CN108827833A - 基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统，包括岩溶介质装配管道模型系统，用于模拟不同类型地下岩溶介质；试验台架用于支撑岩溶介质装配管道模型系统；供水系统连接岩溶介质装配管道模型系统为所述的岩溶介质装配管道模型系统供水；全自动示踪投放控制系统连接岩溶介质装配管道模型系统向岩溶介质装配管道模型系统内投入配制好的示踪溶液；无线实时荧光示踪监测系统，用于对荧光示踪剂浓度及流速的实时监控、实现数据的远程无线传输；中央控制系统控制全自动示踪投放控制系统、供水系统，无线实时荧光示踪监测系统和高清摄像记录系统与中央控制系统通讯。

Description

基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统

技术领域

本发明涉及水文地质学、水文与水资源工程、地下水与科学工程、环境科学与工程、水资源与环境工程、工程地质等技术领域，特别是涉及一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统。

背景技术

在中国的西南地区存在着大量的喀斯特岩溶地层，地质条件极端复杂，形成了许多暗河、管道、落水洞、溶沟溶槽等喀斯特地貌。现阶段，随着经济建设的飞速发展，大批水利水电工程、铁路公路交通工程等重大基础工程正向这些岩溶地区转移，位于地表以下的暗河、管道不容易被发现，在地下工程施工时存在着极大安全隐患。因此，为保证工程施工安全，探明查清西南地区岩溶管道介质发育程度及构造条件是刻不容缓的。岩溶地下水示踪试验是一种能够准确地探测和分析岩溶管道介质的水文地质试验，是研究地下水运移、污染源、岩溶管道形态的重要工具之一。示踪技术根据接收的浓度曲线特征，能在较短时间内准确、经济地确定地下水流的水文参数、探测地下岩溶管道介质类型及结构特征。

目前，国内外学者针对水库、大坝、油田和煤层气井等工程开展了一系列现场示踪监测试验，对工程现场的岩溶地下水补给源和途径进行探查，但尚未进行过较为系统的室内示踪探查试验，缺乏针对岩溶管道介质的示踪技术分析相关装置设备及方法，尚未能提出对于室内示踪探查试验的切实可行的技术手段。综上所述，有必要开发一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统及操作方法，以解决以上问题。

发明内容

本发明为克服上述技术的不足，提供一种操作简便、方便监测的基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统分为四个部分，包括岩溶介质装配管道模型系统、试验台架、供水系统、全自动示踪投放控制系统、无线实时荧光示踪监测系统、中央控制系统及高清摄像记录系统；

所述的岩溶介质装配管道模型系统，由一系列设计尺寸样式的岩溶概念模型管道组成，用于模拟不同类型地下岩溶介质；在其入口处测定流速并进行示踪投放，在出口处进行实时数据采集和监测，获取不同岩溶介质结构的示踪曲线特征；

所述的试验台架用于支撑岩溶介质装配管道模型系统；

所述的供水系统连接岩溶介质装配管道模型系统为所述的岩溶介质装配管道模型系统供水；

所述的全自动示踪投放控制系统连接岩溶介质装配管道模型系统向岩溶介质装配管道模型系统内投入配制好的示踪溶液；

所述的无线实时荧光示踪监测系统，用于对荧光示踪剂浓度及流速的实时监控、实现数据的远程无线传输；

所述的高清摄像记录系统，用于对荧光示踪剂在管道中运移全过程进行记录和拍摄，通过无线传输，将图像及视频实时传输到中央控制系统，结合收集到的示踪浓度及流速，在显示屏进行直观展示，为后期数据的处理和分析提供依据和帮助；

所述的中央控制系统控制全自动示踪投放控制系统、供水系统，无线实时荧光示踪监测系统和高清摄像记录系统与中央控制系统通讯。

进一步的，所述管道模型为透明材料，可以对示踪试验过程中示踪剂浓度的变化进行直观观察；在管道模型靠近入口的位置设置了一个与全自动示踪投放控制系统相连接的开口，、在靠近其出口处设有与无线实时荧光示踪监测系统相接的开口，采用密封圈进行密封，防止试验时液体的泄露。

进一步的，所述试验台架，包括台架底座和支撑架，所述台架底座的中间及四周均设置排水水渠，以便将试验中多余的水排进下水道；在中间排水渠两侧设置有两条滑轨，在所述的两条滑轨上装载多个可调高支撑架，所述的岩溶介质装配管道模型系统安装在该支撑架上。

进一步的，所述的全自动示踪投放控制系统，包括供水装置、一体化三室组合箱体、中央控制系统和在线实时监测装置；

所述的一体化三室组合箱体包括依次连通的预混室、混合室和储存室；

所述的预混室负责储存罗丹明、荧光素钠、天来宝这三种示踪剂的干粉，在其底部设有称重装置，所述的称重装置用于检测示踪剂干粉的重量，且将检测的信号发给所述的中央控制系统；中央控制系统控制进入到混合室内的示踪剂干粉的重量；

所述的混合室负责示踪溶剂的配置，供水装置向混合室内供水；所述的混合室包括温度传感器、搅拌杆、降温底座，所述的温度传感器安置在混合室下部；所述的搅拌杆用于搅拌待混合的溶液；所述的降温底座位于预混室底部，所述的温度传感器与中央控制系统相连，所述的中央控制系统控制降温底座实现对混合室内的温度控制；

所述的储存室用于存储配好的溶液，其上设置有与管道相连通的排液软管；

所述的在线实时监测装置包括安装在混合室和储存室内的多种传感器，用于对配制溶液的各种参数进行监测；并将数据传输至中央控制系统，将历史数据及时保留。

进一步的，所述的搅拌杆包括一个中空的主杆和安装在主杆底部的多个螺片；所述的主杆上开设有乙醇溶液注入孔，每个所述的螺片与主杆侧壁形成截面呈三角形的中空结构，且在所述的螺片侧壁上均布多个小孔；所述的中空主杆的内部与螺片的内部连通。

为防止罗丹明B粉末吸附在螺杆及螺片上，鉴于罗丹明B极易溶解于乙醇的特性，在配置溶液过程中，沿主杆上方开孔注入少量乙醇溶液，乙醇顺主杆上方开孔流入、沿螺片小孔流出，将吸附在螺片上的罗丹明B粉末带出，保证螺杆光洁，提高溶液配制速率。

进一步的，所述的供水装置包括一个水箱、电泵和电动流量调节器，负责提供稳定水源；电泵提供动力，将水箱里的水不断地抽至混合室；电动流量调节器根据中央控制系统发出的信号控制流量及进水流速，并将流量信息传递至中央控制系统。

进一步的，所述混合室内还设有温度传感器；温度传感器安置在混合室下部。预混时，根据设计浓度及剂量，计算所需干粉重量和水量，依次打开电动流量调节器和气压调压装置，向混合室内加入示踪剂干粉和水。当示踪剂按设计浓度所需的投加量倒入混合室时，通过气压调压装置和电动流量调节器测得投加示踪剂重量或水的流量，向中央控制系统发出继续投加或停止投加的信号。随后，通过中央控制系统设定搅拌螺杆转速及转动时间，对示踪剂进行快速搅拌，防止出现结块。降温底座位于预混室底部，结合温度传感器实现对预混系统的温度控制，内置冰水循环管路，可保持预混室内温度在5°-15°之间，防止温度过高，示踪剂发生降解。当温度升高时，中央控制器收到温度传感器的信号，并对冰水循环管路发出指令，开始工作；当温度较低时，冰水循环管路停止工作。

进一步的，所述在线实时监测装置包括在线示踪监控器、浊度传感器、PH传感器、腐蚀率监控器、光电式液位传感器和温度传感器；投放过程中，在线实时监测装置负责对重要水质参数采用在线传感器形式进行实时监控，并传输至中央控制系统，将历史数据及时保留；在混合室和储存室内布置有浊度传感器、PH传感器、腐蚀率监控器，对示踪溶液的配置过程和储存过程进行浊度、PH及腐蚀率的监测；

所述在线示踪监控器安装在混合室内，对混合室示踪剂浓度进行实时监测，当药剂浓度不足时，能及时补充化学药剂至设计浓度，确保系统中的化学药剂始终维持最佳状态；

所述光电式液位传感器安装在储存室内，负责实时监测液位；当储存室的溶液处于低液位时，传感器将液位输出信号传递至中央控制系统的投放控制模块，启动设备重新进行溶液配制过程；当储存槽的溶液处于高液位时，传感器同样发出信号，停止溶液配制。

进一步的，在所述的预混室、混合室和储存室的内壁上均匀均涂黑色遮光涂料。

进一步的，在所述预混室上部四周有置物隔板，内置干燥剂和铁粉，铁粉氧化吸收氧气，为存放示踪剂提供一个干燥避光环境。

进一步的，在所述的预混室的上部设有气压调压装置，所述的气压调节装置调节预混室内的压力，且预混室内设有一个导料管，所述的导料管的一端插装在预混室的示踪剂内，另一端连通混合室；试验时，通过气压调压装置对预混室进行加压，示踪剂干粉在压力作用下，通过导料管进入混合室。

进一步的，在所述的混合室的上部设有气压调压装置，所述的气压调节装置调节混合室内的压力，且混合室内设有一个导料管，所述的导料管的一端插装在混合室的混合液内，另一端连通储存室；验时，示踪剂干粉和水在混合室进行拌匀，并调配成设计浓度的溶液；通过气压调压装置对混合室进行加压，溶液在压力作用下，通过导料管进入储存室内，当中央控制系统发出投放指令后，溶液由计量泵将一定量的药液通过排液软管送至指定点。

进一步的，所述无线实时荧光示踪监测系统主要包括水力自充电电源、多功能示踪监测探头、无线超声波流量计；

所述水力自充电电源由漩涡充电装置和锂电池组成，由一根导线将涡轮充电装置和锂电池连接；所述的漩涡充电装置设置在模拟管道出水口附近的排水通道中，水流将带动涡轮转动，漩涡充电装置内置的小型发电机就能够将机械能转化为电能，储存到锂电池内；

所述多功能示踪监测探头，设置在模型管道上，可对流速、水位、浊度、电导率及荧光示踪剂浓度进行监测，数据经无线传输至中央控制器；

所述无线超声波流量计包括夹持式传感器、耦合剂、连接线；所述的耦合剂涂抹在管道表面，夹持式传感器夹持在管道上连接中央控制系统。

进一步的，所述中央控制系统由中央处理器、显示屏组成，所述的中英处理器包括数据存储模块、处理分析模块、集中控制模块；数据存储模块负责记录存储示踪浓度、流速、拍摄的照片及影像；处理分析模块，利用收集到的数据及图像，对动态流量及示踪剂回收率进行计算校正；集中控制模块分为投放控制模块和收集控制模块，分别负责控制全自动示踪投放控制系统和无线实时荧光示踪监测系统。

应用上述装置模拟真实岩溶地下介质环境，并借助示踪技术反演岩溶地下介质结构，包括以下步骤：

1)在室内试验开始前，将流速仪、加药系统、示踪仪等装置安置、组装好；

2)通过供水系统给进出水管道注满水，并打开排水阀，保持注水持续，检查是否有漏水现象。如有渗水将装置中水排空，对漏水处进行封堵，重复此步，直至确信没有渗漏现象。给管道中注满水后，进一步检查，确保进出管道中没有气泡残留，才能进行实验；

3)在进行正式实验之前，使用示踪剂在同一条件下进行一次均匀场模拟实验，测取自来水示踪的背景值，并估算掌握实验用时；

4)开始试验，将示踪剂通过加药系统一次性或连续性注入管道中，通过示踪仪及计算机实时进行监测记录和处理，等到监测到的示踪浓度可忽略时，关闭进水阀，结束本次试验；

5)一次试验结束后，将出水口阀门完全打开，用自来水将整个装置冲洗10min左右，并将相关实验用具洗净以备进行下一次实验。通过上述步骤，即完成了一次完整的实验，更换不同组合的管道，并控制不同流速来改变水力条件的方式，重复1)～4)操作过程，得到多组示踪浓度穿破曲线。通过中央处理器对这些曲线及数据进行存储，并通过神经网络等人工智能算法进行学习记忆。

6)在实际工程中，可将本发明的供水系统、示踪投放控制系统、无线实时荧光示踪监测系统及中央控制系统应用在现场示踪试验中。在投放点(如钻孔、河流、落水洞等)安置好供水系统、示踪投放控制系统，进行示踪剂定点投放，并在出口处(如河流下游、落水洞等)安装无线实时荧光示踪监测系统，通过中央控制系统实时记录数据及示踪浓度穿破曲线。

7)最终，通过中央处理器将现场实验得到的曲线及数据输入人工智能算法，与室内试验结果进行对比分析，实现对地下岩溶介质结构的推测及相关结构参数的反演。

本发明研究了一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统及操作方法，解决了以往研究中尚未进行过较为系统的室内示踪探查试验、缺乏针对岩溶管道介质的示踪技术分析相关装置设备及方法的这一技术难题。与前人研究相比，本发明装置具有以下优点：

1)本发明可针对多种组合岩溶管道模型进行溶质运移示踪模拟，采用直管道、地下溶潭、跌水等多种不同组合形式，并通过改变流速、管道的截面尺寸及长度，极大程度上真实还原岩溶地下介质环境，且采用的岩溶管道模型可拼装、拆卸，实现重复利用，采用高强PVC透明材料，具有可视性。

2)本发明可实现调节螺纹升降管的高度，进行不同水头差的多次室内示踪试验，模拟真实岩溶环境下的水头差。

3)本发明通过编程可实现单次投放、多次间断式投放和脉冲式投放示踪剂，将粉状示踪剂进行连续配置并投加，从粉剂到配制好的溶液，整个过程均达到全自动、安全、连续运行。

4)本发明借助无线实时荧光示踪监测系统，实现对荧光示踪剂浓度及流速的实时监控、数据远程无线传输，且通过水力发电实现无间断自供电功能，能够在无人值守的情况下进行室内试验。

5)本发明采用高清摄像仪对荧光示踪剂在管道中运移全过程进行记录和拍摄，并借助显示屏进行实时直观展示。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明的中央处理器模块结构图。

图3为漩涡充电装置细部图。

图4为四类基本管道模型。

图5为全自动示踪投放控制系统的结构图。

图6为搅拌杆的结构图。

图中：1、管道模型；2、O型密封圈；3、试验底座；4、排水水渠；5、滑轨；6、可调高支架(包括6a、螺纹升降管；6b、拼接套环)；7、储水箱；8、水泵；9、水压调节器及压力仪表；10、配套管路；11、示踪投放控制装置及水箱；12、水力自充电锂电池；13、漩涡充电装置；14、多功能示踪监测探头；15、无线超声波流量计；16、中央处理器；17、显示屏；18、高清摄像仪；

A、单一直管道模型；B、含支管道的管道模型；C、含水潭管道模型；D、含跌水管道模型；

11-1、水箱；11-2、电泵；11-3、电动流量调节器；11-4、预混室；11-5、混合室；11-6、储存室；11-7、示踪剂干粉；11-8、搅拌螺杆、8a、主杆；8b、螺片；11-9、在线示踪监控器；11-10、光电式液位传感器；11-11、多种在线传感器；11-12、计量泵；11-13、排液软管；11-14、气压调压阀；11-15、降温底座；11-16、导料管；11-18、电子称重系统。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统；解决了以往研究中尚未进行过较为系统的室内示踪探查试验、缺乏针对岩溶管道介质的示踪技术分析相关装置设备及方法的这一技术难题。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统分为四个部分，包括岩溶介质装配管道模型系统、试验台架、供水系统、全自动示踪投放控制系统、无线实时荧光示踪监测系统、中央控制系统及高清摄像记录系统。

其中：岩溶管道介质装配模型及试验台架为主要试验场所，通过组合多种装配管道模型，用于模拟不同类型地下岩溶介质，在入口处测定流速并进行示踪投放，在出口处进行实时数据采集和监测，获取不同岩溶介质结构的示踪曲线特征。

岩溶介质装配管道模型系统由一系列设计尺寸样式的岩溶概念模型管道组成。通过对岩溶概念模型管道进行一定规律进行设计、组合装配，可进行方便的拼装、拆卸，重复利用。

管道模型为硬质的高强PVC透明材料，可以对示踪试验过程中示踪剂浓度的变化进行直观观察。在管道靠近入口和出口的位置分别设置了一个与示踪投放控制系统、无线实时荧光示踪监测系统相接的开口，采用O型密封圈进行密封，防止试验时液体的泄露。依据西南地区常见的地下岩溶管道类型，总结其特点，设计了单一直管道、含支管道、含水潭、含跌水的四大类基本管道模型，改变其数量，进行多种排列组合，得到多种管道模型；具体的如图4所示，管道模型的种类包括四种，即单一直管道模型A；含支管道的管道模型B；含水潭管道模型C、；含跌水管道模型D；

如图1所示，所述试验台架及供水系统，包括台架底座和供水装置。

所述试验台架的试验底座2厚20cm，由混凝土浇筑而成，长12m，宽4m，中间及四周均设置15cm的排水水渠，以便将试验中多余的水排进下水道。整个试验台架置于混凝土平台上，可实现方便的拼装、拆卸。中间排水渠两侧设置有两条滑轨，滑轨上装载多个可调高支架，用于安置装配管道试验模型、装载加药装置和示踪仪。

所述可调高支架6为高强ABS材料，由改装的ABS螺纹升降管6a、拼接套环6b组成，负责固定模型管道。试验时，将可调高支架固定于滑轨5上，通过调节螺纹升降管的高度，可进行不同水头差的示踪试验，模拟真实高差。通过滑动可调高支架可便捷地更换模型管道。

如图1所示，供水装置由储水箱7、水泵8、水压调节器及压力仪表9、配套管路10等组成，通过水泵提供所需水压，储水箱可提供恒定的水源补给，实现稳定供水。

如图5所示，所述全自动示踪投放控制系统将粉状示踪剂进行连续配置并投加，从粉剂到配制好的溶液，整个过程均达到全自动、安全、连续运行；可实现全自动准确连续配置溶液浓度，并严格控制投放的溶液容量，投放方式可根据编程选择单次投放、多次投放或脉冲式投放，效率高，极大节约了示踪投放的劳动成本；采用一体化三室组合箱体，三个箱室可同时作业、连续配置示踪溶液，高效方便；针对长时间配制、存放荧光示踪剂罗丹明B的要求，考虑其易光解、氧化、吸附性强等性质，该装置还设置了降温底座、特制搅拌螺杆等装置，降低溶解过程中的吸附作用，并为示踪剂提高了一个低温遮光的配制、存放环境；本发明可以对示踪剂配置及投放过程中的液位、浓度、浊度、PH值及腐蚀率等信息进行监测和收集，实现对配置及投放过程的全面监测，能更准确更高效的控制着整个过程，综合性强，提高了试验效率；具体的结构如下：

包括供水装置、一体化三室组合箱体、中央控制系统、在线实时监测装置；

所述的一体化三室组合箱体包括依次连通的预混室、混合室和储存室；

所述的预混室11-4负责储存罗丹明、荧光素钠、天来宝这三种示踪剂干粉11-7，在其底部设有称重装置，所述的称重装置用于检测示踪剂干粉的重量，且将检测的信号发给所述的中央控制系统；中央控制系统控制进入到混合室内的示踪剂干粉的重量；

所述的混合室11-5负责示踪溶剂的配置，供水装置向混合室内供水；所述的混合室包括温度传感器、搅拌杆、降温底座11-15，所述的温度传感器安置在混合室下部；所述的搅拌杆用于搅拌待混合的溶液；所述的降温底座位于预混室底部，所述的温度传感器与中央控制系统相连，所述的中央控制系统控制降温底座实现对混合室内的温度控制；

所述的储存室11-6用于存储配好的溶液，其上设置有与管道相连通的排液软管11-13。

所述的在线实时监测装置包括安装在混合室和储存室内的多种传感器，用于对配制溶液的各种参数进行监测；并将数据传输至中央控制系统，将历史数据及时保留。

如图6所示，所述的搅拌杆包括一个中空的主杆8a和安装在主杆底部的多个螺片8b；所述的主杆上开设有乙醇溶液注入孔，每个所述的螺片为截面呈三角形的中空结构，且在所述的螺片上均布多个可控小孔；所述的中空主杆的内部与螺片的内部连通；为防止罗丹明B粉末吸附在螺杆及螺片上，鉴于罗丹明B极易溶解于乙醇的特性，在配置溶液过程中，沿主杆上方开孔注入少量乙醇溶液，乙醇顺主杆上方开孔流入、沿螺片小孔流出，将吸附在螺片上的罗丹明B粉末带出，保证螺杆光洁，提高溶液配制速率。

进一步的，所述的供水装置包括一个水箱11-1、电泵11-2和电动流量调节器11-3，负责提供稳定水源；电泵提供动力，将水箱里的水不断地抽至混合室；电动流量调节器根据中央控制系统发出的信号控制流量及进水流速，并将流量信息传递至中央控制系统。

进一步的，所述混合室内还设有温度传感器；温度传感器安置在混合室下部。预混时，根据设计浓度及剂量，计算所需干粉重量和水量，依次打开电动流量调节器和气压调压装置，向混合室内加入示踪剂干粉和水。当示踪剂按设计浓度所需的投加量倒入混合室时，通过气压调压装置和电动流量调节器测得投加示踪剂重量或水的流量，向中央控制系统发出继续投加或停止投加的信号。随后，通过中央控制系统设定搅拌螺杆转速及转动时间，对示踪剂进行快速搅拌，防止出现结块。降温底座位于预混室底部，结合温度传感器实现对预混系统的温度控制，内置冰水循环管路，可保持预混室内温度在5°-15°之间，防止温度过高，示踪剂发生降解。当温度升高时，中央控制器收到温度传感器的信号，并对冰水循环管路发出指令，开始工作；当温度较低时，冰水循环管路停止工作。

进一步的，所述在线实时监测装置包括在线示踪监控器11-9、浊度传感器、PH传感器、腐蚀率监控器、光电式液位传感器11-10和温度传感器；投放过程中，在线实时监测装置负责对重要水质参数采用在线传感器形式进行实时监控，并传输至中央控制系统，将历史数据及时保留。在混合室和储存室内布置有浊度传感器、PH传感器、腐蚀率监控器，对示踪溶液的配置过程和储存过程进行浊度、PH及腐蚀率的监测；

所述在线示踪监控器安装在混合室内，对混合室示踪剂浓度进行实时监测，当药剂浓度不足时，能及时补充化学药剂至设计浓度，确保系统中的化学药剂始终维持最佳状态；

所述光电式液位传感器安装在储存室内，负责实时监测液位；当储存室的溶液处于低液位时，传感器将液位输出信号传递至中央控制系统的投放控制模块，启动设备重新进行溶液配制过程；当储存槽的溶液处于高液位时，传感器同样发出信号，停止溶液配制。

进一步的，在所述的预混室、混合室和储存室的内壁上均匀均涂黑色遮光涂料。在所述预混室上部四周有置物隔板，内置干燥剂和铁粉，铁粉氧化吸收氧气，为存放示踪剂提供一个干燥避光环境。

进一步的，在所述的预混室的上部设有气压调压装置11-14，所述的气压调节装置调节预混室内的压力，且预混室内设有一个导料管，所述的导料管的一端插装在预混室的示踪剂内，另一端连通混合室；试验时，通过气压调压装置对预混室进行加压，示踪剂干粉在压力作用下，通过导料管进入混合室。

进一步的，在所述的混合室的上部设有气压调压装置11-14，所述的气压调节装置调节混合室内的压力，且混合室内设有一个导料管11-16，所述的导料管11-16的一端插装在混合室的混合液内，另一端连通储存室；验时，示踪剂干粉和水在混合室进行拌匀，并调配成设计浓度的溶液；通过气压调压装置对混合室进行加压，溶液在压力作用下，通过导料管进入储存室内，当中央控制系统发出投放指令后，溶液由计量泵将一定量的药液通过排液软管送至指定点。

本发明的无线实时荧光示踪监测系统主要包括水力自充电电源、多功能示踪监测探头、无线超声波流量计，实现对荧光示踪剂浓度及流速的实时监控、数据远程无线传输功能，可在无人值守的情况下使用。

本发明的水力自充电电源由漩涡充电装置和锂电池组成，由一根导线将涡轮充电装置和锂电池连接。在进行示踪试验时，将漩涡充电装置扔进出水口附近的排水通道中，水流将带动涡轮转动，漩涡充电装置内置的小型发电机就能够将机械能转化为电能，储存到锂电池内。水力自充电电源负责对多功能示踪探头和无线超声波流量计进行供电。

所述多功能示踪监测探头，可对流速、水位、浊度、电导率及荧光示踪剂浓度进行监测，数据经无线传输至中央控制器。

所述无线超声波流量计包括夹持式传感器、耦合剂、连接线。试验时，将耦合剂涂抹在管道表面，将传感器夹持在管道上，连接主机，即可进行测量。无线超声波流量计避免了传统的破管操作，更加省时省力，也保证了管道的密闭性。夹持式传感器可匹配直径在15mm-6000mm的管道，测量精度为0.1m/s。

所述中央控制器由中央处理器、显示屏组成，包括数据存储模块、处理分析模块、集中控制模块。数据存储模块负责记录存储示踪浓度、流速、拍摄的照片及影像；处理分析模块，利用收集到的数据及图像，对动态流量及示踪剂回收率进行计算校正；集中控制模块分为投放控制模块和收集控制模块，分别负责控制全自动示踪投放控制系统和无线实时荧光示踪监测系统。具体的，投放控制模块可根据实验需要进行编程输入，可实现单次投放、多次间断式投放和脉冲式投放三种效果。显示屏实时对浓度、流速及图像进行展示。

所述高清摄像记录系统可对荧光示踪剂在管道中运移全过程进行记录和拍摄，通过无线传输，将图像及视频实时传输到中央处理器，结合收集到的示踪浓度及流速，在显示屏进行直观展示，为后期数据的处理和分析提供依据和帮助。

应用上述装置模拟真实岩溶地下介质环境，并借助示踪技术反演岩溶地下介质结构，包括以下步骤：

1)在室内试验开始前，将流速仪、加药系统、示踪仪等装置安置、组装好；

2)通过供水系统给进出水管道注满水，并打开排水阀，保持注水持续，检查是否有漏水现象。如有渗水将装置中水排空，对漏水处进行封堵，重复此步，直至确信没有渗漏现象。给管道中注满水后，进一步检查，确保进出管道中没有气泡残留，才能进行实验；

3)在进行正式实验之前，使用示踪剂在同一条件下进行一次均匀场模拟实验，测取自来水示踪的背景值，并估算掌握实验用时；

4)开始试验，将示踪剂通过加药系统一次性或连续性注入管道中，通过示踪仪及计算机实时进行监测记录和处理，等到监测到的示踪浓度可忽略时，关闭进水阀，结束本次试验；

5)一次试验结束后，将出水口阀门完全打开，用自来水将整个装置冲洗10min左右，并将相关实验用具洗净以备进行下一次实验。通过上述步骤，即完成了一次完整的实验，更换不同组合的管道，并控制不同流速来改变水力条件的方式，重复1)～4)操作过程，得到多组示踪浓度穿破曲线。通过中央处理器对这些曲线及数据进行存储，并通过神经网络等人工智能算法进行学习记忆。

6)在实际工程中，可将本发明的供水系统、示踪投放控制系统、无线实时荧光示踪监测系统及中央控制系统应用在现场示踪试验中。在投放点(如钻孔、河流、落水洞等)安置好供水系统、示踪投放控制系统，进行示踪剂定点投放，并在出口处(如河流下游、落水洞等)安装无线实时荧光示踪监测系统，通过中央控制系统实时记录数据及示踪浓度穿破曲线。

7)最终，通过中央处理器将现场实验得到的曲线及数据输入人工智能算法，与室内试验结果进行对比分析，实现对地下岩溶介质结构的推测及相关结构参数的反演。

与前人研究相比，本发明装置具有以下优点：

本发明可针对多种组合岩溶管道模型进行溶质运移示踪模拟，采用直管道、地下溶潭、跌水等多种不同组合形式，并通过改变流速、管道的截面尺寸及长度，极大程度上真实还原岩溶地下介质环境，且采用的岩溶管道模型可拼装、拆卸，实现重复利用，采用高强PVC透明材料，具有可视性。

本发明可实现调节螺纹升降管的高度，进行不同水头差的多次室内示踪试验，模拟真实岩溶环境下的水头差。

本发明通过编程可实现单次投放、多次间断式投放和脉冲式投放示踪剂，将粉状示踪剂进行连续配置并投加，从粉剂到配制好的溶液，整个过程均达到全自动、安全、连续运行。

本发明借助无线实时荧光示踪监测系统，实现对荧光示踪剂浓度及流速的实时监控、数据远程无线传输，且通过水力发电实现无间断自供电功能，能够在无人值守的情况下进行室内试验。

本发明采用高清摄像仪对荧光示踪剂在管道中运移全过程进行记录和拍摄，并借助显示屏进行实时直观展示。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统，其特征在于，包括岩溶介质装配管道模型系统、试验台架、供水系统、全自动示踪投放控制系统、无线实时荧光示踪监测系统、中央控制系统及高清摄像记录系统；

所述的岩溶介质装配管道模型系统，由一系列设计尺寸样式的岩溶概念模型管道组成，用于模拟不同类型地下岩溶介质；在其入口处测定流速并进行示踪投放，在出口处进行实时数据采集和监测，获取不同岩溶介质结构的示踪曲线特征；

所述的试验台架用于支撑岩溶介质装配管道模型系统；

所述的供水系统连接岩溶介质装配管道模型系统为所述的岩溶介质装配管道模型系统供水；

所述的全自动示踪投放控制系统连接岩溶介质装配管道模型系统向岩溶介质装配管道模型系统内投入配制好的示踪溶液；

所述的无线实时荧光示踪监测系统，用于对荧光示踪剂浓度及流速的实时监控、实现数据的远程无线传输；

所述的高清摄像记录系统，用于对荧光示踪剂在管道中运移全过程进行记录和拍摄，通过无线传输，将图像及视频实时传输到中央控制系统，结合收集到的示踪浓度及流速，在显示屏进行直观展示，为后期数据的处理和分析提供依据和帮助；

所述的中央控制系统控制全自动示踪投放控制系统、供水系统，无线实时荧光示踪监测系统和高清摄像记录系统与中央控制系统通讯。

2.如权利要求1所述的一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统，其特征在于，所述管道模型为透明材料；在管道模型靠近入口的位置设置了一个与全自动示踪投放控制系统相连接的开口，在靠近其出口处设有与无线实时荧光示踪监测系统相接的开口，两个开口采用密封圈进行密封。

3.如权利要求1所述的一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统，其特征在于，所述试验台架，包括台架底座和支撑架，所述台架底座的中间及四周均设置排水水渠；在中间排水渠两侧设置有两条滑轨，在所述的两条滑轨上装载多个可调高支撑架，所述的岩溶介质装配管道模型系统安装在该支撑架上。

4.如权利要求1所述的一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统，其特征在于，所述的全自动示踪投放控制系统，包括供水装置、一体化三室组合箱体、中央控制系统和在线实时监测装置；

所述的一体化三室组合箱体包括依次连通的预混室、混合室和储存室；

所述的预混室负责储存罗丹明、荧光素钠、天来宝这三种示踪剂的干粉，在其底部设有称重装置，所述的称重装置用于检测示踪剂干粉的重量，且将检测的信号发给所述的中央控制系统；中央控制系统控制进入到混合室内的示踪剂干粉的重量；

所述的混合室负责示踪溶剂的配置，供水装置向混合室内供水；所述的混合室包括温度传感器、搅拌杆、降温底座，所述的温度传感器安置在混合室下部；所述的搅拌杆用于搅拌待混合的溶液；所述的降温底座位于预混室底部，所述的温度传感器与中央控制系统相连，所述的中央控制系统控制降温底座实现对混合室内的温度控制；

所述的储存室用于存储配好的溶液；其上设置有与管道相连通的排液软管；

所述的在线实时监测装置包括安装在混合室和储存室内的多种传感器，用于对配制溶液的各种参数进行监测；并将数据传输至中央控制系统，将历史数据及时保留。

5.如权利要求4所述的一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统，其特征在于，所述的搅拌杆包括一个中空的主杆和安装在主杆底部的多个螺片；所述的主杆上开设有乙醇溶液注入孔，每个所述的螺片与主杆侧壁形成截面呈三角形的中空结构，且在所述的螺片侧壁上均布多个小孔；所述的中空主杆的内部与螺片的内部连通。

6.如权利要求4所述的一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统，其特征在于，所述的供水装置包括一个水箱、电泵和电动流量调节器，负责提供稳定水源；电泵提供动力，将水箱里的水不断地抽至混合室；电动流量调节器根据中央控制系统发出的信号控制流量及进水流速，并将流量信息传递至中央控制系统。

7.如权利要求4所述的一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统，其特征在于，所述在线实时监测装置包括在线示踪监控器、浊度传感器、PH传感器、腐蚀率监控器、光电式液位传感器和温度传感器；投放过程中，在线实时监测装置负责对重要水质参数采用在线传感器形式进行实时监控，并传输至中央控制系统，将历史数据及时保留；在混合室和储存室内布置有浊度传感器、PH传感器、腐蚀率监控器，对示踪溶液的配置过程和储存过程进行浊度、PH及腐蚀率的监测；

所述在线示踪监控器安装在混合室内，对混合室示踪剂浓度进行实时监测，当药剂浓度不足时，能及时补充化学药剂至设计浓度，确保系统中的化学药剂始终维持最佳状态；

所述光电式液位传感器安装在储存室内，负责实时监测液位；当储存室的溶液处于低液位时，传感器将液位输出信号传递至中央控制系统的投放控制模块，启动设备重新进行溶液配制过程；当储存槽的溶液处于高液位时，传感器同样发出信号，停止溶液配制。

8.如权利要求4所述的一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统，其特征在于，在所述的预混室的上部设有气压调压装置，所述的气压调节装置调节预混室内的压力，且预混室内设有一个导料管，所述的导料管的一端插装在预混室的示踪剂内，另一端连通混合室；在所述的混合室的上部设有气压调压装置，所述的气压调节装置调节混合室内的压力，且混合室内设有一个导料管，所述的导料管的一端插装在混合室的混合液内，另一端连通储存室。

9.如权利要求1所述的一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统，其特征在于，所述无线实时荧光示踪监测系统主要包括水力自充电电源、多功能示踪监测探头、无线超声波流量计；

所述水力自充电电源由漩涡充电装置和锂电池组成，由一根导线将涡轮充电装置和锂电池连接；所述的漩涡充电装置设置在模拟管道出水口附近的排水通道中，水流将带动涡轮转动，漩涡充电装置内置的小型发电机就能够将机械能转化为电能，储存到锂电池内；

所述多功能示踪监测探头，设置在模型管道上，可对流速、水位、浊度、电导率及荧光示踪剂浓度进行监测，数据经无线传输至中央控制器；

所述无线超声波流量计包括夹持式传感器、耦合剂、连接线；所述的耦合剂涂抹在管道表面，夹持式传感器夹持在管道上连接中央控制系统。

10.如权利要求1所述的一种基于岩溶管道介质特征反演的室内示踪试验系统，其特征在于，所述中央控制系统由中央处理器、显示屏组成，所述的中英处理器包括数据存储模块、处理分析模块、集中控制模块；数据存储模块负责记录存储示踪浓度、流速、拍摄的照片及影像；处理分析模块，利用收集到的数据及图像，对动态流量及示踪剂回收率进行计算校正；集中控制模块分为投放控制模块和收集控制模块，分别负责控制全自动示踪投放控制系统和无线实时荧光示踪监测系统。