CN113075386B - 一种水系河网地下水补给效应远程监测装置的监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水系河网地下水补给效应远程监测装置的监测方法，解决了现有技术的检测方法耗费人工较多的问题，具有可实现远程实时获取数据，并准确获取地下水补给效应相关信息的有益效果，具体方案如下：一种水系河网地下水补给效应远程监测装置，包括至少一个测量筒，测量筒的底端可插入河道土体或边坡中，测量筒内安装有用于夹持水位传感器的夹持环，夹持环可打开设置，水位传感器用于监测测量筒内水的水位信息，并将监测的信息传送至电子设备客户端；电子设备客户端根据获取的水位信息分解得到河水对地下水补给的垂向渗流速度和侧向渗流速度，以分析随河流水位变化的地下水补给效应。

Description

一种水系河网地下水补给效应远程监测装置的监测方法
技术领域
本发明涉及地下水涵养领域，尤其是一种水系河网地下水补给效应远程监测装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
目前，很多城市因为过度开采地下水，导致形成了降落漏斗，存在引发地质环境问题的隐患。大量水网体系开始建立，目的是在实现水资源调度的同时，可以通过地表水涵养地下水。地表水-地下水的相互作用是水文循环中重要的过程，是水资源研究的主要内容，也是维护河流健康生态功能、地下水可持续利用的必要的水循环环节。影响河流对地下水涵养的因素包括河水位、河床沉积物渗透系数、降水等。同时，河道土体存在防洪限制水位，为了平衡防洪、水生态保护与地下水涵养需求，需要对不同河水位时地下水的补给效应进行研究。
发明人发现，现有的实验室方法会破坏原土层结构，而野外实验装置需要实地操作，存在如下几个问题：
第一是不论是实验室还是野外试验，对于渗透系数小的河床沉积物的观测周期长，耗费人工较多；
第二是室内实验会挪动土体，破坏土体的自然结构与环境，影响测量的精度；
第三是现场通过简单的支架埋设水位传感器，并不能准确获取地下水补给的相关数据。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种水系河网地下水补给效应远程监测装置，满足了现有的通过野外试验研究测算地下水补给效应的需求，以及解决无法远程操作、耗时耗力的问题。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种水系河网地下水补给效应远程监测装置，包括至少一个测量筒，测量筒的底端可插入河道土体或边坡中，测量筒内安装有用于夹持水位传感器的夹持环，夹持环可打开设置，水位传感器用于监测测量筒内水的水位信息，并将监测的信息传送至电子设备客户端；
电子设备客户端根据获取的水位信息得到河水对地下水补给的垂向渗流速度和/或侧向渗流速度，以分析随河流水位变化的地下水补给效应。
上述的监测装置，通过测量筒可有效支撑水位传感器，水位传感器可监测测量筒内水位变化，测量筒插入河道土体或边坡中，测量筒内水对地下水进行补给时，测量筒内水位会发生变化，实现地下水补给的监测；进一步通过电子设备客户端的设置，可远程获取相关水位变化信息，并可分析随河流水位变化的地下水补给效应，无需人工现场随时记录相关数据，提高了实验监测的效率。
如上所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置，夹持环可靠夹持水位传感器，因夹持环设于测量筒内，为对夹持环即水位传感器进行稳定支撑，所述测量筒内设置用于支撑所述夹持环的支撑架。
如上所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置，为了向水位传感器进行供电，所述测量筒内设置蓄电池，蓄电池与所述水位传感器连接以向水位传感器供电；
蓄电池设于蓄电池壳体内。
如上所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置，所述支撑架包括第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件，第一支撑件连接所述测量筒筒壁和夹持环的一侧，第二支撑件连接夹持环的另一侧和蓄电池壳体，第三支撑件连接蓄电池壳体和测量筒筒壁。
如上所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置，考虑到夹持环需要打开，所述第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件均为支撑杆，支撑杆为刚性支撑杆。
如上所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置，所述夹持环包括第一半环和第二半环，其中一个半环相对于另一半环能够打开，在其中一个半环打开后，可对水位传感器进行夹持，以使得水位传感器的测头朝下；
第一半环和第二半环的一端铰接连接，另一端通过锁紧件连接；或者，第一半环和第二半环的两端均通过锁紧件连接，锁紧件可为螺栓螺母或其他锁紧件。
如上所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置，所述测量筒的顶端设置端盖，通过端盖的设置，可有效抑制测量筒内的水蒸发；
端盖通过测量筒筒壁支撑，或者，端盖与测量筒筒口通过卡扣连接，可有效保证端盖与测量筒的连接可靠性。
如上所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置，所述测量筒的底端设为平面或测量筒的底端设为尖端。
第二方面，本发明还提供了一种水系河网地下水补给效应远程监测方法，采用所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置。
如上所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测方法，包括如下内容：
测量筒内支撑水位传感器；
在河道和/或边坡的同一断面设置至少一处测量筒，测量筒底端插入河道土体或边坡中；
向测量筒内注入河水，使测量筒内水位到达风险水位；
水位传感器开始监测测量筒内水位的变化情况，并将监测到的数据传递至电子设备客户端；
电子设备客户端根据获取的水位信息得到河水对地下水补给的垂向渗流速度和/或侧向渗流速度，以分析随河流水位变化的地下水补给效应。
上述本发明的有益效果如下：
1)本发明通过测量筒插入河道土体或边坡中，测量筒内水对地下水进行补给时，测量筒内水位会发生变化，实现地下水补给效应的准确监测；而且现场不会有人经常挪动设备如挪动测量筒的端盖等，进一步保证测量结果的准确性；而且通过电子设备客户端的设置，可远程获取相关水位变化信息，并可分析随河流水位变化的地下水补给效应，无需人工现场随时记录相关数据，解决了现有手段耗时耗力的问题。
2)本发明通过夹持环的设置，可实现在测量筒对水位传感器的稳定夹持，便于水位传感器对水位的监测，相比人工手持等手段，可提高监测的准确度。
3)本发明通过支撑架的设置，可在测量筒内实现对夹持环的支撑，并实现对水位传感器的稳定支撑；进一步通过第一半环和第二半环的设置，可便于对水位传感器的稳定夹持。
4)本发明提供的一种水系河网地下水补给效应远程监测方法，通过设置一个或多个测量筒，测量筒内支撑水位传感器，避免人工现场费时费力的监测，避免人工对现场监测的影响，提高了整个监测方法获取数据的准确度高。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置的侧视图。
图2是本发明根据一个或多个实施方式的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置内设置夹持环的示意图。
图3是本发明根据一个或多个实施方式的一种水系河网地下水补给效应远程监测方法中设置带凹槽贴片的示意图。
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。
其中：1、第一测量筒，2、第二测量筒，3、第三测量筒，4、端盖，5、中心圆环，6、超声波水位传感器，7、蓄电池壳体，8、尖端，9、支撑架，10、螺栓，11、贴片，12、凹槽。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，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；
术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在现有的试验装置现场试验耗费人工较多的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种水系河网地下水补给效应远程监测装置。
本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种水系河网地下水补给效应远程监测装置，包括至少一个测量筒，测量筒内部中空设置，测量筒的底端可插入河道土体或边坡中，测量筒内部内存放用于通入设定高度的水，水可为河水，每个测量筒内部均装有水位传感器；
水位传感器用于监测测量筒内水的水位信息，并将监测的信息传送至电子设备客户端；电子设备客户端根据获取的水位信息得到河水对地下水补给的垂向渗流速度和/或侧向渗流速度，以分析随河流水位变化的地下水补给效应。
具体地，渗流速度＝水位变化值/时间间隔(两侧水位变化的时间间隔)，针对插入河道土体中的测量筒，可实现河槽对地下水补给的垂向渗流速度。
针对插入河道边坡的测量筒至少设置两个，一个底端为平面，另一个的底端设置有斜面，这样通过底端为斜面的测量筒，可通过其内部水位的变化，获得河道边坡对地下水补给的渗流速度，对该速度进行分解可获得河道边坡对地下水补给的垂向渗流速度和侧向渗流速度；另一个底端为平面的测量筒，可通过其内部水位的变化，获得河道边坡对地下水补给的垂向渗流速度。
针对河道土体的不同断面，可开展多组试验，每一监测断面均设置三个测量筒为一组试验；当然可以理解的是，每一监测断面也可设置两个测量筒，因河道土体具有设定的宽度，在一个监测断面设置一个也可实现检测；因此，每个监测断面至少设置一个测量筒；考虑到对河道边坡的综合监测，设置三个测量筒，一个插入河道土体，另两个插入河道边坡。
当设置三个测量筒时，第一测量筒1安装于河道土体中，第二测量筒2和第三测量筒3相邻安装于河道土体的边坡。
水位传感器通过夹持环5固定安装于每一测量筒的内部，参考图2所示，夹持环包括第一半环和第二半环，其中一个半环可相对于另一半环打开；两半环之间形成用于容纳水位传感器的空间，在一些示例中，两半环的一端铰接连接，另一端通过锁紧件如螺栓连接；在另一些示例中，两半环的两端均通过螺栓10螺母连接。
容易理解的是，为了对夹持环和水位传感器进行稳定支撑，测量筒内部通过支撑架支撑夹持环。
进一步，为了对水位传感器进行供电，在测量筒的顶端设置蓄电池，蓄电池通过电线向水位传感器供电，蓄电池设于蓄电池壳体7内。
由此，支撑架9包括第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件，在本实施例中，三者均为支撑杆，第一支撑杆连接测量筒筒壁和第一半环，第二支撑杆支撑第二半环和蓄电池壳体7，第三支撑杆连接蓄电池壳体和测量筒筒壁，当然，最优方案中，第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆位于同一直线设置。
通过支撑架9支撑水位传感器和蓄电池，不仅可以保证水位传感器对测量筒内水位的准确测量，而且避免将蓄电池安装于测量筒的筒壁，避免测量筒的一侧质量大于另一侧。
相应，为了保证对水位传感器的设置稳定性，第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆均为刚性支撑杆，因夹持环夹持水位传感器是在测量筒的外侧进行，故在夹持环固定完成水位传感器后，夹持环的一侧与蓄电池壳体通过第二支撑杆连接，若安装孔为通孔，第三支撑杆和第一支撑杆可穿过测量筒的安装孔与夹持环连接，相应，夹持环与蓄电池壳体同样设置螺纹孔以便于第一支撑杆和第三支撑杆的设置。
若测量筒安装孔为盲孔，则在第一支撑杆、第三支撑杆的一端分别与夹持环和蓄电池壳体连接后，先安装第一支撑杆远离夹持环的一端，再安装第三支撑杆远离蓄电池壳体的一端，或者，先安装第三支撑杆再安装第一支撑杆。
为了方便在测量筒内对支撑架9进行安装，测量筒可设置安装孔，在一些示例中，安装孔可为盲孔或通孔，安装孔为盲孔时，从测量筒的内壁对第一支撑杆或第三支撑杆进行安装；当安装孔为通孔时，可从测量筒的外侧对第一支撑杆和第三支撑杆的安装，当安装孔为通孔时，考虑到密封性，需要在通孔处安装密封圈。
在另一些示例中，安装孔可为螺纹孔，相应，第一支撑杆和第三支撑杆靠近测量筒的端部设置螺纹，第一支撑杆和第三支撑杆端部安装于螺纹孔内，以保证对夹持环和蓄电池的稳定支撑。
容易理解的是，支撑架9的第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆可替换为其他的支撑部件，如支撑板或其他的支撑架。
需要说明的是，水位传感器是指将被侧点水位参量实时地转变为相应电量信号的仪器，水位传感器具有无线通讯模块，水位传感器能够实时监测测量筒内水位的变化，并将相关数据传送至远程控制端，远程控制端可为手机或电机或IPAD等电子设备的客户端，电子设备客户端可对获取的数据进行记录。
容易理解的是，水位传感器的本身具有圆柱段，因此通过第一半环和第二半环能够可靠地夹持水位传感器，使得水位传感器的测量头朝下设置，以获取测量筒内水位信息，相应，第一半环和第二半环的结构是相同的，均包括用于同水位传感器接触的弓形段(中间相对其两端较高)，弓形段的两端分别设置耳边，耳边用于螺栓10或铰接端的设置。
在一些示例中，弓形段最优方案为弧形段，弧形段能够较好地与水位传感器进行贴合。
优选地，水位传感器采用超声波水位传感器6，超声波水位传感器的测量头可位于水位上方由此实现水位信息的获取，水位传感器采用24V蓄电池供电。
进一步，电子设备客户端可按照设定步长读取数据，输出为excel表格，时间步长可根据试验情况进行调整，而且客户端可将获取的实时水位信息，通过水位信息可得到河道土体的垂向渗流速度和河道边坡的垂向渗流速度，并获得河道边坡的侧向渗流速度，根据渗流速度随水位下降的变化而变化，绘制补给效应的变化曲线，进而分析随河流水位变化的地下水补给效应。
在一些示例中，测量筒采用不锈钢材质，测量筒的顶部可设置端盖4，端盖4相对于测量筒可打开，端盖的设置可抑制蒸发。
端盖通过测量筒筒壁支撑，具体地，端盖为直径略大于测量筒直径的圆盘；或者，端盖与测量筒筒口通过卡扣连接，测量筒顶端环向设置突边，端盖环向设置至少两处卡边，卡边为L型，卡边一端与端盖活动连接，另一端内侧设置凸条，这样卡边能够与突边实现卡合连接。
常态下，测量筒为圆柱形，针对可插入边坡的测量筒，部分测量筒的底端为尖端8，具体尖端为45°斜切面，不仅便于测量筒插入边坡内，而且通过其可获取测量筒的渗流速度，该渗流速度可分解为垂向渗流速度和侧向渗流速度。
一种水系河网地下水补给效应远程监测方法，包括如下内容：
选择要研究的河道土体，确定监测断面，计算该河流的特征水位，包括生态水位、安全水位和风险水位，测量筒内的初始水位设为风险水位；
使测量筒内的初始水位在风险水位，与地下水之间存在明显的水头差；
综合具体的风险水位对应的水深、测量筒插入河道土体内深度(20-30cm)以及安装水位传感器预留空间来定制测量筒的筒高；由于需要施加外力将测量筒打入河道土体内，测量筒厚度在1mm以上，筒径设置在20-25cm，使测量筒具有抗压能力；测量筒顶端内部中心安装电池盒与夹持环；并订制相同数量的端盖；
在河道土体中心搭建高于水面的不锈钢平台，提供落脚点；
参考图3所示，定制大于测量筒筒口面积的3mm铁片11，铁片上表面设计用于固定打夯设备的凹槽12，作为辅助装置使测量筒筒壁在被夯击时受力均匀；利用打夯设备通过铁片11将测量筒分别垂直插入河道土体和/或边坡处，深度为20cm；
将水位传感器连接蓄电池，安装固定于测量筒上端的夹持环处，蓄电池固定于蓄电池壳体内；
用水泵抽取河水向测量筒内注水，使测量筒内水位到达风险水位；
打开水位传感器，无线通信模块开始工作，电子设备客户端界面显示数据；
持续观测，设置读数步长，输出实时水位信息表，通过电子设备客户端或者其他的计算机程序中，分解计算得到垂向渗流速度与侧向渗流速度，制图分析随河流水位变化的地下水补给效应。
此外，可以理解的是，铁片的设置厚度还可以是其他的选择，测量筒的筒径和厚度也可以是其他选择，不做强制限定。
需要注意的是，风险水位是试验开始的水位，测量筒内水位会随着渗流而下降，分别下降到安全水位和生态水位，这两个水位是为试验结果分析的两个分界线。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)

1.一种水系河网地下水补给效应远程监测装置的监测方法，包括至少一个测量筒，测量筒的底端可插入河道土体或边坡中，测量筒内安装有用于夹持水位传感器的夹持环，夹持环可打开设置，水位传感器用于监测测量筒内水的水位信息，并将监测的信息传送至电子设备客户端；其特征在于，监测方法包括如下内容：
测量筒内支撑水位传感器；
在河道和/或边坡的同一断面设置至少一处测量筒，测量筒底端插入河道土体或边坡中；
向测量筒内注入河水，使测量筒内水位到达风险水位；
水位传感器开始监测测量筒内水的变化情况，并将监测到的数据传递至电子设备客户端；
电子设备客户端根据获取的水位信息分解得到河水对地下水补给的垂向渗流速度和侧向渗流速度，以分析随河流水位变化的地下水补给效应。
2.根据权利要求1所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置的监测方法，其特征在于，所述测量筒内设置用于支撑所述夹持环的支撑架。
3.根据权利要求2所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置的监测方法，其特征在于，所述测量筒内设置蓄电池，蓄电池与所述水位传感器连接以向水位传感器供电；
蓄电池设于蓄电池壳体内。
4.根据权利要求3所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置的监测方法，其特征在于，所述支撑架包括第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件，第一支撑件连接所述测量筒筒壁和夹持环的一侧，第二支撑件连接夹持环的另一侧和蓄电池壳体，第三支撑件连接蓄电池壳体和测量筒筒壁。
5.根据权利要求4所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置的监测方法，其特征在于，所述第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件均为支撑杆。
6.根据权利要求1所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置的监测方法，其特征在于，所述夹持环包括第一半环和第二半环，其中一个半环相对于另一半环能够打开；
第一半环和第二半环的一端铰接连接，另一端通过锁紧件连接；或者，第一半环和第二半环的两端均通过锁紧件连接。
7.根据权利要求1所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置的监测方法，其特征在于，所述测量筒的顶端设置端盖；
端盖通过测量筒筒壁支撑，或者，端盖与测量筒筒口通过卡扣连接。
8.根据权利要求1所述的一种水系河网地下水补给效应远程监测装置的监测方法，其特征在于，所述测量筒的底端设为平面或测量筒的底端设为尖端。
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