CN114113670A - 地下水流速流向测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地下水流速流向测量装置及方法，包括过滤筒、标记物单元、图像采集单元和分析处理单元，过滤筒包括底板和圆筒，底板盖合于圆筒的一端，圆筒侧壁上设有若干过滤孔；标记物单元包括罗盘、标记物和细绳，罗盘设于底板，标记物设于圆筒内，细绳的一端与标记物连接，另一端与底板连接，标记物有位于罗盘正上方的参考位置和随水流动后的标记位置；图像采集单元包括端盖、照明器具和摄像头模块，端盖设于圆筒另一端，照明器具和摄像头模块设于圆筒内，摄像头模块与罗盘位置正对；分析处理单元与图像采集单元通信连接。通过摄像头模块获取标记物相对于罗盘的图像信息传递给分析处理单元，得出地下水的流速和流向。

Description

地下水流速流向测量装置及方法

技术领域

本发明涉及地下水监测技术领域，尤其涉及一种地下水流速流向测量装置及方法。

背景技术

地下水是水资源的重要组成部分，是农业灌溉、工矿和城市的重要水源之一，与人类生活和社会经济建设具有密切的关系。但在一定条件下，地下水的变化也会引起沼泽化、盐渍化、滑坡、地面沉降等不利自然现象。研究和掌握地下水的实时变化情况，对于有效开发利用地下水资源、防灾减灾具有重要意义。

地下水进行流速流向是研究地下水流动特性的关键研究指标，目前常用的地下水流速流向测量方法主要有水文物探法、抽水实验法和示踪法。

水文物探法主要有包括自然电位法和高密度电法等，其原理是通过对地层电场探测以确定地下水流速流向，但其针对不同的水文地质环境需要进行具体分析、应用。抽水实验法是通过对多个钻孔绘制等水位线图，间接计算得到渗流流向，但是结果可靠性差、操作复杂，无法进行单孔测量。示踪法主要有示踪剂投放法和温度场示踪法。示踪剂投放法通过人工投放示踪剂并对其进行运动监测达到测定流速流向的目的，常采用的示踪剂有放射性元素、盐、颜料等，不同的示踪剂对于地下水都会有一定的影响，同时需要补充示踪剂，且测量结果需要修正，操作较为复杂。温度场示踪法将温度作为“示踪剂”，通过监测不同方向的温度变化速率来实现对水流速流向的监测，对于热敏元件的要求较高。

上述测量方法测试流程复杂，测量误差偏大，示踪法对环境存在一定影响，开发一种高效、准确、简便的地下水流速流向测量仪器十分必要。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种地下水流速流向测量装置，旨在准确简便的测量地下水流速和流向。

本发明的实施例提供一种地下水流速流向测量装置，包括：

过滤筒，所述过滤筒包括底板和圆筒，所述底板盖合于所述圆筒的一端，所述圆筒侧壁上设有若干过滤孔；

标记物单元，包括罗盘、标记物和细绳，所述罗盘安装于所述底板上，所述标记物设于所述圆筒内，所述细绳的一端与所述标记物连接，所述细绳的另一端与所述底板连接，所述标记物具有位于所述罗盘正上方的参考位置和随水流动后的标记位置；

图像采集单元，包括端盖、照明器具和摄像头模块，所述端盖盖设于所述圆筒的另一端，所述照明器具设于所述圆筒内，所述摄像头模块设于所述圆筒内，并固定于所述端盖上，所述摄像头模块与所述罗盘位置正对，以采集所述罗盘和所述标记物的图像信息；以及，

分析处理单元，与所述图像采集单元通信连接，以获取所述摄像头采集的图像信息并进行分析处理。

可选地，所述标记物单元还包括：

罗盘底座，设于所述底板上，所述罗盘底座上设有一凹槽，所述罗盘固定于所述凹槽内；

第一透镜，盖设于所述凹槽上，以将所述罗盘密封在所述凹槽内；

固定座，设于所述第一透镜的上方中部位置处，用于与所述细绳连接。

可选地，所述标记物为浮球。

可选地，所述图像采集单元还包括：

筒体，所述筒体同轴设于所述圆筒内，并与所述端盖密封固定连接，所述摄像头模块安装于所述筒体内；

多个连接杆，沿所述筒体的周向间隔布设，每一所述连接杆的一端与所述筒体连接，另一端与所述标记物单元连接。

可选地，所述摄像头模块包括：

第二透镜，所述第二透镜设于所述筒体远离所述端盖的一端，并与所述筒体密封连接，以在筒体内形成密封空腔；

安装板，所述安装板与所述筒体内径相适配，设于所述密封空腔内；

摄像头，所述摄像头固定在所述安装板上。

可选地，所述照明器具包括：

灯罩，所述灯罩呈环形设置，套设于所述摄像头外侧，所述灯罩内设有一环形槽，所述环形槽的槽口朝向所述第二透镜设置；

第三透镜，盖设于所述环形槽的槽口；

环形LED灯，设于所述环形槽内。

可选地，所述摄像头上设有固定孔，所述安装板和所述灯罩上均设有与所述固定孔相对应的安装孔，所述摄像头模块还包括：

第一套筒，所述第一套筒设于所述灯罩的上方，所述第一套筒的筒壁上贯设有沿套筒延伸方向延伸的第一通孔，所述摄像头一端搭设于所述第一套筒上，以使得所述固定孔与所述第一通孔连通，所述摄像头的另一端设于所述第一套筒内；

第二套筒，所述第二套筒设于所述摄像头与所述安装板之间，所述第二套筒上设有与所述第一通孔连通的第二通孔；

螺栓，依次穿设于所述灯罩上的安装孔、所述第一通孔、所述固定孔、所述第二通孔和所述安装板上的安装孔，再通过螺母固定。

可选地，所述分析处理单元为上位机。

可选地，所述图像采集单元还包括电缆防水接头，所述电缆防水接头安装于所述端盖上，用于供所述摄像头模块和所述照明器具与所述上位机通信连接和通电连接。

本发明还提供一种地下水流速流向测量方法，应用于如上所述的地下水流速流向测量装置，所述标记物为浮球，包括以下步骤：

所述图像采集单元获取所述标记物单元的图像信息；

根据所述图像信息，获取浮球所在的标记位置相对于所述罗盘的指向，判断地下水的流向；

若所述浮球处于所述标记位置时，根据所述图像信息对所述浮球进行空间几何关系分析，所述浮球相对所述罗盘的水平位移为x，所述细绳长度为l，所述细绳与所述罗盘的角度为θ，则有：

所述分析处理单元根据所述浮球所在的标记位置依次计算所述浮球的受力，其中，所述浮球的受力包括：

重力：

浮力：

绕流阻力：

细绳拉力：F_L；

其中，d为浮球直径，ρ_b为浮球的平均密度，ρ_w为地下水的密度，C_D为浮球绕流阻力系数，A_x为浮球沿质心平动速度方向的投影面积，v_w为地下水的流速，v_b为浮球质心的平动速度；

若所述浮球处于所述标记位置时，所述浮球的受力处于平衡状态，所述浮球的速度为0，根据受力关系有：

所述分析处理单元联立(1)和(2)可获得地下水流速为：

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的地下水流速流向测量装置通过将标记物单元设于筒底，将图像采集单元设于标记物单元正对的位置，将圆筒放入地下水中时，水自圆筒侧壁上的过滤孔中进入，使得标记物单元位于下侧，图像采集单元位于上方，此时，利用摄像头模块获取标记物相对于罗盘的图像信息传递给分析处理单元，分析处理单元对图像信息进行分析处理，获取标记物相对于罗盘的位置关系，从而分析计算出地下水的流速和流向。

附图说明

图1是本发明提供的地下水流速流向测量装置的一实施例的结构示意图；

图2是图1中的剖面示意图；

图3是图1中的标记物在参考位置的正视图；

图4是图2中的标记物在参考位置的俯视图；

图5是图1中的标记物在标记位置的正视图；

图6是图5中的标记物在标记位置的俯视图；

图7是图5中的标记物在标记位置的受力示意图；

图8是图5中的标记物在标记位置的空间几何关系图。

图中：地下水流速流向测量装置100、过滤筒1、底板11、圆筒12、过滤孔13、标记物单元2、罗盘21、标记物22、细绳23、罗盘底座24、第一透镜25、固定座26、图像采集单元3、端盖31、照明器具32、灯罩321、第三透镜322、环形LED灯323、摄像头模块33、第二透镜331、安装板332、摄像头333、第一套筒334、第二套筒335、螺栓336、筒体34、连接杆35、电缆防水接头36、分析处理单元4。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1至图2，本发明提供的一种地下水流速流向测量装置100，包括过滤筒1、标记物单元2、图像采集单元3和分析处理单元4，过滤筒1包括底板11和圆筒12，所述底板11盖合于所述圆筒12的一端，所述圆筒12侧壁上设有若干过滤孔13；标记物单元2包括罗盘21、标记物22和细绳23，所述罗盘21安装于所述底板11上，所述标记物22设于所述圆筒12内，所述细绳23的一端与所述标记物22连接，所述细绳23的另一端与所述底板11连接，所述标记物22具有位于所述罗盘21正上方的参考位置和随水流动后的标记位置；图像采集单元3，包括端盖31、照明器具32和摄像头模块33，所述端盖31盖设于所述圆筒12的另一端，所述照明器具32设于所述圆筒12内，所述摄像头模块33设于所述圆筒12内，并固定于所述端盖31上，所述摄像头模块33与所述罗盘21位置正对，以采集所述罗盘21和所述标记物22的图像信息；以及，分析处理单元4与所述图像采集单元3通信连接，以获取所述摄像头333采集的图像信息并进行分析处理。

通过将标记物单元2设于筒底，将图像采集单元3设于标记物单元2正对的位置，将圆筒12放入地下水中时，水自圆筒12侧壁上的过滤孔13中进入，使得标记物单元2位于下侧，图像采集单元3位于上方，此时，利用摄像头模块33获取标记物22相对于罗盘21的图像信息传递给分析处理单元4，分析处理单元4对图像信息进行分析处理，获取标记物22相对于罗盘21的位置关系，从而分析计算出地下水的流速和流向。

本实施例中，所述分析处理单元4为上位机，标记物22采用浮球，浮球在细绳23的牵引下在地下水的流动下会发生偏移，利用浮球相对罗盘21的偏移方向来判断地下水的流向，利用浮球的偏移量来计算地下水的流速。标记物22也可以采用其他质量轻的漂浮物来代替，此处不做限制。通过圆筒12上设置的若干过滤孔13，用于过滤地下水中的悬浮杂质，避免杂质附着在标记物22上影响测量结果，或附着在测量装置内部影响图像采集单元3正常工作，利用照明器具32的照明作用，可以保证摄像头模块33在地下工作环境中能够正常采集信息。

此处，该装置放入静止地下水环境时，浮球浮在罗盘21的中心正上方，即位于所述的参考位置，其主视图如图3所示，摄像头333采集的图像信息(即俯视图)如图4所示。该装置放入流动地下水环境时，浮球随地下水的流动而移动，位于标记位置，本实施例以水流水平向左流动为例进行说明，其主视图如图5所示，摄像头333采集的图像信息(即俯视图)如图6所示，水流水平向左时，浮球受到的作用力分析图如图7所示，浮球的空间几何关系如图8所示。

其中，细绳23的长度可根据地下水的实际情况进行调节，如果测得地下水流速度小时，细绳23的长度就可以设置长一些，浮球的位移会相对明显，测量误差会小一些，如果地下水流速度大时，细绳23的长度就设置短一些，以使得浮球不会贴到圆筒12侧壁上。

进一步地，所述标记物单元2还包括罗盘底座24、第一透镜25和固定座26，罗盘底座24设于所述底板11上，所述罗盘底座24上设有一凹槽，所述罗盘21固定于所述凹槽内；第一透镜25盖设于所述凹槽上，以将所述罗盘21密封在所述凹槽内；固定座26设于所述第一透镜25的上方中部位置处，用于与所述细绳23连接。

本实施例中，第一透镜25与罗盘底座24之间通过密封胶密封连接，通过第一透镜25将罗盘21密封安装在罗盘底座24上的凹槽内，既能防止地下水进入对罗盘21造成影响，又能利用第一透镜25的透明特性，使得图像采集单元3采集的图像信息中能够看清罗盘21上的信息。本实施例中，罗盘21安装在罗盘底座24的正中位置，罗盘底座24的外部尺寸与圆筒12内径相适配，以使得罗盘21位于底板11的正中位置，固定座26也设于第一透镜25的正中位置，以使得地下水流静止时，浮球位于罗盘21正上方的参考位置。

进一步地，所述图像采集单元3还包括筒体34和多个连接杆35，所述筒体34同轴设于所述圆筒12内，并与所述端盖31密封固定连接，所述摄像头模块33安装于所述筒体34内；多个连接杆35沿所述筒体34的周向间隔布设，每一所述连接杆35的一端与所述筒体34连接，另一端与所述标记物单元2连接。

通过设置与圆筒12同轴设置的筒体34，并将摄像头模块33安装于筒体34内，利用多个连接杆35将筒体34和标记物单元2连接，一方面是便于图像采集单元3的连接，另一方面是可以保证图像采集单元3和标记物单元2的位置固定，此处，连接杆35的另一端与罗盘底座24连接，本实施例中连接杆35的两端均通过过盈配合来连接。将图像采集单元3和标记物单元2通过连接杆35固定在两端，可以保证图像采集单元3采集的图像信息结果可靠。

本实施例中，圆筒12上侧向上凸设有四个沿圆筒12圆周方向间隔的固定铁片，固定铁片上设有通孔，端盖31上设有与四个固定铁片位置相对应的通孔，筒体34上设有与四个固定铁片位置相对应的螺纹孔，在筒体34内部标记单元和图像采集单元3安装完毕后，将四个固定铁片向圆筒12中心弯折，然后利用螺钉将铁片、端盖31和筒体34固定连接。

进一步地，所述摄像头模块33包括第二透镜331、安装板332和摄像头333，所述第二透镜331设于所述筒体34远离所述端盖31的一端，并与所述筒体34密封连接，以在筒体34内形成密封空腔；所述安装板332与所述筒体34内径相适配，设于所述密封空腔内；所述摄像头333固定在所述安装板332上。

本实施例中，第二透镜331与筒体34之间通过密封胶密封连接，圆筒12和端盖31之间设有密封圈，通过密封圈对密封空腔的另一端进行密封。通过第二透镜331与筒体34的密封连接形成的密封空腔用于安装摄像头333，一方面可以防止摄像头333内进水影响拍摄，造成设备损坏，另一方面，利用第二透镜331的透明特性，不会影响摄像头333的拍摄。通过设置安装板332与筒体34内径相适配，利用安装板332来固定摄像头333，然后将安装板332卡接在筒体34内，也便于摄像头模块33的安装固定。本实施例中，摄像头333安装在筒体34的正中位置，以与罗盘21正对设置。

进一步地，所述照明器具32包括灯罩321、第三透镜322和环形LED灯323，所述灯罩321呈环形设置，套设于所述摄像头333外侧，所述灯罩321内设有一环形槽，所述环形槽的槽口朝向所述第二透镜331设置；第三透镜322盖设于所述环形槽的槽口；环形LED灯323设于所述环形槽内。通过在摄像头333侧边设置一圈环形的LED灯，用于照明地下水环境，使得摄像头333拍摄的图像清晰，此处，利用第三透镜322来支撑LED灯，同时利用第三透镜322的透明特征使得LED灯的灯光能照射至标记单元。

进一步地，所述摄像头333上设有固定孔，所述安装板332和所述灯罩321上均设有与所述固定孔相对应的安装孔，所述摄像头模块33还包括第一套筒334、第二套筒335和螺栓336，所述第一套筒334设于所述灯罩321的上方，所述第一套筒334的筒壁上贯设有沿套筒延伸方向延伸的第一通孔，所述摄像头333一端搭设于所述第一套筒334上，以使得所述固定孔与所述第一通孔连通，所述摄像头333的另一端设于所述第一套筒334内；所述第二套筒335设于所述摄像头333与所述安装板332之间，所述第二套筒335上设有与所述第一通孔连通的第二通孔；螺栓336依次穿设于所述灯罩321上的安装孔、所述第一通孔、所述固定孔、所述第二通孔和所述安装板332上的安装孔，再通过螺母固定。

由于摄像头333上方的电路板上有电气元件，故设置第二套筒335将安装板332与摄像头333上方间隔一端距离，再通过第一套筒334对摄像头333进行支撑，利用螺栓336同时将灯罩321、第一套筒334、摄像头333、第二套筒335和安装板332固定，从而起到对摄像头333的固定和支撑，保证图像采集过程中摄像头333的稳定性。

进一步地，所述图像采集单元3还包括电缆防水接头36，所述电缆防水接头36安装于所述端盖31上，用于供所述摄像头模块33和所述照明器具32与所述上位机通信连接和通电连接。通过在安装板332和灯罩321上开设过线孔，在端盖31上安装电缆防水接头36，摄像头模块33和照明器具32的供电及通信通过走线孔连接到端盖31上的电缆防水接头36，外部用接头直插就可以使用该装置，既方便又安全可靠。

本申请还提供一种地下水流速流向测量方法，应用于上述的地下水流速流向测量装置100，所述标记物22为浮球，包括以下步骤：

步骤S10：所述图像采集单元3获取所述标记物单元2的图像信息；

步骤S20：根据所述图像信息，获取浮球所在的标记位置相对于所述罗盘21的指向，判断地下水的流向；

步骤S30：所述浮球处于所述标记位置时，根据所述图像信息对所述浮球进行空间几何关系分析，所述浮球相对所述罗盘21的水平位移为x，所述细绳23长度为l，所述细绳23与所述罗盘21的角度为θ，则有：

本实施例以水流水平向左流动为例进行说明，其主视图如图5所示，摄像头333采集的图像信息(即俯视图)如图6所示，水流水平向左时，浮球受到的作用力分析图如图7所示，浮球的空间几何关系如图8所示。

步骤S40：所述分析处理单元4根据所述浮球所在的标记位置依次计算所述浮球的受力，其中，所述浮球的受力包括：

重力：

浮力：

绕流阻力：

细绳23拉力：F_L；

其中，d为浮球直径，ρ_b为浮球的平均密度，ρ_w为地下水的密度，C_D为浮球绕流阻力系数，A_x为浮球沿质心平动速度方向的投影面积，v_w为地下水的流速，v_b为浮球质心的平动速度；

其中，浮球绕流阻力系数C_D主要取决于流动雷诺数R_e，当R_e＜1时：C_D＝24/R_e；当1＜R_e＜2×10⁵时，Dallavalle推荐使用计算式：

针对流体绕浮球流动，有

其中，v_w为地下水的流速，v_b为浮球质心的平动速度，d为浮球直径，v为流体运动粘滞系数。

水的运动粘滞系数有经验公式：

其中，T为水温，单位℃，v单位m2/s。

步骤S50：若所述浮球处于所述标记位置时，所述浮球的受力处于平衡状态，所述浮球的速度为0，根据受力关系有：

步骤S60：所述分析处理单元4联立(1)和(2)可获得地下水流速为：

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

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)

1.一种地下水流速流向测量装置，其特征在于，包括：

过滤筒，所述过滤筒包括底板和圆筒，所述底板盖合于所述圆筒的一端，所述圆筒侧壁上设有若干过滤孔；

标记物单元，包括罗盘、标记物和细绳，所述罗盘安装于所述底板上，所述标记物设于所述圆筒内，所述细绳的一端与所述标记物连接，所述细绳的另一端与所述底板连接，所述标记物具有位于所述罗盘正上方的参考位置和随水流动后的标记位置；

图像采集单元，包括端盖、照明器具和摄像头模块，所述端盖盖设于所述圆筒的另一端，所述照明器具设于所述圆筒内，所述摄像头模块设于所述圆筒内，并固定于所述端盖上，所述摄像头模块与所述罗盘位置正对，以采集所述罗盘和所述标记物的图像信息；以及，

分析处理单元，与所述图像采集单元通信连接，以获取所述摄像头采集的图像信息并进行分析处理。

2.如权利要求1所述的地下水流速流向测量装置，其特征在于，所述标记物单元还包括：

罗盘底座，设于所述底板上，所述罗盘底座上设有一凹槽，所述罗盘固定于所述凹槽内；

第一透镜，盖设于所述凹槽上，以将所述罗盘密封在所述凹槽内；

固定座，设于所述第一透镜的上方中部位置处，用于与所述细绳连接。

3.如权利要求1所述的地下水流速流向测量装置，其特征在于，所述标记物为浮球。

4.如权利要求1所述的地下水流速流向测量装置，其特征在于，所述图像采集单元还包括：

筒体，所述筒体同轴设于所述圆筒内，并与所述端盖密封固定连接，所述摄像头模块安装于所述筒体内；

多个连接杆，沿所述筒体的周向间隔布设，每一所述连接杆的一端与所述筒体连接，另一端与所述标记物单元连接。

5.如权利要求4所述的地下水流速流向测量装置，其特征在于，所述摄像头模块包括：

第二透镜，所述第二透镜设于所述筒体远离所述端盖的一端，并与所述筒体密封连接，以在筒体内形成密封空腔；

安装板，所述安装板与所述筒体内径相适配，设于所述密封空腔内；

摄像头，所述摄像头固定在所述安装板上。

6.如权利要求5所述的地下水流速流向测量装置，其特征在于，所述照明器具包括：

灯罩，所述灯罩呈环形设置，套设于所述摄像头外侧，所述灯罩内设有一环形槽，所述环形槽的槽口朝向所述第二透镜设置；

第三透镜，盖设于所述环形槽的槽口；

环形LED灯，设于所述环形槽内。

7.如权利要求6所述的地下水流速流向测量装置，其特征在于，所述摄像头上设有固定孔，所述安装板和所述灯罩上均设有与所述固定孔相对应的安装孔，所述摄像头模块还包括：

第一套筒，所述第一套筒设于所述灯罩的上方，所述第一套筒的筒壁上贯设有沿套筒延伸方向延伸的第一通孔，所述摄像头一端搭设于所述第一套筒上，以使得所述固定孔与所述第一通孔连通，所述摄像头的另一端设于所述第一套筒内；

第二套筒，所述第二套筒设于所述摄像头与所述安装板之间，所述第二套筒上设有与所述第一通孔连通的第二通孔；

螺栓，依次穿设于所述灯罩上的安装孔、所述第一通孔、所述固定孔、所述第二通孔和所述安装板上的安装孔，再通过螺母固定。

8.如权利要求1所述的地下水流速流向测量装置，其特征在于，所述分析处理单元为上位机。

9.如权利要求8所述的地下水流速流向测量装置，其特征在于，所述图像采集单元还包括电缆防水接头，所述电缆防水接头安装于所述端盖上，用于供所述摄像头模块和所述照明器具与所述上位机通信连接和通电连接。

10.一种地下水流速流向测量方法，应用于如权利要求1-9任意一项所述的地下水流速流向测量装置，其特征在于，所述标记物为浮球，包括以下步骤：

所述图像采集单元获取所述标记物单元的图像信息；

根据所述图像信息，获取浮球所在的标记位置相对于所述罗盘的指向，判断地下水的流向；

所述浮球处于所述标记位置时，根据所述图像信息对所述浮球进行空间几何关系分析，所述浮球相对所述罗盘的水平位移为x，所述细绳长度为l，所述细绳与所述罗盘的角度为θ，则有：

所述分析处理单元根据所述浮球所在的标记位置依次计算所述浮球的受力，其中，所述浮球的受力包括：

重力：

浮力：

绕流阻力：

细绳拉力：F_L；

其中，d为浮球直径，ρ_b为浮球的平均密度，ρ_w为地下水的密度，C_D为浮球绕流阻力系数，A_x为浮球沿质心平动速度方向的投影面积，v_w为地下水的流速，v_b为浮球质心的平动速度；

若所述浮球处于所述标记位置时，所述浮球的受力处于平衡状态，所述浮球的速度为0，根据受力关系有：

所述分析处理单元联立(1)和(2)可获得地下水流速为：

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