文摘

控制扩散/渗透列实验活动进行监控的目的盐水柱的泄漏延时自然电位(SP)测量。特别是,三个示踪测试不同氯化钠浓度(6.00,1.00,和0.25 g L⁻¹)进行,所有的测量SP信号出现大幅减少相应的到来盐水与负电势值(−面前mV,−mV,−mV),减少与增加体积的示踪剂引入到列。然后,自然电位测量值被Planck-Henderson转化成盐浓度的扩散方程和沙子和纵向弥散性()值估计模型中的传输方程COMSOL多重物理量的环境。最后,结果表明,测量和估计氯化钠浓度相关。

1。介绍

水文地质学家的一个最困难的任务是描述在异质含水层溶质传输机制;事实上,流动路径和速度和介质渗透率是必要的信息来评估可能的污染效应,设计并优化修正策略。地下异构性问题,通常与岩石结构,孔隙空间几何,矿物学,影响溶质运输过程可能会显示一个异构行为和重大溶质浓度的时空变化。

由于这种变化程度高的相关现象,典型的测量,例如,入侵水土抽样,大多无法充分描述交通属性和过程。

因此,在去年,环境地球物理学家集中他们的研究活动在高分辨率的地球物理技术的发展研究流和运输过程。特别是,几个工作表明耦合地球物理勘探的功效和示踪剂测试作为一个有用的设备重建下层土壤溶质迁移现象(1- - - - - -4]。事实上,使用非侵入性和间接方法采样密度高,以自动延时的方式获取数据的可能性,并且能够调节合适的测量尺度的调查策略使地球物理方法地下交通特性的一个重要工具。然而,为了提高溶质迁移现象在异构的重建地下从地球物理成像技术,有必要使用岩石物性的关系链接传输相关的地球物理参数。

最适合地球物理方法运输过程监控技术对地下电特性的变化敏感。传统上,盐柱的监测地球物理技术是由电气电阻率层析成像(ERT)或地质雷达(GPR) [1- - - - - -3];然而,也自然电位(SP)方法已被证明是一个合适的工具来监控地下水溶质运移过程,因为它是敏感的两流(动电位)5- - - - - -9)和电化学过程(电化学势)与离子物种化学势梯度和氧化还原电位(Eh)孔隙水(10- - - - - -23]。最近的努力这些估计水文特性,从电势值测量,利用耦合方程与耦合系数描述地下水流动和自然电位现象(3,13,14,24- - - - - -30.]。的方法包括测量电势转化为溶质浓度使用hydrogeophysical关系31日),然后估计溶质浓度,结合直接水文观测,使用条件等计算介质参数反演过程水力传导率和纵向弥散性。特别是,Maineult et al。13,14,29日从SP)估计氯化钠烟羽浓度sandbox-controlled实验测量,而Revil和Jardani [30.评估,使用随机方法,细沙的渗透系数和色散性值使用延时自然电位测量。此外,Ikard et al。32]本地化优惠在多孔介质流体通路通过测量延时电势值在盐示踪剂注入在沙箱实验。为了复制延时自然电位分布测量,他们进行了合成案例研究,用有限元模型通过COMSOL多重物理量,确定孔隙度和渗透系数的介质。

在这部作品中,自然电位法应用于实时跟踪前面漏盐柱在三个脉冲输入示踪剂测试在不同盐浓度和扩散和弥散性参数估计的多孔材料应用hydrogeophysical反演方法。进行实验室实验的IMAA-CNR Hydrogeosite实验室Marsico诺沃(意大利)。本研究的主要目的是分析延时污染现象的自然电位测量的模拟恒定水流和评价运输过程发生在一个均匀多孔介质饱和条件。详细,沙列成立执行控制扩散/渗透实验为了监控泄漏盐水羽流的延时自然电位测量。最后,有限元反演模型实现了COMSOL软件多重物理量,为了建立数值模型和比较实验测量和建模。此外,反演方法改进和提高了解释的实验研究提供了系统传输参数评估。

2。理论背景

自然电位(SP)方法是一个被动的geoelectrical技术测量电势组成差异()配置文件和/或地图,两个电极nonpolarisable钉在地上,在地球表面,或在水井。这些电压差异都与天然来源所产生的电场分布在地下,由各种现象(液压、化学和热)。

SP调查测量中使用的仪器通常包括一个万用表,两个nonpolarisable电极和电缆(图1)。目前,有多道系统SP测量不仅对一个更好的空间覆盖配置文件或地图,还连续观察在时间演化的相关现象(34]。

在过去的几年,SP的目的解释成为解决耦合问题的特点是一个线性方程组,为了获得信息在哪里以及如何自然电流源在表面生成SP信号测量和这些来源有多大。

从泊松的连续性方程,SP信号的一般方程可以写成: 在哪里是散装的导电性,自然电位,是外部电流密度(电流源)和总电流密度是divergence-free [17]。自然电位源机制首先是理论的框架Onsager方程的耦合流动(5,35,36]: 在哪里是外部力量(液压、化学和热梯度)和现象学系数(耦合系数)。自然电位数据因此介质电阻率的一个函数,远程热、化学、水力梯度和耦合系数的分布。

忽视了热贡献,自然电位源项的叠加可以被描述为两个组件:所谓的动电学和电化学势。

2.1。动电位

动电位(或流动电位)是由电解液体通过多孔介质的运动。生成,特别是水的循环流动的地下,在其路径连通孔隙,带有电荷出席矿物/水界面,它生成一个三重电层(37- - - - - -39]。

压力梯度下,流体流动和带有阳离子的一部分,导致了电荷的分离矿物/水界面。因此,电场,诱导,发展的电位差的潜力。

特别是,在饱和和等温条件下,电流密度()与压力()和电势()梯度耦合方程: 第一项是欧姆定律,耦合系数散装导电性(S m⁻¹),而代表了电动耦合系数通常应用水力梯度和测量获得的实验产生的电势(): 在哪里是电解液动态粘度(公斤米⁻¹年代⁻¹),是电解液的介电常数(F m⁻¹),电解液电导率(S m⁻¹),是压力梯度(Pa),,相应的流体密度(公斤米⁻³),重力加速度系数(m s⁻²),分别和液压头(m)。

考虑到现代的方法,试图解释SP解决耦合问题的特点是一个线性方程组,生成的水通量在地下可以描述(40]: 在哪里(C m⁻³单位孔隙体积)是有效的电荷,可以拖着孔隙水的流动达西速度(m s⁻¹)。方程(5)是有效的也不饱和条件下,饱和条件下,Revil和勒罗伊(40)相关耦合系数(VPa⁻¹)通过 在哪里渗透系数(m s⁻¹)。实验室测量表明,由孔隙水的导电性主要依赖(41];此外,Jardani et al。42)表明,增加而减少水力传导率。

2.2。电化学势

电化学势主要用于矿业勘探,因为伟大的自然电位异常生成与黄铁矿的信件,石墨或其他metallic-conductor矿物质(43]。

电化学来源可以由几个现象。常见的是离子溶解在水中的扩散和氧化还原电位的存在。在过去的情况下,电流源可以通过微生物介导产生的污染物生物降解氧化还原反应,可以由以下方程描述(23]: 在哪里是电子导电体的导电性和氧化还原电位。这种现象是相当于短路两种金属的腐蚀能源生产细胞被Bockris Reddy [44]。由于这个原因,这种自然电位源被定义为“biogeobattery”[23,45- - - - - -47]。

缺乏强有力的自然电位异常可能是由于缺少一个电子导体(在(7))。在这种情况下,SP信号解释为扩散电位(21]。

扩散的潜在源机制是另一种常见的电化学梯度的存在引起的离子物种在地下水化学势。它是由以下方程描述: 在哪里玻耳兹曼常量,绝对温度(K),希托夫运输一个物种的数量吗溶解在水里,的物种吗,离子的浓度(g L⁻¹)。

扩散的潜力也被称为接界电位当一个双电层的正负电荷创建结的两种解决方案在不同浓度。更集中的解决方案会蔓延到越集中,开发一个电位差的连接,由于离子转移。产生的电势异常取决于离子的相对速度。

假设的情况下饱和多孔介质的少量氯化钠溶液作为示踪剂注入的行为。理想情况下,可以忽略动电位的变化由于氯化钠溶液的引入,而接界电位()可以通过积分计算(8)。因此,根据Revil [31日),Maineult et al。13,14],Martinez-Pagan et al。3),测量电势不同(,)在一个移动的盐水面前依赖(Planck-Henderson方程) 在哪里孔隙度,是元电荷的电子(= 1.602×10⁻¹⁹C),(g L⁻¹)代表了溶液浓度和被称为结耦合系数,生理盐水示踪剂,大约是5.15×10⁻³V (30.]。

所显示Boleve et al。48)和Crespy et al。49),(8)和(9)是有效的在多孔介质只有小Dukhin数字(即。,the ratio between the surface conductivity of the grains and the pore water electrical conductivity).

可以通过集成接界电位项(9): 因此,(10)允许我们估计,从电势测量,每一点的盐溶液突破曲线,接界电位的测量实验中: 考虑一维流和传输,突破曲线的解析解50)如下: 在哪里是达西速度(m s⁻¹),是运动孔隙度(无量纲),是分散(m²年代⁻¹)。总之,(12)允许我们估计介质扩散()和弥散性值()。

3所示。材料和方法

3.1。砂柱实验装置

这个实验的目的是利用SP方法定位泄漏前盐柱在示踪剂测试实验和评估的弥散性参数是一种多孔材料。实验设置如图2。实验中执行一个1米高的树脂玻璃列半径约6厘米。顶部的列是打开和关闭在底部做了一个小洞,让水外流。列的水位可以由一个液压控制电路组成的两个坦克连接到列。这个系统还用于保持充电速率常数。

列部分充满了分选好的硅砂,自来水,饱和的总高度为0.50米。这沙已经用于之前hydrogeophysical实验在实验室(51- - - - - -53),主要特点是球形颗粒,直径从0.063到0.125,孔隙度,一个曲折= 0.79,5.26×10的渗透系数⁻⁶m s⁻¹。此外,沙的特征是一个电阻率值50Ωm(自来水中饱和条件)和形成因素约为2.62。

第一步是修复9平nonpolarising Ag-AgCl 1毫米直径的电极(FIAB)一列5厘米的间距。这些电极用于医学应用(心电图)有很高的性能而言,噪音和电压偏移量。此外,参比电极在第一充电柜,直接接触淡水,总是在盐柱。

为了监控SP信号在渗透实验,所有的电极都连接到一个多通道电压表(2700 / EDMM吉时利仪器公司)和一个电脑,收集和想象之间的电势差异列参考电极和一个实时。在整个实验中,沙列一直饱和;特别是,水头约0.70米是为了建立一个一维稳态流砂(= 0.35 L h⁻¹)。这样,约2升的水仍高于砂体。稳态流创建后,每个电极的电压差测量每10分钟一天为了建立一个基线背景和噪声水平应用地球物理方法(特征实验阶段)。

3.2。示踪剂测试监控SP

一天后稳态流创建,自来水的盐溶液和生理盐水注射的顶部砂;通过这种方式,海水开始列平流、扩散迁移。进行了三个实验阶段与盐浓度的减少量将小卷的盐溶液注入系统为了使稳态流干扰可以忽略不计。在三个实验中,SP信号和溶液浓度监测每15分钟,分别。水的电导率测量在列和一个小盒子在柱端(输出框)收集(图传播解决方案3)。

实验持续了大约40个小时的时间足够长的时间观察正常条件下的回归水的电导率在输出框。

第一个实验阶段由自然电位的测量监控的盐水注射后的前运动6.00 g L⁻¹氯化钠溶液顶部的列。当这个盐溶液注射到砂体,水是自来水,以确保混合均匀输入浓度。这些行动需要少于15秒;因此,我们可以近似的解决方案注入脉冲。几分钟后,注入,水的电导率突然从312增加到1455μ年代厘米⁻¹(规范化在20°C),然后迅速降低其价值观的影响盐溶液的迁移和自来水的流入充电坦克。

第二个实验阶段包括监测的SP盐水注射后的前运动1.00 g L⁻¹氯化钠溶液。在这种情况下,这个盐溶液注入时,水的导电率从295增加到458μ年代厘米⁻¹(规范化在20°C)。

最后,第三个实验阶段包括监测通过SP盐水注射后的前运动0.25 g L⁻¹氯化钠溶液。在这最后的实验阶段,盐溶液注入后,水的导电性记录一个小变化从308年到343年μ年代厘米⁻¹(规范化在20°C)。水电导率转换成溶液浓度,可以监控输入盐浓度演化顶部的列在三个实验(图4)。

4所示。结果与讨论

图5显示了SP值,在示踪试验,获得在不同盐溶液浓度,而图6展示了SP值之间的比较来衡量在不同盐溶液浓度(蓝色= 6.00 g L⁻¹绿色= 1.00 g L⁻¹、紫= 0.25 g L⁻¹),在三个不同位置的列。SP数据纠正考虑SP信号测量在描述实验阶段。

特别是,分析SP测量值,可以观察到(1)所有电极测量SP信号的急剧下降,对应的盐水前面通道;(2)这种现象更快速注射溶液的浓度递减;和(3)SP异常增加的绝对值与越来越多的氯化钠溶液添加到系统中,在大- SP异常是−测量mV的盐浓度6.00 g L⁻¹,−mV的盐浓度1.00 g L⁻¹,−盐浓度的0.25 g L⁻¹。在过去的实验阶段,电极SP8测量非常低的SP值(−5 mV)与一个伟大的噪音水平;因此,它不被认为是在下面讨论。

此外,SP电极的反应分析,可以看到,在所有实验阶段,SP3电极反应和一些盐通道延迟;因此,也没有考虑在这种情况下SP3。

盐花了21分钟前到达第一电极(SP9)。盐的平均旅行时间前在每个电极造成39.22,32.33,和29.67分钟的误差±1.27分钟,盐浓度的6.00,1.00,和0.25 g L⁻¹,分别。

对于一维流配置,盐前平均速度在每个电极可以计算,为不同的盐浓度,知道平均旅行时间。平均流动速度估计为1.3,1.5和1.7毫米分钟⁻¹的误差±0.2毫米分钟⁻¹,6.00,1.00,和0.25 g L⁻¹分别浓度。

4.1。SP模型

为了估计砂弥散性参数和确定盐溶液的流动途径及其浓度变化在列,hydrogeophysical反演的方法已经被使用。特别是,自然电位的测量在盐浓度转换值使用(11),然后集中值优化获得传输参数(见(12))。图7显示浓度曲线从SP数据在不同时间获得瞬间和高度的列。

提出有限元模型和反演与COMSOL进行多重物理量4.3 b,多重物理量的软件工具,偏微分方程(pde)的解决方案,基于有限元方法。物理属性用于开始向前模型假定为常数在整个解决方案域和总结在表1。

沙列完全饱和了水通量。系统物理条件允许我们使用模块多孔介质流体→→和饱和流达西定律→静止的条件估计达西速度场的特征,,。

因为盐溶液根据advection-dispersion穿过列方程,流体流动模块wascoupled模块化学物种→运输→溶质运移时间取决于环境。此外,为了执行交通参数的优化优化模块进一步添加到仿真。整个3 d域1247年离散域四面体元素。

在脉冲示踪剂注入的情况下从顶部,顶部的边界条件的列(= 0.5米),(1)t₀= 0年代,浓度C为空(C₀= 0),液压头H= 0.70米,(2),H保持不变的低浓度溶质。

此外,考虑到盐溶液少量注射,可以忽视盐浓度的影响在动态粘度和孔隙水的质量密度。

相反,底部边界条件的列(= 0 m)是大气/计流体流动模块和流出溶质运输一个。最后,双方的特点是边界没有流和没有流量条件。

的输入参数优化模块是由盐突破曲线在列在所有的实验中估计从测量SP测量(图7)。相反,这些条件D和α_l(扩散和弥散)代表了参数优化,因为他们主要影响盐浓度的变化在调查中。弥散张量是由线性的条件α_x=α;α_y=α/ 10;和α_z=α/ 10。特别是去年广场Nelder-Mead非线性优化方法选择。

图8显示反演得到的结果COMSOL多重物理量的盐水跟踪测试的列(输入盐浓度6.00 g L⁻¹),砂体内部的溶液浓度达到最大值后注射,然后在时间减少。的值D和α_l所有三个实验,确定,如表所示2。扩散和纵向弥散性值估计与细腻的沙子比较典型的测量在实验室(13,30.]。

对于每一个实验,图9显示了一个比较计算出的氯化钠浓度(11),从SP电极电势测量差异,和那些模仿COMSOL多重物理量的逆过程。这些结果证实模型的有效性,表明一个好的模仿和观察生理盐水浓度之间的协议。

5。结论

CNR-IMAA Hydrogeosite实验室,控制扩散/渗透砂柱实验活动进行监控的目的的泄漏的盐水使用延时自然电位的测量。

特别是,三个脉冲输入示踪剂测试监控由SP和多孔材料的扩散和弥散性参数估计应用hydrogeophysical反演方法。

里面的盐柱运动生成的列清楚自然电位负异常;事实上,所有电极出现大幅减少测量SP信号,与生理盐水通信通道前面。特别是,这一现象更快速注射溶液的浓度递减,而SP异常增加的绝对值随着氯化钠溶液添加到系统中。

这些测量自然电位异常是由流动电位的组合,由于孔隙水流动,和离子扩散电位与地下水的化学势梯度。此外,由于低浓度溶质引入到系统中,我们假设动电的效应与注入生理盐水溶液是微不足道的。

自然电位的测量被用来获得扩散(,米²年代⁻¹)和纵向弥散性(α_l,m)首先将电势值(mV)转化为集中值(g L⁻¹Planck-Henderson)的方程,然后计算传输参数的方程实现COMSOL多重物理量的环境。

本文展示了自然电位的能力作为一种廉价的工具来检测污染物在非常低的浓度。此外,使用SP数据使我们能够定义和优化模型的物理参数,模拟模拟含水层中污染物的分布。更多的这种性质的现场工作需要验证的有效性自然电位在现实异构条件有限的水文数据。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项研究已经完成的帧Ticamosc项目“Tecnologie Idrogeofisiche / la Caratterizzazione ed il Monitoraggio di提Contaminati”由工程师协会阿宝巴斯利卡塔2007 - 2013:”德拉Promozione Ricerca e戴尔'Innovazione e di Sviluppo Relazioni con il Sistema Produttivo Regionale”DD。796/2013,Azione没有。19 /美联社/ 05/2013 /注册。