CN114088156B - 一种基于气液扩散浓度的地下水库库容测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气液扩散浓度的地下水库库容测定方法，该方法包括测定地下水库现存水体体积和测定地下水库空腔体积两个步骤。通过投放通道将预先选定的气体和液体输入对应的布置投放点，利用液体和气体浓度传感器，将实时测量的气液浓度通过传输线路传递到计算机系统，系统将匹配有时间、空间信息的气液浓度数据进行运算求解，获得地下水库现存水体体积和地下水库空腔体积，将两者相加得到地下水库的库容量。本发明提供的地下水库库容测定方法具有操作方便、耗资小且能实时监测水库现存水量和内部环境等优点。

Description

一种基于气液扩散浓度的地下水库库容测定方法

技术领域

本发明涉及一种水库库容测量技术领域，尤其涉及一种基于气液扩散浓度的地下水库库容测定方法。

背景技术

地下水库是针对地表水库蒸发量大、储水周期短、占用面积大等缺点所提出来的一种替代性和补充性的水资源调蓄方式。地下水库的作用是调节水资源的时空分布以供人类使用，在丰水期或用水量少的时候将地表余水人为储存到地下储水构造中，改变水资源的空间分布；丰水期的储存量要在枯水期使用，调节了水资源的时间分布。中国也正在大力推广利用地下空余空间建设地下水库，以实现水资源的高效利用。因此，计算地下水库库容量对建设地下水库以及未来水资源优化配置具有深远意义。

传统的地下水库库容计算方法通常需要测量蓄水体体积、重力给水度等参数或者是收集水文地质资料后构建模型进行测量。测量地下水库各项参数工作繁琐且难度较大，以煤矿地下水库为例，计算库容需要测量蓄水体积和储水系数两项指标，蓄水体积为煤矿地下水库的可储水空间，而储水系数是一个经验系数，受煤矿开采多种因素制约，需要对蓄水体取样，在实验室开展相应的大量的测量工作来获得。而水文地质资料的收集由于自然因素的影响信息并不准确，导致模型构建计算的库容误差较大。可见，现有技术中的地下水库库容测定方法的测量工作十分繁琐，得到数据时间长、难度较大且造价昂贵。因而如何简便、快速、耗资小的测量库容是亟待解决的问题。由于部分水库淤积现象严重，地下水库内部环境复杂，使我们无法实时了解到水库现状，如何实时监测水库中现存水体积便成为我们需要着手解决的问题。

因此，有必要设计一种操作简便、快速、精确、实时监测地下水库现存水量和内部环境并且节约成本的地下水库库容测定方法和装置，以解决现有技术存在的问题和不足。

发明内容

针对目前地下水库库容测定方法操作繁琐、得到数据慢且耗资大的问题，本发明提供了一种方便易操作、耗资小且能实时监测地下水库现存水量和内部环境的基于气液扩散浓度的地下水库库容测量方法。

为解决上述问题，本发明提供了如下的技术方案：

本方案提供的一种基于气液扩散浓度的地下水库库容测定方法，包括如下步骤：

S1测定地下水库现存水体体积；使用液体浓度传感器测量预先选定的液体在地下水库内未投放之前和投放之后的浓度，利用浓度差来计算地下水库现存水体的体积；

S2测定地下水库空腔体积；使用气体浓度传感器测量预先选定的气体及液体浓度传感器测量溶解于水中的预选气体在地下水库内未投放之前和投放之后的浓度，利用浓度差来计算地下水库空腔的体积；

S3计算地下水库库容；将测定的地下水库现存水体体积和测定的地下水库空腔体积相加，即得出地下水库库容。

进一步地，在步骤S1中的测定地下水库现存水体体积方法，包括如下步骤：

S11在地下水库内选取n个布置投放点布置预先选定的液体浓度传感器；

S12利用预选的液体浓度传感器检测地下水库各点位原有的预选液体浓度值A_i(i为第i个选取点)；

S13利用投放通道向地下水库n个布置投放点各注入质量为m₁的预选液体；

S14待液体浓度传感器示数趋于稳定，说明预选液体扩散均匀，记录此时各点位预选液体浓度B_i，由于部分布置投放点处于液面之上，记水面以下液体浓度传感器个数为p(p≤ n)；

S15根据公式

得到地下水库现存水体体积V₁。

进一步地，在步骤S2中的测定地下水库空腔体积方法，包括如下步骤：

S21在地下水库内选取k个布置投放点布置预先选定的气体浓度传感器；

S22利用预选的气体浓度传感器检测地下水库原有的气体浓度值C_j(j为第j个选取点)，利用与步骤S11中相同布置方式的液体浓度传感器检测地下水库原有的预选气体溶解于水中的浓度C_i；

S23利用投放通道向地下水库k个布置投放点各注入质量为m₂的预选气体；

S24待气体和液体浓度传感器示数趋于稳定，说明预选气体扩散均匀，记录此时各点位预选气体浓度D_j和预选气体溶于水的浓度D_i，由于某些布置投放点处于液面之下，记水面以上气体浓度传感器数为q(q≤k)；

S25若预选气体难溶于水，则根据公式

得到预选气体难溶于水时地下水库空腔体积V₂。若预选气体可溶于水，则根据测定的地下水库现存水体体积，反算出预选气体溶解于水的质量为

进而根据公式

得到预选气体可溶于水时地下水库空腔体积V₂。

进一步地，所述液体浓度传感器是一个集成式的传感器，既能测量预先选定的液体浓度又能测量预选气体溶解于水中的浓度。

优选地，所述液体浓度传感器和气体浓度传感器具备高精确度、灵敏性的特性，使得地下水库库容测量值误差更小。

进一步地，所述预先选定的液体具有良好的稳定性，无毒无害、不易降解沉淀且不与地下水库中其余物质发生反应。

优选地，所述预先选定的液体为NaCl溶液，可以是其他液体，本领域技术人员可以根据选取原则和实际情况来具体选择。

优选地，所述预先选定的液体的主要成分在投入地下水库之前是固体状态，需加水充分进行搅拌溶解成液体后再注入地下水库，从而加快物质溶解的速度。

进一步地，所述预先选定的气体为N₂气体，此气体来源丰富、成本低廉、无毒无害且化学性质不活泼，在地下水库内难于其他物质发生反应。

优选地，所述预先选定的气体可以是其他无毒无害且不与地下水库内其余物质发生反应的气体，本领域技术人员可以根据选取原则和实际情况来具体选择。

进一步地，所述布置投放点分别布置液体和气体传感器的同时，也是投放预选液体和气体的投放点。液体布置投放点和气体布置投放点可以是完全相同的。

优选地，投放布置点选择距离较远、深度不同的若干均匀布置在地下水库的点位，形成测量浓度点矩阵，实时监测地下水库现存水量和内部环境。若地面向地下水库输水存储时，抽水泵运转且液体传感器显示浓度降低，具体输入量可由液体传感器浓度变化测算；若地下水库中的地下水被抽取利用时，抽水泵运转、液体传感器浓度不变且气体传感器浓度降低，具体剩余水量可由气体传感器浓度变化以及抽水量测算。若地下水库发生破损，致使水库发生渗漏，则液体传感器浓度不变、气体传感器浓度也会降低，破损具体位置可由气体传感器浓度变化最大的传感器确认；若地下水库发生突水，导致水库内水量增加，则液体传感器显示浓度会降低，突水位置和水位增加量可由液体传感器浓度数值变化确认。

所述投放通道将预先选定的气体和液体输入对应的布置投放点，利用液体浓度传感器和气体浓度传感器，将实时测量的气液浓度通过传输线路输送到计算机系统中处理分析，计算机系统运用公式将匹配有时间、空间浓度的数据进行计算求解，分析判断当前气体和液体是否已经混合均匀、所测定的地下水库现存水体积、现存空腔体积以及库容是否准确、库内环境是否改变和现存水量以及用水量的情况。

由于采用上述的技术方案，本发明专利的有益效果是：

(1)本发明方法操作简单、耗资小。仅需要了解大致的水文地质资料，用于布置气体、液体浓度传感器，就能测定封闭条件下的地下水库库容，解决了目前地下水库库容测定方法操作繁琐、得到数据慢且耗资大的问题。

(2)本发明方法能实时监测地下水库现存水量和内部环境。将实时气体浓度传感器和液体浓度传感器的数值通过传输线路输送到计算机系统中处理分析，监测实时的地下水库现存水量和内部环境的变化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明地一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明专利的一种结构示意图；

图2为本发明专利流程示意图；

图示标记：1、地下水库空腔；2、现存水体；3、布置投放点；4、液体浓度传感器；5、气体浓度传感器；6、投放通道；7、传输线路；8、计算机系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，所述地下水库库容的测定方法由测定地下水库现存水区域2体积方法和测定地下水库空腔1体积方法组成，投放通道6将预先选定的气体和液体输入对应的布置投放点3，利用液体浓度传感器4和气体浓度传感器5，将实时测量的气液浓度通过传输线路7输送到计算机系统8中处理分析。

本发明的一种基于气液扩散浓度的地下水库库容测定方法流程图如图2所示，包括如下步骤：

S1测定地下水库现存水体2体积；使用液体浓度传感器4测量预先选定的液体在地下水库内未投放之前和投放之后的浓度，利用浓度差来计算地下水库现存水体2的体积；

S2测定地下水库空腔1体积；使用气体浓度传感器5测量预先选定的气体及液体浓度传感器4测量溶解于水中的预选气体在地下水库内未投放之前和投放之后的浓度，利用浓度差来计算地下水库空腔1的体积；

S3计算地下水库库容；将测定的地下水库现存水体2体积和测定的地下水库空腔1体积相加，即得出地下水库库容。

进一步地，在步骤S1中的测定地下水库现存水体2体积方法，包括如下步骤：

S11在地下水库内选取n个布置投放点3布置预先选定的液体浓度传感器4；

S12利用预选的液体浓度传感器4检测地下水库各点位原有的预选液体浓度值A_i(i 为第i个选取点)；

S13利用投放通道6向地下水库n个布置投放点3各注入质量为m₁的预选液体；

S14待液体浓度传感器4示数趋于稳定，说明预选液体扩散均匀，记录此时各点位预选液体浓度B_i，由于部分布置投放点处于液面之上，记水面以下液体浓度传感器4个数为p (p≤n)；

S15根据公式

得到地下水库现存水体2体积V₁。

进一步地，在步骤S2中的测定地下水库空腔1体积方法，包括如下步骤：

S21在地下水库内选取k个布置投放点3布置预先选定的气体浓度传感器5；

S22利用预选的气体浓度传感器5检测地下水库原有的气体浓度值C_j(j为第j个选取点)，利用与步骤S11中相同布置方式的液体浓度传感器4检测地下水库原有的预选气体溶解于水中的浓度C_i；

S23利用投放通道6向地下水库k个布置投放点3各注入质量为m₂的预选气体；

S24待气体和液体浓度传感器5和4示数趋于稳定，说明预选气体扩散均匀，记录此时各点位预选气体浓度D_j和预选气体溶于水的浓度D_i，由于某些布置投放点3处于液面之下，记水面以上气体浓度传感器5数为q(q≤k)；

S25若预选气体难溶于水，则根据公式

得到预选气体难溶于水时地下水库空腔1体积V₂。若预选气体可溶于水，则根据测定的地下水库现存水体2体积，反算出预选气体溶解于水的质量为

进而根据公式

得到预选气体可溶于水时地下水库空腔1体积V₂。

实施例1预选气体为难溶于水的N₂。

本实施例中预选液体为NaCl，气体为难溶于水的N₂，地下水库内分别有六个布置投放点3、六个液体浓度传感器4以及六个气体浓度传感器5，投放在各布置投放点3预选液体质量为5kg、气体质量为3kg。六个液体浓度传感器4所测原始浓度分别为0.02％、0.019％、0.021％、0、0、0，稳定后浓度为0.080％、0.079％、0.081％、0、0、0。六个气体浓度传感器 5所测原始浓度分别为0、0、0、78.001％、77.999％、78.001％，稳定后浓度为0、0、0、78.051％、 78.049％、78.051％。

根据地下水库现存水体2体积计算公式

得到地下水库现存水体2体积为50000m³。根据难溶于水的地下水库空腔1体积计算公式

得到地下水库空腔1体积为12000m³。故，该地下水库库容为62000m³。

实施例2预选气体为可溶于水的He。

本实施例中预选液体为NaCl，气体为可溶于水的He，地下水库内分别有六个布置投放点3、六个液体浓度传感器4以及六个气体浓度传感器5，投放在各布置投放点3预选液体质量为5kg、气体质量为3kg。六个液体浓度传感器4所测原始浓度分别为0.02％、0.019％、 0.021％、0、0、0，稳定后浓度为0.080％、0.079％、0.081％、0、0、0。六个气体浓度传感器 5所测原始浓度分别为0、0、0、0、0、0％，稳定后浓度为0.010％、0.009％、0.011％、0.051％、 0.049％、0.050％。根据地下水库现存水体2体积计算公式，得到地下水库现存水体2体积为 50000m³。

根据气体溶解于水的质量计算公式

得到气体溶解于水的质量为5kg，进而根据公式

得到地下水库空腔1体积为26007m³。故，该地下水库库容为76007m³。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (7)

1.一种基于气液扩散浓度的地下水库库容测定方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1测定地下水库现存水体体积；使用液体浓度传感器测量预先选定的液体在地下水库内未投放之前和投放之后的浓度，利用浓度差来计算地下水库现存水体的体积；

S2测定地下水库空腔体积；使用气体浓度传感器测量预先选定的气体及液体浓度传感器测量溶解于水中的预选气体在地下水库内未投放之前和投放之后的浓度，利用浓度差来计算地下水库空腔的体积；

S3计算地下水库库容并实时监测地下水库现存水量和内部环境；将测定的地下水库现存水体体积和测定的地下水库空腔体积相加，即得出地下水库库容，通过对测量数据的分析，实现实时监测地下水库现存水量和内部环境的情况；

在步骤S1中的测定所述地下水库现存水体体积方法，包括如下步骤：

S11在地下水库内选取n个布置投放点布置预先选定的所述液体浓度传感器；

S12利用预选的液体浓度传感器检测地下水库各点位原有的预选液体浓度值A_i, i为第i个选取点；

S13利用投放通道向地下水库n个布置投放点各注入质量为m₁的预选液体；

S14待所述液体浓度传感器示数趋于稳定，说明预选液体扩散均匀，记录此时各点位预选液体浓度B_i，由于部分布置投放点处于液面之上，记水面以下液体浓度传感器个数为p,p≤n；

S15根据公式

得到所述地下水库现存水体体积V₁；

在步骤S2中的测定所述地下水库空腔体积方法，包括如下步骤：

S21在地下水库内选取k个布置投放点布置预先选定的所述气体浓度传感器；

S22利用预选的气体浓度传感器检测地下水库原有的气体浓度值C_j, j为第j个选取点，利用与步骤S11中相同布置方式的所述液体浓度传感器检测地下水库原有的预选气体溶解于水中的浓度C_i；

S23利用投放通道向地下水库k个所述布置投放点各注入质量为m₂的预选气体；

S24待气体和液体浓度传感器示数趋于稳定，说明预选气体扩散均匀，记录此时各点位预选气体浓度D_j和预选气体溶于水的浓度D_i，由于某些布置投放点处于液面之下，记水面以上气体浓度传感器数为q, q≤k；

S25若预选气体难溶于水，则根据公式

得到预选气体难溶于水时所述地下水库空腔体积V₂；若预选气体可溶于水，则根据测定的地下水库现存水体体积，反算出预选气体溶解于水的质量为

进而根据公式

得到预选气体可溶于水时所述地下水库空腔体积V₂。

2.根据权利要求1所述的基于气液扩散浓度的地下水库库容测定方法，其特征在于，所述液体浓度传感器是一个集成式的传感器，既能测量预先选定的液体浓度又能测量预选气体溶解于水中的浓度。

3.根据权利要求1所述的基于气液扩散浓度的地下水库库容测定方法，其特征在于，所述预先选定的液体具有良好的稳定性，无毒无害、不易降解沉淀且不与地下水库中其余物质发生反应。

4.根据权利要求1所述的基于气液扩散浓度的地下水库库容测定方法，其特征在于，所述预先选定的气体具有良好的稳定性，无毒无害且不与地下水库内其余物质发生反应。

5.根据权利要求1所述的基于气液扩散浓度的地下水库库容测定方法，其特征在于，所述布置投放点分别布置液体和气体传感器的同时，也是投放预选液体和气体的投放点。

6.根据权利要求1所述的基于气液扩散浓度的地下水库库容测定方法，其特征在于，所述投放布置点选择距离较远、深度不同的若干均匀布置在地下水库的点位，形成测量浓度点矩阵。

7.根据权利要求1所述的基于气液扩散浓度的地下水库库容测定方法，其特征在于，所述投放通道将预先选定的气体和液体输入对应的布置投放点，利用液体浓度传感器和气体浓度传感器，将实时测量的气液浓度通过传输线路输送到计算机系统中处理分析。

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