CN112697849A - 动态污染源定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态污染源定位方法，属于污染场地修复技术领域。本发明主要通过以污染物作为示踪剂，配合地下水污染物的***分类、计算机模拟追踪、物探和水文地质技术来精确锁定土壤污染源的位置。本发明在污染修复方案中确定处理重点和优先次序，能够对污染源优先去除，有效遏制污染的扩散，快速使地下水的污染消失，免去区域性的修复工程。

Description

动态污染源定位方法
技术领域
本发明涉及污染源定位技术领域。更具体地说，本发明涉及一种动态污染源定位方法。
背景技术
在污染场地修复中，污染源的定位是一项核心工作。尤其是在多污染种类、多污染源的复杂环境下，污染源的定位非常困难。目前实际应用的现有技术重点在勾画污染的范围，对已知的污染源分类排查，类似于查户口，对历史污染源和已经挪位的次生污染源缺乏认识和解决方法。以至于浪费很多调查资源，而且修复效果长期不佳而又找不到原因。其根本原因是因为不知道污染源在哪里。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种动态污染源定位方法，适合于多污染种类、多污染源的复杂环境下精确定位。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种动态污染源定位方法，包括以下步骤：
步骤一、以一种以上的指标性污染物作为示踪剂，假设指标性污染物浓度是一种连续的稳定场，污染源以点或面污染源为主，污染源扩散方式为向四周辐射式，且具有扩散半径，指标性污染物浓度变化以相同梯度减小；
步骤二、在不同点位对地下水取样，测量指标性污染物浓度，绘制指标性污染物浓度分布图，初步判定污染源个数、范围及类型；
步骤三、在步骤二划定的污染源范围内设置多个MT观测点，多个MT观测点位于污染源范围内同一直线上，并于预设时长内采集每个MT观测点的视电阻率和相位，绘制每个MT观测点的视电阻率曲线和相位曲线，得到多个MT观测点所在直线的MT剖面，采用非线性共轭梯度法对MT剖面进行二维反演，得出该MT剖面上电阻率分布图，若电阻率分布图中显示有低阻异常区域，则进行步骤四，否则重新设置多个MT观测点，重复本步骤直至找出低阻异常区域；
步骤四、调取低阻异常区域历史用地资料，根据低阻异常区域历史用地资料得出污染源个数和类型，再对比步骤二中初步判定的污染源个数和类型，查看是否有遗漏污染源；若无遗漏污染源则完成污染源定位，否则进行步骤五；
步骤五、建立地下水流体模型，确定遗漏污染源的指标性污染物，根据遗漏污染源的指标性污染物浓度分布图，反向推算遗漏污染源可能存在范围，当遗漏污染源可能存在范围小于预设阈值时，在遗漏污染源可能存在范围内，疑似污染源点位及其四周打井观测，确定污染源位置；当遗漏污染源可能存在范围大于预设阈值时，将遗漏污染源的指标性污染物浓度数据输入地下水流体模型，做指标性污染物运移模拟，直至得到的遗漏污染源可能存在范围小于预设阈值，再于遗漏污染源可能存在范围内，疑似污染源点位及其四周打井观测，确定污染源位置。
优选的是，步骤五中在疑似污染源点位及其四周打井观测的具体方法为：在疑似污染源点位及其四周分别打五口水井，分析井点土壤及地下水中遗漏污染源的指标性污染物浓度，选定其中一口下游的水井，做三至五天的抽水试验，同时对水质连续监测。
优选的是，步骤二中指标性污染物浓度分布图通过地理信息***、matlab或surfer软件完成。
优选的是，步骤三中MT观测点采用+型布台，磁北为x方向，磁东为y方向，测量电极距为50m，观测频段为1.0×103Hz～0.5×102s。
优选的是，步骤五中反向推算遗漏污染源可能存在范围的方法包括：采用模糊集合表示法，将不同点位N地下水中遗漏污染源的指标性污染物浓度值ci＝c(N)视为地下水污染程度模糊集合A的元素，
Figure BDA0002789636570000021
其中μ(ci)是ci的隶属函数，戒上型隶属函数计算公式为
Figure BDA0002789636570000022
其中c0为遗漏污染源的指标性污染物的平均浓度，a、b分别为预设参数，当μ(ci)≥0.5时，取样点在遗漏污染源可能存在范围，通过将***取样点位连线即可得出遗漏污染源可能存在范围边界。
优选的是，步骤五中疑似污染源点位的选取方法为：在遗漏污染源可能存在范围内，根据地下水流体模型，选择地下水上游接近遗漏污染源可能存在范围边界处，作为疑似污染源点位。
本发明至少包括以下有益效果：与现有技术相比，本发明提供的动态污染源定位方法逐步缩小污染源可能存在范围，避免盲目调查浪费大量人力物力，在面对历史污染源和已经挪位的次生污染源情形时，能逐一找到各个污染源，因此适合于多污染种类、多污染源的复杂环境下对污染源精确定位。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为现有技术中常规污染源定位方法的应用示意图；
图2为本发明所述动态污染源定位方法的应用示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种动态污染源定位方法，包括以下步骤：
步骤一、以一种以上的指标性污染物作为示踪剂，假设指标性污染物浓度是一种连续的稳定场，污染源以点或面污染源为主，污染源扩散方式为向四周辐射式，且具有扩散半径，指标性污染物浓度变化以相同梯度减小；
这里受污染的土地可能存在多种类型的污染源，而每种类型的污染源扩散到土壤甚至地下水中的污染物都有其独特的标志性，如：工业用地常常会对土地产生重金属污染，因此土壤甚至地下水中重金属含量就会超出正常浓度范围；农业用地中常常会对土地产生农药、化肥污染，故土壤甚至地下水中氮磷钾和一些有机农药的含量就会超出正常浓度范围。通过排查受污染土地的指标性污染物，也就能大致了解受污染土地的污染源类型，是否有多种类型的污染源。
步骤二、在不同点位对地下水取样，测量指标性污染物浓度，绘制指标性污染物浓度分布图，初步判定污染源个数、范围及类型；
这里指标性污染物浓度分布图绘制完成后可直观的看出指标性污染物在不同位置的分布，由于污染源位置的不确定性，指标性污染物浓度分布图中最大浓度出未必是污染源，如当出现多个同类型污染源同时覆盖同一片区域时，该片区域的指标性污染物浓度可达到最大浓度，但该片区域并不存在污染源，而越接近污染源，指标性污染物浓度越高，因此，通过指标性污染物浓度分布图，再对比土壤或者地下水环境质量标准的指标性污染物背景值，仅能大致判定污染源个数、范围及类型。
步骤三、在步骤二划定的污染源范围内设置多个MT观测点，多个MT观测点位于污染源范围内同一直线上，并于预设时长内采集每个MT观测点的视电阻率和相位，绘制每个MT观测点的视电阻率曲线和相位曲线，得到多个MT观测点所在直线的MT剖面，采用非线性共轭梯度法对MT剖面进行二维反演，得出该MT剖面上电阻率分布图，若电阻率分布图中显示有低阻异常区域，则进行步骤四，否则重新设置多个MT观测点，重复本步骤直至找出低阻异常区域；
这里由于污染物在具有一定的化学活性，容易与污染物侵蚀的土壤发生氧化还原反应，从土壤中萃取出金属离子并析出盐类，从而改变地下土壤的电性，使地下土壤的导电性和电化学性质增强，与未受污染物侵蚀的土壤形成明显的电性差异，同时，由于污染物扩散过程中的浓度梯度也造成了地下土壤的电性的梯度变化，因此，通过观测受污染土地的MT剖面上电阻率分布图，可进一步缩小的污染源范围，找到污染源在受污染土地中大致的深度位置。这里低阻异常区域一般指MT剖面上电阻率分布图中电阻率最低区域。
步骤四、调取低阻异常区域历史用地资料，根据低阻异常区域历史用地资料得出污染源个数和类型，再对比步骤二中初步判定的污染源个数和类型，查看是否有遗漏污染源；若无遗漏污染源则完成污染源定位，否则进行步骤五；
这里也可通过根据低阻异常区域历史用地资料得出污染源个数和类型，推测出由这些污染源扩散出来的指标性污染物，对比步骤一中的指标性污染物种类，来判断是否有遗漏的污染源。
步骤五、建立地下水流体模型，确定遗漏污染源的指标性污染物，根据遗漏污染源的指标性污染物浓度分布图，反向推算遗漏污染源可能存在范围，当遗漏污染源可能存在范围小于预设阈值时，在遗漏污染源可能存在范围内，疑似污染源点位及其四周打井观测，确定污染源位置；当遗漏污染源可能存在范围大于预设阈值时，将遗漏污染源的指标性污染物浓度数据输入地下水流体模型，做指标性污染物运移模拟，直至得到的遗漏污染源可能存在范围小于预设阈值，再于遗漏污染源可能存在范围内，疑似污染源点位及其四周打井观测，确定污染源位置。
这里反向推算遗漏污染源可能存在范围的方法可以采用下面实施例中所述方法，当然也可采用现有技术中的其他方法。
当遗漏污染源可能存在范围大于预设阈值时，将遗漏污染源的指标性污染物浓度数据输入地下水流体模型，这里地下水流体模型可以采用如下数学模型：
Figure BDA0002789636570000051
其中，D为研究区渗流区域；
Kxx、Kyy、Kzz分别为x、y、z方向的主渗透系数，单位为LT-1；
Ss是储水率；
H0为初始地下水水位，单位为L
q为研究区流量边界的单宽流量，单位为L2 T-1
B2为二类边界；
B3为混合边界；
ω为上边界降雨入渗量，单位为LT-1；
ε为上边界源汇项，单位为LT-1；
σ为阻力系数。
而指标性污染物运移的数学表达式为：
Figure BDA0002789636570000061
其中：
Figure BDA0002789636570000062
aijmin为含水层的弥散度；
Vm，Vn分别为m和n方向上的速度分量；
|V|为速度模；
C为模拟污染物的浓度；
ne为有效孔隙度；
C’为模拟污染物的源汇浓度；
W为源汇单位面积上的通量；
Vi为渗流速度；
采用GMS软件的MODFLOW模块来模拟地下水流，MT3DMS模块来模拟地下水溶质运移，通过指标性污染物运移模拟反演污染源的可能存在范围和排放浓度。实际上在GMS软件中地下水流体模型与指标性污染物运移模型已经被预设，因此只需输入相关数据即可得出结果。
遗漏污染源可能存在范围的预设阈值根据实际操作过程中受污染土地面积来设置，一般为受污染土地面积的5～10％。
上述实施例在实际操作过程中，通过绘制指标性污染物浓度分布图，初步判定污染源个数、范围及类型，再通过测绘污染源存在范围内的MT剖面电阻率分布图，进一步核验污染源精确位置，并排查是否有遗漏污染源，最后通过地下水流体模型再次缩小遗漏污染源的存在范围，并通过侵入式打井观测的方法准确定位遗漏的污染源，整个过程逐步缩小污染源可能存在范围，避免盲目调查浪费大量人力物力，在面对历史污染源和已经挪位的次生污染源情形时，能逐一找到各个污染源，因此适合于多污染种类、多污染源的复杂环境下对污染源精确定位。
为了进一步说明本发明的优越性，工作人员分别用常规的勾画污染源范围、再在污染源范围内打井观测的方法(如图1所示)和上述实施例的方法(如图2所示)分别进行了试验，这里由于受污染土地不可复制，故在受污染土地上先进行常规方法，再进行本发明方法。从图1可以看出黑色大圈内整体白色区域为污染区域，黑色实心小点代表在进行污染源调查时所布设的观测井点位，此时并不能对污染源进行准确定位，对历史污染源和已经挪位的次生污染源缺乏认识和解决方法，以至于浪费多数调查资源，而从图2可以看出利用本发明方法对污染场地进行处理后，选取一口观测井(图中十字圆圈点位)，做三至五天的连续抽水试验并对观测水井进行连续监测，即可进一步确定污染源的具***置。
在另一实施例中，步骤五中在疑似污染源点位及其四周打井观测的具体方法为：在疑似污染源点位及其四周分别打五口水井，分析井点土壤及地下水中遗漏污染源的指标性污染物浓度，选定其中一口下游的水井，做三至五天的抽水试验，同时对水质连续监测。这个过程可以让离污染源比较远的净水变干净，而处于污染源区下游的井水变更污染。
在另一实施例中，步骤二中指标性污染物浓度分布图通过地理信息***、matlab或surfer软件完成。
在另一实施例中，步骤三中MT观测点采用+型布台，磁北为x方向，磁东为y方向，测量电极距为50m，观测频段为1.0×103Hz～0.5×102s。
在另一实施例中，步骤五中反向推算遗漏污染源可能存在范围的方法包括：采用模糊集合表示法，将不同点位N地下水中遗漏污染源的指标性污染物浓度值ci＝c(N)视为地下水污染程度模糊集合A的元素，
Figure BDA0002789636570000071
其中μ(ci)是ci的隶属函数，戒上型隶属函数计算公式为
Figure BDA0002789636570000072
其中c0为遗漏污染源的指标性污染物的平均浓度，a、b分别为预设参数，当μ(ci)≥0.5时，取样点位在遗漏污染源可能存在范围，通过将***取样点位连线即可得出遗漏污染源可能存在范围边界。这里由于不同类型污染源均在同一受污染土地，地下水流体模型相同，因此不同污染源的指标性污染物在地下水中的浓度分布规律也基本相同，故预设参数a、b的值可根据前述已探测出的污染源的指标性污染物浓度及该污染源存在范围进行推算得出。
本实施例中由于污染源存在范围边界并不清晰，因此采用模糊集合表示法，当某点位的地下水中遗漏污染源的指标性污染物浓度值大于漏污染源的指标性污染物的平均浓度，该点位处于污染源可能存在范围内，当某点位的地下水中遗漏污染源的指标性污染物浓度值小于漏污染源的指标性污染物的平均浓度，此时需要通过指标性污染物浓度值的隶属函数值来判断该点位是否处于污染源可能存在范围内，因为地下水位于污染源上游时，虽然指标性污染物也会向上游扩散，但在水流作用下极有可能造成上游浓度小于平均浓度，通过隶属函数判断可完整的将污染源划分在遗漏污染源可能存在范围内。
在另一实施例中，步骤五中疑似污染源点位的选取方法为：在遗漏污染源可能存在范围内，根据地下水流体模型，选择地下水上游接近遗漏污染源可能存在范围边界处，作为疑似污染源点位。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.动态污染源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、以一种以上的指标性污染物作为示踪剂，假设指标性污染物浓度是一种连续的稳定场，污染源以点或面污染源为主，污染源扩散方式为向四周辐射式，且具有扩散半径，指标性污染物浓度变化以相同梯度减小；
步骤二、在不同点位对地下水取样，测量指标性污染物浓度，绘制指标性污染物浓度分布图，初步判定污染源个数、范围及类型；
步骤三、在步骤二划定的污染源范围内设置多个MT观测点，多个MT观测点位于污染源范围内同一直线上，并于预设时长内采集每个MT观测点的视电阻率和相位，绘制每个MT观测点的视电阻率曲线和相位曲线，得到多个MT观测点所在直线的MT剖面，采用非线性共轭梯度法对MT剖面进行二维反演，得出该MT剖面上电阻率分布图，若电阻率分布图中显示有低阻异常区域，则进行步骤四，否则重新设置多个MT观测点，重复本步骤直至找出低阻异常区域；
步骤四、调取低阻异常区域历史用地资料，根据低阻异常区域历史用地资料得出污染源个数和类型，再对比步骤二中初步判定的污染源个数和类型，查看是否有遗漏污染源；若无遗漏污染源则完成污染源定位，否则进行步骤五；
步骤五、建立地下水流体模型，确定遗漏污染源的指标性污染物，根据遗漏污染源的指标性污染物浓度分布图，反向推算遗漏污染源可能存在范围，当遗漏污染源可能存在范围小于预设阈值时，在遗漏污染源可能存在范围内，疑似污染源点位及其四周打井观测，确定污染源位置；当遗漏污染源可能存在范围大于预设阈值时，将遗漏污染源的指标性污染物浓度数据输入地下水流体模型，做指标性污染物运移模拟，直至得到的遗漏污染源可能存在范围小于预设阈值，再于遗漏污染源可能存在范围内，疑似污染源点位及其四周打井观测，确定污染源位置。
2.如权利要求1所述的动态污染源定位方法，其特征在于，步骤五中在疑似污染源点位及其四周打井观测的具体方法为：在疑似污染源点位及其四周分别打五口水井，分析井点土壤及地下水中遗漏污染源的指标性污染物浓度，选定其中一口下游的水井，做三至五天的抽水试验，同时对水质连续监测。
3.如权利要求1所述的动态污染源定位方法，其特征在于，步骤二中指标性污染物浓度分布图通过地理信息***、matlab或surfer软件完成。
4.如权利要求1所述的动态污染源定位方法，其特征在于，步骤三中MT观测点采用+型布台，磁北为x方向，磁东为y方向，测量电极距为50m，观测频段为1.0×103Hz～0.5×102s。
5.如权利要求1所述的动态污染源定位方法，其特征在于，步骤五中反向推算遗漏污染源可能存在范围的方法包括：采用模糊集合表示法，将不同点位N地下水中遗漏污染源的指标性污染物浓度值ci＝c(N)视为地下水污染程度模糊集合A的元素，
Figure FDA0002789636560000021
其中μ(ci)是ci的隶属函数，戒上型隶属函数计算公式为
Figure FDA0002789636560000022
其中c0为遗漏污染源的指标性污染物的平均浓度，a、b分别为预设参数，当μ(ci)≥0.5时，取样点位在遗漏污染源可能存在范围，通过将***取样点位连线即可得出遗漏污染源可能存在范围边界。
6.如权利要求1所述的动态污染源定位方法，其特征在于，步骤五中疑似污染源点位的选取方法为：在遗漏污染源可能存在范围内，根据地下水流体模型，选择地下水上游接近遗漏污染源可能存在范围边界处，作为疑似污染源点位。
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