光透法和高密度电阻率法监测多孔介质两相流的研究

作     者：郭健 

作者单位：南京大学 

学位级别：硕士

导师姓名：叶淑君

授予年度：2014年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：DNPAL 光透法 高密度电阻率法 孔隙介质 饱和度 二维 均质 非均质 

摘      要：近年来,随着土壤和地下水中的重非水相液体(DNPAL)有机污染问题越来越严重,研究DNAPL在含水层中的运移规律以及治理修复方法已成为国内外研究的热点问题。确定DNAPL在介质中的饱和度是量化DNAPL的关键。目前国内外许多学者都致力于DNAPL运移规律及其饱和度的研究。 本文在二维均质和非均质饱和孔隙介质中利用光透法与高密度电阻率法定量监测重非水相液体(DNAPL)的运移过程与饱和度。将光透法与高密度电阻率法相结合,实现高密度电阻率法对DNAPL在饱和多孔介质中渗流过程的定量监测。 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。光透法的数据处理采用“水-DNAPL两相中DNAPL饱和度的计算公式。而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值本文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。主要得到以下结论： (1)利用光透法实时监测到的DNAPL(TCE)入渗区域形状、范围与实际情况相似。说明利用光透法实时监测DNAPL污染物在饱和多孔介质中的运移规律是可行的。 (2)利用高密度电阻率法实时监测到的DNAPL(TCE)入渗区域形状、范围与光透法的结果以及实际情况相似。得到的结论也与光透法类似,但分辨率不如光透法结果,尤其是在非均质中。但总体上还是能够反映DNAPL入渗过程中的迁移规律,这说明利用高密度电阻率法实时监测饱和多孔介质中DNAPL迁移规律是可行的。 (3)在均质饱和多孔介质条件下,利用光透法估算的DNAPL入渗量与实际注入量相比,前期结果偏大,后期结果偏小;且前期相对误差绝对值较大,后期相对误差绝对值较小。估算结果与实测结果的均方根误差(RMSE)为3.22ml,对应于砂箱47.5ml总DNAPL注入量RMSE%为6.78%。虽然在非均质饱和多孔介质中仅估算了注入完成后DNAPL入渗总量,结果为46.9ml,与实际注入体积50ml接近,相对误差值绝对值为6.2%,与均质中趋势一致,且从最终利用高密度电阻率法估算得到的DNAPL入渗量总量的合理性来看,也能反映光透法估算非均质饱和多孔介质中DNAPL饱和度的可行性。总体来说结果比较吻合,说明利用光透法确定饱和多孔介质中DNAPL饱和度的方法是可行的。 (4)本文采用与光透法相结合的新方法来获取Archie公式中参数p值。即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对应的电阻值与水的饱和度值拟合出Archie公式中的参数β值。实现对实验装置非扰动条件下获取孔隙介质的β值,克服了传统方法获取β值时存在的困难。本次拟合得到的均质以及非均质中β值分别为2.17,1.91,相关性分别达到0.96以及0.98,拟合效果较好。 (5)获得β值后,利用高密度电阻率法估算注入砂箱内的DNAPL,总量。结果表明,在均质介质条件下,前期结果偏大,后期结果偏小;且前期相对误差绝对值较大,后期相对误差绝对值较小。这一结论也与光透法结果一样。估算结果与实测结果的均方根误差(RMSE)为4.69ml,对应于砂箱47.5ml总DNAPL注入量RMSE%为9.9%;在非均质条件下,前期结果偏大,后期结果偏小;估算结果与实测结果的均方根误差(RMSE)为4.64ml,对应于砂箱50.0ml总DNAPL注入量RMSE%为9.28%。总体来说估算的DNAPL入渗量与实测值比较吻合,这说明与光透法结合的高密度电阻率法能定量监测饱和孔隙介质中DNAPL的入渗过程,也说明提出的基于光透法计算β值的新方法是有效且可行的。