CN117606650B - 一种高地温隧道地热资源动态评价方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高地温隧道地热流体监测评价领域，具体涉及一种高地温隧道地热资源动态评价方法及装置，该动态评价方法将隧道划分成多个掌子面后，收集各掌子面的涌出流体温度和涌出流体流量；对各掌子面的涌出流体温度和涌出流体流量进行处理，得到各掌子面的涌出流体温度数据集和涌出流体流量数据集；求取各掌子面中当天的涌出流体平均温度和每小时涌出流体的平均流量；结合当天的涌出流体平均温度、每小时涌出流体的平均流量及流量衰减系数计算各掌子面当日地热资源量；绘出各个掌子面资源量随时间变化的折线图；对各个掌子面的折线图进行拟合，得到各个掌子面的资源量预测曲线方程，从而实现高精度、动态地对高地温隧道地热资源进行动态评价。
Description
技术领域
本发明涉及高地温隧道地热流体监测评价领域，尤其是涉及一种高地温隧道地热资源动态评价方法及装置。
背景技术
在目前开挖的与建成的隧道中，尤其是针对高地温隧道，在施工过程中存在以下问题：（1）施工机具在高温环境下非常规运转，会大大降低机具的工作效率，还会导致机具散热困难、部件老化加速从而导致机具故障发生率高且寿命短；（2）高温环境下需要采购耐高温性能材料，大大增加成本；（3）隧道施工的砂浆锚杆的强度因高温环境而降低，除此之外，高温会产生较大的温度附加力，导致混凝土内外温差较大而导致初衬表面开裂，影响整体结构及围岩的稳定性。基于以上，高地温隧道施工中容易发生高温灾害问题，特别是川藏铁路沿线地区。
如何将隧道的热灾害转化为地热资源进行回收利用是本领域目前急需解决的一个重大问题。在实施地热资源进行回收利用的措施之前，需准确地、动态地对高地温隧道地热资源进行评价。现有技术中没有对地热资源进行动态评价的方法。
因此，开发一种高地温隧道地热资源动态评价方法及装置具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种高地温隧道地热资源动态评价方法，将隧道划分成多个掌子面后，收集各掌子面的涌出流体温度和涌出流体流量；对各掌子面的涌出流体温度和涌出流体流量进行处理，得到各掌子面的涌出流体温度数据集和涌出流体流量数据集/>；基于各掌子面的涌出流体温度数据集/>和涌出流体流量数据集/>求取各掌子面中当天的涌出流体平均温度/>和每小时涌出流体的平均流量/>；结合当天的涌出流体平均温度/>、每小时涌出流体的平均流量/>以及流量衰减系数/>计算各掌子面当日地热资源量/>；绘制出各个掌子面资源量随时间变化的折线图；对各个掌子面的折线图进行拟合，得到各个掌子面的资源量预测曲线方程，从而实现高精度、动态地对高地温隧道地热资源进行动态评价。具体方案如下：
一种高地温隧道地热资源动态评价方法，包括如下步骤：
步骤S1、将隧道划分成多个掌子面；收集各掌子面的涌出流体温度和涌出流体流量；
步骤S2、将步骤S1中所收集的各掌子面的涌出流体温度和涌出流体流量进行预处理，得到各掌子面的涌出流体温度数据集和涌出流体流量数据集/>；
步骤S3、基于步骤S2得到的各掌子面的涌出流体温度数据集和涌出流体流量数据集/>求取各掌子面中当天的涌出流体平均温度/>和每小时涌出流体的平均流量/>；
步骤S4、引入流量衰减系数计算各掌子面当日地热资源量/>：
；
；
其中：为当地年平均气温，其单位为/>；/>为流体比热，其单位为/>；/>为流体密度，其单位为/>；/>为隧道的渗透系数，其单位为/>；/>为最低处河流水位，其单位为/>；/>为涌水的时间，其单位为年；/>为含水层宽度，其单位为/>；/>为重力给水度；
步骤S5、根据步骤S4所得各掌子面的当日地热资源量绘制出各个掌子面资源量随时间变化的折线图；
步骤S6、将步骤S5所得各个掌子面资源量随时间变化的折线图进行拟合，得到各个掌子面的资源量预测曲线方程，用于地热资源动态评价。
优选的，所述步骤S1中先把不同涌出点的流体通过开挖引流的方式排送至排液渠，再采用温度传感器和流量传感器分别测量各掌子面中排液渠的涌出流体温度和涌出流体流量；设定温度传感器和流量传感器采集数据的频率为每小时一次。将监测频率设定为每小时一次能更精准且连续的获得监控数据，以便后面计算资源量。
优选的，所述步骤S2中预处理包括：
剔除异常值，具体是：将所收集的各掌子面的涌出流体温度和涌出流体流量中出现的突变值进行删除；
数据缺失的填补，具体是：在连续的数据中出现缺失的位置或者出现被剔除异常值的位置，对于单一的数据缺失采用前后数据的平均值进行填补；出现连续缺失的数据，采用线性插值法，将当天所得到的监测数据集建立相关曲线方程，然后对缺失值进行插值填补。
优选的，所述步骤S2中：
第个掌子面的涌出流体温度数据集/>，第/>个掌子面的涌出流体流量数据集/>；/>为检测次数；
所述步骤S3中：
第个掌子面中当天的涌出流体平均温度/>；
第个掌子面中每小时涌出流体的平均流量/>。
优选的，所述步骤S6中的拟合为曲线拟合方法，能够实现快速拟合，提高数据处理效率。
本发明还公开一种高地温隧道地热资源动态评价装置，该装置采用上述高地温隧道地热资源动态评价方法进行评价，其包含传感器组、数据线以及中央处理器；所述传感器组包括与隧道的各掌子面上的排液渠对应设置的传感器单件，传感器单件包括用于测量流通温度的温度传感器和用于测量流体流量的流量传感器；所有温度传感器和所有的流量传感器均通过数据线与中央处理器连接。装置结构简单，容易安装和使用。
附图说明
图1是本发明中高地温隧道地热资源动态评价方法流程示意图；
图2是本发明中高地温隧道地热资源动态评价装置安装后示意图；
图3是本发明中四个掌子面资源量随时间变化的折线图。
其中：1-引液渠；2-涌出点；3-流量传感器；4-温度传感器；5-传输电缆；6-中央处理器；7-排液渠；A-第一掌子面；B-第二掌子面；C-第三掌子面；D-第四掌子面。
具体实施方式
以某隧道施工为例，详细描述本发明所公开的高地温隧道地热资源动态评价方法，具体包括依次进行的如下步骤，如图1所示：在掌子面出液口出安置感应设备；掌子面出液口温度的数据收集和掌子面出液口流量的数据收集；将收集的数据汇总；计算不同掌子面的地热资源量；将数据可视化和预测地热资源变化趋势；对地热资源的动态分析。详情如下：
安装高地温隧道地热资源动态评价装置，该装置包含传感器组（感应设备）、数据线以及中央处理器；所述传感器组包括与隧道的各掌子面上的排液渠对应设置的传感器单件，传感器单件包括用于测量流通温度的温度传感器和用于测量流体流量的流量传感器；所有温度传感器和所有的流量传感器均通过数据线（传输电缆）与中央处理器连接。装置和隧道的各掌子面的安装示意图如图2所示。
步骤S1、将隧道划分成多个掌子面，图2中示意了四个掌子面，具体为第一掌子面（标注为A）、第二掌子面（标注为B）、第三掌子面（标注为C）、第四掌子面（标注为D）；收集各掌子面的涌出流体温度和涌出流体流量。本实施例优选的，所述步骤S1中先把不同涌出点2的流体通过开挖引流的方式经引液渠1排送至排液渠7，再采用温度传感器4和流量传感器3分别测量各掌子面中排液渠的涌出流体温度和涌出流体流量；设定温度传感器和流量传感器采集数据的频率为每小时一次。采集到的数据经过传输电缆5传送给中央处理器6进行处理。
步骤S2、将步骤S1中所收集的各掌子面的涌出流体温度和涌出流体流量进行预处理，得到各掌子面的涌出流体温度数据集和涌出流体流量数据集/>；此处：
第个掌子面的涌出流体温度数据集/>，如表1所示，第/>个掌子面的涌出流体流量数据集/>，如表2所示；/>为检测次数。
此处，所述步骤S2中预处理包括：
剔除异常值，具体是：将所收集的各掌子面的涌出流体温度和涌出流体流量中出现的突变值进行删除；
数据缺失的填补，具体是：在连续的数据中出现缺失的位置或者出现被剔除异常值的位置，采用前后数据的平均值进行填补（缺失数据不连续）；若出现连续的数据缺失，为保证数据的精准性，则利用线性插值法将当天的监测数据集建立曲线方程对缺失值进行插值。例：第二掌子面中第一天（采用D1表示，具体测得数据采用D1.1-D1.24表示）、第二天（采用D2表示，具体测得数据采用D2.1-D2.24表示）、第三天（采用D3表示，具体测得数据采用D3.1-D3.24表示）及第四天（采用D4表示，具体测得数据采用D4.1-D4.24表示）所测数据如表1和表2所示。
第二掌子面流量数据（参见表2）中进行数据填补具体包括：①、D1的数据集的回归方程为：，其中：/>为流量，/>为时间；通过上述方程可以求出连续缺失的4个（D1.10-D1.13）流量数据为51；52；53；51；②D2.5采用D2.4和D2.6的平均值35填补；D3.12采用D3.11和D3.13的平均值25.5填补。
表1 第二掌子面的涌出流体部分温度数据集
表2 第二掌子面的涌出流体部分流量数据集
注：表格中/前的数据代表缺失或异常，表格中/后面括号内的数据为填补的数据值。
步骤S3、基于步骤S2得到的各掌子面的涌出流体温度数据集和涌出流体流量数据集/>求取各掌子面中当天的涌出流体平均温度/>和每小时涌出流体的平均流量/>；如下：
第个掌子面中当天的涌出流体平均温度/>；第个掌子面中每小时涌出流体的平均流量/>。
步骤S4、引入流量衰减系数计算各掌子面当日地热资源量/>，如下：
；
；
其中：为当地年平均气温，其单位为/>；/>为流体比热，其单位为/>；/>为流体密度，其单位为/>；/>为隧道的渗透系数，其单位为/>；/>为
最低处河流水位，其单位为；/>为涌水的时间，其单位为年；/>为含水层宽度，其单位为/>；/>为重力给水度。
为当地年平均气温，数值取的为9℃；/>为流体比热，取水的比热为，4.2；/>为流体密度，取水的密度为1 />；/>为隧道的渗透系数，取0.0861 />；为最低处河流水位，取掌子面最低出液口高度为1/>；/>为涌水的时间，第一年取值为1；为含水层宽度，取隧道的宽度，为7/>；/>为重力给水度，取值如表3所示，本次计算取0.3。
表3 不同土层中的重力给水度取值表
步骤S5、根据步骤S4所得各掌子面的当日地热资源量绘制出各个掌子面资源量随时间变化的折线图，详见图3所示，选择用绘制折线图的数据可视化方式将资源量随着时间进行展布，更加直观。
步骤S6、将步骤S5所得各个掌子面资源量随时间变化的折线图进行拟合（此处优选采用曲线拟合方法进行拟合），得到各个掌子面的资源量预测曲线方程，用于地热资源动态分析评价。
本实施例中，四个掌子面的资源量预测曲线方程，其中：为资源量，其单位为热功率；/>为时间，其单位为天。如下：
第一掌子面：；
第二掌子面：；
第三掌子面：；
第四掌子面：。
本实施例通过曲线方程计算出未来一定周期的掌子面的资源量，达到预测的目的。
以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高地温隧道地热资源动态评价方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1、将隧道划分成多个掌子面；收集各掌子面的涌出流体温度和涌出流体流量；
步骤S2、将步骤S1中所收集的各掌子面的涌出流体温度和涌出流体流量进行预处理，得到各掌子面的涌出流体温度数据集和涌出流体流量数据集/>；
步骤S3、基于步骤S2得到的各掌子面的涌出流体温度数据集和涌出流体流量数据集求取各掌子面中当天的涌出流体平均温度/>和每小时涌出流体的平均流量/>；
步骤S4、引入流量衰减系数计算各掌子面当日地热资源量/>：
；
；
其中：为当地年平均气温，其单位为/>；/>为流体比热，其单位为/>；/>为流体密度，其单位为/>；/>为隧道的渗透系数，其单位为/>；/>为最低处河流水位，其单位为/>；/>为涌水的时间，其单位为年；/>为含水层宽度，其单位为/>；/>为重力给水度；
步骤S5、根据步骤S4所得各掌子面的当日地热资源量绘制出各个掌子面资源量随时间变化的折线图；
步骤S6、将步骤S5所得各个掌子面资源量随时间变化的折线图进行拟合，得到各个掌子面的资源量预测曲线方程，用于地热资源动态评价。
2.根据权利要求1所述的一种高地温隧道地热资源动态评价方法，其特征在于：所述步骤S1中先把不同涌出点的流体通过开挖引流的方式排送至排液渠，再采用温度传感器和流量传感器分别测量各掌子面中排液渠的涌出流体温度和涌出流体流量；设定温度传感器和流量传感器采集数据的频率为每小时一次。
3.根据权利要求1所述的一种高地温隧道地热资源动态评价方法，其特征在于：所述步骤S2中预处理包括：
剔除异常值，具体是：将所收集的各掌子面的涌出流体温度和涌出流体流量中出现的突变值进行删除；
数据缺失的填补，具体是：在连续的数据中出现缺失的位置或者出现被剔除异常值的位置，采用前后数据的平均值填补或线性插值法进行插值填补。
4.根据权利要求1所述的一种高地温隧道地热资源动态评价方法，其特征在于：
所述步骤S2中：
第个掌子面的涌出流体温度数据集/>，第/>个掌子面的涌出流体流量数据集/>；/>为检测次数；
所述步骤S3中：
第个掌子面中当天的涌出流体平均温度/>；
第个掌子面中每小时涌出流体的平均流量/>。
5.根据权利要求1所述的一种高地温隧道地热资源动态评价方法，其特征在于：所述步骤S6中的拟合为曲线拟合方法。
6.一种高地温隧道地热资源动态评价装置，其特征在于：该装置采用如权利要求1-5任意一项所述高地温隧道地热资源动态评价方法进行评价，其包含传感器组、数据线以及中央处理器；所述传感器组包括与隧道的各掌子面上的排液渠对应设置的传感器单件，传感器单件包括用于测量流通温度的温度传感器和用于测量流体流量的流量传感器；所有温度传感器和所有的流量传感器均通过数据线与中央处理器连接。
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