一种测算地下水渗流速度和方向的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种测算地下水渗流速度和方向的装置及方法，其包括一温度监控装置和一传统热响应实验装置。温度监控装置包括一多路温度巡检仪、若干温度传感器组以及若干段埋设在测试孔中的井管；井管包括井壁管和滤水管，各段滤水管垂直设置在测试孔内待测量的土壤含水层，各段井壁管依次垂直设置在测试孔内的其他位置；在其中一段井壁管外壁和滤水管外壁上分别均匀设置一温度传感器组；各温度传感器组均通过信号线与设置在地面的多路温度巡检仪连接，由多路温度巡检仪进行数据采集并记录；本发明专利技术可以简单方便的测算出地下水渗流速度和方向，可以广泛应用于地下水渗流速度和方向的测算领域。

Device and method for measuring seepage velocity and direction of underground water

The invention relates to a device and a method for measuring the velocity and direction of groundwater seepage, comprising a temperature monitoring device and a traditional thermal response experimental device. The temperature monitoring device comprises a multi-channel temperature measuring instrument, a plurality of temperature sensors embedded in the test group and some holes in the well pipe; pipe including pipe wall and filter tube, each filter tube is vertically arranged on the measured test hole soil aquifer, each section of pipe wall are vertical with other position in the test hole in one section of wall; the outer wall of the pipe and filter are uniformly arranged on the outer wall of a temperature sensor group; the temperature sensor group through signal line is connected to the multi-channel temperature inspection instrument on the ground by the multi-channel temperature inspection instrument for data acquisition and recording; the invention can be simple and convenient to calculate the seepage velocity and the direction, can be widely used in the field of measuring seepage velocity and direction.

【技术实现步骤摘要】
一种测算地下水渗流速度和方向的装置及方法
本专利技术涉及一种测算地下水渗流速度和方向的装置及方法，特别是关于一种基于热响应实验法测算地下水渗流速度和方向的装置及方法。
技术介绍
岩土热响应实验基于无限长线热源模型，由瑞典的Mogensen于1983年首先提出。该实验主要为了获得项目所在场区的岩土综合热物性参数(包括岩土的综合导热系数和综合比热容等)和岩土初始平均温度。Kavanaugh通过研究发现，若岩土导热系数出现10％的偏差，则地埋管换热器的设计长度将出现4.5～5.8％的偏差，所以岩土热响应实验是地源热泵设计时必不可少的一环。由于地层中有含水层，地下水渗流可以带走地埋管周围堆积的热量，所以通过岩土热响应实验测得的岩土综合导热系数也常将地下水渗流作为一个有利因素考虑在内。但是这种做法并不合理，因为岩土综合导热系数表明的是土壤热量扩散能力的大小，而地下水渗流的影响机理则是对流传热。因此这两种作用原理不同的传热方式，在地埋管换热器长期运行的情况下，对地埋管换热器的影响会有显著不同。很多学者逐渐意识到地下水渗流对地埋管换热器的换热能力有重要的影响，而且试图通过假定存在平均地下水渗流速度u并依据CFD数值模拟和理论公式的推导来确定地下水渗流速度。方肇洪利用移动线热源传热模型，假定某一方向上的平均渗流速度u，根据多孔介质有渗流时的能量方程推导出关于温度和渗流速度的关系式；于明志在前人研究的基础上，使用非稳态移动线热源传热模型，并结合参数估计方法推导出地下岩土热物性参数和地下水渗流速度的公式；更多学者是将地埋管换热器简化为三维模型，通过CFD数值模拟地埋管周围的温度场，从而得到某个综合的地下水渗流速度。但是，求得的地下水渗流速度为地埋管全长范围内的平均速度，速度的方向也不得而知。在地质学工程中，确定地下水渗流速度和流向大多采用放射性同位素示踪法。但是此举对于工作周期和测试费用均较高，并且随着近年来地下水污染加重，重金属含量升高，测试精度也受到了影响。而在地源热泵领域甚至暖通领域内，尚未有人提出一种切实可行的既可以进行热响应实验，又能够利用热响应实验来测算地下水渗流速度和方向的方法。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于热响应实验法测算地下水渗流速度和方向的装置及方法，可以更简便快捷地得到地下水渗流的速度和方向，且得到结果更加精确。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种测算地下水渗流速度和方向的装置，其特征在于：其包括一温度监控装置和一传统岩土热响应试验装置；所述温度监控装置包括一多路温度巡检仪、若干温度传感器组以及若干段埋设在测试孔中的井管；其中，所述井管包括井壁管和滤水管，各段所述滤水管垂直设置在所述测试孔内待测量的土壤含水层，各段所述井壁管依次垂直设置在所述测试孔内的其他位置；在其中一段所述井壁管外壁和滤水管外壁上分别均匀设置一所述温度传感器组；各所述温度传感器组均通过信号线与设置在地面的所述多路温度巡检仪连接，由所述多路温度巡检仪进行数据采集并记录；所述传统岩土热响应试验装置设置在地面上。所述传统岩土热响应试验装置包括一循环水泵，所述循环水泵的出水口设置有流量计，所述流量计另一端通过三通分别与电加热器和补水箱连接，所述电加热器的另一端与循环水进水管道连接，且所述循环水进水管道上依次设置有进水温度传感器和进水阀门；所述循环水泵的进水口与循环水出水管道连接，所述循环水出水管道上依次设置有出水温度传感器和出水阀门，且所述循环水进水管道和循环水出水管道分别与设置在所述测试孔中的双U换热管连接。所述各温度传感器组均包括3个以上的温度传感器，且各温度传感器沿所述井管直径呈圆形均匀设置在所述井管外壁上。所述温度传感器组由8个所述温度传感器构成，其中第一个温度传感器设置在正北方向，第二个到第八个温度传感器沿顺时针方向依次均匀布置在所述井管壁外壁。各所述温度传感器都设置在井管外壁上，且井管外壁固定各温度传感器的两侧，分别焊接有一短接，所述短接长度略大于所述温度传感器的长度，且两所述短接的宽度略大于所述温度传感器的宽度。所述井管内设置有若干钢管，各所述钢管之间丝扣连接；所述钢管上纵向间隔设置有若干十字型对中支架，所述对中支架与所述井管内壁接触将所述井管分为四个扇形空间；所述双U换热管分别位于所述四个扇形空间内，且各换热管与所述钢管紧邻设置。一种测算地下水渗流速度和方向的方法，其特征在于包括以下步骤：1)在测试孔内安装测算地下水渗流速度和方向的装置；所述测算地下水渗流速度和方向的装置包括一温度监控装置和一传统热响应试验装置；所述温度监控装置包括一多路温度巡检仪、若干温度传感器组以及若干段埋设在测试孔中的井管；所述传统热响应试验装置包括循环水泵、流量计、电加热器、补水箱、由循环水进水管道和循环水出水管道构成的循环管道、进水温度传感器、进水阀门、出水温度传感器、出水阀门以及换热管；2)测试孔安装完成后，打开循环水泵促使水在循环管道以及换热管中不断循环，观察进水温度传感器和出水温度传感器的温度值，当温度值达到稳定状态后记录两温度传感器的温度值，作为土壤初始温度；3)打开电加热器，对循环水进行加热，同样观察进水温度传感器和出水温度传感器的温度值，若温度达到稳定状态，并高出土壤初始温度约30℃，记录过程中所有温度传感器的温度数据；4)通过两温度传感器组观察含水层和非含水层温度分布情况，通过含水层温度变化情况即得到地下水渗流的方向，并通过理论或数值模拟方法计算出相应的地下水渗流速度。所述步骤1)中，在测试孔内安装测算地下水渗流速度和方向的装置的方法为：①选定测试孔位置，并根据测试孔周围地层资料以及工程需要确定测试孔的成孔深度以及成孔直径后，进行钻孔并收集钻井记录；②钻孔完成之后进行测井，得到该区域地层的测井曲线图，根据测井曲线图及钻井记录确定该测试孔所在区域地层的具体数据；③对测试孔进行抽水试验，并根据钻井记录、测井曲线图以及抽水试验结果得到地下水位的深度；④将各温度传感器组分别设置在井管外壁上，并根据地下水位的深度，确定温度传感器的设置层位，在土壤含水层和非含水层分别设置至少一温度传感器组；⑤根据测试孔的成孔深度以及地下水位深度确定所需两类井管段数，并将各井管依次下入到测试孔；⑥各温度传感器组通过信号线与地面上的多路温度巡检仪相连，由多路温度巡检仪进行数据采集并记录；⑦将所有井管下入测试孔之后，在测试孔和井管外壁之间回填；回填后恢复土壤含水层，并进行短时间抽水洗井；⑧洗井结束之后向井管内下换热管，所有换热管安装完毕后，在井管与换热管之间进行回填，此时岩土热响应实验测试孔安装完成。所述步骤⑤中，各井管下入测试孔的方法为：首先在每段井壁管和滤水管上划出一条直线，然后在管的顶端和底部划线位置分别做出标记，每次下入井壁管或滤水管时，下面井管顶部的标记点和上面井管的底部标记点对齐，使井管上所有的标记点都在一条直线上，确保井管位置不发生变化。所述步骤4)中，地下水渗流速度的计算公式为：式中：Θ为无量纲量；P为无量纲量；C为无量纲量；F为无量纲量；k岩土导热系数，单位为W/(m·K)；θ过余温度，值为t-t0，其中t为多路温度巡检仪测量的温度传感器的温度，t0为土壤初始温度，单位为℃；ql热源强度，单位为W/m；U为单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测算地下水渗流速度和方向的装置，其特征在于：其包括一温度监控装置和一传统岩土热响应试验装置；所述温度监控装置包括一多路温度巡检仪、若干温度传感器组以及若干段埋设在测试孔中的井管；其中，所述井管包括井壁管和滤水管，各段所述滤水管垂直设置在所述测试孔内待测量的土壤含水层，各段所述井壁管依次垂直设置在所述测试孔内的其他位置；在其中一段所述井壁管外壁和滤水管外壁上分别均匀设置一所述温度传感器组；各所述温度传感器组均通过信号线与设置在地面的所述多路温度巡检仪连接，由所述多路温度巡检仪进行数据采集并记录；所述传统岩土热响应试验装置设置在地面上。

【技术特征摘要】
1.一种测算地下水渗流速度和方向的装置，其特征在于：其包括一温度监控装置和一传统岩土热响应试验装置；所述温度监控装置包括一多路温度巡检仪、若干温度传感器组以及若干段埋设在测试孔中的井管；其中，所述井管包括井壁管和滤水管，各段所述滤水管垂直设置在所述测试孔内待测量的土壤含水层，各段所述井壁管依次垂直设置在所述测试孔内的其他位置；在其中一段所述井壁管外壁和滤水管外壁上分别均匀设置一所述温度传感器组；各所述温度传感器组均通过信号线与设置在地面的所述多路温度巡检仪连接，由所述多路温度巡检仪进行数据采集并记录；所述传统岩土热响应试验装置设置在地面上。2.如权利要求1所述的一种测算地下水渗流速度和方向的装置，其特征在于：所述传统岩土热响应试验装置包括一循环水泵，所述循环水泵的出水口设置有流量计，所述流量计另一端通过三通分别与电加热器和补水箱连接，所述电加热器的另一端与循环水进水管道连接，且所述循环水进水管道上依次设置有进水温度传感器和进水阀门；所述循环水泵的进水口与循环水出水管道连接，所述循环水出水管道上依次设置有出水温度传感器和出水阀门，且所述循环水进水管道和循环水出水管道分别与设置在所述测试孔中的双U换热管连接。3.如权利要求1所述的一种测算地下水渗流速度和方向的装置，其特征在于：所述各温度传感器组均包括3个以上的温度传感器，且各温度传感器沿所述井管直径呈圆形均匀设置在所述井管外壁上。4.如权利要求3所述的一种测算地下水渗流速度和方向的装置，其特征在于：所述温度传感器组由8个所述温度传感器构成，其中第一个温度传感器设置在正北方向，第二个到第八个温度传感器沿顺时针方向依次均匀布置在所述井管壁外壁。5.如权利要求3所述的一种测算地下水渗流速度和方向的装置，其特征在于：各所述温度传感器都设置在井管外壁上，且井管外壁固定各温度传感器的两侧，分别焊接有一短接，所述短接长度略大于所述温度传感器的长度，且两所述短接的宽度略大于所述温度传感器的宽度。6.如权利要求1所述的一种测算地下水渗流速度和方向的装置，其特征在于：所述井管内设置有若干钢管，各所述钢管之间丝扣连接；所述钢管上纵向间隔设置有若干十字型对中支架，所述对中支架与所述井管内壁接触将所述井管分为四个扇形空间；所述双U换热管分别位于所述四个扇形空间内，且各换热管与所述钢管紧邻设置。7.一种测算地下水渗流速度和方向的方法，其特征在于包括以下步骤：1)在测试孔内安装测算地下水渗流速度和方向的装置；所述测算地下水渗流速度和方向的装置包括一温度监控装置和一传统热响应试验装置；所述温度监控装置包括一多路温度巡检仪、若干温度传感器组以及若干段埋设在测试孔中的井管；所述传统热响应试验装置包括循环水泵、流量计、电加热器、补水箱、由循环水进水管道和循环水出水管道构成的循环管道、进水温度传感器、进水阀门、出水温度传感器、出水阀门以及换热管；2)测试孔安装完成后，打开循环水泵促使水在循环管道以及换热管中不断循环，观察进水温度传感器和...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓春，赵兴，许有师，
申请(专利权)人：中国建筑设计咨询有限公司，北京华清荣昊新能源开发有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11