CN108828262A - 一种宽量程地下水流速流向测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水文地质参数测试领域，具体涉及一种宽量程地下水流速流向测试装置及方法。该测试装置包括：基于热扰动技术的地下水流速测定模块；基于流体力学模型的地下水流速测定模块；以及，固定所述基于热扰动技术的地下水流速测定模块和所述基于流体力学模型的地下水流速测定模块的箱体。该方法包括步骤：以基于热扰动技术的地下水流速测定模块获取数据，根据获取的数据测定流速值Vs，流速值Vs的测量范围为10‑7m/s<Vs<10‑2m/s；以基于流体力学模型的地下水流速测定模块获取数据，根据获取的数据测定流速值Vs，流速值Vs的测量范围为10‑ 2m/s<Vs<102m/s的流速。本发明能实现宽量程地下水流速流向测量的综合测试。
Description
技术领域
本发明属于水文地质参数测试领域，具体涉及一种宽量程地下水流速流向测试装置及方法。
背景技术
地下水渗流在水文地质、工程地质、环境地质诸多领域有广泛需求。地下水渗流类比为水文地质科学的本构方程，是地下水科学研究的重点。地下水渗流亦常常为工程地质领域地质灾害的主要诱因，如滑坡、泥石流、地面塌陷、坝基管涌渗漏。地下水渗流引起土壤溶质运移及水溶性污染物扩散，亦是土壤及地下水污染修复的影响因素。如上所述，作为描述地下水渗流场主要特征参数，地下水流速流向的实时监测意义重大，应用领域广泛。
传统的地下水流速流向测试方法存在各种问题，如多井抽水试验、示踪法、区域填图估算法等，需要通过多口监测井联测，费时费力、精度差，无法高效精准得到长时间序列的地下水流速流向数据、不利于长期自动化监测。限于此，前人对新测试方法进行了卓有成效的尝试与探索，按不同的工作原理分为如下四类：
1)基于离子释放原理测定地下水流速，如美国专利US4570492，在流动的地下水中周期性释放已知的电化学离子，通过接收器分析化学离子传递的信息得到地下水流速。基于光折射原理测定流速，如美国专利US4063019，光源折射进入流动的地下水，通过图像数字转换器接收折射光源，分析得到地下水流速。基于放射性中子测速的方法亦属于此类工作原理。
2)显微照相测定地下水流速流向，如美国Geotech生产的AquaVISION，采用视频管道显微照相技术对地下水中颗粒物进行显微照相捕捉，通过统计分析地下水中大量微观颗粒物，实现地下水的流速、流向及颗粒大小的实时测量。避免使用过多的监测井和传感器，测试速度快，数据量大，可重复性好，适用于地下水流速非常低、流速流向较稳定的情况。其缺点在于：1.与其它监测手段的兼容性差，无法进行数据自动采集与二次开发；2.通过微观颗粒统计平均得到的地下水流速，其物理意义不明晰，跨尺度应用是否等效于宏观地下水平均流速值尚值得商榷；3.应用范围有限，适合层流、地下水流速特别慢、地下水流向较稳定的苛刻条件。
3)基于能量场扰动监测地下水流速。在流动的地下水中设置多孔介质发热装置人工激发温度场，地下水流经该区域时，会对电阻丝形成的稳定温度场造成规律性扰动，通过周围布设阵列的温度传感器表征该扰动的温度场，从而得到地下水流速，适用于地下水流速较小的情况。该技术源于1911年美国Carl Thomas教授的开创性工作，通过能源场人工激发测试地下水流速的技术近五十年以来不断发展，如基于多普勒效应的声波场扰动技术(如US3498127，1970年)、热敏电阻技术(如US4391137，1983年)、地下水电导率扰动技术(如US5339694，1994年)、基于热扰动技术(US5412983，1995年)等。但该技术在实际应用中存在井下设备多、监测系统线性调试标定费时费力，测试量程受限等缺陷。
4)基于流体力学模型，通过设置测量摆球的位移和偏转方向，提供了一种通过电子罗盘、感光元件、温度传感器的地下水流速流向测试方法(如中国专利CN105486351A)。结构简单、成本较低、对环境无污染，利于长期运行，但问题在于：流速测试量程有限，不适合测量地下水流速较低的情况；其次，传统技术方案中采用感光元件LED测量摆球水平方向位移，精度较差，限制了该方法的实际应用。中国专利CN105676308B基于该测试方法改进，采用3个以上的压力传感器测试位移及方位角，解决了水平位移测试精度差的问题，但测试量程不适用于低流速测量的问题仍然没有较好解决。
地下水流速流向监测意义重大，应用领域广泛。前人基于不同的工作原理进行地下水流速流向监测装置的开发与尝试，但仍然无法较好地满足实际工程应用：基于离子测速的方法一污染地下环境，系统兼容性一般，现已应用较少。基于显微照相测定的方法二特别适用于超低流速的情况，测试量程适用于10-5m/s以下，但系统兼容性差，监测数据不利于二次开发集成；基于能量场扰动测试的方法三测试量程适中，适用于10-7～10-2m/s，基本满足通常情况下的地下水流速测量，且采用温度传感器、电导率传感器、压力传感器等测试精度高、重复性好、系统兼容性好；基于力学与运动学原理的方法适用于流速较大的情况(10-2～102m/s)，地下水基岩裂隙流、溶洞管道流、承压水射流等情况适用。
如上所述，已有的地下水流速流向监测装置存在两个主要缺陷：一是测试量程受限，不同工作原理的测试方法，其测试量程具有分段性，其适用范围有限；其次是监测系统集成性，长时间序列原位监测、自动传输与监测数据二次开发利用是工程需求重点及未来监测技术发展方向，而基于离子测速和基于显微照相测定的方法均存在不同程度的系统集成性缺陷，不利于监测数据的远程自动传输与二次开发利用。因此，有待开发测试量程较宽、测试精度高、技术兼容性好的新型地下水流速流向监测装置。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种宽量程地下水流速流向测试装置及方法，具体涉及能实现宽量程地下水流速流向测量的综合测试方法，及基于该综合测试方法的宽量程地下水流速流向监测系统。
本发明所提供的技术方案如下：
一种宽量程地下水流速流向测试装置，包括：
基于热扰动技术的地下水流速测定模块；
基于流体力学模型的地下水流速测定模块；
以及，固定所述基于热扰动技术的地下水流速测定模块和所述基于流体力学模型的地下水流速测定模块的箱体。
上述技术方案所提供的宽量程地下水流速流向测试装置，以基于热扰动技术的地下水流速测定模块获取数据，根据获取的数据测定流速值Vs，流速值Vs的测量范围为10-7m/s<Vs<10-2m/s；以基于流体力学模型的地下水流速测定模块获取数据，根据获取的数据测定流速值Vs，流速值Vs的测量范围为10-2m/s<Vs<102m/s的流速，从而以一套装置扩展测量量程。
具体的，所述基于热扰动技术的地下水流速测定模块包括：
第一供电电源；
电连接所述第一供电电源的第一传感器数据采集器；
分别与所述第一传感器数据采集器电连接的若干第一温度传感器；
以及，与所述第一供电电源电连接的发热元件。
上述技术方案提供了基于热扰动技术的地下水流速测定模块的结构基础。
具体的，所述基于流体力学模型的地下水流速测定模块包括：
第二供电电源；
电连接所述第二供电电源的第二传感器数据采集器；
与所述第二传感器数据采集器电连接的三维电子罗盘，所述三维电子罗盘固定在金属圆球内；
以及，分别与所述第二传感器数据采集器电连接的若干第二温度传感器。
进一步的，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器为同一温度传感器；所述第一供电电源与所述第二供电电源为同一供电电源；所述第一传感器数据采集器与所述第二传感器数据采集器为同一传感器数据采集器。
即，基于热扰动技术的地下水流速测定模块和基于流体力学模型的地下水流速测定模块公用各所述温度传感器。其中，基于流体力学模型测定地下水流速时，温度传感器用来换算得到流体的运动粘度。
上述技术方案提供了基于流体力学模型的地下水流速测定模块的结构技术。
进一步的，所述箱体包括上部的防水机箱和下部的射孔机箱，所述传感器数据采集器和所述供电电源设置在所述防水机箱内，各所述温度传感器、所述发热元件和所述三维电子罗盘设置在所述射孔机箱内，所述射孔机箱的侧壁设置有若干射流孔。
基于上述技术方案，将在水中工作和不在水中工作的器件隔离分开，可以实现各部件在同一箱体上的安装。
进一步的，所述三维电子罗盘通过数据线电连接所述传感器数据采集器，所述数据线从所述射孔机箱的顶壁的中部穿过，所述发热元件缠绕在所述数据线上。
基于上述技术方案，可以实现发热元件与三维电子罗盘设置空间的重叠，从而进一步缩小监测系统的体积，以适应钻孔井下狭小空间。
具体的，各所述温度传感器设置在所述发热元件的四周，各所述温度传感器到所述发热元件的距离不相同，数量3个及以上。
基于上述技术方案，一方面可以通过温度传感器获取计算地下水的粘度μ所需的地下环境平均温度，另一方面，可以通过各温度传感器获取基于热扰动技术的地下水流速测定方法所需要的XT和YT。XT为水平方向X轴的地下水流温度差，YT为水平方向Y轴的地下水流温度差。
具体的，所述防水机箱的顶部设置有吊架，所述吊架固定在线缆上。
本发明还提供了一种宽量程地下水流速流向测试方法，采用本发明所提供的宽量程地下水流速流向测试装置进行测试，包括以下步骤：
以基于热扰动技术的地下水流速测定模块获取第一数据信息，根据所述第一数据信息测定流速值Vs，所述流速值Vs的测量范围为10-7m/s<Vs<10-2m/s；
以基于流体力学模型的地下水流速测定模块获取第二数据信息，根据所述第二数据信息测定流速值Vs，所述流速值Vs的测量范围为10-2m/s<Vs<102m/s。
基于上述技术方案，以基于热扰动技术的地下水流速测定模块获取数据，根据获取的数据测定流速值Vs，流速值Vs的测量范围为10-7m/s<Vs<10-2m/s；以基于流体力学模型的地下水流速测定模块获取数据，根据获取的数据测定流速值Vs，流速值Vs的测量范围为10-2m/s<Vs<102m/s的流速，从而以一套装置扩展测量量程。
具体的，以基于流体力学模型的地下水流速测定模块获取数据，根据获取的数据测定流速值Vs：
其中：
m为金属圆球质量；g为重力加速度，已知；ρ为地下水密度，已知；V为金属圆球体积，已知；μ为地下水的粘度，与地下水温度T相关，计算求得；θ为通过三维电子罗盘测得的金属圆球的竖向偏转角；r为金属圆球半径，已知。
上述技术方案中所针对的粘性流体绕圆球运动是经典的流体问题。小雷诺数情形下，粘性力的量阶比惯性力的量阶大得多，即粘性力对流动起主导作用，惯性力较小可忽略不计。缓慢的地下水流简化为粘性不可压缩流体，通过联立连续性方程、运动学方程、热力学方程及边界条件可得到解析解。
连续性方程：div V＝0
运动学方程：grad P＝μΔV
热力学方程：
水平方向流体阻力解析解：W＝6πμVr
式中：
Vs为流体速度，张量，待求参数；
P为作用在圆球上的粘性应力，张量；
μ为地下水的粘度，随温度变化；
r为圆球半径，已知；
对圆球进行力学平衡分析，如图2所示：
水平方向的力学平衡：W＝Nsinθ
垂直方向的力学平衡：Ncosθ＝mg-ρgV
联立上式与水平方向流体阻力，可得：
6πμVr＝(mg-ρgV)tanθ
故地下水流速值：
其中，地下水的粘度T为地下水温度，单位为m2/s.
具体的，以基于热扰动技术的地下水流速测定模块获取数据，根据获取的数据测定流速值Vs：
XT为水平方向X轴的地下水流温度差，YT为水平方向Y轴的地下水流温度差，通过确定位置布设的3个及以上温度传感器实测得到，具体的，各所述温度传感器设置在所述发热元件的四周，各所述温度传感器到所述发热元件的距离不相同。优选的方案，任意两个相邻的温度传感器到发热元件的垂线在水平面上的投影的夹角均相等。ω为经验系数。
总体上，本发明基于流体力学模型测试地下水流速去掉了传统技术方案所依赖的压力传感器或位移传感器，仅需三维电子罗盘(直测地下倾角θ)和温度传感器(通过温度传感器获取的温度换算得到地下水粘度值μ，两种测试原理共用温度传感器)得到地下水流速值。此外，其目的和有益效果在于测试量程范围有效覆盖了地下水流速较快但较重要的工程应用场景(如基岩裂隙流、溶洞管道流、层间越流、涌水突水等)。
本发明与现有技术对比，其有益效果和优点在于：
1、该宽量程地下水流速流向测试方法可实现两种不同工作原理的测试，方法优势互补、测试量程模块化分段、测试手段互相支撑(共用温度传感器、数据采集模块等)，较经济地实现了宽量程的测试功能；
2、该宽量程地下水流速流向测试方法包含基于力学和运动学原理，采用理想粘性流体绕圆球运动的经典流体力学模型，忽略惯性项得到理论解析解，并从理论推导出发简化去掉了传统技术方案中的压力传感器或位移传感器，其具体实施方式较传统技术有较大幅度改进；
3、该宽量程地下水流速流向监测系统通过集成两种测试方法，使得测试量程大幅扩宽，应用范围进一步扩大；
4、该宽量程地下水流速流向监测系统测试精度高、可重复性好、系统集成能力强、监测数据利于二次开发等优点，是未来地下水自动化监测领域模块化集成的发展方向。
附图说明
图1是本发明所提供的宽量程地下水流速流向测试装置的结构示意图。
图2是本发明所提供的宽量程地下水流速流向测试装置的基于流体力学模型的测量原理图。
附图1、2中，各标号所代表的结构列表如下：
1、吊架，2、防水机箱，3、射孔机箱，301、射流孔，4、线缆，5、供电电源，6、传感器数据采集器，7、发热元件，8、第一温度传感器，9、第二温度传感器，10、第三温度传感器，11、三维电子罗盘，12、金属圆球。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在一个具体实施方式中，如图1所示，宽量程地下水流速流向测试装置，包括：基于热扰动技术的地下水流速测定模块、基于流体力学模型的地下水流速测定模块、以及固定基于热扰动技术的地下水流速测定模块和基于流体力学模型的地下水流速测定模块的箱体。
基于热扰动技术的地下水流速测定模块包括：供电电源5、电连接供电电源5的传感器数据采集器6、分别与传感器数据采集器电连接的若干温度传感器、以及与供电电源5电连接的发热元件7，具体的，发热元件7为发热电阻丝。
基于流体力学模型的地下水流速测定模块包括供电电源5、电连接供电电源5的传感器数据采集器6、与传感器数据采集器6连接的三维电子罗盘11和各温度传感器，三维电子罗盘11固定在金属圆球12内。三维电子罗盘11通过数据线电连接传感器数据采集器6，数据线从射孔机箱3的顶壁的中部穿过，发热元件7缠绕在数据线上。
即，供电电源5、电连接供电电源5的传感器数据采集器6和各温度传感器为两个测定模块共用。
温度传感器具体设置三个，分别为第一温度传感器8、第二温度传感器9、第三温度传感器10，分别设置在发热元件的四周，各自到发热元件的距离不相同，优选的方案，三个温度传感器到发热元件的垂线在水平面上的投影夹角均为120°，为基于热扰动技术的地下水流速测定模块和基于流体力学模型的地下水流速测定模块公用。
箱体包括上部的防水机箱2和下部的射孔机箱3，传感器数据采集器6和供电电源5设置在防水机箱2内，各温度传感器、发热元件7和三维电子罗盘11设置在射孔机箱3内，射孔机箱3的侧壁设置有若干射流孔301。防水机箱2的顶部设置有吊架1，吊架1固定在线缆4上。
防水机箱2与射孔机箱3通过螺纹丝扣铆接，防水机箱2的上部连接吊架1，射孔机箱3的下部具有底盖4，从而构成整体，并通过线缆4从井下监测区域连接至地面井头。
防水机箱2防水等级在IP68及以上，内置供电电源5和传感器数据采集器器6。
射孔机箱3，优选的形状为圆柱状，圆柱侧壁设置密布射孔，使地下水透过射孔且不影响其流速及物理性质；圆柱侧壁射孔段可选择性设置过滤，以保护内置传感器探头。射孔机箱3可拆卸清洗，定期标定或更换传感器探头；材质优选为遇水不生锈且防止微生物滋生的黄铜合金。
线缆5，将井下传感器数据连接传输至地面井头部分，设置的钢丝绳承重。
传感器数据采集器传感器数据采集器传感器数据采集器传感器数据采集器供电电源5为井下多个传感器供电，输出电压为12-24V。
传感器数据采集器6内置数据采集卡可实现多个传感器模拟信号的自动采集、数据传输与存储，如美国生产的NI 6008型、Campbell CR10XT型数据采集卡。
发热元件7通电后在井下加热形成局部的温度场，加热后温度稳定值稍高于地下水的温度值，监测区域的地下水围绕电阻丝7形成三维均匀的温度梯度场，通过固定位置传感器监测值换算得到地下水平均流速值与地下水流方向。
各温度传感器测试表征井下监测区域发热元件7周围的温度梯度场，数量要求3个及以上，精度要求0.05℃以上；其目的还在于，实时监测地下水温度值，换算得到地下水粘度联合三维电子罗盘11实测的倾角计算求得地下水平均流速值。
三维电子罗盘11实测直接得到水平的地下水流方向α，实测得到小球倾角θ以换算地下水平均流速值，测试精度0.01°；测方位角的探头内置于小球中，模拟小雷诺数情形下(适用Stokes阻力公式或Oseen阻力公式，雷诺数Re<1)粘性流体绕圆球运动的流体力学经典近似解。优选的方案，北微传感有限公司提供的HEC365型电子罗盘，重量约20g，直径约70mm，分辨率0.01°，工作电流30mA，供电电压5-12V，读取的数据可用于二次开发。
上述技术方案所提供的宽量程地下水流速流向测试装置，以基于热扰动技术的地下水流速测定模块获取数据，根据获取的数据测定流速值Vs，流速值Vs的测量范围为10-7m/s<Vs<10-2m/s；以基于流体力学模型的地下水流速测定模块获取数据，根据获取的数据测定流速值Vs，流速值Vs的测量范围为10-2m/s<Vs<102m/s的流速，从而以一套装置扩展测量量程。
实施例1
将宽量程地下水流速流向测试装置投入水中，深度0～50m，以基于流体力学模型的地下水流速测定模块获取数据，数据储存于传感器数据采集器。数据采集完成，将传感器数据采集器接主机，获取测量数据，根据公式计算：
μ为地下水的粘度通过测得，T为地下环境温度，取各温度传感器的平均值。r为金属圆球半径，已知。m为金属圆球质量，已知。g为重力加速度，已知。ρ为水密度，已知。V为金属圆球体积，已知。θ为通过三维电子罗盘测得的金属圆球的竖向偏转角。
若Vs的测量值10-2m/s<Vs<102m/s，则Vs数据予以保留，若不在该范围，Vs数据放弃。
实施例2
将宽量程地下水流速流向测试装置投入水中，深度0～50m，以基于热扰动模型的地下水流速测定模块获取数据，数据储存于传感器数据采集器。数据采集完成，将传感器数据采集器接主机，获取测量数据，根据公式计算：
地下水流向：
地下水流速值：
式中：XT为水平方向X轴的地下水流温度差，YT为水平方向Y轴的地下水流温度差，通过确定位置布设的3个及以上温度传感器实测得到。ω为经验系数，反映地下水流速与温度场稳定变化的线性关系，已知，出厂设置。
若Vs的测量值10-7m/s<Vs<10-2m/s，则Vs数据予以保留，若不在该范围，Vs数据放弃。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种宽量程地下水流速流向测试装置，其特征在于，包括：
基于热扰动技术的地下水流速测定模块；
基于流体力学模型的地下水流速测定模块；
以及，用于固定所述基于热扰动技术的地下水流速测定模块和所述基于流体力学模型的地下水流速测定模块的箱体。
2.根据权利要求1所述的宽量程地下水流速流向测试装置，其特征在于，所述基于热扰动技术的地下水流速测定模块包括：
第一供电电源；
电连接所述第一供电电源的第一传感器数据采集器；
分别与所述第一传感器数据采集器电连接的若干第一温度传感器；
以及，与所述第一供电电源电连接的发热元件(7)。
3.根据权利要求2所述的宽量程地下水流速流向测试装置，其特征在于，所述基于流体力学模型的地下水流速测定模块包括：
第二供电电源；
电连接所述第二供电电源的第二传感器数据采集器；
与所述第二传感器数据采集器电连接的三维电子罗盘(11)，所述三维电子罗盘(11)固定在金属圆球(12)内；
以及，分别与所述第二传感器数据采集器电连接的若干第二温度传感器。
4.根据权利要求3所述的宽量程地下水流速流向测试装置，其特征在于：所述箱体包括上部的防水机箱(2)和下部的射孔机箱(3)，所述第一传感器数据采集器、所述第二传感器数据采集器、所述第一供电电源和所述第二供电电源(5)设置在所述防水机箱(2)内，各所述第一温度传感器、各所述第二温度传感器、所述发热元件(7)和所述三维电子罗盘(11)设置在所述射孔机箱(3)内，所述射孔机箱(3)的侧壁上设置有若干射流孔(301)。
5.根据权利要求4所述的宽量程地下水流速流向测试装置，其特征在于：所述三维电子罗盘(11)通过数据线电连接所述第二传感器数据采集器，所述数据线从所述射孔机箱(3)的顶壁中部穿过，所述发热元件(7)缠绕在所述数据线上。
6.根据权利要求3至5任一所述的宽量程地下水流速流向测试装置，其特征在于：各所述第二温度传感器设置在所述发热元件(7)的四周，各所述第二温度传感器到所述发热元件(7)的距离均不相同。
7.根据权利要求6所述的宽量程地下水流速流向测试装置，其特征在于：所述防水机箱(2)的顶部设置有吊架(1)，所述吊架(1)固定在线缆(4)上；所述第一温度传感器和所述第二温度传感器为同一温度传感器；所述第一供电电源与所述第二供电电源为同一供电电源；所述第一传感器数据采集器与所述第二传感器数据采集器为同一传感器数据采集器。
8.一种宽量程地下水流速流向测试方法，其特征在于，采用权利要求3至7任一所述的宽量程地下水流速流向测试装置进行测试，包括以下步骤：
以基于热扰动技术的地下水流速测定模块获取第一数据信息，根据所述第一数据信息测定流速值Vs，所述流速值Vs的测量范围为10-7m/s<Vs<10-2m/s；
以基于流体力学模型的地下水流速测定模块获取第二数据信息，根据所述第二数据信息测定流速值Vs，所述流速值Vs的测量范围为10-2m/s<Vs<102m/s。
9.根据权利要求8所述的宽量程地下水流速流向测试方法，其特征在于，所述根据获取的第二数据信息测定流速值Vs的具体计算公式为：
其中：
m为金属圆球质量；g为重力加速度；ρ为地下水密度；V为金属圆球体积；μ为地下水的粘度；θ为通过三维电子罗盘测得的金属圆球的竖向偏转角；r为金属圆球半径，其中，根据各传感器获取的温度值的平均值计算μ。
10.根据权利要求8或9所述的宽量程地下水流速流向测试方法，其特征在于，根据所述第一数据信息测定流速值Vs的具体计算公式为：
其中：
ω为经验系数，XT为水平方向X轴的地下水流温度差，YT为水平方向Y轴的地下水流温度差。
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