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地下水环境监测与场调之非透水柔性衬套技术

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非透水柔性衬套技术作为一种创新的地下水产品,广泛部署在美国环境地下水调查场地中,应用包括了多层级地下水取样、水文地质信息剖面采集、污染物调查等。以下主要介绍了FLUTe技术在环境领域的几种应用以及实施步骤。
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01
地下水多层级取样

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柔性衬套通过外翻形式被套入钻孔中,在衬套内加水,通过重力使衬套不断在钻孔中扩充,衬套紧密的贴在孔壁上,阻隔土层中的地下水流进钻孔中。衬套通常适用于无井管的钻孔,但也可以安装在井管内。2 t$ o. Y! k# S6 K9 }% A4 N& C4 g. K© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]$ s0 P0 r! T" z; \! J/ M- P土(岩)层中的水透过每隔一段距离装有的进样隔段流入取样软管,并经过第一个球型止回阀进入到样品暂存区(图2中U型管口径较大的一侧)。U型管较大口径一侧管(内径1/2″)内的水位可以用来标记地下水的水位(由于其与基质中地下水存在液压联系)。向较大口径管内水柱施加了气压,可以推动U型管暂存区水样经过第二止回阀而流向地表的采集装置。整个进气推水的取样过程中,最终所采集的水样不会与作为推动力的气体接触。抽吸水样的装置并非随衬套外翻进入到钻孔,而是作为一束软管随衬套下放至钻孔底部后再与取样软管对接。
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© 环保之家[2tech.cn]0 b0 g) `+ g4 Q1 ~图中所示的隔段、软管进样口、软管和抽吸系统对每个进样口来说都是独一固定的。衬套内加注的水,其水头要高于基质中的地下水水头,因此衬套可以紧密的贴在钻孔孔壁上,阻隔各深度的地下水不会流入钻孔中,且不会出现交叉水流。
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图1:衬套下放原理
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© 环保之家[2tech.cn]0 T' J; u) P( D* I( t) [  O图2: 地下水取样示意图
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© 环保之家[2tech.cn]9 I7 M" J% h8 ?0 z, @" X( s图3:采样管簇
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取样管在第一个止回阀下方的位置上往往会安装一个压力传感器,用于测量水头压力。
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非水相液体(NAPL)调查
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用于NAPL相调查的FLUTe是常规FLUTe衬套技术的改进版。该衬套无地下水取样功能,也未装配有吸附介质用来捕集VOC,而是在衬套与钻孔孔壁接触的表面装有能够与NAPL产生反应的条形涂层。该用于NAPL相调查的衬套,可以外翻下放进入钻孔,并探测到NAPL相的存在与深度分布。这道涂层具有疏水特性,裂隙或是孔隙中存在的任何非水相液体一但与衬套涂层接触,被立刻吸住,条状涂层就会被溶解,之后染料会沁入衬套的内表面。衬套材料是白色的,染料进入内表面后会产生非常显眼的印迹。这样的印迹就是涂层接触到非水相液体的指示迹象。印迹的大小和位置也能说明非水相液体的量及其分布深度。
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© 环保之家[2tech.cn]: e1 ]  y( y4 p1 j! ]6 g6 i/ f图4:携有NAPL非水溶相覆层的FLUTe
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水溶相污染物调查

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© 环保之家[2tech.cn]& c7 \6 A! Q( W- c, E4 ZFLUTe技术可以调查孔隙和裂隙中水溶相污染物的分布情况,这一应用被称为“FACT”(FLUTe活性炭吸附技术)。也就是在通常用于探测地下水中多种非水相液体的常规FLUTe系统覆层中安装若干组0.125×1.5英寸的活性炭纤维毡。衬套与基质接触的一侧加装这种活性炭纤维毡后,衬套就能通过扩散作用使溶解污染物从土层中吸附至活性炭内。收回衬套的过程碳纤维毡也不会与孔壁的任何部位接触。移除衬套后将活性炭取下用于化学分析。这种将非水相液体覆层与活性炭结合起来的技术既能进行非水相液体探查,也能探测到水溶相的许多其它污染物。
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图:带有活性炭吸附介质的水溶相污染物调查应用衬套
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调查地下水层的渗透性
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© 环保之家[2tech.cn]9 c5 j1 _0 p  A* c将FLUTe衬套外翻并下放至钻孔后,钻孔中的水就会因作用力而被排挤回钻孔周围的基质中(例如裂隙、渗透性岩床、溶沟)。衬套的下降速度由钻孔中的水流回基质的速度来决定。下放且不断扩充的衬套就好像紧密贴合在孔壁向下推进的活塞。衬套下放过程中会依次把孔壁上的流径封住。被覆盖的流径越多,衬套未被覆盖的钻孔区域渗透性就会降低,从钻孔中流入基质的总流速也会下降,随之会降低衬套在钻孔中的下降速度。下图是配有两项额外功能的衬套工作示意图,井头的的测速表能测量并记录衬套的下降速度变化,而两组压力计则测出衬套下降过程中,衬套内水头与基质中水头的压力差别,从而追踪衬套下放的推动力的变化。9 p( ~  H( L- G$ k© 2tech.cn

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图5:调查基质导水性应用的示意图
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© 环保之家[2tech.cn]1 U' b8 o; ?( c. C3 L* e' N如衬套下放速度曲线图所示。速度每改变一次,就能判定钻孔中的深度位置,而速度变化的幅度则能指示出在被衬套封盖以前流径的流速。通过钻孔流速剖面图能求出钻孔区域的渗透系数曲线图。; O5 n; K( @/ b2 @9 p4 E© 2tech.cn
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© 环保之家[2tech.cn]$ s, }) P8 f- K$ ?图6:衬套下放速率图结合深度与下放速率,配合推动下放的压力水头的记录,能够推到出基质区域的渗透系数,确定优先水流区域- \5 S3 P2 ]4 L7 R5 E$ z© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]1 v) x- }! S8 W8 d9 b, W$ ]7 H大多数渗透系数测量都首先将一个压力传感器放到钻孔底部来直接实时测量当流径被密封后的钻孔的水头压力。用这样的直接测量数据来计算的渗透系数会更加准确。不过测量的内容并不仅仅是速度和主导下放速率的水头压力。FLUTe的渗透系数探测仪(Transmissivity Profiler™)能测量影响衬套下降速度的一切重要参数。这些功能可以与用于制作渗透系数变化图的一套软件包相结合。这样在安装柔性衬套的同时,钻孔中所有重要的流径区域都会被测绘出来,绘制剖析图所花的时间介于半小时到三、四小时之间,具体视钻孔中导水性的分布情况而定。
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