CN105116164A - 一种电解极化测量渗流流速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电解极化测量渗流流速的方法，该方法包括以下步骤：布设用于产生电解极化形成离子脉冲电解电极；布设用于测量系统电导率以感知离子浓度变化的电导电极；对电解电极施加一定时间的直流电压，同时通过电导电极的测量电导率变化，绘制电导率变化曲线；在滤波后的电导率变化曲线上，以电解电极开始施加直流电压的时间为零点，求电导率极大值或极小值出现的时间；根据电导率极值出现时间及两电极间距计算测定流速；根据标定测得的校正系数a及补偿因子b，计算实际流速。本发明方法简单，操作方便，示踪过程不引入新物质，无环境污染，方法所需测量距离小，能同时测定多个方向上的流速分量，为渗流监测提供连续测量方法。

Description

一种电解极化测量渗流流速的方法

技术领域

本发明涉及岩土渗流监测技术领域，尤其涉及一种电解极化测量渗流流速的方法。

背景技术

渗流流向、流速是岩土工程、水文地质领域非常重要的参数，对于污染物运移、油气开发、水土流失等相关问题的研究也具有重大意义。传统示踪法，由于示踪剂多为染料或电解质溶液，需要专门的投药装置，且投药点与测量位置必须间隔较长距离，难以成设计成一体化传感器实现连续监测；热示踪通过测量温度场变化，确定渗流流速、流向，光纤式测温渗流监测系统属于该种类型的其典型代表，由于光纤式测温渗流监测系统需要在监测范围内铺设光纤，故成本较高。因此，渗流监测迫切需要一种成本低廉的测量方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种电解极化测量渗流流速的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电解极化测量渗流流速的方法，包括以下步骤：

1)在岩土体中布设用于产生电解极化形成离子脉冲电解电极；所述电解电极的主要功能是产生电解极化形成离子脉冲，当施加直流电压时，电极表面在电场作用下阴离子向正极运动、阳离子向负极运动，电极附近溶液形成浓差极化，使得电极表面离子浓度高于体系平均离子浓度，电极附近离子浓度低于体系平均离子浓度，形成电解质脉冲，此时在距离电极x处离子数密度为：

式中：Z_i为第i种离子的电荷数；e为电子电量；为x处的电势；k为玻尔兹曼常数；T为温度；为时平均数密度。

2)在岩土体中布设用于测量系统电导率以感知离子浓度变化的电导电极；

所述电导电极的主要功能是测量系统电导率以感知离子浓度变化，对于稀的强电解质有，Λ^∞为极限摩尔电导，在C很小的情况下，因此电导 $G=\mathrm{\Σ}({\mathrm{\Λ}}^{\mathrm{\∞}}-{\mathrm{\αC}}^{\frac{1}{2}})C=\mathrm{\Σ}({\mathrm{\Λ}}^{\mathrm{\∞}}C-{\mathrm{\αC}}^{\frac{3}{2}})={\mathrm{\Σ\Λ}}^{\mathrm{\∞}}C,$ 电导变化 $\mathrm{\Δ}G=\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}/k=\mathrm{\Δ}C({\mathrm{\Λ}}_{+}^{\mathrm{\∞}}+{\mathrm{\Λ}}_{-}^{\mathrm{\∞}}),$ 当电导常数k不变时，离子浓度变化ΔC与电导率的变化Δλ成正比。根据测量需要可在传感器上布设一对电导电极以测量某一方向上的离子浓度变化，也可布设多对电导电极测量不同方向上的离子浓度变化。电解电极与电导电极的最小间距使用公式估算，式中d为最小电极间距，ε为测量允许的相对误差，D_L为所测量水中离子扩散系数，u_min为设计最小流速，电解电极与电导电极间距不小于d。

3)对电解电极施加一定时间的直流电压，同时通过电导电极的测量电导率变化，绘制电导率变化曲线；所述施加直流电压的时间为[0.5-10]秒，直流电压大小为[2-36]伏。所述测量电导率变化的采样频率不低于0.1Hz。

当施加直流电压时，电极表面在电场作用下阴离子向正极运动、阳离子向负极运动，电极附近溶液形成浓差极化，使得电极表面离子浓度高于体系平均离子浓度，电极附近离子浓度低于体系平均离子浓度，形成电解质脉冲，此时在距离电极x处离子数密度为：

式(1)中：Z_i为第i种离子的电荷数；e为电子电量；为x处的电势；k为玻尔兹曼常数；T为温度；为时平均数密度；

电导变化 $\mathrm{\Δ}G=\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}/k=\mathrm{\Δ}C({\mathrm{\Λ}}_{+}^{\mathrm{\∞}}+{\mathrm{\Λ}}_{-}^{\mathrm{\∞}})---\left(2\right)$

式(2)中，Λ^∞为极限摩尔电导，k为电导常数，Δλ为电导率变化，ΔC为离子浓度变化；

4)对电导率数据通过滤波处理后绘制电导变化曲线，以电解电极开始施加直流电压的时间为零点，在电导变化曲线上求电导率极大值或极小值出现的时间t；

5)计算测定流速。所述测定流速，采用公式计算，式中v为测定流速，d为电解电极与电导电极的间距，t为步骤(4)所得时间；

6)标定流速校正系数。所述标定流速校正系数，首先在一系列已知流速的条件下，按步骤(3)-步骤(5)求取测定流速，再对已知流速和测定流速进行回归分析，求得回归方程v_已知＝a·v_测定+b，式中v_已知为已知流速，a为校正系数，v_测定为测量流速，b为补偿因子，最终确定校正系数及补偿因子；

7)测量实际流速。所述测量实际流速，按步骤(3)-步骤(5)求取测定流速，根据步骤(6)的校正系数及补偿因子，按v_实际＝a·v_测定+b计算实际流速，式中v_已知为已知流速，a为校正系数，v_测定为测量流速，b为补偿因子。

本发明产生的有益效果是：采用本发明方法示踪过程不引入新物质，无环境污染，方法所需测量距离小，能同时测定多个方向上的流速分量，为渗流监测提供连续测量方法。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例电解电极与电导电极的布置图；

图2是本发明实施例电导率变化图；

图3是本发明实施例小波滤波后电导率变化曲线图；

图4是本发明实施例回归分析结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例中测量电导率在50-1500μScm^-1之间的天然水，流速范围0.01cms^-1-0.1cms^-1内的渗流流速。

一种电解极化测量渗流流速的方法，包括以下步骤：

(1)布设电解电极。布设电解电极，电解电极的材质采用铜、电极形状采用平行条带，电极宽1.00mm，长5.00mm，厚度35μm，间隔距离1.00mm，电极常数约为0.4；

(2)布设电导电极。布设电导电极，电导电极的材质采用铜、电极形状采用平行条带，电极宽1.00mm，长5.00mm，厚度35μm，间隔距离1.00mm，电极常数约为0.4。电导电极数量为一对，设置在下游方向。电解电极与电导电极间距，取最小流速u_min＝0.01cm·s^-1，D_L＝10^-5cm²·s^-1，ε＝1％，计算最小电极间距取电解电极与电导电极间距为2cm(如图1)；

(3)电解电极施加一定时间的直流电压，同时通过电导电极的测量电导率变化(如图2)，绘制电导率变化曲线。施加直流电压的时间为4秒，直流电压大小为9伏。测量电导率变化的采样频率4Hz。

(4)根据电导率数据通过滤波后绘制电导变化曲线，以电解电极开始施加直流电压的时间为零点，在电导变化曲线上求电导率极大值或极小值出现的时间。根据电导率数据通过滤波后绘制电导变化曲线(如图3)，以电解电极开始施加直流电压的时间为零点，求电导率极大值出现的时间，测得极大峰时间为105秒，极小峰60秒。

(5)计算测定流速。测定流速采用公式计算，式中v为测定流速，d为电解电极与电导电极的间距，t为步骤(4)所得时间。计算得测定流速为。

(6)标定流速校正系数。首先在一系列已知流速的条件下，按步骤(3)-步骤(5)求取测定流速结果如表1，再对已知流速和测定流速进行回归分析(如图4)，求得回归方程v_已知＝a·v_测定+b，式中v_已知为已知流速，a为校正系数，v_测定为测量流速，b为补偿因子，最终确定校正系数及补偿因子，极大峰校正系数1.328、补偿因子-4.78×10^-3cm·s^-1，极小峰校正系数0.7058、补偿因子-1.31×10^-3cm·s^-1。

表1不同流速测量结果

表中：V₀为已知流速，L为电解电极与电导电极距离，t_LRP为极小峰出峰时间，STD_LRP为极小峰出峰时间标准方差，V_LRP为极小峰测定流速，t_HRP为极大峰出峰时间，STD_HRP为极大峰出峰时间标准方差，V_HRP为极大峰测定流速；

(7)测量实际流速。测量实际流速，按步骤(3)-步骤(5)求取测定流速，根据步骤(6)的校正系数及补偿因子，按v_实际＝a·v_测定+b计算实际流速，式中v_已知为已知流速，a为校正系数，v_测定为测量流速，b为补偿因子。极大峰的测定流速为0.0321cm·s^-1，实际流速为0.0378cm·s^-1，极小峰的测定流速为0.0555cm·s^-1，实际流速为0.0379cm·s^-1。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种电解极化测量渗流流速的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在岩土体中布设用于产生电解极化形成离子脉冲电解电极；

2)在岩土体中布设用于测量系统电导率以感知离子浓度变化的电导电极；

3)对电解电极施加一定时间的直流电压，同时通过电导电极的测量电导率变化，绘制电导率变化曲线；

4)对电导率数据通过滤波处理后绘制电导变化曲线，以电解电极开始施加直流电压的时间为零点，在电导变化曲线上求电导率极大值或极小值出现的时间t；

5)计算测定流速：所述测定流速，采用公式计算，式中v为测定流速，d为电解电极与电导电极的间距，t为步骤(4)所得时间；

6)标定流速校正系数；标定流速校正系数的方法为，首先在一系列已知流速样本的条件下，按步骤1)至步骤5)求取测定流速，再对已知流速和测定流速进行回归分析，求得回归方程v_已知＝a·v_测定+b，式中v_已知为已知流速，a为校正系数，v_测定为测量流速，b为补偿因子，最终确定校正系数a及补偿因子b；

7)根据测定流速及校正系数a及补偿因子b计算实际流速。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述施加直流电压的时间为[0.5-10]秒，直流电压大小为[2-36]伏。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量电导率变化的采样频率不低于0.1Hz。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中电导率变化采用下式获得：

当施加直流电压时，电极表面在电场作用下阴离子向正极运动、阳离子向负极运动，电极附近溶液形成浓差极化，使得电极表面离子浓度高于体系平均离子浓度，电极附近离子浓度低于体系平均离子浓度，形成电解质脉冲，此时在距离电极x处离子数密度为：

式(1)中：Z_i为第i种离子的电荷数；e为电子电量；为x处的电势；k为玻尔兹曼常数；T为温度；为时平均数密度；

电导变化 $\mathrm{\Δ}G=\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}/k=\mathrm{\Δ}C({\mathrm{\Λ}}_{+}^{\mathrm{\∞}}+{\mathrm{\Λ}}_{-}^{\mathrm{\∞}})---\left(2\right)$

式(2)中，Λ^∞为极限摩尔电导，k为电导常数，Δλ为电导率变化，ΔC为离子浓度变化。