一种孔隙介质含水层示踪剂投放装置及其工作方法

技术领域

本发明属于水资源和地下水科学与工程应用技术领域，具体涉及一种孔隙介质含水层示踪剂投放装置及其工作方法。

背景技术

在野外地质勘察时，地下水的流动速度及方向等参数是地质勘察的重要内容，为解决地下水运动迁移规律问题，人们常常较粗糙的把地下含水层当成均质各向同性渗流场，而根据地下水等水位线和流线来示意性的刻画出地下水流向和流速，因此会出现许多问题，从“水文地质工程中示踪技术应用研究”中可知，当研究人员向承压含水层或处于上升水流的潜水含水层投放示踪剂时，由于没有测向装置和测斜装置，会更加费时费力；此外，由于含水层埋藏较深，且地下水水头带压(通常超出监测水平面)，示踪剂一经投放到目标含水层中，即随上升水流流出钻孔。从而，过量地消耗示踪剂，却难以实现监测目标含水层的地下水流向和流速等功能，导致试验失败；同时也难以确定地下水流运动方向(因缺测向装置)和投放示踪剂的初始浓度。

由现有的实用新型专利“承压含水层弥散试验装置”中可知，示踪剂投放存在以下缺点：需用钻杆把水压栓塞带入到指定深度，并同时连接高压管、压力水泵，这在较深的承压含水层较难实现，需要下几十次甚至上百回次的钻杆(一回次约2米)，试验时间长、成本高；没有考虑钻孔壁的不完整性，比如孔洞、裂隙发育情况，这种条件下无法保证水压栓塞与钻孔壁做到紧密结合。导致承压上升水流往上涌，而带走示踪剂，导致试验失败；示踪剂投放孔与观测孔之间没有地下水流动机理上的联系，难于保证观测孔就在地下水流的下游方向。如果观测孔在投源孔上游，将观测不到示踪剂，同样导致试验失败。

因此，亟需一套比较实用有效的投放装置来实现在含水层或地下水体中的连通试验，以便能够准确地确定地下水流向和流速、判断投源孔与观测孔之间的水力联系，测量水温和钻孔的孔斜，观察钻孔壁孔洞或裂隙发育情况，以及研究示踪剂在钻孔中的扩散规律等。

发明内容

解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种孔隙介质含水层示踪剂投放装置及其工作方法，能够方便专业技术人员在适宜投放的含水层或地下水体中进行地下水连通实验，帮助专业技术人员确定地下水流向与流速，测量水温和水平倾斜角，判断投源孔与观测孔之间的水力联系，同时，更好地观测井壁情况以及观察示踪剂在钻孔中的扩散规律等。

技术方案：第一方面，本发明提供一种孔隙介质含水层示踪剂投放装置，包括依次连接的示踪剂投放装置、示踪剂输送装置和中枢处理装置，所述示踪剂投放装置包括第一输送管道，所述第一输送管道的一端与示踪剂输送装置的示踪剂出口通过第二输送管道连接，且第一输送管道穿过第一底座的另一端设有空心重力头，所述空心重力头上开设有若干漏孔，所述空心重力头通过支撑杆与第二底座连接，所述第二底座上设有超声波传感器、摄像头和压力温度传感器，且内部设有第二集成芯片，所述第二集成芯片分别与超声波传感器、摄像头和压力温度传感器信号连接，所述第一底座与第二输送管道通过机械臂连接，所述机械臂上设有控制器；所述示踪剂输送装置包括外筒，所述外筒内设有筒体仓，所述筒体仓内部设有活塞，所述活塞将筒体仓分为示踪剂储仓和储气仓，所述示踪剂储仓的示踪剂出口与第二输送管道连接，所述储气仓的端面上设有加压器和第一集成芯片；所述中枢处理装置包括数据处理器和显示器，所述数据处理器通过电缆分别与第一集成芯片和第二集成芯片连接，所述数据处理器与机械臂上的控制器连接，所述显示器用于显示第一集成芯片和第二集成芯片监测的数据和摄像头拍摄的图像。

优选的，所述示踪剂输送装置的示踪剂出口与第二输送管道通过防水接头连接。

优选的，所述外筒与筒体仓之间设有控温装置。

优选的，所述加压器通过电磁阀控制开启或关闭，所述电磁阀设置在储气仓的端面上。

优选的，所述第二底座上设有激光灯带。

优选的，所述第二集成芯片上设有电子指南针和电子陀螺仪。

优选的，所述示踪剂储仓开设有示踪剂入口，所述储气仓上开设有输入口。

优选的，所述第一输送管道为自动收缩空心输送管道。

第二方面，本发明提供第一方面所述的孔隙介质含水层示踪剂投放装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1、先在需要探测的含水层或地下水体上的隔水层进行钻孔，并盖上孔口帽；

步骤2、在电磁阀关闭的情况下，通过输入口向储气仓内充气，向示踪剂储仓内灌入示踪剂；储气仓端面上的加压器增加压强推动活塞使示踪剂输出；

步骤3、将示踪剂投放装置放置到地下水环境中进行地下水参数观测，若在示踪剂投放装置下降时遇到岩石壁，示踪剂投放装置中的超声波传感器会接收到反射声波来判断路径中的阻碍，然后传送信号到数据处理器，所述数据处理器自动进行计算机程序分析下达命令到机械臂的控制器，通过机械臂与第一底座之间的轴承的移动带动第二输送管道的移动，从而避开岩石壁；

步骤4、压力温度传感器将监测到水温及深度同步传输到数据处理器，当水深及地下水温度达到预设符合示踪剂排放标准时，下降命令自动停止；

步骤5、示踪剂投放装置下降到投放点释放出示踪剂后，通过摄像头123及其表面附着的显微镜头共同合作拍摄的两帧画面会通过无线传输系统上传到中枢处理器的显示屏中，研究人员可进行实时监测，数据处理器的计算模块会自动进行颗粒对比分析，通过二值化算法取得图像中颗粒位置及大小，比较微小颗粒的位置及其运动角度，再与已知的取景区域大小和电子陀螺仪角度进行计算，得出微小颗粒运动的实际速度和方向，将计算出的微小颗粒的实际速度等参数与通过示踪剂监测所得的数值进行对比分析，提高准确性；

步骤6、示踪剂投放完成后，再次通过示踪剂入口向示踪剂储仓中注入纯净水，关闭示踪剂入口，通过中枢处理器下发命令，启动电机带动内筒仓旋转，均匀冲洗内筒仓内壁，再通过步骤2把废水排出，最终开启控温装置升高温度烘干残余水分，结束工作。

优选的，步骤5中对颗粒对比分析的过程包括以下步骤：

步骤5-1、输入模型所需参数，包括水层物理性质参数、分层水层建模区域位置参数；

步骤5-2、基于步骤5-1中水层区域位置确定上下水层的分界线，设定示踪颗粒越界和颗粒相交限制条件；

步骤5-3、基于限制条件，在分界线划分区域中构建符合水体物理性质参数的上下层水体的结构模型；

步骤5-4、按左、右侧边界点坐标采用几何解析式表示水体分界线：

y＝K*(x-X0)+Y0，

式中，X表示孔隙介质含水层分界面与孔隙介质含水层边界右侧边界交点x坐标，Y为孔隙介质含水层分界面与孔隙介质含水层边界右侧边界交点y坐标，X0为孔隙介质含水层分界面与孔隙介质含水层边界左侧边界交点x坐标，Y0为孔隙介质含水层分界面与孔隙介质含水层边界左侧边界交点y坐标，K为孔隙介质含水层分界面的斜率；

判定新生成示踪剂颗粒中包含的粒径数据和颗粒中心坐标是否位于上层水体中的函数：if(y>k*(x-X0)+Y0||x-realGaussianR<0||x+realGaussianR>LENGTH||y+realGaussianR>WIDTH||y-realGaussianR<0)，其中realGaussianR为示踪剂颗粒粒径大小，LENGTH为建模区域的长度，WIDTH为建模区域宽度。

有益效果：本发明提供一种孔隙介质含水层示踪剂投放装置及其工作方法，装置的中枢处理器中有人工智能运算程序，可根据井中拍摄到影像自动做出分析判断，从而给投放头顶部的机械臂下达继续下降或者左右移动的避让命令；该装置不仅适用于适宜投放的潜水含水层和地下水体，还适用于难以投放示踪剂的承压含水层，定点位置投放定量的示踪剂，同时装置上安装有电子指南针和电子陀螺仪，可实现实时观察装置运行时的井壁情况，准确判定地下水流向、同时监测水下实时温度和水平倾斜角；并且该装置可以重复使用，不易损坏；

该装置还具有孔口帽来封闭钻孔，比水压栓塞更易实现：孔口帽封闭后，待水压稳定、垂向水流相对静止后通过电磁阀控制打开示踪剂，能减少钻孔中水流的扰动，示踪剂被筒体仓中压力挤出，示踪剂进入投入头最终到重力头中，通过重力头表面的均匀漏孔，使示踪剂注入到水体中时更加分散，更加均匀；不用钻孔顶入，而使用机械臂带动重力头自动垂直下放，通过空心的自动收放输送管道的控制到达深度，操作简便，适用性强。摄像头的使用可直接观测钻孔孔壁情况，更好的选择示踪剂投放位置，更好地观察地下水和示踪剂的流动情况(流向和流动的快慢及示踪剂分布的范围)，在显微镜的加持作用下，可以观测到水体中的微小颗粒，通过二值化算法选取两组时间点的图像进行对比分析图像中颗粒的位置及其大小，与通过示踪剂观测结果形成对照组，可另外判断结果的准确性；

另外，该投放装置为适应一体化的需求，输送装置内外筒可实现旋转操作，并且在内外筒间装有温控装置，在示踪剂投放完成后，可在输送装置内查询注入纯净水，开启旋转命令，滚筒带动清水均匀冲洗内壁，清洗完毕后排出水，最后打开温控系统调至高温烘干残余水分，筒体外壳采用高温隔热材料不会对水井内水文造成影响。

附图说明

图1是本发明一种孔隙介质含水层示踪剂投放装置的整体结构示意图；

图2是本发明一种孔隙介质含水层示踪剂投放装置的中枢处理装置的结构示意图；

图3是本发明一种孔隙介质含水层示踪剂投放装置的示踪剂输送装置结构示意图；

图4是本发明一种孔隙介质含水层示踪剂投放装置的示踪剂投放装置整体结构示意图；

图5是本发明一种孔隙介质含水层示踪剂投放装置的示踪剂投放装置局部结构示意图；

图6是本发明一种孔隙介质含水层示踪剂投放装置在地下水井中的工作示意图；

图中序号：100、示踪剂输送装置；110、筒体仓；110-1、示踪剂储仓；110-2、储气仓；111、输入口；120、外筒；122、激光灯带；123、摄像头；124、压力温度传感器；130、活塞；131、加压器；132、控温装置；140、防水接头；141、机械臂；150、线盘；151、电缆；152、第一输送管道；153、第二输送管道；154、电机；160、空心重力头；161、漏孔；170-1、第一底座；170-2、第二底座；171、支撑杆；200、中枢处理装置；210、显示器；220、数据处理器；230-1、第一集成芯片；230-2、第二集成芯片；300、示踪剂投放装置；350、电磁阀；400、隔水层；500、承压水层；600、孔口帽；700、观测孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明：

实施例1

如图1所示，一种孔隙介质含水层示踪剂投放装置，包括依次连接的示踪剂投放装置300、示踪剂输送装置100和中枢处理装置200，所述示踪剂投放装置300用于监测获取地下水各项参数，包括：地下水流向、流速以及水下实时温度，并能够在适宜投放的地下含水层或地下水环境内通过投放头定点投放示踪剂；所述示踪剂输送装置100通过装置中的加压器131使示踪剂输出到管道中；所述中枢处理装置200通过电缆151及无线网接收示踪剂投放装置300监测到的电信号，并对示踪剂投放装置300下达操作指令，包括示踪剂投放时为避免触碰地下水井岩石壁，通过人工智能运算程序自动化进行避让。

如图4-图5所示：上述示踪剂投放装置300包括第一输送管道152，所述第一输送管道152为自动收缩空心输送管道，所述第一输送管道152的一端与示踪剂输送装置100的示踪剂出口通过第二输送管道153连接，且第一输送管道152穿过第一底座170-1的另一端设有空心重力头160，所述空心重力头160上开设有若干漏孔161，所述空心重力头160通过支撑杆171与第二底座170-2连接，所述第二底座170上设有超声波传感器、摄像头123和压力温度传感器124，且内部设有第二集成芯片230-2，所述第二集成芯片230-2分别与超声波传感器、摄像头123和压力温度传感器124信号连接，所述第一底座170-1与第二输送管道153通过机械臂141连接，所述机械臂141上设有控制器，所述第二底座170-2上设有激光灯带122，激光灯带122既可为摄像头123补光又能发出激光诱发示踪剂发出荧光信号。

如图3所示：上述踪剂输送装置100包括外筒120，所述外筒120内设有筒体仓110，所述筒体仓110内部设有活塞130，所述活塞130将筒体仓110分为示踪剂储仓110-1和储气仓110-2，所述示踪剂储仓110-1的示踪剂出口与第二输送管道153连接，所述储气仓110-2的端面上设有加压器131和第一集成芯片230-1，另外在第二底座170-2中同样设有第二集成芯片230-2，分别与摄像头123(采用摄像头模组，型号：IMX79传感器芯片，生产厂家：sony；摄像头模组的IMX79芯片的CMOS光学传感器摄像头是焊在摄像头芯片模组上的，也可把摄像头模组上除了CMOS感光芯片外的其余模组部分集成到集成芯片230上，将CMOS感光芯片通过数据线与集成芯片230连接)和压力温度传感器124(型号：PR-25CU系列，生产厂家：0MEGA思百吉集团)信号连接，第二集成芯片230-2上还设有电子指南针(型号：霍尼韦尔HMC5883L芯片，生产厂家：深圳市顺德利科技有限公司，尺寸：L3*W3*HO.9)和电子陀螺仪(型号：WT-931，生产厂家:深圳维特智能科技有限公司，尺寸：12*12*4mm)，所述加压器131通过电磁阀350控制开启或关闭，所述电磁阀350设置在储气仓110-2的端面上，所述示踪剂输送装置100的示踪剂出口与第二输送管道153通过防水接头140连接，可以有效阻止水分及其他液体进入装置，所述外筒120与筒体仓110之间设有控温装置132，通过中枢处理装置200开启高温模式，烘干示踪剂储仓110-1中残余水分，所述示踪剂储仓110-1开设有示踪剂入口，所述储气仓110-2上开设有输入口111。

如图2所示：上述中枢处理装置200包括数据处理器220和显示器210，所述数据处理器220通过电缆151与集成芯片连接，所述数据处理器220与机械臂141上的控制器连接，所述显示器210用于显示集成芯片监测的数据和摄像头123拍摄的图像。

实施例2

如图6所示，采用实施例1所述的孔隙介质含水层示踪剂投放装置投放示踪剂的工作方法，包括以下步骤：

步骤1、先在需要探测的含水层或地下水体上的隔水层400进行钻孔(即为探测孔)，并盖上孔口帽600，在探测孔下游的一定距离处开一个观测孔700；

步骤2、在电磁阀350关闭的情况下，通过输入口111向储气仓110-2内充气，向示踪剂储仓110-1内灌入示踪剂；储气仓110-2端面上的加压器131增加压强推动活塞130使示踪剂输出；

步骤3、将示踪剂投放装置300放置到地下水环境中进行地下水参数观测，若在示踪剂投放装置300下降时遇到岩石壁，示踪剂投放装置300中的超声波传感器会接收到反射声波来判断路径中的阻碍，然后传送信号到数据处理器220，数据处理器220自动进行计算机程序分析下达命令到机械臂141的控制器，通过机械臂141与第一底座170-1之间的轴承的移动带动第二输送管道的移动，从而避开岩石壁；

步骤4、压力温度传感器124将监测到水温及深度同步传输到数据处理器220，当水深及地下水温度达到预设符合示踪剂排放标准时，下降命令自动停止；

步骤5、示踪剂投放装置300下降到投放点释放出示踪剂后，通过摄像头123及其表面附着的显微镜头共同合作拍摄的两帧画面会通过无线传输系统上传到中枢处理器200的显示屏210中，研究人员可进行实时监测，数据处理器220的计算模块会自动进行颗粒对比分析，通过模型构建利用二值化算法取得图像中颗粒位置及大小，比较微小颗粒的位置及其运动角度，再与已知的取景区域大小和电子陀螺仪角度进行计算，得出微小颗粒运动的实际速度和方向，将计算出的微小颗粒的实际速度等参数与通过示踪剂监测所得的数值进行对比分析，提高准确性，构建模型具体步骤如下：

步骤5-1、根据土工试验测定研究区域孔隙介质含水层的物理性质参数，输入到Java语言编写的孔隙模型生成程序中。该程序中输入的参数主要有：左右两侧分界面Y坐标、孔隙介质含水层孔隙度、孔隙介质含水层颗粒粒径分布范围、粒径分布标准差；

步骤5-2、根据输入的孔隙边界长度区间、宽度区间、左侧边界点坐标、右侧边界点坐标，确定上层孔隙介质含水层的边界范围，以便进行越界判断；

其中，为实现上层孔隙介质含水层颗粒的越界判断以及孔隙生成算法，需要根据孔隙介质含水层分界线的左侧边界点坐标、右侧边界点坐标，实现用几何解析式来表示孔隙介质含水层分界线，即

y＝k*(x-X0)+Y0

其中:k＝(right Middle Length From Up–left Middle Length From Up)/WIDTH(X0，Y0)为孔隙介质含水层分界面与孔隙介质含水层边界交点的坐标；

步骤5-3、根据上层孔隙介质含水层的矩形边界范围以及上下层孔隙介质含水层分界面的几何解析式，来生成孔隙介质含水层颗粒越界函数，根据此函数来判断生成的随机颗粒是否在指定的不规则图层区域内，

越界判断函数：

if(y>k*(x-X0)+Y0||x–real Gaussian R<0||x+real Gaussian R>LENGTH||y+real Gaussian R>WIDTH||y-real Gaussian R<0)，

其中，real Gaussian R为孔隙介质含水层颗粒的满足高斯函数的粒径大小，LENGTH为研究区域的长度，WIDTH为研究区域的宽度；

若满足此函数的孔隙介质含水层颗粒，一定位于上层孔隙介质含水层内；若不满足则说明生成的孔隙介质含水层颗粒不位于上层孔隙介质含水层内，需要重新根据颗粒粒径随机函数以及颗粒未知随机函数生成满足要求的粒径数据以及粒径中心坐标数据；

步骤5-4、颗粒相交性判断：根据5-1和5-2步骤生成了满足研究人员输入的平均粒径大小以及孔隙介质含水层孔隙介质含水层几何边界约束条件的孔隙介质含水层颗粒后，还需要判断最新生成的孔隙介质含水层颗粒是否与已经生成的孔隙介质含水层颗粒相交。判断方法如下：

粒径中心间距函数：

R0＝Math.sqrt((c.x-x)*(c.x-x)+(c.y-y)*(c.y-y))，

其中：R0为两颗粒的颗粒中心间距；c为已生成的孔隙介质含水层颗粒的程序抽象对象，c中包括了颗粒中心的x坐标、y坐标、颗粒半径；

相交性判断函数：if(R0>c.R+real Gaussian R)，

如果两颗粒间距离大于迭代颗粒半径与待生成颗粒半径之和，则说明这个两个颗粒不重合,继续测试待生成颗粒是否与其他颗粒重合。若否，则说明新生成的颗粒与这个圆重合,则无需测试看其他的圆了,直接否定掉这个圆心和半径。经过上述相交性判断以及颗粒越界判断后，即可生成位于上层孔隙介质含水层，且不与其他孔隙介质含水层颗粒以及土层边界相交的孔隙介质含水层颗粒；

步骤5-5、孔隙度判断：首先根据研究人员指定的孔隙度大小，结合上层孔隙介质含水层的区域面积，计算得出上层孔隙介质含水层所允许的最大孔隙介质含水层颗粒面积和、颗粒孔隙面积和。并将颗粒孔隙的千分之一作为阈值，每生成一个颗粒，将上层孔隙介质含水层的剩余孔隙面积减去生成的孔隙介质含水层颗粒的面积，当剩余颗粒孔隙面积小于等于阈值时，则说明已经生成了满足孔隙度约束条件的颗粒，退出循环，至此便实现了上层倾斜界面孔隙介质含水层颗粒的生成。重复前述步骤，当模型各项实际参数符合研究人员输入的各项约束条件时，退出迭代过程，加载完毕。程序自动将上下层孔隙介质含水层孔隙模型矢量合成，以便根据研究需要，构造孔隙介质含水层分层模型。将模型保存为DXF格式文件，至此便完成了孔隙介质含水层分层孔隙模型的重构；

步骤5-6、使用COMSOL软件提供的Auto CAD接口，将经过Auto CAD处理后的孔隙介质含水层孔隙结构模型导入到COMSOL中，根据选定的物理场模块，在导入图像上设置液相和固相区域，附加相应的边界条件，设置孔隙网格剖分方式等；

步骤6、示踪剂投放完成后，再次通过示踪剂入口向示踪剂储仓110-1中注入纯净水，关闭示踪剂入口，通过中枢处理器200下发命令，启动电机154带动内筒仓110旋转，均匀冲洗内筒仓110内壁，再通过步骤2把废水排出，最终开启控温装置132升高温度烘干残余水分，结束工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。