污染含水介质ERT法探测技术研究

论文摘要

电阻率映像法( Electrical Resistivity Tomography,简称ERT)是地下污染调查的一种新型探测方法,近十年来在越来越多的探测实例中得到应用并显示出快速、无损、有效的特点。同时,作为一种间接调查方法,应用中的一些理论和关键技术问题尚未解决,大大限制了技术应用深度和广度。论文从污染土电性认识、探测剖面重建与解译、原位监测技术、污染土探测工法等方面系统阐述了ERT法探测污染含水介质时尚未解决的理论问题、关键技术和模糊认识。并采用理论分析、室内实验、数值模拟、实例探测的方式进行了专门研究。在污染土电性理论、探测剖面图像重建技术、探测剖面异常解译技术、污染在线监测技术等方面取得了创新性成果。论文首先从基础理论,实施方式等方面阐述了ERT技术。通过污染土电阻率测试实验,以垃圾渗滤液污染土和柴油污染土为例,研究了水相多成分污染物和非水相液态污染物污染土体的电性变化规律。揭示了土体被生活垃圾渗滤液污染后导电性增强,增强幅度和土中粘粒含量及初始含水量有关,初始含水量越大增强幅度越小的事实;证实污染导致的孔液电阻率降低、饱和度增大和污染液中悬浮物引起的导电阻滞作用是引起土体电阻率变化的主要因素;首次给出了涵盖这些变化因素的Archie型污染土电阻率公式。此外实验结果还揭示油类污染土电性特征复杂,污染土电阻率不仅受土体中粘粒含量、油水比例影响,还受土体湿润性控制。亲油土体污染后电阻率升高,亲水土体污染后电阻率降低。在油类污染土电性特征研究中首次关注土体湿润性的影响。研究开发了用于ERT探测图像重建的佐迪反演技术、最小二乘反演技术及地层比值技术。分别以渗漏形成油类污染区典型地电结构、垃圾填埋场典型地电结构、含水层中污染区扩散过程的地电结构为原始模型,通过正演计算方式得到不同装置探测剖面,利用最小二乘反演技术和D比值参数计算技术对探测图像进行重建。通过分析数值计算结果,确定了三种污染过程二维ERT图谱特征、不同装置的探测能力、重建图像对污染区的刻画能力。研究显示不同装置实测剖面能够反映出污染区的存在,但不能有效反映污染区扩散过程和区内污染程度变化。有效的图像重建技术是解决这个问题的关键,图像重建中最小二乘反演技术和D比值参数计算技术都可得到良好效果。为提高原位三维ERT监测技术与装备,论文介绍了一种自主设计的垃圾填埋场渗漏三维ERT监测系统。实验分析了系统对不饱和土层及含水层中渗滤液污染区扩散及修复过程的监测能力。实验结果显示设计的三维ERT监测系统原理清晰、布设简单、成本低廉、智能化程度高、探测效果明显。可实时监测固定污染源渗漏及污染区扩散污染过程,实现污染过程监控和预警。最后通过实例分析了ERT法进行地下污染探测的工作流程、工作内容及实现方式,初步总结形成了地下污染ERT法探测技术体系。论文研究丰富和发展了地下污染ERT探测技术,推动技术应用水平由定性向定量发展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1 研究背景
• 2 研究领域国内外现状
• 3 研究内容
• 4 研究成果
• 5 研究成果的社会应用价值
• 1 电阻率映像（ERT）技术
• 1.1 ERT 法探测原理
• 1.2 ERT 法工作方式
• 1.2.1 二维ERT 探测
• 1.2.2 三维ERT 探测
• 2 污染土电性特征研究
• 2.1 垃圾渗滤液污染土电性特征实验研究
• 2.1.1 实验情况
• 2.1.2 稀释过程中渗滤液电阻率变化特征
• 2.1.3 未污染砂土电阻率随含水饱和度变化规律
• 2.1.4 渗滤液污染砂土电阻率基本特征
• 2.1.5 渗滤液中污染物成分对污染砂土的电性改变作用
• 2.1.6 渗滤液污染土探测可行性分析
• 2.1.7 渗滤液污染土电性变化主控因素分析
• 2.1.8 渗滤液污染土电阻率公式建立
• 2.2 油类污染土的电性特征实验研究
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验过程
• 2.2.3 未污染砂土的电性特征
• 2.2.4 油类污染土的电性特征
• 2.2.5 油类污染土电性变化因素分析
• 2.3 含油污水污染土的电性特征研究
• 2.3.1 研究方法
• 2.3.2 不饱和含油污水污染土电阻率特征
• 2.3.3 饱和含油污水污染砂土电阻率特征
• 2.4 小结
• 3 污染含水介质 ERT 法探测图像重建与解译
• 3.1 污染含水介质ERT 探测剖面模拟及重建技术
• 3.1.1 探测剖面模拟技术
• 3.1.2 探测剖面反演重建技术
• 3.1.3 探测剖面比值法重建技术
• 3.2 地下油类污染区二维电阻率剖面异常特征
• 3.2.1 油类泄露扩散污染区典型地电模型建立
• 3.2.2 基于正演结果的不同装置视电阻率剖面异常特征分析
• 3.2.3 二维视电阻率剖面图像重建
• 3.2.4 某油类污染区实测二维ERT 剖面图像重建效果
• 3.3 垃圾填埋场分布区渗滤液污染二维电阻率剖面异常特征
• 3.3.1 垃圾填埋场结构层典型地电模型建立
• 3.3.2 垃圾填埋场结构层在二维电阻率剖面上的异常特征
• 3.3.3 二维探测剖面图像重建
• 3.4 渗滤液扩散污染区二维电阻率剖面异常特征
• 3.5 含水层中羽状污染区二维电阻率剖面异常特征
• 3.5.1 含水层中油类羽状污染区二维电阻率剖面异常特征
• 3.5.2 含水层中渗滤液羽状污染区二维电阻率剖面异常特征
• 3.6 小结
• 4 固定污染源三维 ERT 监测系统研制与应用
• 4.1 垃圾填埋场渗漏监测技术研究现状
• 4.1.1 填埋场建设期间防渗衬层的施工质量检测
• 4.1.2 填埋场运营期渗漏污染监测
• 4.1.3 已有监测技术的优缺点比较
• 4.2 垃圾填埋场三维在线ERT 监测系统设计
• 4.2.1 三维 ERT 监测系统构成
• 4.2.2 电传感器的布设
• 4.2.3 系统监测流程
• 4.2.4 监测数据处理及三维探测图像构建
• 4.3 未饱和土层中渗滤液扩散过程三维ERT 监测实验
• 4.3.1 实验设计
• 4.3.2 实验监测过程
• 4.3.3 不同深度位置渗滤液横向扩散过程电剖面反映
• 4.3.4 不同水平位置渗滤液垂向扩散过程电剖面反映
• 4.3.5 不饱和土层中渗滤液扩散污染过程三维电阻率图像反映
• 4.3.6 剖面异常区域和实际污染区的对应关系
• 4.4 含水层中渗滤液扩散过程三维ERT 监测实验
• 4.4.1 实验设计
• 4.4.2 地下含水层中渗滤液污染扩散过程三维ERT 监测结果分析
• 4.4.3 地下含水层污染修复过程三维电学监测数据分析
• 4.5 砂层中渗滤液污染扩散过程三维ERT 原位监测
• 4.5.1 原位实验设计
• 4.5.2 监测结果分析
• 4.6 三维电学监测系统适用性分析
• 4.6.1 系统对污染程度变化的灵敏度分析
• 4.6.2 系统对污染区变化的灵敏度分析
• 4.6.3 系统深度探测能力分析
• 4.6.4 系统成本分析
• 4.6.5 系统应用领域
• 4.7 小结
• 5 ERT 法在地下油类污染区探测中的应用
• 5.1 探测预研阶段开展的工作
• 5.1.1 探测目标区地球物理模型建立
• 5.1.2 污染区典型剖面异常特征分析及采集装置确定
• 5.1.3 实验段研究
• 5.1.4 提高探测剖面对污染区范围反映能力的数据处理方法研究
• 5.1.5 其他探测方法应用效果研究
• 5.2 探测实施阶段开展的工作
• 5.3 探测成果验证阶段开展的工作
• 5.4 地下污染电阻率法探测技术体系建立
• 6 研究结论
• 6.1 论文研究结论
• 6.2 尚未解决的问题及建议
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 郭秀军简历
• 研究生期间发表的学术论文
• 研究生期间取得的科研成果
• 研究生期间取得的学术奖励