CN114791635B - 一种地下水资源实时监测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种地下水资源实时监测系统和方法，所述方法包括按照预设条件在目标区域布置钻孔；确定孔数据，其中孔数据包括孔深、钻空位；在布置钻孔的位置处对应布置监测装置，监测装置中设置有声呐系统；对水下物体进行监测；建立布置有钻孔位置坐标的相对坐标系；基于预设的声呐声场轨迹路径进行建模和模拟，并进行实际测量；绘制地下水温场景图和地下水流场景图，对地下水资源数据的分析处理，将地下水温场景图和地下水流场景图进行整合，得到地下水资源实时监测场景图进行展示。该方法可以实现对地下水资源的实时监控，并且可以提高水资源采集数据的传输速度和效率，保证高精度，高速率的实时监测。

Description

一种地下水资源实时监测系统和方法
技术领域
本发明涉及探测领域，具体涉及一种地下水资源实时监测系统和方法。
背景技术
地下水资源是指存在于地下可以为人类所利用的水资源，是全球水资源的一部分，并且与大气水资源和地表水资源密切联系、互相转化。既有一定的地下储存空间，又参加自然界水循环，具有流动性和可恢复性的特点。地下水资源的形成，主要来自现代和以前的地质年代的降水入渗和地表水的入渗，资源丰富程度与气候、地质条件等有关，利用地下水资源前，必须对其进行水质评价和水量评价。
当前储存在地下岩层中的水的总量(以体积计)。它是在长期的补给和排泄作用下，逐渐在地层中储积起来的。与其他流体矿藏不同，地下水的储存量经常处于流动中，但速度极为缓慢，甚至一年地下水流动不到一米远。当补给和排泄处于平衡时，储存量的数量保持不变；而当补给呈周期性变化时，储存量则相应地呈周期变化。储存量的大小，主要取决于含水层的分布面积与其充水和释水的体积百分比。还与地下水的排泄类型(垂直蒸发、水平溢出)和排泄基准面(地下水蒸发的极限深度，地下水溢出面的标高或抽水井、渠的开采水位，统称排泄基准面)的高低有关。在排泄基准面以下的储存量,即使断绝了补给源也能长期保存,故称之为最小储存量。
当前水质污染较为严重，而面对日益严峻的水污染形势，提高水环境实时监控与应急指挥系统能力，建立合理高效的水资源管理和供水安全保障体系成为亟需解决的问题。
目前，随着科技的不断发展和进步，在线网络监测已成为水资源监测的有效手段。在线网络式监测的实现将改变水质监测手段落后的状况，提高水环境管理自动化水平，确保自然资源可持续的发展。然而，现有技术研究大多是单一的监测产品，监测过程中对于数据的传输没有针对性的标准和路径，在当下需要大数据传输应用的过程中，数据传输速度和效率明显不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种地下水资源实时监测系统和方法，可以实现对地下水资源的实时监控，并且可以提高水资源采集数据的传输速度和效率，保证高精度，高速率的实时监测。
本发明提供了一种地下水资源实时监测系统和方法，依次包括如下步骤：
(1)基于目标区域的历史水文地质图，按照预设条件在目标区域布置钻孔；
(2)当目标区域的钻孔布置完成后，确定孔数据，其中孔数据包括孔深、钻空位；
(3)在布置钻孔的位置处对应布置监测装置；还在监测装置中设置有声呐系统；
(4)利用声呐系统对水下物体进行监测，确定监测装置之间的相对位置数据，对确定的孔深、钻空位置，以及对监测装置采集的其他监测数据进行修正；
(5)建立布置有钻孔位置坐标的相对坐标系，钻孔位置在相对坐标系内以图示的形式进行表示，并且钻孔位置在相对坐标系中以钻孔坐标的形式进行标注；
(6)设置预设的声呐声场轨迹路径，基于相对坐标系建立标准模型，模拟在标准环境下，多个声呐系统按照预设的声呐声场轨迹路径，以预设的角度依次发射声波，并在声呐声场轨迹路径的邻近的声呐系统进行接收，获取标准环境下声波速度，利用声波速度得到对应水温数据，建立标准数据库；
(7)利用多个监测装置设置的声纳系统，按照预设的声呐声场轨迹路径，以预设的角度依次发射声波，并在声呐声场轨迹路径的邻近的声呐系统进行接收，得到实际的声波速度，获取对应的水温数据；
(8)利用标准数据库中的数据对获取的水温数据进行修正，利用预设的声呐声场轨迹路径上所有经过校正的水温数据绘制地下水温场景图；
(9)获取钻孔的水位数据和水流速数据，基于水位数据和水流速数据生成目标区域的地下水流场景图，并确定多个钻孔之间水资源数据的关系；
(10)对地下水资源数据的分析处理，以相对坐标系为标准，将地下水温场景图和地下水流场景图进行整合，得到地下水资源实时监测场景图进行展示。
其中，监测装置包括水位传感器，流速传感器和水下摄像头，用于分别对钻孔内位置处的水位，流速和图像数据进行采集。
其中，声呐系统为主动声纳系统，用于对水下物体进行监测，还用于确定监测装置之间的相对位置数据。
其中，所述步骤(10)包括先收集目标区域的历史水文数据，然后将采集到的地下水资源数据进行预处理，确定地下水资源的承载能力指标。
其中，承载能力指标包括地下水资源数量和地下水资源质量。
其中，地下水资源数量包括地下水可开采资源模数、土壤含水量、地下水开采强度、地下水水位相对降幅、万元GDP用水量、潜水埋深。
其中，地下水资源质量包括原生劣质地下水区域面积占比、潜水埋深、地下水水质分级。
其中，预设的声呐声场轨迹路径是预先根据钻孔的分布情况提前设置的，具体的：基于声呐系统的特征，按照声呐声场轨迹路径以从近到远的顺序依次进行确定，预设的声波角度范围控制在2°内。
其中，预设的声呐声场轨迹路径是预先根据钻孔的分布情况提前设置的，具体的：先随机选择多个声呐系统中的部分声呐系统，然后将选择的声呐系统的位置按照从近到远的顺序依次连接构成预设的声呐声场轨迹路径，预设角度范围控制在1.5°内。
本发明还提供了一种地下水资源实时监测系统，利用上述地下水资源实时监测方法实现。
本发明的地下水资源实时监测系统和方法，可以实现：
1)可以实现对地下水资源的实时监控，并且可以提高水资源采集数据的传输速度和效率，保证高精度，高速率的实时监测；
2)利用声呐系统确定的相对位置对确定的孔深、钻空位置等孔数据，以及对监测装置采集的其他监测数据进行修正，利用速度和温度的关系进行建模和测量，使得测量的数据更加的准确，并且可以对水资源中可能出现的物体或其他不明物及时发现，保证对水下资源的监测；同时增加了随机性，克服了部分不利因素造成的数据偏差，并且有效的预设角度控制和这种随机选择的方式结合，数据准确度明显提升。
附图说明
图1为地下水资源实时监测系统和方法图。
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施，有必要在此指出的是，以下实施只是用于本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种地下水资源实时监测系统和方法，如附图1所示，其为地下水资源实时监测方法的流程图，下面具体介绍。
本发明提供了一种地下水资源实时监测系统和方法，结合附图1所示，地下水资源实时监测方法包括如下步骤。
首先，基于目标区域的历史水文地质图，按照预设条件在目标区域布置钻孔。当目标区域的钻孔布置完成后，确定孔深、钻孔位置等孔数据。然后，在布置钻孔的位置处对应布置监测装置，其中监测装置包括水位传感器，流速传感器和水下摄像头，用于分别对钻孔内位置处的水位，流速和图像数据进行采集。此外，本发明还在监测装置中设置有声呐系统。声纳系统声学技术，其为利用声波对水下物体进行探测和定位识别的方法及所用设备的总称。声纳系统大致可分为被动声纳(无源声纳)和主动声纳(有源声纳)两大类。主动声纳向水中发射声波，通过接收水下物体反射的回波发现目标，并测量其参量；目标距离可通过发射原声波与回波到达的时间差估计；目标方位则通过测量接收声阵中两子阵间的差异得到。有源声纳由发射机、声阵、接收机(包括信号处理)、显示控制台几个部分组成。被动声纳通过接收目标的辐射噪声探测目标，并测定其参量；它由接收声阵、接收机(信号处理)和显示控制台三部分组成。一般被动声纳只能测定目标方位，其测定原理与主动声纳相同。本发明设置的声呐系统可以为主动声纳系统，和现有技术不同的是，本申请设置的声呐系统并非只用于测定水中的目标，而是利用声音的传播原理，进行水资源参数的测定。具体的，由于每个钻孔的位置处都对应布置监测装置，每个监测装置都设置有声纳系统，声呐系统除了可以对水下物体进行监测外，还可以利用声呐系统确定监测装置之间的相对位置数据，从而利用相对位置数据对确定的孔深、钻空位置等孔数据，以及对监测装置采集的其他监测数据进行修正。这样可以使得测量的数据更加的准确，并且可以对水资源中可能出现的物体或其他不明物及时发现，从而保证对水下资源的监测。
本领域都知晓，声音在水中的传播速度受到温度的影响较大，现有技术中通常需设置温度传感器对水温进行测量，将其测量值作为需要的温度数据。本发明在设置了声呐系统基础上，免除设置温度传感器对水温进行测量的必要，数据传输需求变少，速度变快。具体的，每个监测装置都设置有声纳系统，并且其都设置于钻孔的位置处，因此利用声呐系统确定监测装置之间的相对位置数据，并利用相对位置数据对确定的孔深、钻空位置等孔数据，以及对监测装置采集的其他监测数据进行修正后，建立布置有钻孔位置坐标的相对坐标系，钻孔位置在相对坐标系内以图示的形式进行表示，并且钻孔位置在相对坐标系中以钻孔坐标的形式进行标注。
设置预设的声呐声场轨迹路径，基于相对坐标系建立标准模型，模拟在标准环境下，多个声呐系统按照预设的声呐声场轨迹路径，以预设的角度依次发射声波，并在声呐声场轨迹路径的邻近的声呐系统进行接收，从而获取标准环境下声波速度，利用声波速度得到对应水温数据，建立标准数据库。需要说明的是，预设的声呐声场轨迹路径是预先根据钻孔的分布情况提前设置的，在后续的实际测量中亦选择同样的预设的声呐声场轨迹路径。在优选方式中，基于声呐系统的特征，可以按照声呐声场轨迹路径以从近到远的顺序依次进行，并且预设的角度范围小于2°。此外，更优选的方式中，在确定预设的声呐声场轨迹路径时，可以先随机选择多个声呐系统中的部分声呐系统，然后将选择的声呐系统的位置按照从近到远的顺序依次连接构成预设的声呐声场轨迹路径，并且将预设角度范围控制在1.5°，经过多次的模拟实验发现，这样的设置方式由于增加了随机性，克服了部分不利因素造成的数据偏差，并且有效的预设角度控制和这种随机选择的方式结合，数据准确度明显提升。
建立标准模型和标准数据库后，则可以实际进行测量。利用多个监测装置设置的声纳系统，按照预设的声呐声场轨迹路径，以预设的角度依次发射声波，并在声呐声场轨迹路径的邻近的声呐系统进行接收，这样就可以得到发出声波到接收到声波的时间，利用两个声呐系统之间的相对距离就可以得到实际的声波速度。利用实际的声波速度，获取对应的水温数据。然后，利用标准数据库中的数据对获取的水温数据进行修正，从而最终利用预设的声呐声场轨迹路径上所有经过校正的水温数据绘制地下水温场景图。
接着，获取钻孔的水位数据和水流速数据后，基于水位数据和水流速数据生成目标区域的地下水流场景图，并确定多个钻孔之间水资源数据的关系。
对地下水资源数据的分析处理，主要包括先收集目标区域的历史水文数据，然后将采集到的地下水资源数据进行预处理，确定地下水资源的承载能力指标，其中承载能力指标包括地下水资源数量和地下水资源质量，对于地下水资源数量包括地下水可开采资源模数、土壤含水量、地下水开采强度、地下水水位相对降幅、万元GDP用水量、潜水埋深；对于地下水资源质量包括原生劣质地下水区域面积占比、潜水埋深、地下水水质分级。
然后，以相对坐标系为标准，将地下水温场景图和地下水流场景图进行整合，得到地下水资源实时监测场景图进行展示。
尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。

Claims (10)

1.一种地下水资源实时监测方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
（1）基于目标区域的历史水文地质图，按照预设条件在目标区域布置钻孔；
（2）当目标区域的钻孔布置完成后，确定孔数据，其中孔数据包括孔深、钻孔位置；
（3）在布置钻孔的位置处对应布置监测装置；还在监测装置中设置有声呐系统；
（4）利用声呐系统对水下物体进行监测，确定监测装置之间的相对位置数据，对确定的孔深、钻孔位置，以及对监测装置采集的其他监测数据进行修正；
（5）建立布置有钻孔位置坐标的相对坐标系，钻孔位置在相对坐标系内以图示的形式进行表示，并且钻孔位置在相对坐标系中以钻孔坐标的形式进行标注；
（6）设置预设的声呐声场轨迹路径，基于相对坐标系建立标准模型，模拟在标准环境下，多个声呐系统按照预设的声呐声场轨迹路径，以预设的角度依次发射声波，并在声呐声场轨迹路径的邻近的声呐系统进行接收，获取标准环境下声波速度，利用声波速度得到对应水温数据，建立标准数据库；
（7）利用多个监测装置设置的声纳系统，按照预设的声呐声场轨迹路径，以预设的角度依次发射声波，并在声呐声场轨迹路径的邻近的声呐系统进行接收，得到实际的声波速度，获取对应的水温数据；
（8）利用标准数据库中的数据对获取的水温数据进行修正，利用预设的声呐声场轨迹路径上所有经过校正的水温数据绘制地下水温场景图；
（9）获取钻孔的水位数据和水流速数据，基于水位数据和水流速数据生成目标区域的地下水流场景图，并确定多个钻孔之间水资源数据的关系；
（10）对地下水资源数据的分析处理，以相对坐标系为标准，将地下水温场景图和地下水流场景图进行整合，得到地下水资源实时监测场景图进行展示。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：监测装置包括水位传感器，流速传感器和水下摄像头，用于分别对钻孔内位置处的水位，流速和图像数据进行采集。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：声呐系统为主动声纳系统，用于对水下物体进行监测，还用于确定监测装置之间的相对位置数据。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（10）包括先收集目标区域的历史水文数据，然后将采集到的地下水资源数据进行预处理，确定地下水资源的承载能力指标。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：承载能力指标包括地下水资源数量和地下水资源质量。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：地下水资源数量包括地下水可开采资源模数、土壤含水量、地下水开采强度、地下水水位相对降幅、万元GDP用水量、潜水埋深。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：地下水资源质量包括原生劣质地下水区域面积占比、潜水埋深、地下水水质分级。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：预设的声呐声场轨迹路径是预先根据钻孔的分布情况提前设置的，具体的：基于声呐系统的特征，按照声呐声场轨迹路径以从近到远的顺序依次进行确定，预设的声波角度范围控制在2°内。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：预设的声呐声场轨迹路径是预先根据钻孔的分布情况提前设置的，具体的：先随机选择多个声呐系统中的部分声呐系统，然后将选择的声呐系统的位置按照从近到远的顺序依次连接构成预设的声呐声场轨迹路径，预设角度范围控制在1.5°内。
10.一种利用如上述权利要求1-9任一项所述的地下水资源实时监测方法实现的系统。
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