CN102288647A

CN102288647A - 一种地下海水入侵范围与程度的原位自动监测方法及系统

Info

Publication number: CN102288647A
Application number: CN2011101257391A
Authority: CN
Inventors: 贾永刚; 赵战坤; 单红仙
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明涉及一种地下海水入侵范围与程度的原位自动监测方法及系统，包括：1)建立监测区域内淡水中海水含量与电导率值之间对应的标准曲线；2)确定海水/淡水分界线的电阻率值，作为判别标准；3)通过电阻率探杆原位测定垂向上各电极点对应的电阻率值，确定海水入侵的范围和程度；并确定海水/淡水分界线位置；其中电阻率探杆的电极间距为2.0cm。本发明所述的监测方法可以对地下海水入侵情况监测实现自动监测，避免人工的介入和干预所带来的繁复工作；通过原位实时电阻率监测，可以实时提供地下含水介质电阻率数据，圈定海水入侵的范围和入侵区的入侵程度，确定海水/淡水分界线，做到长期原位监测，为海水入侵的预防提供实际的基础数据。

Description

一种地下海水入侵范围与程度的原位自动监测方法及系统

技术领域

本发明属于地下勘探技术领域，具体涉及一种地下海水入侵范围与程度的原位自动监测方法及系统。

背景技术

随着工业的发展和人口的增加，沿海城市越来越多的通过开采地下水来满足城市的全部或部分用水需求。但对地下水的过度开采，导致从地面下含水层抽水的速度超过了含水层的天然补给速率，其结果就是含水层中水位下降，致使海水入侵含水层，从而对城市饮用水供应能力造成严重的长期影响。

目前海水入侵的监测技术主要有监测井取样检测法、地球物理方法等。其中监测井取样检测方法费时费力，而且只能监测一个点的数据，不能监测该点垂直方向上的海水分布情况，不能做到实时连续监测；而现有的地球物理方法都采用地面设备，测定地下电阻率或电导率值来间接反映海水入侵的情况，该方法虽然能在一定宏观尺度上反映海水入侵情况，但其缺点是监测需要人力物力较大，监测时间和周期受到限制，不能实现连续实时监测，而且间接数据的解析常常由于地下介质的复杂而变得比较复杂。为了能够原位实时监测海水入侵的程度与范围，实时的提供地下海水入侵状况，需要提供一种进行无源且连续实时地原位监测海水楔形体和侵入沿海含水层的海水状态的方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种测定地下海水入侵范围与程度的原位自动监测方法及系统，即提供一种利用测定地层中电导率和电阻率来实时监测海水入侵的方法，本发明的方法及其相关的系统可以实现海水入侵范围与程度的原位实时监测，以弥补现有技术的不足。

本发明的另一个目的是通过监测电导率和电阻率的突变值或者变化范围区间，来作为判断海水入侵的海水/淡水分界线的标准，即通过分析监测点垂向上的电阻率分布图来确定海水/淡水的分界线。

本发明利用监测地层中电阻率垂向分布来确定监测点垂向上的海水入侵范围与程度并判断海水/淡水分界线位置，具体是在温度、含水介质等因素一定的情况下，地下介质中电导率/电阻率值与海水含量存在线性关系，通过埋设电阻率探杆的方式监测地层中电导率/电阻率值，绘制电导率/电阻率垂向分布曲线，分析得出电阻率变化规律，从而结合当地水文地质条件得到监测点垂直方向上的海水入侵范围与程度及海水/淡水分界线位置。

本发明方法的步骤如下：

1)首先根据含水介质中海水浓度和对应的电阻率测量值，并转化为电导率，建立监测区域内相关含水介质内淡水中海水含量与电导率值之间对应的标准曲线，其公式为：

c = \frac{E_{m} - E_{f}}{E_{s} - E_{f}}

其中c为淡水中海水含量的百分比，E_f淡水电导率、E_s海水电导率、E_m淡水海水混合液电导率；

2)根据海水含量与电导率对应关系，确定海水/淡水分界线的电阻率值，作为判别标准；

3)通过电阻率探杆原位测定垂向上各电极点对应的电阻率值，并根据标准曲线各电极点对应的海水浓度，确定海水入侵的范围和程度；并确定海水/淡水分界线位置；其中电阻率探杆的电极间距为2.0cm。

本发明确定的海水/淡水分界线的电阻率标准值为25Ω·m左右。

本发明方法所用的电阻率探杆与中国实用新型专利200820233386.0中所描述的电阻率检测装置的结构基本相同，本发明是对电阻率探杆的电极间距进行选择，对探杆的电极间距进行调整以适应不同的监测需要。本发明选择测量值最准确的电极间距来进行海水入侵程度与范围的现场监测，本发明的监测方法中电阻率探杆的电极间距优选为2.0cm。

本发明的一种地下海水入侵范围与程度自动监测系统，包括有为整个系统供电的电源、控制监测系统工作状态的中央控制装置，与电阻率探杆连接的数据采集装置，其特征在于所述的电阻率探杆埋置于钻孔内部，电阻率探杆采集的电阻率值通过数据发送装置传送至数据接收处理装置，其中电阻率探杆的电极间距为2.0cm。

整个系统由充电电池和/或太阳能电池板联合供电。

本发明所述的监测方法可以对地下海水入侵情况监测实现自动采集、转换、存储和发送，避免人工的介入和干预所带来的繁复工作，同时可以提高监测数据的准确性；通过原位实时电阻率监测，可以实时提供地下含水介质电阻率数据，圈定海水入侵的范围和入侵区的入侵程度，确定海水/淡水分界线，做到长期原位监测，为海水入侵的预防提供实际的基础数据。

附图说明

图1：本发明监测方法的应用示意图；

图2：本发明的电阻率垂向分布曲线，海水入侵的程度与范围及海水/淡水分界线的示意图；

图3：本发明的监测系统的连接示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施步骤进行详细描述：

步骤1：首先根据海水浓度和对应的电阻率测量值，建立监测区域内含水介质中海水含量与电阻率值之间对应关系曲线，并确定换算公式；

首先应在海水入侵易发区域，结合当地水文地质条件，布设海水入侵监测点，钻孔取地层介质样品，并同时分析了解地质构造、含水介质垂向分布及地下水埋深情况；

1)取监测点含水层介质，经充分清洗后，置于鼓风干燥器中在105℃下烘干；

2)将烘干的含水介质用不同海水和淡水比例的混合液进行饱和，用电阻率探杆测定不同比例混合液饱和的含水介质的电阻率值；

3)根据实验结果，将溶液中的海水含量与电导率一一对应建立标准曲线，并用excel得到曲线公式如下：

c = \frac{E_{m} - E_{f}}{E_{s} - E_{f}}

其中c为淡水中海水含量的百分比，E_f淡水电导率、E_s海水电导率、E_m淡水海水混合液电导率。

步骤2：根据海水含量与电阻率对应关系，确定海水/淡水分界线的电阻率值，作为判别标准；其中海水/淡水分界线的电阻率值就是电阻率出现突变的点；

步骤3：通过电阻率探杆原位测定垂向上各电极点对应的电阻率值，并根据标准曲线各电极点对应的海水浓度，确定海水入侵的范围和程度；并确定海水/淡水分界线位置；

对于步骤3，首先根据地质条件及地下水的水位确定探杆长度，加工并埋设探杆，同时安装供电设备及数据采集数据发射装置等。探杆的原位监测，数据采集及传输，数据处理与分析；根据数据分析结果和标准关系式，判断入侵程度及范围，确定海水/淡水分界线位置。

所述的电阻率探杆与中国实用新型专利200820233386.0中的所描述的电阻率检测装置的结构基本相同，并对其进行改造。本发明所用电阻率探杆长度可以根据实际情况进行选择以适应不同的监测需要。

本发明原位监测系统如图3，包括有电源、电阻率探杆、数据采集装置、数据发送装置、数据接收处理装置，其特征在于所述的电阻率探杆埋置于钻孔内部，电阻率探杆与数据采集装置电连接，使测试电路板与电阻率探杆电连接，保证电极的供电和数据采集，所述的电阻率探杆采集的电阻率值通过数据发送装置传送至数据接收处理装置，整个系统由充电电池和太阳能电池板联合供电，该电池及电池板固定在地面。

本发明将电阻率探杆获得的数值绘制深度-电阻率曲线、钻孔中某一深度电阻率变化曲线及电阻率变化速率历时曲线。结合水文地质条件，可供地下海水入侵的预测和判别使用。地下含水介质电阻率曲线反映了含水介质内部海水含量和分布特征。依据地下介质电阻率监测曲线的动态变化可确定地下淡水/海水分界线变化特征，并可确定海水入侵范围的动态特征。

实施例1：建立监测区域内含水介质中海水含量与电阻率值之间的标准曲线

将取自青岛流清河海滩的砂样经充分清洗后，置于鼓风干燥器中在105℃下烘干，将烘干的砂样按表中所列海水/淡水比例进行饱和处理，分别选取电极环间距为0.5cm、1.0cm和2.0cm的电阻率探杆测量电阻率值，并将电阻率值取倒数转化为电导率值，利用excel软件建立标准曲线，并进行数值拟合得到电导率(S/m)与海水占淡水百分比(％)关系式。根据曲线的R²值选择最优电极间距。其中此处的淡水电导率为0.02S/m，纯海水的电导率是3.48S/m。

不同电极间距所测得的电导率与海水/淡水比值间的关系见表1、表2、表3。

表1电极环间距为0.5cm时的电导率与海水/淡水比值关系

海水/淡水(％)	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7
								电导率(S/m)	0.40	0.75	1.10	1.39	1.59	1.64	1.82
海水/淡水(％)	0.8	0.9	1.0	1.1	1.2	1.3	1.4
								电导率(S/m)	1.85	1.92	2.00	2.08	2.13	2.17	2.22

由上表利用excel软件绘图可得电导率E(S/m)与海水/淡水比值C间的关系式：

E＝3.5245C+0.252R²＝0.9736

表2电极环间距为1.0cm时的电导率与海水/淡水比值关系

海水/淡水(％)	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7
								电导率(S/m)	0.39	0.58	1.06	1.35	1.54	1.61	1.82
海水/淡水(％)	0.8	0.9	1.0	1.1	1.2	1.3	1.4
								电导率(S/m)	1.89	1.92	1.96	2.00	2.08	2.12	2.22

由上表可得电导率E(S/m)与海水/淡水比值C间的关系式：

E＝3.7654C+0.1486R²＝0.9702

表3电极环间距为2.0cm时的电导率与海水/淡水比值关系

海水/淡水(％)	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7
								电导率(S/m)	0.40	0.74	1.03	1.26	1.49	1.54	1.72
海水/淡水(％)	0.8	0.9	1.0	1.1	1.2	1.3	1.4
								电导率(S/m)	1.85	1.96	2.04	2.08	2.17	2.17	2.22

由上表可得电导率E(S/m)与海水/淡水比值C间的关系式：

E＝3.7061C+0.1569R²＝0.9892

实验结果表明，当电阻率探杆的电极间距为2.0cm时，所测得的电阻率与海水/淡水比值相关性最好；最接近实际的情况；而电极间距大于2.0或小于2.0时都产生了测量上的偏差，所以用2.0cm电极间距的电阻率探杆进行测量。

实施例2：利用电极间距为2.0cm的电阻率探杆在室内模拟海水入侵实验中应用，监测结果如下表：

表4室内试验监测结果

深度/cm	12	14	16	18	20	22	24	26	28	30
											电阻率	55.05	49.86	47.21	51.04	47.10	48.23	48.99	50.29	46.66	49.79
深度/cm	32	34	36	38	40	42	44	46	48	50
											电阻率	47.87	47.36	47.92	47.05	46.80	46.01	46.63	46.17	46.00	47.58
深度/cm	52	54	56	58	60	62	64	66	68	70
											电阻率	48.25	44.82	43.89	46.19	45.90	45.32	45.19	43.38	43.69	42.20
深度/cm	72	74	76	78	80	82	84	86	88	90
											电阻率	40.53	38.77	38.79	39.80	40.30	40.13	38.00	34.76	31.94	31.20
深度/cm	92	94	96	98	100	102	104	106	108	110
											电阻率	26.99	19.78	18.23	17.77	14.25	12.02	10.93	8.12	6.68	4.82
深度/cm	112	114	116	118	120	122	124	126	128	130
											电阻率	3.02	2.15	1.58	0.78	0.75	0.57	0.49	0.40	0.33	0.27

由室内试验得到的监测结果可知，在深度为80cm以上，电阻率值较大，海水混入程度低，可视为淡水区，在80cm-110cm区域内，电阻率变化剧烈，可视为海水与淡水的过渡区，110cm以下电阻率值很小，可视为海水区，可以看出由于浮力等原因，纯淡水在最上层，中间为海水和淡水的混合层，最下层为海水层。由上表还可看出在25Ω·m左右时电阻率出现突变，可以将此值作为海水/淡水分界线的标准值。

实施例3野外实际观测

在李村河下游冲积平原区选择一个点进行了现场监测实验。首先取土壤柱状样进行分析，取样深度为10m。分析显示，该区域地下主要为细砂质土壤，在上层2～4m处夹杂有中粗砂。将电阻率探杆的长度加工为10m，电极环间距为2cm并埋入钻孔，利用远程控制装置对电阻率探杆和数据采集装置发送信号，探杆接收到信号后进行现场电阻率采集，采集的信号经数据处理装置进行初步处理传输给数据发送装置，有数据发送装置通过无线网络发送给数据接收处理装置。之后进行连续采集，若需要中途停止，可由中央控制装置发送信号结束采集。由接收到的电阻率实时数据可知：电阻率垂向分布显示在地表电阻率值基本保持在40Ω·m不变，在地下5m左右处出现电阻率值的突变，电阻率值在垂向30cm范围内由40Ω·m变为19Ω·m左右，深度继续增加电阻率值基本保持不变。根据室内实验结果，分析可容易得出，在该监测点，地下5m左右为海水/淡水的分界点，海水入侵范围已经达到地下5m处，地下水受到海水严重污染。

Claims

1.一种地下海水入侵范围与程度的原位自动监测方法，其特征在于，监测方法包括如下步骤：

c = \frac{E_{m} - E_{f}}{E_{s} - E_{f}}

3)通过电阻率探杆原位测定垂向上各电极点对应的电阻率值，并根据标准曲线各电极点对应的海水浓度，确定海水入侵的范围和程度；并确定海水/淡水分界线位置。

2.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于上述的电阻率探杆的电极间距为2.0cm。

3.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于上述的海水/淡水分界线的电阻率标准值为25Ω·m。

4.一种地下海水入侵范围与程度自动监测系统，包括有为整个系统供电的电源、控制监测系统工作状态的中央控制装置，与电阻率探杆连接的数据采集装置，其特征在于所述的电阻率探杆埋置于钻孔内部，电阻率探杆采集的电阻率值通过数据发送装置传送至数据接收处理装置，其中电阻率探杆的电极间距为2.0cm。

5.如权利要求4所述的监测系统，其特征在于上述的电源为电池和/或太阳能电池板。