CN101782591A - 一种以温度为示踪剂的地下水流速流向探测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种经温度为示踪剂探测地下水流速流向的方法与测量装置。本发明采用一线状热源，对其施加电压使其发热，在热源周围同一圆周上等间距设置若干温度探头，由于水流的作用，各探头接收到温度的大小和时间都不同，在热源下游的探头接收到温度高于上游的探头，利用接收温度的大小于判定出地下水流动的方向；地下水流动速度的大小与探头接收到温度变化的时间有关，通过通电起始与测量到温度变化的时间长短计算出地下水流动速度的大小。
Description
技术领域
本发明涉及的是岩土体地下水流动方向以及地下水流动速度的探测方法以及探测装置，属于水文地质参数探测方法及探测装置技术领域。
背景技术
现在技术中，常用的地下水流速流向探测方法是钻孔内的示踪试验，有多孔示踪试验与单孔示踪试验等。多孔示踪试验一般包括一个投源孔与若干个监测孔，在投源孔内投入示踪剂，在监测孔内监测示踪剂浓度的变化，由于孔的数量较多，所以试验成本高，试验周期长；对于单孔示踪试验，是一种基于单孔稀释理论的流速流向探测方法，在目前地下水流速流向探测中有着广泛的应用，但是在探测过程中，需要探头位于钻孔中央才能准确测量到流速与流向，而由于探头尺寸与钻孔大小有着一定的差距，一般在测量过程中都会出现偏心的情况，从而导致测量失真；并且，为了保障测量结果的准确性，单孔示踪法一般使用放射性同位素作为示踪剂，放射性同位素的使用会对环境以及试验人员的健康产生危害。在现有的探测装置中，装置的探头一般较大，以放置所需要的模块，由于探头的作用，地下水会因探头的存在而受到干扰，因此使探测到的结果产生误差。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种以温度为示踪剂的地下水流速流向探测方法。其通过给线状热源施加电压使其发热，在热源周围设置温度探头，地下水的流动会带走热源发出的热量，因此，热源下游的温度探头首先探测到温度的变化，而且探测的温度值也最高；热源上游的温度探头最后探测到温度的变化，而且探测到的温度值也最低。通过各探头探测到的温度随时间的变化，判断出地下水的流动方向以及地下水的流速大小。
为实现以上技术目标，本发明采取以下技术方案：
一种利用温度作为示踪剂的地下水流速流向探测方法，包括以下步骤：(1)、取线状热源，两端与稳压直流电源相连接；(2)、以热源为圆心，在同上圆周上等间距的设置若干个温度探头，探头数量不少于4个；(3)、接通热源供电开关使热源开始发热；(4)、热源开始发热后即开始记时，并每隔一定时间记录每个温度探头探测到的温度值；(5)、利用地下水流影响下的温度场分布特点，判断地下水的流动方向；(6)、利用探测到的温度变化与时间的关系，计算得到地下水的流动速度。
根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：
1.本发明利用温度为示踪剂进行地下水流速流向的探测，不会对环境造成污染，也不会对操作人员的健康产生危害，且造价低廉，容易实现；
2.利用本发明的探测方法进行参数探测时，不需要与钻孔中心完全对应即可准确测得地下水的流速流向，具有更广泛的适用性；
3.本发明基于地下水流速的对流传热模型，温度分布具有很好的规律性与稳定性，使探测结果准确，且重复性好；
4.本发明采用高精度温度传感探头，温度测量准确，测量结果精度有很好的保证。
本发明的另一个技术目的是提供一种实现上述地下水流速流向探测的探测装置，其包括一个探测探头，探头一端的中心位置设置一根阻值为20欧姆的长直电阻丝，电阻丝两端与25伏稳压直流电源相连接；以电阻丝为中心，在周围半径为2.5厘米的圆周上等间距设置不少于4个高精度温度传感器，温度传感器通过信号线与多路数据采集系统相连，数据采集系接通过数据传输线与微型计算机相连；利用微型计算机控制电阻丝的供电电源开关，电源开启后，每隔一定的时间，控制多路数据采集系统探测一次每个温度传感器的温度值，同时将采集到的温度数据传输至微型计算机，并利用控制软件自动保存数据。
根据以上的技术方案，可知本发明所提供的测量装置具有下述有益效果：
该装置通过给电阻施加稳定电压的方法使电阻丝发热，可以实现本发明中对热源产生的要求；电阻丝周围的传感器可以准确的探测到当热源开始发热后温度随时间的变化情况；利用数据采集系统对数据进行采集，并利用微型计算机实现数据自动读取、自动传输与自动存储，节约了劳动力的同时，保证了数据采集以及数据分析的精确度，有效地避免了人工操作过程中所产生的人为误差。该装置使用的温度传感器直径仅3mm，基本不会对地下水游动产生扰动，使测量得到的数据更加接近真实值。
附图说明
图1是本发明所述探测方法的流程图；
图2是本发明所述探测方法的原理图；
图3是本发明所述探测装置的原理图；
图4是本发明所述方法与装置得到的地下水流向判断图；
图5是本发明所述方法与装置得到的地下水流速判断图。
具体实施方式
以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明所述的利用温度作为示踪剂的地下水流速流向探测方法，包括以下步骤：(1)、取线状热源，两端与稳压直流电源相连接；(2)、以热源为圆心，在同上圆周上等间距的设置若干个温度探头；(3)、接通热源供电开关使热源开始发热；(4)、热源开始发热后即开始记时，并每隔一定时间记录每个温度探头探测到的温度值；(5)、利用地下水流影响下的温度场分布特点，判断地下水的流动方向；(6)、利用探测到的温度变化与时间的关系，计算得到地下水的流动速度。
如图2所示，本发明提供的地下水流动速度与流动方向的探测方法，其原理是根据地下水流动的对流传热理论，当热源发热以后，地下水带走热量，因此在同一圆周上，热源下游的温度高于热源下游的温度，通过各温度探头探测到的温度高低可以判断出地下水的流动方向；由于地下水流动的方向性，同一圆周上，热源下游温度探头探测到的温度变化比热源上游早，探测到温度变化的时间差与地下水的流动速度有关，可以确定出地下水流动速度的大小。
为实现上述的地下水流速流向探测方法，本发明还提供了一种地下水流速流向探测装置，如图3所示。其原理是探头一端的中心位置设置一根阻值为20欧姆的长直电阻丝，电阻丝两端与25伏稳压直流电源相连接；以电阻丝为中心，在周围半径为2.5厘米的圆周上等间距设置8个高精度温度传感器，温度传感器通过信号线与多路数据采集系统相连，数据采集系接通过数据传输线与微型计算机相连；利用微型计算机控制电阻丝的供电电源开关，电源开启后，每隔一定的时间，控制多路数据采集系统探测一次每个温度传感器的温度值，同时将采集到的温度数据传输至微型计算机，并利用控制软件自动保存数据。
图4是运用本发明测定方法以及测量装置获得的地下水流向判断原理图。其工作过程是，通过微型计算机控制电源置开启状态，电阻丝开始发热，同时微型计算机控制数据采集系统利用8个温度传感器进行温度值的探测，在经过一段时间以后，利用同一时刻测量到的温度值，以温度值大小于矢量的大小，以热源到各传感器的方向为矢量方向，得到8个温度矢量，将矢量利用平行四边形定则进行叠加，即得到地下水的流动方向。
图5是运用本发明测定方法以及测量装置获得的地下水流速判断原理图。其工作过程是，通过微型计算机控制电源置开启状态，电阻丝开始发热，同时微型计算机控制数据采集系统利用8个温度传感器进行温度值的探测，每隔一段的时间记录下每个传感器测量到的温度值，得到各传感器处温度随时间的变化曲线，利用最先开始变化的温度曲线以及最后开始变化的温度曲线计算地下水的流动速度。
Claims (8)
1.一种以温度为示踪剂的地下水流流速流向探测方法，其特征在于：对线状热源施加电压，使其在水下发热；在热源周围同一圆周上等间距设置若干个温度探头；在热源开始通电发热后开始计时，记录各探头温度随时间的变化，根据探测到的温度值与时间的关系，判断地下水的流向，计算地下水的流速。
2.根据权利要求1所述的地下水流速流向测定方法，其特征在于，利用温度为示踪剂进行参数的探测。
3.根据权利要求1所述的地下水流速流向测定方法，其特征在于，利用给线状热源施加电压的方法使水温升高。
4.根据权利要求1所述的地下水流速流向测定方法，其特征在于，以线状热源为中心，在线状热源周围同一圆周上等间距设置若干个温度探头，温度探头的数量不少于4个。
5.根据权利要求1所述的地下水流速流向测定方法，其特征在于，在线状热源开始发热时，即开始记录时间，并记录各探头探测温度随时间的变化。
6.根据权利要求1所述的地下水流速流向测定方法，其特征在于，利用矢量叠加法判断地下水的流向，即以每个温度探头探测到的温度为矢量大小，以线状热源到各探头的方向为矢量方向确定出与各探头相对应的矢量，各矢量叠加后得到的方向即为地下水流动方向。
7.根据权利要求1所述的地下水流速流向测定方法，其特征在于，利用探头探测到的温度变化与时间的关系计算地下水的流动速度。
8.一种以温度为示踪剂的地下水流速流向探测装置，其特征在于，在圆柱状探头的一端的中心设置阻值为20欧姆的长直电阻丝，电阻丝两端接25伏温压直流电源，以电阻丝为中心，周围半径为2.5厘米的圆周上等间距设置不少于4个温度传感器，温度传感器接入数据采集系统，数据采集系统接入微型计算机，通过微型计算机控制电阻丝电流开关，电源开启后每隔一定的时间自动记录各温度传感器温度值的变化。
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