地下水水位高程测量方法、蓄水量测量系统及应用

本发明涉及一种地质环境监测测量技术，特别是涉及一种监测地下水相关物理变量的装置与系统，属于地下水环境监测测量。

背景技术：

1、地下水水位是最普遍、最重要的地下水监测要素。目前对地下水水位的监测一般都是以“埋深”方式观测并测量。自动测量地下水位的仪器主要有浮子式与压力式两种。浮子式地下水位计一般都能在5cm～10cm口径的测井管中工作，但小浮子感应水位变化的灵敏度较差，水位感应灵敏度极易受到地下水埋深较大、悬索长等客观工况条件影响。压力式水位计虽然测量精度高于前者，但其测量数据质量依赖于监测位水环境优劣。通过在泥沙含量较少、水质密度较为稳定等有利条件下测量结果更佳。现有技术一种负压条件下测量地下水位的装置与方法(zl2014105963763)、一种负压条件下地下水位的可视化测量方法(zl2014106122303)、基于超声波负压的地下水位密封测量装置及其方法(zl2015107451162)、一种真空预压地基加固区内水位测量装置与方法(zl2006100853372)等，通过引入负压、真空等技术特征部分地克服了上述两类测量方案的缺陷，但并没有改变其技术构思的基本特征：测量装置的主要工作部(测量传感部件等)在岩土体内部工作，且技术改进始终朝着力图捕捉采集测量位点的更微细水位变化努力。该基本特征导致了较明显技术缺陷，包括：其一，测量技术的改进只能以设备精密化为代价，不断推高装置成本；其二，为了保证测量传感部件灵敏度，监测位点的选择需更多考虑岩体地形条件，可能牺牲重要却难以施工的监测点；其三，外部测量操作可控性有限；其四，地下主要工作部检修困难，一旦破坏舍弃直接造成较高的设备、施工等各类成本。

技术实现思路

1、本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种测量装置主要工作部位于地面以上的地下水监测测量技术。

2、为实现上述目的，本发明首先提供一种地下水水位高程测量方法，其技术方案如下：

3、一种地下水水位高程测量方法，其特征在于：在测量位点钻孔并置入透水筒，保证地下水进入透水筒，导水管进水口伸入透水筒内液面以下，导水管排水口引至地面；待排水口稳定出水，依式1方程组测算进水口水位高程ha，

4、ha＝min(ha1,ha2)   式1-1

5、

6、式中，ha—进水口水位高程，m，

7、ha1,ha2—分别是ha计算中间量，m，

8、k—计算中间量，

9、e—计算中间量，

10、f—计算中间量，

11、h—测量地自然大气压所能提供的最大提水高度，m，经验取值或测量记录，

12、hc—导水管顶部最大高程，m，实验参数/测量数据，

13、hb—排水口水位高程，m，测量记录，

14、sb—导水管排水口流速，m/s，测量记录，

15、g—重力加速度，m/s2，常数，

16、λ—导水管沿程阻力系数，依现有技术确定，

17、c—导水管长度，m，实验参数，

18、j—导水管内径，m，实验参数，

19、η—导水管局部阻力系数，依现有技术确定。

20、上述地下水水位高程测量方法是基于连通器原理，将地下水引至地面以上实施测量的技术方案，实现。由于地下水“埋藏”环境的复杂性，利用连通器原理在地面实现对地下位点水位的测量需要考虑虹吸扬程对地面出水流速的影响。本发明前期大量实验研究发现，利用连通器原理搭建的测量系统中，导水管内液体流速并非由导水管两端口液面高差决定，而是受h与导水管虹吸扬程h0之间的差值，以及导水管进排水口间高程差值共同影响。在建立该影响的分析模型基础上，本发明提供上述有别于现有“埋深”式测量的技术方案。

21、上述地下水水位高程测量方法适用于导水管进水口压力明显高于出水口压力的情形。在某些工况条件下，设备安装后无法自动稳定出水，则上述测量方法的优化是引入负压装置。具体是，将导水管排水口连通负压装置，利用负压装置制造导水管两端口间压差，诱导排水口出水并稳压，待排水口稳定出水后依式2测算进水口水位高程ha。

22、

23、式中，yb—负压装置稳压值(kpa)，测量记录；μ—地下水密度(kg/m3)，测量记录或常数。

24、本发明还技术测量方法中使用装置的优化设计，包括如下方面。

25、透水筒采用同轴位多层伸缩套管结构，每层套管管壁遍布透水孔，透水孔尽量细密以降低进水扰动。透水筒的芯层套管末端有锥形透水石。每层套管(11)外壁与锥形透水石外周均包裹高渗透性织物。导水管内径不大于4mm。

26、为保证测量效果，钻孔安装透水筒时，透水石伸入地下水液面以下3.5m～6.5m，设备安装时保证导水管进水口与排水口之间存在尽量大的高程差。

27、本发明地下水水位高程测量方法仅需搭建的管路通畅即可实施测量。在管路充盈、稳定出水后，每次测量对出水量无特定要求，一旦检测到流速即可关闭出水。因此，在采用高精度微小液体流速流量计的情况下，可以使用极细导水管，检测sb仅在瞬时完成，对地下水位高程扰动极微小，可忽略不计。

28、以上述地下水水位高程测量方法为基础，本发明同时提供一种地下水蓄水量监测测量系统，技术方案如下。

29、一种地下水蓄水量监测测量系统，其特征在于：划定地下水测量空间，利用流域岩土的渗透性、水力梯度和地形坡度确定设计测量空间中的测量位点ai，所有ai构成三维测量点阵a3d，利用上述地下水水位高程测量方法测量采集所有ai点在不同时间t的地下水水位高程数据hai，得到点阵a3d的数据集合d，所述集合d包含点阵a3d中各hai及其对应的ai编号、空间坐标、时间，利用集合d构建地下水测量空间的蓄水量特征数据。

30、上述地下水蓄水量监测测量系统中，根据集合d数据不同，地下水测量空间的蓄水量特征数据可以是动态和/或静态的数据/图形/模型/方程等。

31、本发明还提供上述地下水蓄水量监测测量系统的应用方案。

32、上述地下水蓄水量监测测量系统的应用，其特征在于，应用于地下水监测预警，利用地下水蓄水量监测测量系统监测地下水特征变化，并根据预置条件发出警示信息。

33、上述应用方案中，地下水监测预警还可包括水质检测装置，同时实现检测地下水水质并根据预置条件发出警示信息的功能。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明地下水水位测量方法是一种有别于现有“埋深”式“原位测量”技术框架的全新构思。在解决了利用连通器原理在地面之上通过排水流速测量地下水位高程的问题中需测算的测量地自然大气压所能提供的最大提水高度与导水管虹吸扬程之间的差值，以及导水管进排水口间高程差值对导水管内液体流速共同影响的关键技术问题基础之上，本发明提供一种全新的地下水水位测量技术方案。(2)由于采用出口流速为监测指标，本技术方案能够将现有流速检测的成熟技术引入测量系统中，以低较技术成本提高测量精度。相较于现有测量技术通过以设备精密化程度或者营造封闭的地下测量小环境为代价，提高对地下位点液面变动的敏感度的技术改进途径，本技术方案具有明显优势。(3)本技术可以在一定程度上降低地下工作部的设备精度，从而可以放宽安装施工条件；同时，本技术也增强了地面上测量操作的可控性。因而技术整体具有更好适应性。(4)本技术能够有效避免因地下工作部检修损坏造成的成本损失。