一种实时在线原位地下水监测系统技术方案

本发明专利技术提供了一种地下水监测系统和方法，该系统在一个方面使用基于声音的距离测量技术来测量地下水位，其中一个声波换能器产生声学脉冲，另一个接收它，在基于处理器的控制器和行进探针中的每一个中安装至少一个声波换能器，系统可以使用加速计传感器和安装在探头中的压力传感器来测量地下水厚度，当探针在地下水中向上或向下移动时，记录由安装在探针上的传感器测量的水性质和由压力传感器测量的测量点的相应深度到地下水表面水平，该系统测量并保存数据，包括地下水位、地下水厚度和与水深度相关的水属性，在某些实施例中，探针包括微处理器，其可操作以控制声波换能器和安装在其上的传感器并实现与控制器的双向通信。

A Real-time On-line Groundwater Monitoring System

【技术实现步骤摘要】
一种实时在线原位地下水监测系统
本专利技术属于地下水监测
，具体涉及一种实时在线原位地下水监测系统。
技术介绍
地下水是一种有限的资源，我国地下水资源量约占淡水资源总量的1/3。在地表水资源缺乏的干旱、半干旱地区，地下水甚至是唯一的供水水源。地下水作为重要的环境要素，支撑着社会经济的可持续发展，直接影响和改变着生态环境状况。地下水主要由大气降水渗入地表下的岩土空隙补给，过度使用地下水，会使地下水位下降，最终导致干井。在人类活动的作用和影响下，任何一种物质都可能通过地下水的补给过程进入到地下水中，引起地下水水质的改变。地下水可能被垃圾填埋场渗滤液，化粪池、地下油品或化学储罐的泄漏以及过度使用的化肥和农药等污染。人类活动也会影响地下水的水化学场，打破天然的地下水水化学平衡，导致原本的优质地下水产生劣变。地下水污染导致其变得不安全并且不适合人类使用。对地下水的良好管理对确保其可持续应用至关重要，地下水的监测是地下水管理的第一步。地下水监测系统提供的信息将有助于及时、准确、全面地反映地下水的可持续性，为地下水管理、污染源控制提供科学依据。可用于监测地下水的一些现有方法和系统，受到可收集的数据类型、准确性、易用性和其他因素的限制。此外，一些系统依赖于手动部署和操纵用于监测和表征地下水各方面特征的地下传感器，使得这样的系统需要大量现场操作、不能进行远程数据收集和监测。一套改进的地下水监测系统是很有必要的。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种用于调查和监测地下含水层或地下水的方法和系统。在某些实施方式中，该系统测量并记录含水层内水的地下水位、地下水厚度和深度相关的剖面数据。地下水位是从地面到地下水面的距离。地下水厚度是从地下水面到地下水底部的距离。地下水属性是水属性的深度剖面，包括在地下水中不同深度处测量的物理和化学性质(包括存在的污染物)。本专利技术设计用于包括但不限于井、钻孔和开放水域，用于例如短期和长期地下水表征、矿井水监测、盐水入侵研究、饮用水补给区研究、地下水污染监测和修复、泄漏调查、危险品储存监测、垃圾填埋场监测等应用。也可用于许多其他应用。本专利技术是一种地下水监测系统，其配置并可用于自动测量地下水位(地面到地下水面的距离)和地下水厚度，测量距地下水面不同深度的地下水的性质。在下文中对这些方面进行了详细描述。为了实现前述方面，本专利技术的自动地下水监测系统的一个非限制性实施例，通常包括至少两个主要部件。一个部件是一个基于电子处理器的控制器，在一个实施例中，该控制器通常位于地面上方，靠近井顶部或地下水井的钻孔头部或穿过地面形成的钻孔，以调查水位。另一个组件是配置为收集与地下水监测和表征操作相关的数据或信息的探测器。探测器可在井眼和地下水中线性地上下移动。在一些实施例中，探测器在钻孔和地下水中的垂直位置可由顶侧控制器控制和调节。探测器可以通过有线或无线装置与控制器进行双向通信，实现探测器和在井顶部的控制器之间数据和控制命令的传输。在一个实施例中，该系统包括至少两个声波换能器，用于测量探测器与井或钻孔头部之间的距离。一个是安装在井或钻孔头部的固定换能器，另一个是安装在探测器上的移动换能器、它在井中向上/向下移动。一个静止或移动的声波换能器作为发射器，经井发射声波，由另一个静止或移动的声波换能器作为接收器，接收和检测声波。产生的声波在钻孔或井中上下传播(取决于哪个换能器是发射器)。在一个实施例中，井或钻孔头部处的换能器是发射器，探测器中的换能器是接收器；在其他实施例中，这些角色可能相反。控制器可以编程为，当探测器沿着钻孔向下行进时，发射器以基本连续或断续的时间间隔产生声波。使用连续声波发射时，探测器沿着钻孔向下行进可进行连续距离测量，控制器始终知道探测器在井口下方的深度。除了换能器之外，探测器也可以包括安装在其中的一种或多种类型的传感器。在一个实施例中，探测器包括一个电导率传感器，可探测井中地下水面，如本文进一步描述的。传感器还包括一个加速计传感器，一个温度传感器和一个压力传感器。发射器和行进接收器的组合提供点对点距离测量，因为两个空间分离的装置可相互通信、通过声波测量距离，如本文进一步描述的。此外，传感器还可包括但不限于一种或多种水化学传感器，例如pH、氧化还原电位(ORP)、测量水中无机或有机化合物的传感器、和/或其他传感器。为了实现上述方面之一，可以使用声波或由换能器发射和接收的信号来测量地下水位，如上所述。可以使用任何合适的声音频率技术，例如但不限于一个示例中的超声波(例如，频率大于20kHz)。然而，声波的频率明显不限于超声频率，并且可以使用发射频率低于超声波范围的声波的换能器。该系统和方法的一个实施例采用至少一对声波换能器，一个声波换能器安装在钻孔或井顶部的地面上方的控制器中或控制器附近，至少一个声波换能器安装在地面下的探测器中。安装在控制器中或探测器中的一个换能器，可以是产生声波的发射器，其所产生的声波由探测器或控制器中的声换能器接收，从而包括至少一对发射器和接收器。因此，发射器可以固定位置，并且接收器可以在预期的系统的各种配置中固定，取决于哪个换能器安装在控制器和探测器中。控制器和探测器之间的距离，由具有适当配置的电路和/或运行合适的软件指令程序的控制器自动计算，该指令程序使用声波速度和声波发射器发射和接收器接收经过的时间。在一些实施例中，控制器可以将温度和/或气压校正因子应用于计算的距离，以提高探测地下水面的准确度。为此目的，温度传感器可以安装在探测器和控制器中。当探测器在钻孔中向下行进第一次接触地下水时，通过两个声波换能器之间确定的空间间隔，由控制器和探测器之间的距离来计算地下水位。在一个实施例中，水面可以通过安装在探测器中的电导率传感器感测的电导率变化来检测，如本文进一步描述的。为了实现上述方面之一，通过加速度计和安装在探测器中的压力传感器测量地下水厚度。当探测器接触地下水的底部时，探测器在方向上轴向倾斜，由加速计传感器检测。然后，使用钻孔内地下水面处的大气压力和靠近探测器的地下水底部的压力的压差，由控制器使用压力传感器测量和计算地下水厚度。为了实现上述方面之一，当探测器在地下水中行进时，探测器与地下水面之间的距离由安装在探测器中的压力传感器测量，以精确定位地下水中探测器的深度。安装在探测器中的其他传感器，例如但不限于电导率传感器、温度传感器和各种水化学/特性传感器，可以测量各种水特性，以在每个探测器行进的深度处形成地下水的特征轮廓。与控制器相关联的处理器可通过可编程指令或控制逻辑来配置，以连续或间歇的适当时间间隔在两个换能器之间发射和接收声波，来测量井或钻孔头部换能器与探测器换能器之间的距离。由探测器中的其他传感器收集的数据可以连续地或间歇地测量。在一些实施例中，控制器可以编程控制电缆卷筒，使其根据正在执行的监测活动的类型，以变化的速度降低或升高探测器。例如，在找地下水面时，控制器可以以更大的速度下降探测器以节省时间，直到探测器接触到地下水面。然而，探测器最好在首次接触地下水面或地下水含水层的底部时较慢行进，以便获得准确的地下水位和厚度测量值。在另一个实施例中，控制器还可以编程为有自动反转特征，一旦检测到有离开水面的微小运动，会将探测器的方向向上反转一小段距离，然后再更慢地使探测器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实时在线原位地下水监测系统，包括控制器(20)和探测器(110)，其特征在于：所述控制器(20)可以利用装配装置(100)安装在地面(200)上，所述装配装置(100)安装在钻穿地面(200)以进入地下水面(210)的钻孔(142)或井管(140)的顶部，且装配装置(100)可以具有用于将控制器(20)安装在钻孔(142)或井管(140)附近的构造，所述控制器(20)包括保护外盒，且装配装置(100)可设置在保护外盒的底部。

【技术特征摘要】
1.一种实时在线原位地下水监测系统，包括控制器(20)和探测器(110)，其特征在于：所述控制器(20)可以利用装配装置(100)安装在地面(200)上，所述装配装置(100)安装在钻穿地面(200)以进入地下水面(210)的钻孔(142)或井管(140)的顶部，且装配装置(100)可以具有用于将控制器(20)安装在钻孔(142)或井管(140)附近的构造，所述控制器(20)包括保护外盒，且装配装置(100)可设置在保护外盒的底部。2.根据权利要求1所述的一种实时在线原位地下水监测系统，其特征在于：所述保护外盒上具有可打开或可关闭的盖子，且盖子可上锁，所述盖子可以通过销或铰链可枢转地连接到保护外盒的侧壁上。3.根据权利要求1所述的一种实时在线原位地下水监测系统，其特征在于：所述控制器(20)中有处理器(30)、电动升降机(60)、顶部传感器(80)和电池(90)，所述处理器(30)包括全功能系统所必需的电路、编程和其他装置，所述处理器(30)包括微处理器(38)、具有各种操作状态LED灯(32)的用户界面、控制按钮(34)、通信接口(40)、储存器(36)、压力传感器(86)、湿度传感器(44)以及容纳和保护电子器件的外壳，所述顶部传感器(80)包括声波换能器(82)和温度传感器(84)，且声波换能器(82)和温度传感器(84)均位于钻孔(142)或井管(140)的顶部。4.根据权利要求3所述的一种实时在线原位地下水监测系统，其特征在于：所述处理器(30)控制电动升降机(60)升高或降低钻孔(142)或井管(140)内的探测器(110)并使其进入地下水(230)。5.根据权利要求3所述的一种实时在线原位地下水监测系统，其特征在于：所述电动升降机(60)通常包括辊子(66)、电缆卷筒(68)、电缆(70)以及使探测器(110)上下移动并调节其在井管(140)或钻孔(142)中垂直位置的驱动机械装置，所述驱动机械装置是由控制器(20)控制的电动机(64)并使电动机(64)与直接耦合到其驱动轴上的电缆卷筒(68)的中心毂同轴对准。6.根据权利要求5所述的一种实时在线原位地下水监测系统，其特征在于：所述辊子(66)将电缆(70)从电缆卷筒(68)引导出并通过保护外盒底部的开口(65)，且开口(65)与钻孔(142)或井管(140)连通并同心对齐。7.根据权利要求5所述的一种实时在线原位地下水监测系统，其特征在于：所述电缆(70)经由保护外盒上光滑的孔(62)及固定在井口(141)的滑轮套装后连接至井孔内探测器(110)。8.根据权利要求3所述的一种实时在线原位地下水监测系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：湖北拓界地质环境工程有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42