水分入渗过程中气压-电阻率分析方法、系统及监测设备技术方案

本发明专利技术公开了水分入渗过程中气压

【技术实现步骤摘要】
水分入渗过程中气压
‑
电阻率分析方法、系统及监测设备


[0001]本专利技术涉及水文地质和水文地球物理监测
，具体为水分入渗过程中气压
‑
电阻率分析方法、系统及监测设备。

技术介绍

[0002]包气带是水循环的重要通道，大气降雨等水分以及携带的溶质通过包气带入渗补给地下水的过程是水循环和环境研究领域的热点问题。随着水文地球物理监测技术的发展，电阻率等方法不断被成功应用于包气带的水分运移和溶质运移过程及规律的监测，成为传统研究方法的重要补充。包气带中的水分入渗过程本质上是一个水气两相驱替过程，包气带内气压的变化一方面会直接影响水分和溶质运移速率等要素，进而影响水分迁移剖面的电阻率空间分布；另一方面，气压变化本身也会引起电阻率的变化。目前采用电阻率法监测水分和溶质运移的相关研究中，不考虑气压变化的影响，会在一定程度上导致测量电阻率的反演结果不准确，进而导致电阻率监测结果不能客观反映水分运移的真实情况，甚至对水分或溶质等监测目标体错误刻画，大大影响了电阻率等地球物理方法在包气带水分及溶质运移过程研究中应用的效果和前景。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供水分入渗过程中气压
‑
电阻率分析方法、系统及监测设备，定量观测研究水分入渗引起的气压变化及其对电阻率的影响，并对电阻率进行修正以解决上述
技术介绍
中存在的气压变化本身也会引起电阻率的变化导致测量电阻率的反演结果不准确，进而导致电阻率监测结果不能客观反映水分运移的真实情况的问题。
>[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案，水分入渗过程中气压
‑
电阻率分析方法，步骤包括：
[0005]根据研究目的获取研究范围内的地质信息、降雨信息和水分入渗信息；
[0006]根据获取的地质信息、降雨信息和水分入渗信息，模拟水分入渗的水
‑
气两相流过程，同时对入渗过程进行气压和电阻率监测；
[0007]分析相同时间的气压和电阻率监测数据，定量刻画水分入渗过程中的气压变化及其对电阻率的影响；
[0008]根据水分入渗过程中的气压对电阻率的影响对电阻率进行修正；
[0009]根据修正后的电阻率数据进行反演，结合水气两相流理论提高水分迁移过程的准确刻画。
[0010]根据上述技术方案，所述地质信息包括包气带信息、介质层信息和非均质岩性结构信息；
[0011]所述降雨信息包括降雨量的大小和降雨时长；
[0012]所述水分入渗信息包括入渗速度、入渗强度和入渗量。
[0013]根据上述技术方案，所述水分入渗模拟的步骤包括：
[0014]根据研究范围内的地质信息构建水分入渗地质模型；
[0015]将获取的降雨信息和水分入渗信息进行数据预处理，将预处理的数据进行等比转化，得到模拟入渗的初始数据；
[0016]根据入渗的初始数据调整气压
‑
电阻率监测装置，调整完成后，打开气压
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电阻率监测装置，模拟水分入渗模拟过程，并监测模拟水分入渗模拟过程中气压和电阻率的变化。
[0017]根据上述技术方案，所述电阻率监测方法包括：连续监测和间隔监测；
[0018]所述连续监测为完成一次测量后，随即开展第二次测量；所述间隔监测为在监测开始后的指定时间开展气压和电阻率的测量。
[0019]根据上述技术方案，所述电阻率修正步骤为：
[0020]不考虑气压影响时，根据不同监测点测得的电阻率与含水率，拟合出实测得到的土壤电阻率ρ
s
、孔隙度和饱和度指数n的值，根据监测点含水率θ依据阿奇公式修正电阻率；
[0021]考虑气压影响时，统计分析所有监测点气压变化Δp与电阻率变化Δρ间存在的相关关系，建立二者间拟合函数；
[0022]根据测量的气压和含水率利用修正阿奇公式来修正电阻率。
[0023]由于在入渗强度大于介质临界入渗强度时，气压发生明显变化的湿润锋未达部分，气压变化能对该区域视电阻率产生影响，使得实测电阻率变化曲线不连续，存在拐点，具有明显的分段特征，采用多项式逼近会导致部分电阻率测量出现误差。所以采用分段拟合建立监测点气压变化Δp与电阻率变化Δρ间存在的关系，根据实测数据分布特点，确定分段位置。
[0024]根据上述技术方案，所述阿奇公式：
[0025][0026]其中，ρ
s
为实测得到的土壤电阻率，为孔隙度，θ为监测点含水率，n为饱和度指数(其值因介质类型不同变化范围在1.0～2.5之间)；
[0027]为了方便称呼在已经经过一次修正的阿奇公式的基础上进行再一步修正的阿奇公式，将本专利中的阿奇公式定义为经过一次修正的阿奇公式；
[0028]所述修正阿奇公式：
[0029][0030]其中，ρ
s
为实测得到的土壤电阻率，为孔隙度，θ为监测点含水率，n为饱和度指数，Δp为水分入渗前和入渗后的气压差值，Δρ为水分入渗前和入渗后的电阻率差值，r为气压变化Δp与电阻率变化Δρ间拟合函数曲线的切线斜率。
[0031]水分入渗前和入渗后的气压差也可以说是监测气孔打开时和监测气孔封闭时测得气压差，水分入渗前和入渗后的电阻率差值也可以说是监测气孔打开时和监测气孔封闭时测得电阻率差值。
[0032]由水分入渗过程中的气压变化及其对电阻率的影响发现，在入渗强度大于介质临界入渗强度时，气压发生明显变化的湿润锋未达部分，气压变化能对该区域视电阻率产生影响，导致测量电阻率的反演结果不准确，因此需要对入渗强度大于介质临界入渗强度时
测得的电阻率进行修正。
[0033]根据上述技术方案，计算电阻率与含水量的关系；所述包气带水气二相流理论分析利用TOUGH2模拟水气二相流。
[0034]水分入渗过程中气压
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电阻率分析系统，其特征在于：
[0035]信息获取模块，根据研究目的获取研究范围内的地质信息、降雨信息和水分入渗信息；
[0036]水分入渗模拟模块，根据信息获取模块获取的信息，模拟水分入渗的过程；
[0037]气压
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电阻率监测模块，用于监测水分入渗过程中的气压和电阻率变化；
[0038]气压
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电阻率分析模块，根据气压和电阻率监测数据，定量刻画水分入渗过程中的气压变化及其对电阻率的影响。
[0039]水分入渗过程中气压
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电阻率监测设备，其特征在于，包括：
[0040]入渗装置，根据降雨信息和水分入渗信息模拟水分入渗；
[0041]砂箱，根据地质信息向砂箱内填充不同粒径组成和不同成分的固体颗粒，用于模拟研究范围内的地质结构；
[0042]监测装置，用来监测模拟水分入渗过程中气压和电阻率的变化；
[0043]辅助装置，用来就控制水分入渗过程中气压监测的位置。
[0044]与现有技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.水分入渗过程中气压
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电阻率分析方法，其特征在于，步骤包括：根据研究目的获取研究范围内的地质信息、降雨信息和水分入渗信息；根据获取的地质信息、降雨信息和水分入渗信息，模拟水分入渗的水
‑
气两相流过程，同时对入渗过程进行气压和电阻率监测；分析相同时间的气压和电阻率监测数据，定量刻画水分入渗过程中的气压变化及其对电阻率的影响；根据水分入渗过程中的气压对电阻率的影响对电阻率进行修正；根据修正后的电阻率数据进行反演，结合水气两相流理论提高水分迁移过程的准确刻画。2.根据权利要求1所述的水分入渗过程中气压
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电阻率分析方法，其特征在于：所述地质信息包括包气带信息、介质层信息和非均质岩性结构信息；所述降雨信息包括降雨量的大小和降雨时长；所述水分入渗信息包括入渗速度、入渗强度和入渗量。3.根据权利要求1所述的水分入渗过程中气压
‑
电阻率分析方法，其特征在于,所述水分入渗模拟的步骤包括：根据研究范围内的地质信息构建水分入渗地质模型，进而构建水文地质概念模型；将获取的降雨信息和水分入渗信息进行数据预处理，将预处理的数据进行等比转化，得到模拟入渗的初始数据；根据入渗的初始数据以及水文地质概念模型，采用水气两相流TOUGH2模块模拟水分入渗过程；根据水分入渗初始数据，调整气压
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电阻率监测装置，调整完成后，打开气压
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电阻率监测装置，监测水分入渗过程中气压和电阻率的变化。4.根据权利要求1所述的水分入渗过程中气压
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电阻率分析方法，其特征在于：所述气压
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电阻率联合监测方法包括：连续监测和间隔监测；所述连续监测为完成一次测量后，随即开展第二次测量；所述间隔监测为在监测开始后的指定时间开展气压和电阻率的测量。5.根据权利要求1所述的水分入渗过程中气压
‑
电阻率分析方法，其特征在于：所述电阻率修正步骤为：不考虑气压影响时，根据不同监测点测得的电阻率与含水率，拟合出实...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝晓彬，吴吉春，吴剑锋，王栋，张厚胜，熊贵耀，卫云波，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：