Measuring Water Flow in Soil Using Electrical Impedance Tomography
Kaipio, Paula (2014)
Kaipio, Paula
Savonia-ammattikorkeakoulu
2014
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2014053011175
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2014053011175
Tiivistelmä
Tiivistelmä
Tässä opinnäytetyössä tutkittiin maaperän veden virtauksen mittaamista impedanssitomografiaa käyttäen. Työn tavoitteena oli selvittää impedanssitomografian soveltuvuutta veden virtaamisen mittaamiseen laboratorio- sekä kenttämittausten avulla. Mittausten perusteella kuvannettiin veden virtausta maaperässä kolmessa dimensiossa.
Maaperän sekä siellä kulkeutuvan veden ja muiden nesteiden kuvantamista voidaan hyödyntää pohjavesivarojen tutkimisessa. Kuvantamisella voidaan parhaimmillaan arvioida ja ennustaa varantojen suuruuden kehitystä, sekä mahdollisesti paikantaa sinne kulkeutuvia haitta-aineita (esim. kaatopaikkavuodot, öljyonnettomuudet). Mitä luotettavimmin kyseisiä ilmiöitä pystytään todentamaan, sitä paremmin ihmiselle ja luonnolle tärkeää veden laatua pystytään ylläpitämään. Yleisesti maaperän kuvantaminen on mutkikasta johtuen vaihtelevista pinnanalaisista rakenteista sekä erisuuntaisista veden virtauksista. Nykyisin käytettyjen, maaperässä veden kulkeutumista kuvantavien menetelmien ongelmana on usein se, että niistä saatava tieto on harvoin tarpeeksi tarkkaa ja luotettavaa, ja monesti kuvantaminen on kaksiuloitteista. Luotettavalle, kolmiuloitteiselle kuvantamismenetelmälle olisi siis selkeä tarve.
Tämän työn maaperän kuvantamistutkimus aloitettiin vuonna 2011. Inversio-ongelmien tutkimusryhmässä oli jo aiemmin tehty maaperään ja veden virtaukseen liittyvää tutkimusta sekä maaperämittauksissa käytettävää laskentaa. Tarkoitus oli edetä tutkimuksessa siten, että jo käytössä olevan laskennan ja mittauslaitteiden toimivuutta tutkittaisiin käytännön mittauksilla. Aluksi työtä varten tehtiin taustatutkimusta, johon kuului hydrogeologian ja impedanssitomografian teoriaan, nykyisin käytössä oleviin mittausmenetelmiin sekä yleisesti mittaustarpeeseen tutustumista. Seuraavaksi suoritettiin laboratorio- sekä kenttäkokeet, joista rekonstruoitiin MATLAB-ohjelmalla tulokset. Rekonstruoimisessa hyödynnettiin tutkimusryhmältä saatuja MATLAB-laskentakoodeja. Lopuksi arvioitiin impedanssitomografian hyödyntämismahdollisuuksia maperässä kulkeutuvan veden mittaamiseen.
Työn lopputuloksena saatiin mittausten perusteella lasketut kolmiulotteiset rekonstruktiot maaperän sähkönjohtavuudelle useissa eri testitilanteissa. Lopuksi voitiin päätellä, että tulokset ovat käyttökelpoisia, ja että impedanssitomografialla on mahdollista kuvantaa maaperässä virtaavan veden kulkeutumista. Tuloksissa esiintyi kuitenkin virheitä, jotka johtuvat todennäköisimmin mittauslaitteesta. Tulokset asettavat pohjan tulevalle tutkimukselle ja mahdolliselle laskennallisten menetelmien kehittämiselle. Käytetyllä menetelmällä on potentiaalia nykyisten mittausmenetelmien rinnalle maaperässä kulkeutuvan veden kuvantamisessa.
Tässä opinnäytetyössä tutkittiin maaperän veden virtauksen mittaamista impedanssitomografiaa käyttäen. Työn tavoitteena oli selvittää impedanssitomografian soveltuvuutta veden virtaamisen mittaamiseen laboratorio- sekä kenttämittausten avulla. Mittausten perusteella kuvannettiin veden virtausta maaperässä kolmessa dimensiossa.
Maaperän sekä siellä kulkeutuvan veden ja muiden nesteiden kuvantamista voidaan hyödyntää pohjavesivarojen tutkimisessa. Kuvantamisella voidaan parhaimmillaan arvioida ja ennustaa varantojen suuruuden kehitystä, sekä mahdollisesti paikantaa sinne kulkeutuvia haitta-aineita (esim. kaatopaikkavuodot, öljyonnettomuudet). Mitä luotettavimmin kyseisiä ilmiöitä pystytään todentamaan, sitä paremmin ihmiselle ja luonnolle tärkeää veden laatua pystytään ylläpitämään. Yleisesti maaperän kuvantaminen on mutkikasta johtuen vaihtelevista pinnanalaisista rakenteista sekä erisuuntaisista veden virtauksista. Nykyisin käytettyjen, maaperässä veden kulkeutumista kuvantavien menetelmien ongelmana on usein se, että niistä saatava tieto on harvoin tarpeeksi tarkkaa ja luotettavaa, ja monesti kuvantaminen on kaksiuloitteista. Luotettavalle, kolmiuloitteiselle kuvantamismenetelmälle olisi siis selkeä tarve.
Tämän työn maaperän kuvantamistutkimus aloitettiin vuonna 2011. Inversio-ongelmien tutkimusryhmässä oli jo aiemmin tehty maaperään ja veden virtaukseen liittyvää tutkimusta sekä maaperämittauksissa käytettävää laskentaa. Tarkoitus oli edetä tutkimuksessa siten, että jo käytössä olevan laskennan ja mittauslaitteiden toimivuutta tutkittaisiin käytännön mittauksilla. Aluksi työtä varten tehtiin taustatutkimusta, johon kuului hydrogeologian ja impedanssitomografian teoriaan, nykyisin käytössä oleviin mittausmenetelmiin sekä yleisesti mittaustarpeeseen tutustumista. Seuraavaksi suoritettiin laboratorio- sekä kenttäkokeet, joista rekonstruoitiin MATLAB-ohjelmalla tulokset. Rekonstruoimisessa hyödynnettiin tutkimusryhmältä saatuja MATLAB-laskentakoodeja. Lopuksi arvioitiin impedanssitomografian hyödyntämismahdollisuuksia maperässä kulkeutuvan veden mittaamiseen.
Työn lopputuloksena saatiin mittausten perusteella lasketut kolmiulotteiset rekonstruktiot maaperän sähkönjohtavuudelle useissa eri testitilanteissa. Lopuksi voitiin päätellä, että tulokset ovat käyttökelpoisia, ja että impedanssitomografialla on mahdollista kuvantaa maaperässä virtaavan veden kulkeutumista. Tuloksissa esiintyi kuitenkin virheitä, jotka johtuvat todennäköisimmin mittauslaitteesta. Tulokset asettavat pohjan tulevalle tutkimukselle ja mahdolliselle laskennallisten menetelmien kehittämiselle. Käytetyllä menetelmällä on potentiaalia nykyisten mittausmenetelmien rinnalle maaperässä kulkeutuvan veden kuvantamisessa.