一种含水层地下水动态监测系统及其出水层段识别方法与流程

本发明属于水文地质勘探，具体涉及一种含水层地下水动态监测系统及其出水层段识别方法。

背景技术：

1、尽管更好地理解含水层地下水在所有的时空尺度上的行为极其重要，但是由于含水层非常不均匀，且其通道具有复杂的几何形状，所以对含水层地下水的动态监测与出水层段识别仍然具有挑战性。目前出水层段识别常通过地下水钻孔流量剖面测试判别，常采用涡轮流量计、超声波流量计、电磁流量计、电导式流量计等流量测量仪器配合抽水/压水测试流量，测试过程通常需要分层段进行，测试时间长、测试成本高、测试效率低，且测试空间分辨率低，一般取决于分层段长度。

2、随着分布式光纤声波传感(fo-das)技术的发展，为钻孔流量剖面的全钻孔分布式实时动态监测与出水层段识别提供了可能手段。fo-das技术的主要原理是利用相干光时域反射测量的原理，即通过主控系统调控任意波形生成模块将激光器发出的激光调制形成线性扫频光脉冲，再通过掺铒光纤放大器增强光功率后注入到单模测井光纤中；利用光纤对声波/振动敏感的特性，当水文勘探钻孔中出水段出水引起的水动力噪声(水动力声波/振动)作用于单模测井光纤时，由于弹光效应，光纤的折射率、长度将产生微小变化，进而引起后向瑞利散射信号强度的变化；光纤返回的后向瑞利散射信号与光源产生的窄线宽激光发生拍频，通过将拍频后的光信号由光检测模块转化为电流信号，再通过adc电路模块将电流信号转化为数字信号，最终获得包含有钻孔含水层出水层段水动力声波/振动信息的数字信号，从而实现钻孔中含水层地下水进入钻孔的动态实时监测。由于光纤具有抗电磁干扰、耐腐蚀、实时性好等特点，使得其在钻孔中地下水进入钻孔的动态实时监测方面具有更大的优越性。

3、由于含水层地下水进入钻孔会产生水动力声波，利用高灵敏度和高精度的分布式光纤声波传感技术可以感知这种声波，再结合相应的数学模型进行解释，即可获得钻孔的归一化流量剖面，识别出水层段，同时，也可以判断各出水层段的流量对总流量的贡献率。

技术实现思路

1、针对目前含水层地下水不能监测，出水层段不能准确、高效划分的现状，本发明的目的在于，提出一种含水层地下水动态监测系统及其出水层段识别方法。

2、为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

3、一种含水层地下水动态监测系统，其特征在于，包括地下水动态监控系统，测井钢丝光缆，光缆送入钻孔的辅助装置，以及水文地质勘探钻孔；其中：

4、所述地下水动态监控系统包括分布式声学传感系统、数据采集与处理系统和电脑终端；

5、所述的分布式声学传感系统包括光源模块，并联于其输出端的本地光路和探测光路，光环形器，以及光电平衡探测模块；

6、所述的光源模块用于发射光波；所述的本地光路前端与光源模块连接，后端与光电平衡探测模块连接；所述的探测光路包括依次连接的声光调制模块、光纤放大模块，其前端与光源模块连接，后端与光环形器的第一端口连接；

7、所述的声光调制模块输入端与光源模块连接，输出端与光纤放大器连接；所述的光纤放大模块用于增强光功率，其输入端与声光调制模块连接，输出端与光环形器的第一端口连接；

8、所述光环形器有3个端口，其中，第一端口与探测光路的光纤放大模块连接；第二端口与测井钢丝光缆连接；第三端口与光电平衡探测模块连接；

9、所述的数据采集与处理系统包括主控系统，数据采集模块、任意波形生成模块和数据处理模块；其中：

10、光电平衡探测模块前端与分布式声学传感系统的探测光路与本地光路并联相连接；光电平衡探测模块后端与数据采集模块和数据处理模块依次相连接；数据处理模块与电脑终端通过网线连接；

11、所述任意波形生成模块用于控制声光调制模块，使分布式声学传感系统产生线性扫频光脉冲；其一端与主控系统连接，另一端与声光调制模块控制端连接；

12、所述的数据采集模块用于将分布式声学传感系统中光电平衡探测模块生成的模拟电流信号转换成数字信号；

13、所述的数据处理模块用于进行匹配滤波、旋转矢量平均和相位差分等运算；所述的电脑终端与数据采集与处理系统后端通过网线连接，用于设置监控操作参数，实时显示单通道采集数据波形，以及导出采集的全部数据。

14、所述的测井钢丝光缆用于感知水文地质勘探钻孔中含水层地下水动力引起的微弱声波/振动；

15、所述的光缆送入钻孔辅助装置包括测井绞车、定滑轮、光纤入孔深度记录仪；其中：

16、所述的测井绞车设置在水文地质勘探钻孔外的地面上；所述的定滑轮设置在水文地质勘探钻孔的孔口上端；所述的光纤入孔深度记录仪设置于定滑轮上，通过光缆入孔带动定滑轮的转动测量光纤入孔深度。

17、根据本发明，所述测井钢丝光缆包括不锈钢外保护管，单模光纤，尾纤熔接头和光纤配重；单模光纤首端与地下水动态监控系统的光环形器的第二端口连接，并有序缠绕在测井绞车上。

18、上述含水层地下水动态监测系统用于自然环境状态下含水层地下水动态监测与出水层段识别方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

19、步骤1：针对已准备好的水文地质勘探钻孔，在光纤配重的作用下，将一定长度的单模光纤尾端缓慢放入水文地质勘探钻孔底处，并用孔深记录仪记录单模光纤进孔深度；

20、步骤2：根据孔深记录仪记录深度校准单模光纤入水文地质勘探钻孔深度，开始含水层地下水动态监测，获取2小时监测时间段内连续差分声波数据组；

21、步骤3：提取测试数据中仅包括测试段差分声波d(y,t)，l≤y≤m，y为钻孔深度，l为测试段顶端深度值，m为测试段底端深度值，对采提取到的差分声波信号进行数据预处理；

22、步骤4：获得出水流量剖面并对处理后的声波信号进行出水流量剖面解释：

23、步骤5：识别出各出水层段

24、对获得的流量剖面进行出水层段识别，同时，通过计算各出水层段的流量幅值占比，即各出水层段流量对总流量的贡献率，在知道钻孔总流量的情况下，直接计算出各出水层段对应的流量值。

25、具体地，步骤2具体实现包括如下步骤：

26、步骤2.1：所述的差分声波信号获取

27、分布式声学传感系统利用单模光纤对声波/振动敏感的特性，当水文地质勘探钻孔中出水层段出水引起的水动力声波作用于单模光纤时，由于弹光效应，单模光纤的折射率、长度将产生微小变化，进而引起后向瑞利散射信号强度的变化；单模光纤返回的后向瑞利散射信号与光源产生的窄线宽激光发生拍频，通过数据采集与处理系统将拍频后的光信号转化为数字信号，获得包含有水文地质勘探钻孔含水层各出水段水动力声波信息的数字信号；然后，利用旋转矢量平均算法对采集的数字信号进行相位空间差分运算，得到差分声波数据；

28、步骤2.2：所述的差分声波信号的采样频率4000khz，30s存储一组数据，获取2小时监测时间段内连续差分声波信号240组，数据大小在180g以上；

29、步骤2.3：通过附图1所示的电脑终端进行数据采样率、垂向空间分辨率、存储时间间隔等采集参数设置和数据导出。

30、步骤3具体实现包括如下步骤：

31、步骤3.1：数据处理模块用于对差分声波信号进行去噪处理，包括：带阻滤波器和基于声音活动性检测的维纳滤波；

32、步骤3.2：对典型水动力声波信号的时间-深度-频谱图，采用所述的带阻滤波器进行带阻滤波，用于去除由于发电机等引起的系统噪声；

33、步骤3.3：所述的基于声音活动性检测的维纳滤波用于去除背景噪声，主要是通过声波活动性检测，分离带背景噪声的信号和纯背景噪声信号；通过对带背景噪声的水动力声波信号和纯背景噪声信号进行相关处理，可获得去掉背景噪声的水文地质勘探钻孔中地下水出水声波信号a(y,t)。

34、进一步地，步骤4具体实现包括如下步骤：

35、步骤4.1：根据声学相似性原理及水动力噪声的因次分析法，可得公式(1)：

36、

37、式中：<a2(y,t)>表示声波信号均方，ν(y)为在各深度传感器的水流速，单位为m/s；ρ0为水的密度，单位为kg/m3；η为相似准数；

38、化解公式(1)得:

39、

40、式中：表示研究区域内模型试验中测得的声波-流量标定值；

41、步骤4.2：对于间歇性出水需要对a(y,t)进行如式(3)统计计算：

42、

43、式中：为各深度传感器在一次存储间隔内的均值，由式(4)获得，σ(y)为各深度传感器在一次存储间隔内的标准差，由式(5)获得：

44、

45、式中：t为一次存储时间间隔；

46、

47、式中：n为各深度传感器一次存储时间内的采样点数；

48、步骤4.3：所述的钻孔流量计算是指，在水文地质勘探钻孔含水层测试深度范围内，对声波数据进行流量计算，根据水文地质勘探钻孔中各深度传感器处水的流速v(y,t)和钻孔截面积s，即可得到水文地质勘探钻孔每个存储数据组沿钻孔深度间隔0.5m一个传感器处的水流量φ(y,t)＝v(y,t)·s；

49、步骤4.4：对上述获得的监测全时段内的沿水文地质勘探钻孔深度各传感器处瞬时流量φ(y,t)在时间上进行积分，获得监测时间内沿水文地质勘探钻孔深度各传感器处的流量剖面；

50、步骤4.5：当不需要流量剖面绝对值时，不对λ(y)进行标定，直接通过归一化流量分析出水通道和各出水点对水文地质勘探钻孔测试段总流量的贡献率。

51、具体地，步骤5中所述的识别出各出水层段是指，对上述获得的沿钻孔流量剖面进行直方图统计，根据钻孔总体出水情况将流量大于某一值的区域判断为显著出水层段，找出显著出水层段区域中的最大点即为出水中心点。

52、本发明的含水层地下水动态监测系统与出水层段识别方法，与传统方法相比，带来的技术创新在于：

53、1、不需要抽/注水，仅在自然环境状态下即可实现出水层段识别，测试简单方便。

54、2、可完成一次测试实现全钻孔测试段归一化流量剖面测试，时间短，效率高，垂向空间分辨率高。

55、3、使用的测井钢丝光缆可以回收，测试成本低。

56、4、基于观察水文地质勘探钻孔，可实现含水层地下水流量剖面的实时、长期或临时监测；

57、5、可准确识别含水层出水层段，进而可有效指导防治水措施，如靶向注浆等，可有效降低防治水措施成本；

58、6、可实时判断各出水层段的流量对总流量的贡献率，在知道钻孔总流量的情况下，可分别获得各出水层段的流量。