基于多场耦合的污染场地电阻率法探测模型及其应用研究

Soil contamination becomes a social problem to be solved. Because of its convenient, fast, low-cost advantage, the electrical resistivity method becomes a new research direction in contamination sites survey. However, the resistivity distribution of a contamination site is influenced by many factors, a key problem need to be solved is how to infer the pollutant concentration from the data sets collected by electrical resistivity method. This project focus on the principle of the contamination sites survey using electrical resistivity method, and involves the following aspects: (1) the interaction of three physical fields; (2) modeling and solving of the contamination sites survey using electrical resistivity method; (3) relationship between bulk resistivity and pollutant concentration. The target of the research is to establish a new coupled model for simulation the mapping of contaminated sites using electrical resistivity method and discover the correspondence between bulk resistivity and pollutant concentration. This research will promote the application of resistivity method in contaminated sites survey and reduce costs of contamination sites survey.

土壤污染是当前社会亟待解决的问题，由于电阻率法具有无损、方便、快速、低成本的特点，使其成为污染探测的发展方向。然而，由于污染场地的电阻率分布受到多种物理性质的影响，如何从探测数据推断污染物浓度的分布是推广应用该项技术的首要问题。本项目拟以污染场地电阻率法探测机理为研究对象，对污染场地中水分运移、污染物运移以及稳恒电流场的相互作用进行基础科学研究。具体内容包括：(1) 流场-浓度场-静电场耦合关系研究；(2) 污染场地电阻率法探测模型的建立与求解；(3) 体电阻率与污染物浓度的关系研究。本项目的研究目标是建立一个基于多场耦合的污染场地电阻率法探测模型，在该模型基础上，对典型污染场地探测进行模拟分析，建立探测结果即体电阻率与污染物浓度的关系。本项目旨在为污染场地电阻率法探测数据的解释提供理论依据，推动电阻率法在污染场地探测方面的应用，以期降低污染场地的调查成本。

土壤污染是当前社会亟待解决的问题，由于电阻率法具有无损、方便、快速、低成本的特点，使其成为污染探测的发展方向。然而，由于污染场地的电阻率分布受到多种物理性质的影响，如何从探测数据推断污染物浓度的分布是推广应用该项技术的首要问题。本项目拟以污染场地电阻率法探测机理为研究对象，开展多物理场耦合模型的建立以及应用研究。具体内容包括：(1) 流场-浓度场-静电场耦合关系研究。污染物在土壤中的运移是一个复杂的过程，与土壤中水分的运移以及污染物在水中的运移密切相关，本研究采用Richards方程作为水运移模型，通过该模型的求解，得到场地中水流速以及含水量分布；接着采用溶质运移控制方程计算出土壤中浓度的分布；最后，基于阿尔奇公式得到土壤中电阻率分布；(2) 污染场地电阻率法探测模型的建立与求解。本研究建立了一个典型污染场地3维空间模型，采用有限元法对模型进行求解，得到ERT检测视电阻率数据集。在此基础上，对ERT数据的反演方法进行了研究，提出了一种结合化学探测的数据与电阻率探测数据建立参考模型的方法，数值模拟实验结果显示，采用该方法反演得到的电阻率分布更接近于模型的真实分布；(3) 电阻率与污染物浓度的关系研究。本研究提出引入阈值分割算法以及聚类算法对ERT检测数据进行处理，基于重金属污染土壤与背景土壤在电阻率参数取值上的差异识别土壤中的污染区域。实验结果显示，在污染区域电阻率与背景电阻率差异大时，阈值分割算法及聚类算法能有效地识别出污染区域。本项目研究建立的耦合模型可以用于场地ERT检测结果预测，为制定ERT检测实施方案提供参考；提出的检测数据处理算法可以用来实现检测数据的污染区域识别，有助于推动电阻率法在污染场地探测方面的应用，降低污染场地的调查成本。