CN116609836B - 一种地下水污染地球物理模拟测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地下水污染地球物理模拟测试装置及方法，属于模拟测试装置，本测试装置涉及地下水污染勘探技术领域。包括电极接线、地下介质等效电路模块、电路板、I/O端口。使用时按照设计的电子器件进行组装，通过各电路板上的电路和元器件来模拟实际地层中的电阻和电容特性，可以实现在室内小空间进行地下水污染地电特征模拟和地球物理数据采集阵列的测试。能够实现地下水污染地球物理探测室内地层模拟，解决现有电极阵列优化技术过程中需要进行野外尺度反复测试而耗费大量时间和人力物力的问题。
Description
技术领域
本发明涉及模拟测试技术领域，尤其涉及一种地下水污染地球物理模拟测试装置及方法。
背景技术
地球物理学是一门利用物理学原理和方法，对地球各种物理场分布及其变化进行观测，探索地球本体及近地表的介质结构、物质组成、形成和演化，研究与其相关的各种自然现象及其变化规律的学科。在此基础上，地球物理学衍生出了多种勘探技术手段，如重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探等，用于探测地球内部结构与构造、寻找能源、资源和环境监测等。其中，电法勘探因其所搜集的电性参数与水文地质参数关系明确，常被应用于水文地质勘探及地下水污染探测等领域。
地下水污染地球物理探测方法被广泛应用于场地尺度地下水污染探测，但由于野外的地质体探测尺度较大不方便研究，大多数理论和模拟研究都以室内和田间小尺度模拟试验的方式进行。室内模拟需要大量的前期准备工作，耗费人力物力和时间。另一方面，在地下水污染地球物理探测中，电极阵列的设计和布置对于地下水污染探测结果的精度和可靠性至关重要。所采用的电极阵列主要包括：梯度法、偶极-偶极方法，对称四极方法等。但在实际应用过程中，由于场地的限制和探测目标的特征差异，现有的电极阵列并不能起到精准、快速探测的效果。因此，国内外学者研究了电极阵列的多种优化方式，这些被优化的电极阵列在研发过程中需要多次进行场地尺度的试验以测试其是否达到要求。尽管地球物理探测技术在与其他勘探手段上具有快速的优势，但在实际场地地下水污染探测中，仍会耗费大量时间和人力物力。如果有一种在实验室内可以快速模拟地下水污染地层和电极阵列测试的装置或者测试方法，将促进地下水污染探测室内试验模拟的效率的电极阵列的优化频率，提高现场探测的精度和可靠性。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了一种地下水污染地球物理模拟测试装置及方法。
为达上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明第一方面提供了一种地下水污染地球物理模拟测试装置，所述装置包括：
电极接线、地下介质等效电路模块、电路板、I/O端口，
其中，所述电路板上为若干组合电路所述组装而成；
所述地下介质等效电路模块按照预设排列规则进行排列，所述预设排列规则其中的一种排列方式包括：
电路板的电路由若干地下介质等效电路模块按照行列矩阵方式串联在一起，每一行均有(n-1)个，每一列均有（n/2-1）地下介质等效电路模块，n为需测试阵列电极数；
每行和每列的首末两端均设置为断路来模拟无穷远处，电极接线柱位置则位于第1行，每个单元格顶点位置设置一个，排成一行共n个。
进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述预设排列规则其中的另一种排列方式包括：
每块电路板上设置(n-1)*(n/2-1)的正方形单元格，单元格边长为l，用以模拟一个边长为实际电极间距x的单位地块，在单元格每条边上设置一个地下介质等效电路模块；
每行和每列的首末两端均设置为断路来模拟无穷远处，电极接线柱位置则位于第1行，每个单元格顶点位置设置一个，排成一行共n个。
进一步地，本发明的一个较佳实施例中，在所述测试装置的测试过程中，所述电极接线的数量通过串联若干个电路板进行扩展。
进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述地下介质等效电路模块由电阻和电容元件组合单元电路组成。
进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述地下介质等效电路模块根据所需模拟的地层的主要岩性特征确定电阻值和电容值，并选取相对应的电阻值和电容值进行装配，其中，其电阻和电容计算方式如下：
电阻R的计算方式如下：
；
式中R为等效电路模块所使用的电阻值，Ω；ρ为实际地层中主要矿物岩石的电阻率值，Ω*m；x为用以模拟的单位地块边长，m；
电容C的计算方式如下：
；
式中C为等效电路模块所使用的电容值，F；τ为实际地层中主要矿物岩石的激电效应弛豫时间，s；m为实际地层中主要矿物岩石的极化率值，mV/V；c为频率相关系数，0＜c≤1。
进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述的一种地下水污染地球物理模拟测试装置，本测试装置通过根据矿物性质来确定电阻率参变系数，矿物岩石电阻率ρ值可由如下计算方式确定：
；
式中a为常数，取值范围为2到6；b为矿物电阻率参变系数。
进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述的一种地下水污染地球物理模拟测试装置，所述测试装置根据勘探体积理论，所述电路板的尺寸以及数量由以下计算方式确定：
；
式中，L1、L2分别为不锈钢电阻架的长、宽尺寸，单位为m；n为测试阵列电极数；K为电路板并排摆放数量，取整数；l为单元格的边长。
进一步地，本发明的一个较佳实施例中，，所述I/O端口为n/32个KPT32p接口，每个接口分别控制32个电极接线柱，即从左至右1-32个电极接线柱各连接一条导线汇集于1个KPT32p接口上。
本发明第二方面提供了一种地下水污染地球物理模拟测试方法，所述测试方法应用于任一项所述的一种地下水污染地球物理模拟测试装置，包括以下步骤：
步骤一、事先编辑好需要进行测试的电极阵列，并导入测试仪器，包括但不仅限于ABEM Terrameter LS 2；
步骤二、按照设计所需模拟地层的主要介质特性计算地下介质等效电路模块所需要的电阻值和电容值，并挑选合适电阻和电容元件安装；
步骤三、设计模拟探测目标，在实际探测过程中，目标或为与周围岩体或土体存在明显电性差异（高电阻率、高极化率、低电阻率、低极化率）的岩矿体或污染物，在该设备模拟过程中按照设计的目标存在位置、影响范围、响应强度替换相应位置的电阻和电容器件（对应前述电性差异依次为：大电阻、大电容、小电阻、小电容）；
步骤四、将测试仪器与高密度电法数据采集阵列测试装置I/O端口连接。进行高密度电法或激发极化法测量，得到视电阻率剖面信息；
步骤五、将视电阻率或视极化率剖面信息进行反演得到电阻率或极化率剖面信息，以电阻率或极化率剖面信息为依据进一步进行电极阵列的有效性判断和优化，以进行地下水污染探测的室内试验模拟。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
本发明设计了一种地下水污染地球物理模拟测试装置及其使用方法，能够实现地下水污染地层电性参数测试的室内模拟实验和电极阵列优化测试过程的室内进行，可以解决现有高密度电法电极阵列优化技术过程中需要进行野外尺度反复测试而耗费大量时间和人力物力的问题，可以快速模拟地下水污染地层和电极阵列测试的装置或者测试方法，将促进地下水污染探测室内试验模拟的效率的电极阵列的优化频率，提高现场探测的精度和可靠性。另一方面，其内部各接口上的模拟地电阻和模拟地电容均可按照设计要求的参数进行更换，能够实现实际地下水污染地层的地电特性模拟，为室内地下水污染探测模拟实验提供新的手段。实际应用方面，应用于实际工作中能够起到电极阵列的室内测试作用，大大提高野外探测的工作效率，缩短野外工作时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1为本发明一种地下水污染地球物理模拟测试装置结构示意图；
图2为地下介质等效电路模块电路图；
图3为测试结果与设计地层结构对比图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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申请和简化描述，而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申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
为进一步明确本发明的方法、目的和优点，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的制备流程进行详细描述。本发明一种地下水污染地球物理模拟测试装置及其使用方法，目的是解决现有电极阵列优化过程中测试已优化的阵列耗时费力的问题。
一种地下水污染地球物理模拟测试装置，其特征在于包括：电极接线1、地下介质等效电路模块2、电路板3、I/O端口。一种地下水污染地球物理模拟测试装置，如图1所示，其特征在于其为一组合电路，组成电路板，将与测试电缆以及阵列测试仪器共同组成电法数据采集阵列测试***。
所述电极接线1，针对数据采集方法不同，可在并排位置扩展不极化电极接线。
所述地下介质等效电路模块2为电阻和电容元件组合单元电路，其上电阻和电容均可按需求拆卸和更换，如图2所示。
所述地下介质等效电路模块按照一定规则排列，其排列规则如下：
电路板的电路由若干地下介质等效电路模块按照行列矩阵方式串联在一起，为方便数据的采集和反演，也可以按照单元格形式来划分，每块电路板上设置31×15的正方形单元格，单元格边长为0.5cm，用以模拟一个边长为实际电极间距2m的单位地块，在单元格每条边上设置一个地下介质等效电路模块。
每行和每列的首末两端均设置为断路来模拟无穷远处，电极接线柱位置则位于第1行，每个单元格顶点位置设置一个，排成一行共32个。
所述地下介质等效电路模块可根据所需模拟的地层的主要岩性特征确定电阻值和电容值。本实施例中，模拟三层地层从上到下依次为粉质砂土、黏土和砂岩，并设置目标体为深度3m的地下水有机污染羽，如图3所示。选取合适大小的电阻值和电容值进行装配，其电阻和电容计算方式如下：
电阻R计算：
；
式中R为等效电路模块所使用的电阻值，Ω；ρ为实际地层中主要矿物岩石的电阻率值，Ω*m；x为用以模拟的单位地块边长，m。
式中矿物岩石电阻率ρ值可由如下式子确定：
；
式中a为常数一般取值2~6；b为矿物电阻率参变系数。本实施例中，设置三类地层a=1，6，2；三类地层b=2，1，2；则从上到下地层电阻率ρ1，ρ2，ρ3分别为100Ω*m，60Ω*m，200Ω*m；根据电阻计算公式，即每一个地下介质等效电路模块的电阻元件电阻值在三层地层中分别为100Ω，60Ω，200Ω；其中b的取值可以通过根据矿物性质来确定电阻率参变系数，可从大数据网络中获取，如矿物性质为黏土时，对应b的值为-1；矿物性质为有机污染物时，b的取值的2-3；火成岩时，b的取值为大于3；并不进行本实施例中的数据，本领域的工作人员可根据实际情况来设置不同的电阻率参变系数取值。
电容C的计算：
；
式中C为等效电路模块所使用的电容值，F；τ为实际地层中主要矿物岩石的激电效应弛豫时间，s；m为实际地层中主要矿物岩石的极化率值，mV/V；c为频率相关系数，0＜c≤1。式中岩矿石弛豫时间τ和极化率值m均可由实际矿物样品根据现有技术手段测得。本例中测试高密度电阻率阵列，为直流电法，电容设置三层地层分别为，40μF，200μF，5μF。
所述电路板，根据勘探体积理论，其尺寸和数量可由如下式子确定：
；
式中，L1、L2分别为不锈钢电阻架的长、宽尺寸，单位为m；n为测试阵列电极数；本例中L1为33.5cm、L2为16.75cm。
本实施例中，所述I/O端口，为1个KPT32p接口，控制32个电极接线柱，即从左至右1-32个电极接线柱各连接一条导线汇集于1个KPT32p接口上。
需要说明的是，通过本测试装置能够实现了地下水污染地层电性参数测试的室内模拟实验和电极阵列优化测试过程的室内进行，可以解决现有高密度电法电极阵列优化技术过程中需要进行野外尺度反复测试而耗费大量时间和人力物力的问题，可以快速模拟地下水污染地层和电极阵列测试的装置或者测试方法，将促进地下水污染探测室内试验模拟的效率的电极阵列的优化频率，提高现场探测的精度和可靠性。
本实施例中，按照上述内容设计好的参数对本装置进行使用，其使用方法如下列步骤所述：
步骤一、事先编辑好需要进行测试的电极阵列，本例中采用梯度法进行测量，并导入测试仪器，ABEM Terrameter LS 2。
步骤二、挑选电阻和电容元件安装，从上往下一共15层（对应电路板上15行），前6层，中间6层和最下面3层分别对应粉质砂土、黏土和砂岩其上按照地层结构对应的电阻和电容进行装配（粉质砂土100Ω、黏土60Ω，砂岩200Ω）。
步骤三、设计模拟地下水污染地层，在实际探测过程中，目标或为与周围岩体或土体存在明显电性差异（低电阻率）的高矿化度的受污染地下水，电路板上第8-13行的第20-24单元格上的电阻均替换为45Ω的小电阻和50Ω的小电阻。
其次，在步骤三中，并不仅限于低电阻率的高矿化度的受污染地下水测试，还可以包括高电阻率、高极化率、低极化率的高矿化度的受污染地下水的测试。
步骤四、将测试仪器与高密度电法数据采集阵列测试装置I/O端口连接。进行高密度电法或激发极化法测量，得到视电阻率剖面信息。
步骤五、将视电阻率或视极化率剖面信息进行反演得到电阻率或极化率剖面信息，将电阻率或极化率剖面与设计地层参数进行对比，若高阻和低阻响应或激发极化响应位置与大小与设计参数相吻合，则判定该阵列有效。
如图3所示，电阻率测量反演结果与实际设置模拟地层基本一致，且能够反映出电阻率大小、地层分层和异常位置等信息，证明所采用的优化阵列有效。
综上所述，本发明设计了一种地下水污染地球物理模拟测试装置及其使用方法，能够实现地下水污染地层电性参数测试的室内模拟实验和电极阵列优化测试过程的室内进行，可以解决现有高密度电法电极阵列优化技术过程中需要进行野外尺度反复测试而耗费大量时间和人力物力的问题，可以快速模拟地下水污染地层和电极阵列测试的装置或者测试方法，将促进地下水污染探测室内试验模拟的效率的电极阵列的优化频率，提高现场探测的精度和可靠性。另一方面，其内部各接口上的模拟地电阻和模拟地电容均可按照设计要求的参数进行更换，能够实现实际地下水污染地层的地电特性模拟，为室内地下水污染探测模拟实验提供新的手段。实际应用方面，应用于实际工作中能够起到电极阵列的室内测试作用，大大提高野外探测的工作效率，缩短野外工作时间。
此外，本测试方法还可以包括以下步骤：
获取测试装置在各测试场景之下的测试数据信息，并判断所述测试数据信息是否有效，则构建数据库，将所述数据库分为第一空间以及第二空间；
当所述测试数据有效时，则将所述测试数据信息输入到所述数据库的第一空间中存储，当所述测试数据无效时，将所述测试数据信息输入到所述数据库的第二空间中存储，并获取当前测试任务中的测试场景数据信息；
将所述当前测试任务中的测试场景数据信息输入到所述数据库中进行匹配，获取所述当前测试任务中的测试场景数据信息与第一空间中的测试场景之间的相似度，当所述相似度为预设相似度时，则将该当前测试任务中的测试场景数据信息分配给所述测试装置；
获取所述当前测试任务中的测试场景数据信息与第二空间中的测试场景之间的相似度，当所述相似度为预设相似度时，则不将该当前测试任务中的测试场景数据信息分配给所述测试装置。
需要说明的是，测试装置不仅仅是本实施例中的测试装置，亦可以是不同规格型号的测试装置。不同的测试场景（如测试项目、测试位置等）可能存在不同的测试结果，二测试数据存在两种可能，一种是测试结果是有效的，一种是测试结果是无效的，通过本方法能够对测试结果进行追踪，能够记录测试成功以及测试不成功的测试场景，从而使得在测试装置的测试任务分配时，使得测试装置能够完成测试任务，提高测试装置在测试时的分配合理性。预设相似度可以自行设定，如设定为1、设定为0.75，相似度的取值范围为0到1之间，相似度越大表示两者越相似。
此外，本测试方法还可以包括以下步骤：
设置不同材料的电极，并通过测试装置获取不同材料的电极在不同的场景所测试的测试数据信息，将所述不同材料的电极在不同的场景所测试的测试数据信息输入到所述数据库的第一空间中进行存储；
获取当前测试装置中电极材料的类型以及测试场景，并将所述当前测试装置中电极材料的类型以及测试场景输入到所述数据库中匹配，获取测试装置所测试的历史测试数据信息；
获取当前测试装置所采集的测试数据信息，并将所述测试装置所测试的历史测试数据信息与当前测试装置所采集的测试数据信息进行比对，得到偏差阈值；
当所述偏差阈值在预设范围之内时，则将该数据标记为准确的测试数据，当所述偏差阈值不在预设范围之内时，则将该数据标记为离群点数据，并将该离群点数据输入到第二空间中存储。
需要说明的是，在实施的过程中，电极的材料的不同，测试数据在不同场景的测试结果是不一致的，通过记录不同材料的电极在不同的场景所测试的测试数据信息，从而来对当前测试数据进行预判，有利于测试数据的准确性判定。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术。
Claims (6)
1.一种地下水污染地球物理模拟测试装置，其特征在于，所述装置包括：
电极接线、地下介质等效电路模块、电路板、I/O端口，
其中，所述电路板上为若干组合电路组装而成；
所述地下介质等效电路模块按照预设排列规则进行排列，所述预设排列规则其中的一种排列方式包括：
电路板的电路由若干地下介质等效电路模块按照行列矩阵方式串联在一起，每一行均有(n-1)个，每一列均有（n/2-1）地下介质等效电路模块，n为需测试阵列电极数；
每行和每列的首末两端均设置为断路来模拟无穷远处，电极接线柱位置则位于第1行，每个单元格顶点位置设置一个，排成一行共n个；
所述地下介质等效电路模块由电阻和电容元件组合单元电路组成；
所述地下介质等效电路模块根据所需模拟的地层的主要岩性特征确定电阻值和电容值，并选取相对应的电阻值和电容值进行装配，其中，其电阻和电容计算方式如下：
电阻R的计算方式如下：
；
式中R为等效电路模块所使用的电阻值，Ω；ρ为实际地层中主要矿物岩石的电阻率值，Ω*m；x为用以模拟的单位地块边长，m；
电容C的计算方式如下：
；
式中C为等效电路模块所使用的电容值，F；τ为实际地层中主要矿物岩石的激电效应弛豫时间，s；m为实际地层中主要矿物岩石的极化率值，mV/V；c为频率相关系数，0＜c≤1；
通过根据矿物性质来确定电阻率参变系数，矿物岩石电阻率ρ值可由如下计算方式确定：
；
式中a为常数，取值范围为2到6；b为矿物电阻率参变系数。
2.根据权利要求1所述的一种地下水污染地球物理模拟测试装置，其特征在于，所述预设排列规则其中的另一种排列方式包括：
每块电路板上设置(n-1)*(n/2-1)的正方形单元格，单元格边长为l，用以模拟一个边长为实际电极间距x的单位地块，在单元格每条边上设置一个地下介质等效电路模块；
每行和每列的首末两端均设置为断路来模拟无穷远处，电极接线柱位置则位于第1行，每个单元格顶点位置设置一个，排成一行共n个。
3.根据权利要求1所述的一种地下水污染地球物理模拟测试装置，其特征在于，在所述测试装置的测试过程中，所述电极接线的数量通过串联若干个电路板进行扩展。
4.根据权利要求1所述的一种地下水污染地球物理模拟测试装置，其特征在于，根据勘探体积理论，所述电路板的尺寸以及数量由以下计算方式确定：
；
式中，L1、L2分别为不锈钢电阻架的长、宽尺寸，单位为m；n为测试阵列电极数；K为电路板并排摆放数量，取整数；l为单元格的边长。
5.根据权利要求1所述的一种地下水污染地球物理模拟测试装置，其特征在于，所述I/O端口为n/32个KPT32p接口，每个接口分别控制32个电极接线柱，即从左至右1-32个电极接线柱各连接一条导线汇集于1个KPT32p接口上。
6.一种地下水污染地球物理模拟测试方法，其特征在于，所述测试方法应用于权利要求1-5任一项所述的一种地下水污染地球物理模拟测试装置，包括以下步骤：
步骤一、事先编辑好需要进行测试的电极阵列，并导入测试仪器，包括但不仅限于ABEMTerrameter LS 2；
步骤二、按照设计所需模拟地层的主要介质特性计算地下介质等效电路模块所需要的电阻值和电容值，并挑选合适电阻和电容元件安装；
步骤三、设计模拟探测目标，在实际探测过程中，目标或为与周围岩体或土体存在明显电性差异的岩矿体或污染物，在设备模拟过程中按照设计的目标存在位置、影响范围、响应强度替换相应位置的电阻和电容器件；
步骤四、将测试仪器与高密度电法数据采集阵列测试装置I/O端口连接，进行高密度电法或激发极化法测量，得到视电阻率剖面信息；
步骤五、将视电阻率或视极化率剖面信息进行反演得到电阻率或极化率剖面信息，以电阻率或极化率剖面信息为依据进一步进行电极阵列的有效性判断和优化，以进行地下水污染探测的室内试验模拟。
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