吳國(guó)忠， 郭恩玥 ，齊晗兵，周英明，李棟

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求亦在不斷的加大。石油作為主要的能源之一，其開采、運(yùn)輸和儲(chǔ)存早已成為能源利用中的重中之重。其中管道運(yùn)輸作為運(yùn)輸手段中長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高效的運(yùn)輸方式，被越來越多的采用。大量建設(shè)輸油管道除了增加經(jīng)濟(jì)效益外，也帶來了相應(yīng)的危害。近年來管道腐蝕、破裂的現(xiàn)象不斷發(fā)生，輸油管道的泄漏為安全輸油帶來了安全隱患，影響了正常輸送，造成了大量經(jīng)濟(jì)損失，與此同時(shí)，由于石油污染物存在三致（致癌、致畸和致基因突變），其泄漏對(duì)當(dāng)?shù)氐耐寥?、生態(tài)環(huán)境和地下水源易造成災(zāi)難性的破壞。因此，輸油管道泄漏的檢測(cè)、污染物擴(kuò)散的控制防護(hù)與被污染的土壤的修復(fù)成為了當(dāng)今研究的重要課題。

國(guó)內(nèi)外對(duì)石油類污染物的研究開始于 20世紀(jì)中期，研究人員通過各種實(shí)驗(yàn)方法研究石油類污染物的遷移規(guī)律以及遷移機(jī)理。埋地輸油管道泄漏污染物的熱力遷移屬于非水相流體在多孔介質(zhì)中遷移的范疇。管道泄漏污染物在多孔介質(zhì)中遷移的過程中通常都會(huì)伴有介質(zhì)熱力和水力參數(shù)的改變，如何獲得這些可以表征污染物在多孔介質(zhì)中遷移規(guī)律的參數(shù)成為研究污染物遷移的基礎(chǔ)之一。這其中最主要的兩個(gè)表征量就是遷移過程中多孔介質(zhì)的溫度場(chǎng)和含水率的變化。溫度場(chǎng)測(cè)量通過測(cè)溫裝置來測(cè)定，目前常用的裝置有熱敏電阻、熱電偶和紅外熱像儀。測(cè)量含水率最基礎(chǔ)，也是最常用的是稱重法，近年來采用介電常數(shù)法來測(cè)量含水率的方法逐漸被研究者們所采用。在污染物熱力遷移的實(shí)驗(yàn)裝置方面，實(shí)驗(yàn)裝置經(jīng)歷了從一維實(shí)驗(yàn)逐步過渡到二維實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變，并且已經(jīng)有部分學(xué)者采用更符合遷移過程的三維實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 熱力遷移參數(shù)測(cè)量

埋地管道泄漏污染物熱力遷移屬于非水相流體在多孔介質(zhì)中遷移的范疇。影響其熱力遷移過程的因素是多種多樣的，目前研究者實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是考慮多孔介質(zhì)的溫度分布、水分分布、粒徑分布、液塑性、相對(duì)密度、有機(jī)質(zhì)含量、毛細(xì)壓力和多孔介質(zhì)容重等因素對(duì)污染物熱力遷移的影響。這其中最普遍、也是影響較大的即為多孔介質(zhì)溫度和水分的分布。本文將重點(diǎn)介紹下著兩種參數(shù)目前的獲取方法

1.1 溫度

溫度的測(cè)量方法通常可以分為兩類：接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)溫方法主要有膨脹式、電量式和光電熱色法。膨脹式測(cè)溫主要利用物質(zhì)的熱脹冷縮原理進(jìn)行測(cè)量。其方法簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但是的易壞，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)困難，不便于遠(yuǎn)傳記錄，且準(zhǔn)確度較低。由于埋地管道泄漏污染物多在土壤等多孔介質(zhì)中，要求測(cè)溫裝置有一定的強(qiáng)度，數(shù)據(jù)便于遠(yuǎn)傳和自動(dòng)記錄，不適合采用膨脹式測(cè)溫。接觸式光電、熱色測(cè)溫近年來發(fā)展迅速，其要求與被測(cè)的對(duì)象接觸，利用光電轉(zhuǎn)換元件使由溫度變化引起的光信號(hào)和熱輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被儀器檢測(cè)的電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。其缺點(diǎn)是會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)。目前國(guó)內(nèi)外的研究者多采用的是電量式測(cè)溫方法，也有部分研究者采用非接觸式的紅外熱像裝置測(cè)溫度差。本文主要介紹三種主要的測(cè)試方法：熱敏電阻、熱電偶和紅外熱像儀。熱敏電阻具有信號(hào)大，準(zhǔn)確度較高的優(yōu)點(diǎn)，其常唱用在溫變不大的場(chǎng)所。熱電偶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，且具有較廣的測(cè)溫范圍，常常用于壁面、具有一定埋深的地方。紅外熱像儀可以實(shí)時(shí)獲得被測(cè)物體的溫度場(chǎng)，并且可以用偽彩色直觀的顯示被測(cè)物的溫度，且其溫度分辨率高，目前正逐漸被人們所采用。

1.1.1 熱電阻

熱電阻原理是利用材料的溫度和電阻值有一定的關(guān)系進(jìn)行溫度的測(cè)量，它通常是導(dǎo)體或者半導(dǎo)體材料，它可以把利用電阻值與溫度的關(guān)系，將電流值遠(yuǎn)傳至計(jì)算機(jī)或二次儀表上，便于控制和自動(dòng)記錄。目前應(yīng)用最廣泛的是鉑電阻和銅電阻，諸如銠和鎳等材料也逐漸被人們應(yīng)用到熱電阻材料當(dāng)中。其類型主要分為四種：普通型熱電阻、鎧裝熱電阻、端末熱電阻、隔爆型熱電阻。鎧裝熱電阻是由不銹鋼套管組成的，具有一定硬度，內(nèi)含引線、感溫元件和絕緣材料，其優(yōu)點(diǎn)在于體積小，內(nèi)部無空氣隙，機(jī)械性能好、耐震、抗沖擊，鎧裝熱電阻可以彎曲，便于安裝，且其使用壽命較長(zhǎng)，適用于需長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量。端面熱電阻主要用于測(cè)量端面的溫度，例如軸、機(jī)件等。適宜用于測(cè)量軸瓦和機(jī)件的端面溫度。隔爆型的熱電阻具有一種特殊的接線盒，它把爆炸性混合氣體的爆炸局限在接線盒內(nèi)，不會(huì)引起超爆炸，使用于具有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的溫度測(cè)量。

由上可知，在測(cè)量污染物熱力遷移過程的溫度過程中，需要長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)可以采取使用熱電阻測(cè)溫的方式，而鎧裝熱電阻的優(yōu)異性能使它在污染物熱力遷移實(shí)驗(yàn)的過程中應(yīng)用最為廣泛。如劉業(yè)鳳[1]等利用鎧裝 PT100熱電阻測(cè)試地下土壤不同深度（10、20、40、60、80 m）一年內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)。陳益明[2]采用鎧裝 PT100熱電阻在哈爾濱冬季室外的低溫環(huán)境進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明鎧裝 PT100熱電阻可以在室外低溫下使用。此外還有Cu50型熱電阻，其材料為銅電阻，溫度范圍-50～100℃，銅熱電阻的價(jià)格便宜，線性度好。但因銅電阻怕潮濕，易被腐蝕，熔點(diǎn)亦低，不適合在污染物熱力遷移實(shí)驗(yàn)過程中采用。

1.1.2 熱電偶

熱電偶通過溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系來測(cè)量溫度，它是將兩種不同的金屬材料的一端焊接在一起，另一端作為參考段（通常放在冰水混合物中），這時(shí)當(dāng)測(cè)量端與參考端產(chǎn)生溫差就會(huì)有熱電勢(shì)產(chǎn)生，然后利用電勢(shì)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系來測(cè)溫。熱電偶的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，響應(yīng)的速度快，且不受中間介質(zhì)的影響，其測(cè)量范圍廣，常用的熱電偶從零下50～1 600 ℃均可連續(xù)測(cè)量，適宜遠(yuǎn)距離測(cè)量和自動(dòng)控制的特點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。熱電偶通常分為 S型、R型、B型、K型、T型、N型和E型熱電偶。由于S型、R型和B型熱地?zé)犭娕純r(jià)格較高，在污染物熱力遷移實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要使用大量的熱電偶，所以較少采用此三型號(hào)的熱電偶。常用的即為T型銅-康銅熱電偶和K型鎳鉻-鎳硅熱電偶。

熱電偶體積較小，可以分層較為緊密的多點(diǎn)布置，便于的得到更完整的溫度場(chǎng)，如王華軍[3]等在土壤高溫儲(chǔ)熱條件下熱濕遷移過程的實(shí)驗(yàn)研究中采用銅-康銅來得到不深度下的溫度場(chǎng)，其在實(shí)驗(yàn)的箱體內(nèi)分三層布置熱電偶，深度分別的 20、40和60 cm，每層沿徑向布置4個(gè)銅-康銅熱電偶來記錄溫度，從而獲得其溫度場(chǎng)。楊金國(guó)[4]等為了測(cè)量自然環(huán)境條件下土壤床的溫度場(chǎng)，沿土壤床水平方向和高度方向分別布置了15對(duì)銅-康銅熱電偶，連接溫度巡檢儀，每隔1 h采樣1次，存貯數(shù)據(jù)，在間隔期間，可以從顯示器上隨時(shí)觀察溫度隨時(shí)間高度和水平位置的變化。

銅-康銅熱電偶的精度高，再現(xiàn)性好，但其測(cè)溫范圍較窄，耐氧化性不強(qiáng)。根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求可以采用不同材質(zhì)的熱電偶材料，如陳振乾[5]等采用直徑為0.2 mm的鎳鉻-鎳硅熱電偶，測(cè)量大氣對(duì)流對(duì)土壤內(nèi)熱濕遷移的影響，鎳鉻-鎳硅熱電偶溫度范圍為0～1 000 ℃，且其在1 000 ℃以下的耐氧化性良好。

1.1.3 紅外熱像

紅外熱像技術(shù)是采用獲取被測(cè)物體的紅外輻射來得到被測(cè)物體溫度場(chǎng)的一種技術(shù)。最常采用的設(shè)備就是紅外熱像儀，它利用內(nèi)置的紅外探測(cè)器，掃面被測(cè)物體的紅外射線，經(jīng)過信號(hào)處理轉(zhuǎn)化為可是的紅外熱圖像。其優(yōu)點(diǎn)在于溫度分辨力高， 能準(zhǔn)確區(qū)分的溫度差甚至達(dá) 0.01 ℃以下。并且由于可以實(shí)時(shí)的顯示被測(cè)物體表面的溫度分布，使得觀察溫度場(chǎng)分布變化變的十分方便，其圖像可以記錄，便于對(duì)比分析。

但這種設(shè)備得到的物體表面溫度不是直接測(cè)量而得，它是由測(cè)量的輻射能量通過設(shè)定參數(shù)計(jì)算而得，這就使得在測(cè)量的過程中，測(cè)量的精度容易受到被測(cè)物體和周圍環(huán)境的影響，例如被測(cè)物體的反射率、吸收率，環(huán)境溫度等。

如劉斐[6]等采用 IRI1011紅外熱像儀測(cè)量土壤溫度，分別得到了不同深度0～5、0～10、0～15、0～20 cm的土壤溫度；王久龍[7]利用ThermaCAMTM P30紅外熱像儀測(cè)試了埋地管道在泄漏前和泄漏后的土壤溫度場(chǎng)（如圖1），分析并建立了管道泄漏熱影響區(qū)溫度場(chǎng)的變形，確定埋地管道泄漏地表面溫度場(chǎng)變化規(guī)律。

圖1 紅外熱像儀得到的表面溫度場(chǎng)[7]Fig.1 Surface temperature field by infrared camera[7]

1.2 含水率

多孔介質(zhì)的含水率是污染物熱力遷移過程中的基礎(chǔ)參數(shù)之一，其測(cè)量方法已經(jīng)從過去的單一稱重法，發(fā)展為多種多樣的方法，如介電常數(shù)、張力計(jì)，光學(xué)法等。在這其中較為成熟的為稱重法和介電常數(shù)法，這兩種方法也是目前常用的方法。稱重法的優(yōu)點(diǎn)在于，計(jì)算方便，可以得到較準(zhǔn)確的結(jié)果，是目前實(shí)驗(yàn)室最常采用的方法。但是由于每次測(cè)量都需要取樣烘干，取樣會(huì)破壞實(shí)驗(yàn)土壤的結(jié)構(gòu)，且烘干時(shí)間較長(zhǎng)，無法實(shí)時(shí)的反映土壤的含水率。針對(duì)此種狀況，介電常數(shù)法開始逐級(jí)被人們采用，其可以快速的反映土壤的含水率，但其準(zhǔn)確度還有待于提高。

1.2.1 稱重法

稱重法是傳統(tǒng)的通過烘干直接測(cè)量土壤中水分含量的方法。它需要制取土樣，記錄土樣的濕重，然后講土樣放置在烘箱內(nèi)烘干至衡中，，然后測(cè)定烘干土樣，記作土樣的干重，根據(jù)公式，即可計(jì)算出土樣的重量含水率。烘干法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求不高，結(jié)果直觀，對(duì)于樣品本身而言結(jié)果可靠。缺點(diǎn)是采樣會(huì)干擾土壤水的連續(xù)性，深層取樣困難，測(cè)量必須要在實(shí)驗(yàn)室完成，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能做定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)由于取樣的變異系數(shù)較大，稱重法取樣代表性較差；而且稱重法只能得出土壤的重量含水率，應(yīng)用不方便，如果將稱重法用于標(biāo)定其實(shí)測(cè)量方法的時(shí)候，有時(shí)必須將重量含水率轉(zhuǎn)換成體積含水率，這時(shí)則要求測(cè)量樣本的干容重，而求干容重也是很不方便的。

如姚海林[8]等采用稱重法法測(cè)得高嶺土和蒙脫土不同配比情況下的含水率，實(shí)驗(yàn)制備了兩組土樣：一組土樣先放入水中，待其完全吸水飽和后，重新放入干燥器中脫水，然后測(cè)量；另一組直接脫水測(cè)量。

1.2.2 介電常數(shù)法

介電常數(shù)法的原理是多孔介質(zhì)的介電常數(shù)是與它的含水率有關(guān)的。在測(cè)量同一種多孔介質(zhì)的含水率時(shí)，只其知道其電阻值與含水量的關(guān)系，就可以得到被測(cè)介質(zhì)的含水率值。其優(yōu)點(diǎn)是成本低，可重復(fù)利用，可用于定點(diǎn)監(jiān)測(cè)等。其缺點(diǎn)是有滯后，測(cè)量范圍有限，受土壤含鹽量的影響大。

劉炳成[9]等采用澳大利亞 ICT公司生產(chǎn)的MP-406水分探頭測(cè)量土壤的含水率，將水分探頭從側(cè)面插入被測(cè)土壤所在試驗(yàn)箱，測(cè)定距土表5 cm和15 cm處的土壤含水率，實(shí)驗(yàn)表明含水率較低的淺層土壤受溫度梯度引起的濕分遷移較小，在含水量中的呢過程度的較深層土壤中，溫度效應(yīng)比較明顯。

2 污染物熱力遷移實(shí)驗(yàn)

2.1 一維實(shí)驗(yàn)

在早起的污染物熱力遷移實(shí)驗(yàn)研究方面，主要是研究污染物泄漏或其在多孔介質(zhì)中的遷移趨勢(shì)和遷移機(jī)制方面。其實(shí)驗(yàn)所用多數(shù)采用一維裝置。一維實(shí)驗(yàn)裝置由于其便于實(shí)驗(yàn)，針對(duì)性較強(qiáng)，一直以來都被廣泛使用。國(guó)內(nèi)的研究學(xué)者采用一維柱體實(shí)驗(yàn)研究熱濕的遷移距離。張玲[11]等為了研究土壤中溫度的變化對(duì)其水分遷移的影響，建立了一維土柱熱濕傳遞實(shí)驗(yàn)裝置，其裝置采用直徑為 75 mm的UPVC管1 m，內(nèi)填滿土，做成土柱，土柱一側(cè)恒溫加熱，另一側(cè)嚴(yán)格保冷。采用銅-康銅熱電偶測(cè)定溫度，烘干法測(cè)量土壤中的水分。其實(shí)驗(yàn)表明，冷熱段溫差不同對(duì)土柱溫度梯度的影響遠(yuǎn)大于對(duì)溫度傳遞的距離的影響。

2.2 二維實(shí)驗(yàn)

一維實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便，針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，但由于其遷移受空間影響，其獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)受到了尺寸上的干擾，難以充分反映遷移過程的特征。尤其在反應(yīng)污染物水平方向上的遷移上，這就要求實(shí)驗(yàn)技術(shù)在反映污染物遷移規(guī)律上有待改進(jìn)。

圖2 二維有機(jī)玻璃砂槽[12]Fig.2 Dimensional sand traps of plexiglass[12]

因此，通過二維實(shí)驗(yàn)研究污染物遷移的遷移規(guī)律逐漸被人們采用。如國(guó)內(nèi)的李永濤[12]等結(jié)合以往的二維實(shí)驗(yàn)裝置（圖 2）采用用有機(jī)玻璃制成的二維有機(jī)玻璃砂槽，該滲流砂槽長(zhǎng)80 cm、高70 cm、寬10 cm，為使研究者能觀看油品的流動(dòng)，采用溶于水而不溶于油的蘇丹染料使油染成紅色，便于觀察油流的鋒面形狀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在各項(xiàng)性質(zhì)相同的多孔介質(zhì)中，其污染物在泄漏過程中的鋒面始終是軸對(duì)稱的，且其以泄漏點(diǎn)為對(duì)稱軸。在泄漏初始階段，水平擴(kuò)散明顯弱于垂直運(yùn)移，之后鋒面開始變的不規(guī)則，以餅狀形式橫向擴(kuò)展。

2.3 三維實(shí)驗(yàn)

二維實(shí)驗(yàn)雖然在可以在一定程度上滿足污染物在水平方向遷移的研究，但是由于二維裝置的尺度效應(yīng)問題，限制了污染物向各個(gè)方向的擴(kuò)散，這亦會(huì)影響污染物在垂直上的熱力遷移，因此，已經(jīng)有部分研究人員采用三維的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行污染物熱力遷移的實(shí)驗(yàn)。王久龍[7]設(shè)計(jì)了三維埋地管道實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)沙箱用厚5 mm的鋼板焊接，四周包覆50 mm的聚乙烯苯板保溫，內(nèi)布置熱電偶采取溫度，配有可調(diào)節(jié)溫度水箱以及加熱裝置，在泄漏點(diǎn)處安裝控制閥門，通過控制閥門開度來控制泄漏量，在泄漏過程中采用紅外熱成像設(shè)備得到了埋地管道泄漏點(diǎn)附近土壤的溫度場(chǎng)變化，通過比較管道地表與背景地表的溫差帶，以及泄漏區(qū)域和非泄漏區(qū)域的溫度場(chǎng)紅外熱像圖來判斷是否泄漏。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用紅外成像裝置可以判斷埋地管道的泄漏。

3 結(jié) 論

（1）目前國(guó)內(nèi)外研究者主要采用熱電偶來測(cè)量埋地管道污染物泄漏過程中的土壤和管道的溫度，采用紅外熱像設(shè)備獲得埋地溫度場(chǎng)試驗(yàn)的較少，主要原因在于熱電偶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，可以遠(yuǎn)距離測(cè)量，配合巡檢儀等設(shè)備使用可以自動(dòng)記錄，而且其價(jià)格低廉安裝方便。然而由于熱電偶測(cè)的是各布置點(diǎn)的溫度，在反映溫度場(chǎng)邊界連續(xù)性上較差，以及對(duì)所測(cè)溫度有更高的要求，鑒于紅外熱像設(shè)備可以直觀的反映物體的溫度場(chǎng)，溫度分辨能力高，采用紅外熱像儀獲得土壤溫度場(chǎng)的方法會(huì)越來越受到重視和采用。

（2）在對(duì)土壤含水率的測(cè)量過程中，國(guó)內(nèi)外最普遍的做法仍然是采用烘干法。由于烘干法要求取樣烘干，在實(shí)驗(yàn)過程中不僅會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，而且無法得到瞬時(shí)含水率數(shù)值，采用介電常數(shù)法測(cè)量含水率的設(shè)備逐漸被人們所采用。但現(xiàn)在的采用此法測(cè)定含水率的儀器有共同的問題：針對(duì)不同導(dǎo)電率的介質(zhì)，其電信號(hào)與含水率的函數(shù)關(guān)系不固定，這就要求針對(duì)不同導(dǎo)電率的介質(zhì)，要重新標(biāo)定確定函數(shù)關(guān)系；并且其反應(yīng)速度受環(huán)境影響較大，所測(cè)數(shù)值易受外界干擾。以上介電常數(shù)法測(cè)定含水率的問題需要亟待解決，需要研究者們給予重點(diǎn)關(guān)注。

（3）現(xiàn)階段在進(jìn)行污染物遷移的實(shí)驗(yàn)研究中，多數(shù)為一維、二維實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置，由于一維、二維的實(shí)驗(yàn)裝置都存在在一定局限性，其在水平各方向的限制又會(huì)影響到污染物的垂直遷移，因此，各實(shí)驗(yàn)研究者應(yīng)該更積極的設(shè)計(jì)使用三維實(shí)驗(yàn)裝置，完善埋地管道污染物熱力遷移的實(shí)驗(yàn)手段。

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