地下水洗井时长优化与死水干扰抑制的水质采样决策方法与流程

本发明涉及水质检测，尤其涉及地下水洗井时长优化与死水干扰抑制的水质采样决策方法。

背景技术：

1、地下水监测井洗井与水质采样是地下水环境监测体系中的核心环节，目的在于从井筒内获取能够真实反映目标含水层水化学特征的代表性水样，然而实际洗井作业中，井筒内水体往往并非均一混合状态，而是由于温度梯度、溶质浓度差异和历史洗井扰动遗留效应，形成垂向密度分层结构，导致部分区段水体流动性极弱、更新置换缓慢，即所谓的死水滞留区，这类死水区与含水层来水之间存在有限的物质交换，却能在洗井过程中持续释放历史累积污染物，从而干扰后续采样的水质指标。目前，国内外普遍采用的洗井终止判据包括基于固定井筒体积倍数，如3～5倍井筒水体积的驱替法，现场监测参数连续三次读数稳定法，然而，这些现有技术均将井筒视为完全混合反应器，忽视了垂向密度分层所导致的局部滞留区对驱替效率的非均匀影响，缺乏对死水区厚度、稳定性和与含水层间污染质交换潜力的定量表征手段，致使洗井终点判定往往依赖操作者的主观经验或过度保守的固定体积冲洗，难以有效识别弱混合过渡区内污染物缓慢释放的风险。

2、因此亟需一种地下水洗井时长优化与死水干扰抑制的水质采样决策方法，通过精确量化井筒内死水干扰厚度及交叉污染风险，并据此靶向优化洗井时长和采样时机，提升地下水水质采样的代表性和数据可靠性。

技术实现思路

1、为了克服地下水监测井洗井过程中因缺乏量化判据而导致采样代表性不足及交叉污染风险难以控制的缺点，本发明提供了地下水洗井时长优化与死水干扰抑制的水质采样决策方法。

2、本发明的技术实施方案为：地下水洗井时长优化与死水干扰抑制的水质采样决策方法，包括以下步骤：

3、s1：采集监测井的水层理化特征数据，根据所述水层理化特征数据并构建井筒垂向剖面；

4、s2：根据所述井筒垂向剖面，识别井筒内的水体滞留区段类型，并计算死水干扰厚度；

5、s3：获取监测井的历史水样数据和含水层水文地质数据，量化死水交叉污染的潜在风险质量；

6、s4：获取监测井的井筒结构数据，结合所述水体滞留区段类型、死水干扰厚度求解靶向驱替体积，并进行洗井时长优化；

7、s5：根据优化后的洗井时长，进行水质采样时机决策。

8、优选地，所述采集监测井的水层理化特征数据，根据所述水层理化特征数据并构建井筒垂向剖面，包括：通过多参数传感器以预设步长自下而上采集监测井的水层理化特征数据，所述水层理化特征数据包括实测水温和实测电导率，获取标准条件下的水温、水密度和电导率作为参考温度、参考水密度和参考电导率，计算监测井内的不同深度的水体密度，通过静水标定法计算传感器测量导致的密度梯度背景噪声标准差，根据不同深度的水体密度计算垂向密度梯度，基于不同深度的水体密度、传感器测量导致的密度梯度背景噪声标准差和垂向密度梯度计算不同深度处的浮力频率平方，构建井筒垂向剖面。

9、优选地，所述基于不同深度的水体密度、传感器测量导致的密度梯度背景噪声标准差和垂向密度梯度计算不同深度处的浮力频率平方，包括：

10、水体密度公式为：

11、  ；

12、式中，  为深度  处的水体密度，  为参考水密度，  为水体的热膨胀系数，  为深度  处的实测水温，  为参考温度，  为电导率密度转换系数，  为深度  处的实测电导率，  为参考电导率；

13、浮力频率平方公式为：

14、  ；

15、式中，  为深度  处的浮力频率平方，  为重力加速度，  为参考水密度，  为深度  处的垂向密度梯度，  为传感器测量导致的密度梯度背景噪声标准差。

16、优选地，所述根据所述井筒垂向剖面，识别井筒内的水体滞留区段类型，并计算死水干扰厚度，包括：所述水体滞留区段类型包括强密度分层滞留区、弱混合过渡区和全混合区，预设第一浮力频率阈值和第二浮力频率阈值，根据井筒垂向剖面获取浮力频率平方的分布区段，将浮力频率平方小于第一浮力频率阈值的分布区段划分为全混合区，将浮力频率平方大于等于第一浮力频率阈值且小于第二浮力频率阈值的分布区段划分为弱混合过渡区，将浮力频率平方大于等于第二浮力频率阈值的分布区段划分为强密度分层滞留区，获取洗井泵在不同深度的诱导的垂向流速，根据不同深度的水体密度计算密度差引起的特征对流速度，获取强密度分层滞留区和弱混合过渡区的区段顶部对应深度和区段底部对应深度，计算等效死水干扰厚度。

17、优选地，所述获取强密度分层滞留区和弱混合过渡区的区段顶部对应深度和区段底部对应深度，计算等效死水干扰厚度，包括：

18、等效死水干扰厚度公式为：

19、  ；

20、式中，  为等效死水干扰厚度，  为区段顶部对应深度，  为区段底部对应深度，  为洗井泵在深度  处的诱导的垂向流速，为深度  处密度差引起的特征对流速度，  为示性函数，当  取值为1，否则取值为0，  为积分变量。

21、优选地，所述获取监测井的历史水样数据和含水层水文地质数据，量化死水交叉污染的潜在风险质量，包括：根据所述历史水样数据获取静置滞留时间、历史水样中不同深度处的污染物初始浓度和监测井单位深度的横截面积，根据所述含水层水文地质数据通过实验获取污染物在死水层中的有效水动力弥散系数、污染物降解速率常数和井管材料的特征溶出物表面通量，计算死水交叉污染的潜在风险质量。

22、优选地，所述计算死水交叉污染的潜在风险质量，包括：

23、死水交叉污染的潜在风险质量公式为：

24、；

25、式中，  为死水交叉污染的潜在风险质量，  为等效死水干扰厚度，  为井管材料的特征溶出物表面通量，  为污染物在死水层中的有效水动力弥散系数，  为静置滞留时间，  为圆周率，  为历史水样中深度  处的污染物初始浓度，  为污染物降解速率常数，  为监测井单位深度的横截面积，为积分变量。

26、优选地，所述获取监测井的井筒结构数据，结合所述水体滞留区段类型、死水干扰厚度求解靶向驱替体积，并进行洗井时长优化，包括：根据强密度分层滞留区获取死水层的初始特征污染物浓度，预设期望达到的死水残留污染物浓度阈值，根据所述井筒结构数据获取井筒内径，基于密度差引起的特征对流速度和井筒内径计算井筒水流的佩克莱特数，基于井筒内径和死水干扰厚度计算死水几何体积，通过采集分析设备空白样获取采样分析允许的最大交叉污染背景质量，根据死水几何体积、死水层的初始特征污染物浓度井筒水流的佩克莱特数和期望达到的死水残留污染物浓度阈值计算靶向驱替体积，获取洗井泵的实际流量和管路冲洗的基础时间，结合靶向驱替体积优化洗井时长。

27、优选地，所述获取洗井泵的实际流量和管路冲洗的基础时间，结合靶向驱替体积优化总洗井时长，包括：

28、靶向驱替体积公式为：

29、  ；

30、式中，  为靶向驱替体积，  为死水几何体积，  为井筒水流的佩克莱特数，  为死水层的初始特征污染物浓度，  为期望达到的死水残留污染物浓度阈值；

31、洗井时长公式为：

32、  ；

33、式中，  为优化后的洗井时长，  为靶向驱替体积，  为洗井泵的实际流量，  为管路冲洗的基础时间，  为死水交叉污染的潜在风险质量，  为采样分析允许的最大交叉污染背景质量，  为敏感指数。

34、优选地，所述根据优化后的洗井时长，进行水质采样时机决策，包括：根据优化后的洗井时长对监测井进行清洗后，采集水质样本进行检测。

35、本发明的有益效果：

36、本发明通过高多参数传感器垂向剖面测量，结合水体密度、电导率与温度的精确转换和浮力频率平方的定量计算，能够客观、连续地刻画监测井井筒内的垂向密度分层结构，突破了传统洗井作业中将井筒视为均一混合体的粗放假设，为后续滞留区段识别和死水厚度量化提供了可靠的数据基础，从源头改善了因忽视温度-盐度耦合分层而导致的判断偏差。

37、本发明基于浮力频率阈值将井筒水体划分为强密度分层滞留区、弱混合过渡区和全混合区，并引入等效死水干扰厚度指标，将洗井泵诱导流速与密度差驱动对流速度的竞争关系纳入积分计算，实现了对实际洗井过程中难以置换的死水区域的定量界定；相比现有仅依赖浊度或电导率平台值的经验方法，能够更精准地定位污染残留风险区段，为后续靶向驱替体积的计算提供直接的空间尺度依据。

38、本发明在风险评估中创新性地融合了历史水样污染物浓度、污染物降解速率常数、死水层有效弥散系数和井管材料特征溶出物表面通量多源参数，构建了死水交叉污染的潜在风险质量模型，考虑了历史累积污染物在滞留期间的降解与残留，又涵盖了井管材质本身在长期静置条件下的溶出贡献，能够全面反映死水区在洗井过程中释放的污染负荷，弥补了现有技术仅关注含水层来水水质而忽视井筒内部污染源项的缺陷。