[發(fā)明專利]一種地下水流速流向?qū)崟r監(jiān)測方法及監(jiān)測系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610023424.9
• 申請日: 2016-01-14
• 公開（公告）號: CN105486351A
• 公開（公告）日: 2016-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐輝明;蔡毅;張俊榮;路桂英;張永權(quán);張雅慧;范志強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 武漢華旭知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所 42214
• 代理人: 劉榮;江釗芳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種地下水流速流向?qū)崟r監(jiān)測方法及監(jiān)測系統(tǒng)，屬于水文地質(zhì)參數(shù)監(jiān)測 領(lǐng)域。

背景技術(shù)

地下水滲流作用對水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、環(huán)境地質(zhì)條件等均有重大影響。 如滑坡、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害過程中地下水滲流場均扮演重要角色；地下水滲 流還影響地下構(gòu)筑物水文地質(zhì)條件、壩基管涌滲漏等。此外，地下水滲流作用引起土壤 溶質(zhì)運(yùn)移(無機(jī)鹽、養(yǎng)分、污染物等)，故地下水滲流對土體修復(fù)及農(nóng)業(yè)科學(xué)亦有重要 意義。綜上所述，對地下水流速流向(地下水滲流場主要特征參數(shù))的監(jiān)測意義重大。

地下水流速流向的測得方法較多，傳統(tǒng)方法主要分為抽水試驗(yàn)法和示蹤法。傳統(tǒng)的 抽水試驗(yàn)法，不適用于單井監(jiān)測，且耗時費(fèi)力。示蹤法又有放射性同位素示蹤法、電位 差法、熱示蹤法等。電位差法是通過注入鹽溶液或蒸餾水等改變地下水電位，以傳感器 測得電位場在時間空間上的變化進(jìn)而獲得地下水流速流向。放射性同位素示蹤法所需放 射性物質(zhì)可能對人體及環(huán)境造成危害。基于示蹤劑的示蹤法，所使用示蹤劑可與地下水 及巖土體發(fā)生離子交換、吸附、沉淀等理化反應(yīng)，影響測量結(jié)果；同時，示蹤劑投源機(jī) 制亦不利于實(shí)現(xiàn)長期自動化監(jiān)測。熱示蹤法對熱敏元件的精度要求較高。另外，還有顯 微照相、中子活化等技術(shù)應(yīng)用于地下水流速流向的測定。如美國Geotech生產(chǎn)的 AquaVISION，對地下水中顆粒物進(jìn)行顯微照相以分析地下水流速流向，但此法用于參 考的顆粒物不易尋得或識別。中子活化的成本高且需采取防護(hù)措施。隨著經(jīng)濟(jì)與科技水 平的發(fā)展，人們對地下水流速流向的測定提出了更高的要求。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種地下水流速流向?qū)崟r監(jiān)測方法及監(jiān)測 系統(tǒng)，測得地下水水平方向流速不受其垂直方向流速的影響，可針對具不同滲流場特點(diǎn) (水溫和流速)的地下水實(shí)現(xiàn)流速流向?qū)崟r監(jiān)測，適用范圍廣，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制 造及運(yùn)行成本低，不會對環(huán)境造成污染，具有很重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供了一種地下水流速流向?qū)崟r監(jiān) 測方法，沿鉛垂方向設(shè)置一撓性管，撓性管的下端連接一擺球；將撓性管放入地下水中； 擺球受地下水繞流阻力作用產(chǎn)生位移，同時，該繞流阻力作用于撓性管使撓性管產(chǎn)生撓 曲變形；測得擺球在繞流阻力作用下的水平方向位移及擺球在水平面的偏轉(zhuǎn)方向；根據(jù) 擺球在繞流阻力作用下的水平方向位移計(jì)算得到地下水水平方向流速。

根據(jù)擺球在繞流阻力作用下的水平方向位移計(jì)算地下水水平方向流速時，忽略地下 水垂向流速對擺球水平位移的影響；所述地下水水平方向流速根據(jù)以下公式計(jì)算得到：

CDAρU22=3EIω1l3]]>

其中，U為地下水水平方向流速；A為繞流物體在垂直于流向的平面上投影面積； ρ為地下水密度；l為撓性管的長度，E為撓性管彈性模量，I為撓性管慣性矩，l、E 和I均由撓性管決定；ω₁為擺球在繞流阻力作用下的水平方向位移；C_D為繞流阻力系 數(shù)，取決于繞流物體的形狀與流動雷諾數(shù)R_e，所述流動雷諾數(shù)R_e與地下水水平方向流 速、地下水溫度T和擺球直徑d有關(guān)。

所述撓性管的上端安裝有電子羅盤和感光元件，撓性管與擺球的連接處安裝LED 燈，擺球受地下水繞流阻力作用產(chǎn)生位移時LED燈位置發(fā)生改變，利用電子羅盤和感 光元件采集位移數(shù)據(jù)，得到擺球在繞流阻力作用下的水平方向位移及擺球在水平面的偏 轉(zhuǎn)方向。