实时自动监测方法及***，包括取监测点位；获取特征LNAPLs污染物及特征LNAPLs污染在该监测点位发生后的电阻率变化范围E；确定电阻率探杆的长度；确定电极环的间距；根据地下水流方向，监测井中悬挂一套电阻率监测装置，在地下水上游和下游的监测点位分别至少贯入一套电阻率监测装置；设置采集参数；实时传输监测数据，若电阻率达到E的下限时，则自动报警。本发明的监测方法操作简单，测量准确、运行可靠、能够实现实时监测并且无线传输数据，可实时动态监测LNAPLs泄漏后扩散过程，也可监测降雨或地下水抽取时LNAPLs重新分布过程，可广泛应用于大型石化企业、加油站等LNAPLs泄露后的地下污染动态监测。

Description

地下轻非水相液态污染物扩散的实时自动监测方法及***

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，特别涉及一种地下轻非水相液态污染物（LNAPLs）扩散的实时自动监测方法及***。

背景技术

地下水是水资源的重要组成部分，由于水量稳定、水质好，是农业灌溉、工矿和城市的重要水源之一，然而随着工业的持续蓬勃发展，地下水正遭遇着严重的污染危机。目前在世界范围内，有机污染物的地下污染越来越受到重视。绝大部分有机污染物在水中的溶解度很小，在地下与水和空气互不相融并以液相的形式存在，在研究中通称这类污染物为非水相液体，即NAPLs(non-aqueous phase liquids)；其中密度比水大的称为重非水相液体，即DNAPLs(dense non-aqueousphase liquids)；密度比水小的称为轻非水相液体，即LNAPLs（light non-aqueous phase liquids）。重非水相液体常见的有高毒有机氯溶剂(如三氯乙烯TCE、四氯乙烯PCE、三氯甲烷TCA)、煤焦油、四氯化碳、氯仿、二氯甲烷等；轻非水相液体如燃料油类，常见的有汽油、柴油、煤油，苯类如二甲苯、甲苯、苯等。

我国正处在经济快速发展的时期，各种石化类产品应用广泛，在生产、贮存、使用及运输过程中难免会造成跑冒滴漏，从而污染地下环境。轻非水相污染物由于和水不混溶，毒性大，不易降解，对地下多孔介质造成的污染存在滞后效应，成为地下水的长期污染源，对人类的生存和生活存在难以估计的危害，因此对其扩散进行监测，及时采取措施防止其进一步污染很有必要。目前国际上利用示踪剂法、非入侵影像法以及TDR等方法来动态监测污染物的空间变化过程，已经取得了一定的成效。国内有学者分别采用生物量指标监测，紫外光电法和电阻率影像法实现轻非水相液体的动态监测。总结以上方法，均为通过测定地下轻非水相污染引起的介质物理化学性质变化，进而通过第三方物体（仪器、生物、化学物质）不同参数的变化来间接描述污染物的动态污染过程。示踪剂法和生物量指标监测法需要定时取样进行室内试验分析，试验操作复杂，周期长，对于重要污染过程容易遗漏，不能及时准确的反应污染物的迁移位置；TDR法和紫外光电法成本高，操作复杂。电阻率影像法为非入侵影像法的一种，应用较为广泛，且成本低，但是现有电阻率监测技术具有无法实现长期实时自动监测的不足。

针对以上问题，发明人曾做过室内模拟试验，并发表相关论文，但是论文只研究了电阻率法监测均质砂土中LNAPLs垂向迁移的可行性，且为单点测试，没有涉及到监测***污染自动识别及运移三维空间范围确定的功能及步骤。

发明内容

为解决现有监测方法成本高，操作复杂，不能实时监测等问题，本发明提供了一种地下轻非水相液态污染物扩散的实时自动监测方法及***，可实时动态监测LNAPLs泄漏后的扩散过程以及降雨或地下水抽取时LNAPLs重新分布过程。

地下轻非水相液体污染物扩散的实时自动监测方法，包括：

1）根据模拟预测或常规地下水水样监测以确定监测地区的可疑污染源区域以及可疑污染源的监测点位；并获取监测地区的特征LNAPLs污染物；

其特征在于包括以下步骤：

2）选取各个监测点位的现场地下水和土壤样品，进行电阻率探测污染运移模拟监测，验证对该监测点位的适用性，若该监测点位的土壤含水率大于5%则具有适应性，并获得特征LNAPLs污染在各个具有适应性的监测点位发生后的电阻率变化范围E_i，i∈M，M为具有适应性的监测点位的数量；

3）根据监测点位的地下水的深度变化范围，选取电阻率监测装置的探杆长度；根据所需的探测精度选取电阻率探杆上电极环的间距；例如地下水位变化在-10m～-11m范围内，则电阻率探杆的长度应>11m。

4）根据地下水流方向，在可疑污染源区内存在待监测地下水的监测点位贯入一套电阻率监测装置，作为第一监测点位，在距离该套监测装置400～600m范围内的位于地下水上游和下游的监测点位分别至少贯入一套电阻率监测装置；并使电阻率监测装置的GPRS天线伸出地面。

在地下水流方向两侧且距第一监测点位200～300m的位置分别至少贯入一套电阻率监测装置；对于LNAPLs污染较严重区，可加密探杆布设，但不得少于5个呈“十字”分布的探杆，否则不足以绘制污染空间的三维数据。

为了进一步确保测量效果，其改进的方案如下：首先，在监测区域内的地下水的正上方挖掘一个竖井，使该竖井与地下水相通，将该竖井作为地下水监测井，也是第一监测点位；然后在该监测井中悬挂一套电阻率监测装置；在距离该监测井400～600m范围内的位于地下水上游和下游的监测点位分别至少贯入一套电阻率监测装置；并使电阻率监测装置的GPRS天线伸出地面；井中的探杆长度应保证其探入水面以下至少20cm；且在地下水流方向两侧且距该监测井200～300m的位置分别至少贯入一套电阻率监测装置。

由于实际地下环境复杂，土壤质地各异，为优化现场应用，在电阻率探杆顶端设置配套钻头，对于粘性土采用螺旋钻头回转钻入，对于粉土和砂土采用锥形钻头锤击钻入。

5）设置采集参数，包括选择开启用于监测的电阻率监测装置，及其采集频率和用于采集的电极环数目；对现场的电阻率情况进行实时采集，并将采集到的电阻率上传服务器。

6）显然，监测区域在初始时刻为未污染区域，探测装置埋设后，将测得的区域未污染时的数据作为背景值，实时传输回来的数据通过和背景值对比，若电阻率达到某个监测点位E_j的下限，即当所接收的电阻率变化率ε_j∈E_j时，则自动识别为出现LNAPLs污染，同时进行报警，并将报警短信发送至指定客户。其中，j∈N，N为电阻率监测装置的数量，ε_j表示第j个电阻率监测装置测得的电阻率变化值。

7）***识别出现LNAPLs污染后，上位机数据处理模块会自动启动相应程序，绘制各监测点的电阻率曲线并保存。

8）分析污染后某时刻的电阻率曲线，得到LNAPLs运移前锋所到达位置，以及监测点位的LNAPLs污染深度范围，称之为峰值带，综合各监测点位运移前锋位置，从而得到实时三维空间污染范围。

上述特征LNAPLs污染在某监测点位发生后的电阻率变化范围E的确定方法如下：

取监测点位现场未污染土样和地下水样，利用已获得的特征LNAPLs污染物，例如油类，确定监测点位受到该特征LNAPLs污染时电阻率变化率数值范围，当污染物浓度超过国家标准规定最低限值时界定为土壤受到污染，当土体污染物达到饱和状态时为污染上限。

地下轻非水相液体污染物扩散的实时自动监测***，包括实现探测、数据采集和无线传送功能的电阻率探测***，以及实现发送指令、数据接收、自动识别污染及实时显示与自动报警功能的上位机，

其特征在于所述的电阻率探测***包括至少五个电阻率监测装置，所述的电阻率监测装置包括电阻率探杆和设置在电阻率探杆顶部的设备舱，该设备舱内设有GPRS无线传输模块和数据控制模块，以及伸出设备舱外的GPRS天线；所述的电阻率探杆是外表面等间距地设有至少4个电极环的圆柱形结构体，所述的电极环经由位于圆柱形结构体内部的导线与数据控制模块连接；

所述的上位机包括内含客户端控制程序的服务器，以及与服务器相连接的报警装置；所述的客户端控制程序用于设置电阻率探测***的参数、发送数据采集指令、远程同步传输监测数据、自动识别污染、显示污染后实时电阻率曲线，并向报警装置发出报警信号；所述的客户端控制程序通过TCP/IP协议实现与电阻率探测***的通讯。

上述电阻率探杆为中空的管状尼龙模块插接而成的中空的圆柱形结构体，并有铜质电极环夹扣在相邻两模块之间，在圆柱形结构体内部有导线使所述铜质电极环与数据控制模块连接，且中空的圆柱形结构体内灌有环氧树脂系胶结剂。

本发明针对以上问题做出了有效改进，不仅实现了污染自动判别，而且可以得到污染后任意时刻的地下三维空间分布，实现了三维空间内的污染实时监测。

本发明的监测方法操作简单、测量准确、运行可靠、能够实现实时监测并且无线传输数据，可实时动态监测NAPLs泄漏后扩散过程。本方法可通过污染前锋推进过程确定污染范围，因此可广泛应用于大型石化企业、加油站等NAPLs泄漏后的地下污染动态监测。本发明的监测***可一台中心监控计算机控制多套现场污染监测装置，多组数据同时接收，实现多点监测；可实现无线双向通讯，支持长时间在线，可实现长期无人值守自动监测，数据自动保存；硬件部分可以根据需要量身定做，***配置灵活，降低了成本。

附图说明

图1是本发明的监测***现场布设图。

图2是本发明的监测方法实施流程图。

图3是本发明的监测***工作程序。

图4是监测点位背景电阻率值（图中示意有五处点位）。

图5识别污染后沿水流方向监测点位测量电阻率值及运移峰值带。

图6识别污染后垂直水流方向监测点位测量电阻率值及运移峰值带。

其中，1、钻头，2、探杆，3、电极环，4、设备舱，5、GPRS天线，6、上位机，7、远程无线传输，8、地下水位，9、监测井，10、地下水流，11、包气带，12、饱水带，13、LNAPLs透镜体，14、输油管道，15、储罐。

具体实施方式

如图1～3所示，地下轻非水相液体污染物扩散的实时自动监测方法，包括：

探杆埋设点位即监测点位的选取直接关系到监测结果的实用性。调研现有地下水环境质量调查与评价报告，选取LNAPLs检出率较高污染源水流下游地下水保护目标为主监测点，其上下游及两侧位置作为辅助监测点；若为油罐区，则在地下水的下游选取监测点位是最关键的；

2）选取监测点位的现场地下水和土壤样品，进行电阻率探测污染运移模拟监测，验证对该监测点位的适用性，若该监测点位的土壤含水率大于5%则具有适应性；并获得LNAPLs污染在该监测点位发生后的电阻率变化率范围E，如下：

取监测点位现场未污染土样和地下水样，利用已获得的特征LNAPLs污染物，例如油类，确定监测点位受到该特征LNAPLs污染时电阻率变化率数值范围，当污染物浓度超过国家标准规定最低限值时界定为土壤受到污染，当土体污染物达到饱和状态时为污染上限。污染过程电阻率变化范围如下：

记为E=(min(ε_i),max(ε_i))，

其中，E为污染后电阻率变化率范围，

ε_i为LNAPLs污染物扩散后电极环i处测得的电阻率变化率，i是模拟监测装置上的某个电极环；

ρ_t为LNAPLs扩散过程稳定后t时刻电阻率测量值，t属于模拟监测时间段上的某一时刻；

ρ₀为地下介质电阻率背景值；

相邻电极环间距根据测量精度设置，最小可设置为5mm；根据所需的自地下水至地面的探测深度和电极环间距（即探测精度）确定可测量点位的个数N1；若需要测量的深度自下而上对应于N2个测量点，根据Wenner装置测量原理，所需的工作电极个数N3为N2加3，即N3=N2+3；因此总共所需的电极环数目为N1+3。

4）根据地下水流10方向，在可疑污染源区内存在待监测地下水的监测点位贯入一套电阻率监测装置，在距离该套监测装置400～600m范围内的位于地下水上游和下游的监测点位分别至少贯入一套电阻率监测装置；在地下水流方向两侧且距地下水保护区监测点位两侧200～300m的位置分别至少贯入一套电阻率监测装置；并使电阻率监测装置的GPRS天线5伸出地面。

为了进一步确保测量效果，其改进的方案如下：首先，在监测区域内的地下水的正上方挖掘一个竖井，使该竖井与地下水相通，将该竖井作为地下水监测井9；然后在该监测井中悬挂一套电阻率监测装置；在距离该监测井400～600m范围内的位于地下水上游和下游的监测点位分别至少贯入一套电阻率监测装置；并使电阻率监测装置的GPRS天线5伸出地面；井中的探杆长度应保证其探入水面以下至少20cm；且在距该监测井两侧200～300m分别至少贯入一套电阻率监测装置。利用监测井进行监测的方案对于大型石化企业尤为重要。

对于资料调研过程LNAPLs污染较严重区，可加密探杆布设，即沿水流方向及垂直于水流方向网格状设置多组探杆同时测量。

6）实时传输回来的数据通过和背景值对比，若电阻率达到E的下限，即当所接收的电阻率变化率ε_i∈E时，则监测***自动识别污染；同时进行报警，并将报警信息发送至指定客户。

7）***识别出现LNAPLs污染后，通过数据处理软件实时显现绘制各监测点的电阻率曲线并保存；

8）分析污染后某时刻的电阻率曲线，通过曲线可得各监测点位的污染物峰值带以及污染前锋所到达监测点位，得到LNAPLs运移前锋所到达位置，以及监测点位的LNAPLs污染深度范围，称之为峰值带，综合各监测点位运移前锋位置，从而得到实时三维空间污染范围。

本发明的地下轻非水相液体污染物扩散的实时自动监测***，包括实现探测、数据采集和无线传送功能的电阻率探测***，以及实现发送指令，数据接收，实时显示与自动报警功能的上位机6，

其特征在于所述的电阻率探测***包括至少五个电阻率监测装置，所述的电阻率监测装置包括电阻率探杆2和设置在电阻率探杆2顶部的设备舱4，该设备舱4内设有GPRS无线传输模块和数据控制模块，以及伸出设备舱外的GPRS天线5；所述的电阻率探杆2是外表面等间距地设有至少4个电极环3的圆柱形结构体，所述的电极环3经由位于圆柱形结构体内部的导线与数据控制模块连接；

所述的上位机6包括内含客户端控制程序的服务器，以及与服务器相连接的报警装置；所述的客户端控制程序用于设置电阻率探测***的参数、发送数据采集指令、远程同步传输监测数据、自动识别污染、显示污染后实时电阻率曲线，并向报警装置发出报警信号；所述的客户端控制程序通过TCP/IP协议实现与电阻率探测***的通讯。

上述电阻率探杆2为中空的管状尼龙模块插接而成的中空的圆柱形结构体，并有铜质电极环3夹扣在相邻两模块之间，在圆柱形结构体内部有导线使所述铜质电极环3与数据控制模块连接，且中空的圆柱形结构体内灌有环氧树脂系胶结剂。

如图1所示，输油管道14与油料储罐15可能因泄漏造成对地下水的污染，在地下水保护目标监测点位处挖掘竖井作为监测井9，地下水流10的方向可通过常规勘测得到，由于比重比水小，LNAPLs透镜体13位于地下水位8之上的包气带11内，会有少量LNAPLs溶解进入饱水带12中。监测井9中的探杆2不需要钻头1，探杆2外设有电极环3，探杆2顶端为带GPRS天线5的设备舱4，GPRS天线5通过远程无线传输7实现与上位机6的传输。

可以根据用户需求对采集频率进行设置，设置时间间隔为15～25min，通过上位机软件控制GPRS***运行，即对数据采集与控制电路板进行激活，开始监测数据的实时采集，采集的电信号通过A/D转换为数值信号，通过GPRS远程传送至客户端服务器及控制软件，实时传输回来的数据通过和背景值对比，当计算所得电阻率变化率ε_i∈E时，***自动识别污染，并通过上位机的数据处理模块实时显现污染后各监测点位电阻率曲线及污染峰值带，该数据处理模块可由matlab编程实现并嵌入上位机。

实施例

如图4-6所示，某大型石化企业周边在地下水水质综合评价过程中检测有柴油出现，推测可能存在柴油泄漏，造成该区浅表地下水受到污染。根据地下水监测资料，选取该地区地下水保护目标挖掘竖井作为主监测点，主监测点位置沿水流方向上、下400m范围内位置、水流方向两侧200m位置作为辅助监测点，共设置5套监测装置，顺水流方向编号分别为A、B、C，垂直于水流方向编号为D、E，B监测点位。该地区地下水埋深较浅，地下水位波动范围为-3.5m～-5.5m，第四系沉积物为砂粉土、粉质亚粘土，电阻率探杆选择锥形钻头。

选取现场土样和水样进行柴油污染模拟试验，以《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）土壤中石油类含量的临界值500mg/kg作为污染参考标准，得到污染后土体及水体电阻率变化范围为0.29-10.87，将0.29设置为现场污染识别下限。

现场用电阻率探杆长度为6米，电极间距5cm，电极环数120个，设置数据采集时间间隔为20min，取样深度为0.5m～6m，所需测量点位为111个，则设置工作电极数为114个。

开启装置客户端软件，实现数据的实时采集、无线传输，并数据保存与处理。若监测数值经软件自动数据处理在污染范围E内，则***自动识别污染，此时可以通过实时显示电阻率曲线判断污染物运移前锋所到达位置和污染峰值带。附图4为五个探杆监测点位电阻率背景值，附图5~6为***识别污染后某时刻A、B、C、D、E五个探杆监测所得电阻率及柴油运移峰值带位置图，由图可见，柴油运移已对五个监测位置造成污染，图中的“凸”形峰值带为柴油层，A、C、D和E峰值带柴油深度范围分别为3.65~4.2m、4.4~4.9m、4.2~4.5m和4.25~4.5m，B监测点位于监测井内，通过电阻率升高的变化可以看出柴油已经过监测井。通过以上分析可见，柴油污染在水平方向上扩散至少已达到400（垂直于水流方向）×800（沿水流方向）m范围，垂向上扩散已达到3.65~4.9m深度。

Claims

1.地下轻非水相液体污染物扩散的实时自动监测方法，包括：

其特征在于包括以下步骤：

2）选取各个监测点位的现场地下水和土壤样品，进行电阻率探测污染运移模拟监测，验证对该监测点位的适用性，若该监测点位的土壤含水率大于5%则具有适应性，并获得特征LNAPLs污染在各个具有适应性的监测点位发生后的电阻率变化范围E_i，i∈M，M为具有适应性的监测点位的数量。

3）根据监测点位的地下水的深度变化范围，选取电阻率监测装置的探杆长度；根据所需的探测精度选取电阻率探杆上电极环的间距；

4）根据地下水流方向，在可疑污染源区内存在待监测地下水的监测点位贯入一套电阻率监测装置，作为第一监测点位，在距离该套监测装置400～600m范围内的位于地下水上游和下游的监测点位分别至少贯入一套电阻率监测装置；并使电阻率监测装置的GPRS天线伸出地面；

在地下水流方向两侧且距第一监测点位200～300m的位置分别至少贯入一套电阻率监测装置；

5）设置采集参数，包括选择开启用于监测的电阻率监测装置，及其采集频率和用于采集的电极环数目；对现场的电阻率情况进行实时采集，并将采集到的电阻率上传服务器；

6）探测装置埋设后，将测得的区域未污染时的数据作为背景值，实时传输回来的数据通过和背景值对比，若电阻率达到某个监测点位E_j的下限，即当所接收的电阻率变化率ε_j∈E_j时，则自动识别为出现LNAPLs污染，同时进行报警，并将报警短信发送至指定客户，其中，j∈N，N为电阻率监测装置的数量，ε_j表示第j个电阻率监测装置测得的电阻率变化值。

7）***识别出现LNAPLs污染后，绘制各监测点的电阻率曲线并保存；

2.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于上述特征LNAPLs污染在某监测点位发生后的电阻率变化范围E的确定方法如下：

取监测点位现场未污染土样和地下水样，利用已获得的特征LNAPLs污染物，确定监测点位受到该特征LNAPLs污染时电阻率变化率数值范围，当污染物浓度超过国家标准规定最低限值时界定为土壤受到污染，当土体污染物达到饱和状态时为污染上限。

3.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于上述步骤4）中对于粘性土采用螺旋钻头回转钻入，对于粉土和砂土采用锥形钻头锤击钻入。

4.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于上述步骤4）是以如下方法代替：

首先，在监测区域内的地下水的正上方挖掘一个竖井，使该竖井与地下水相通，将该竖井作为地下水监测井；然后在该监测井中悬挂一套电阻率监测装置；在距离该监测井400～600m范围内的位于地下水上游和下游的监测点位分别至少贯入一套电阻率监测装置；并使电阻率监测装置的GPRS天线伸出地面；井中的探杆长度应保证其探入水面以下至少20cm；且在地下水流方向两侧且距该监测井200～300m的位置分别至少贯入一套电阻率监测装置。

5.地下轻非水相液体污染物扩散的实时自动监测***，包括实现探测、数据采集和无线传送功能的电阻率探测***，以及实现发送指令，数据接收，实时显示与自动报警功能的上位机（6），

其特征在于所述的电阻率探测***包括至少五个电阻率监测装置，所述的电阻率监测装置包括电阻率探杆（2）和设置在电阻率探杆（2）顶部的设备舱（4），该设备舱（4）内设有GPRS无线传输模块和数据控制模块，以及伸出设备舱外的GPRS天线（5）；所述的电阻率探杆（2）是外表面等间距地设有至少4个电极环（3）的圆柱形结构体，所述的电极环（3）经由位于圆柱形结构体内部的导线与数据控制模块连接；

所述的上位机（6）包括内含客户端控制程序的服务器，以及与服务器相连接的报警装置；所述的客户端控制程序用于设置电阻率探测***的参数、发送数据采集指令、远程同步传输监测数据、自动识别污染、显示污染后实时电阻率曲线，并向报警装置发出报警信号；所述的客户端控制程序通过TCP/IP协议实现与电阻率探测***的通讯。

6.如权利要求5所述的监测***，其特征在于上述电阻率探杆（2）为中空的管状尼龙模块插接而成的中空的圆柱形结构体，并有铜质电极环（3）夹扣在相邻两模块之间，在圆柱形结构体内部有导线使所述铜质电极环（3）与数据控制模块连接，且中空的圆柱形结构体内灌有环氧树脂系胶结剂。