一種電解極化測(cè)量滲流流速的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及巖±滲流監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種電解極化測(cè)量滲流流速的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 滲流流向、流速是巖±工程、水文地質(zhì)領(lǐng)域非常重要的參數(shù)，對(duì)于污染物運(yùn)移、油 氣開發(fā)、水±流失等相關(guān)問題的研究也具有重大意義。傳統(tǒng)示蹤法，由于示蹤劑多為染料或 電解質(zhì)溶液，需要?？诘耐端幯b置，且投藥點(diǎn)與測(cè)量位置必須間隔較長(zhǎng)距離，難W成設(shè)計(jì)成 一體化傳感器實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)；熱示蹤通過測(cè)量溫度場(chǎng)變化，確定滲流流速、流向，光纖式測(cè) 溫滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于該種類型的其典型代表，由于光纖式測(cè)溫滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要在監(jiān)測(cè)范 圍內(nèi)鋪設(shè)光纖，故成本較高。因此，滲流監(jiān)測(cè)迫切需要一種成本低廉的測(cè)量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種電解極化測(cè)量滲 流流速的方法。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種電解極化測(cè)量滲流流速的方 法，包括W下步驟：
[0005] 1)在巖±體中布設(shè)用于產(chǎn)生電解極化形成離子脈沖電解電極；所述電解電極的 主要功能是產(chǎn)生電解極化形成離子脈沖，當(dāng)施加直流電壓時(shí)，電極表面在電場(chǎng)作用下陰離 子向正極運(yùn)動(dòng)、陽(yáng)離子向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，電極附近溶液形成濃差極化，使得電極表面離子濃度高 于體系平均離子濃度，電極附近離子濃度低于體系平均離子濃度，形成電解質(zhì)脈沖，此時(shí)在 距離電極X處離子數(shù)密度為：
[0007] 式中：Zi為第i種離子的電荷數(shù)；e為電子電量；滬的為X處的電勢(shì)；k為玻爾茲曼 常數(shù)；T為溫度；巧為祭縣=0時(shí)平均數(shù)密度。
[0008] 2)在巖±體中布設(shè)用于測(cè)量系統(tǒng)電導(dǎo)率W感知離子濃度變化的電導(dǎo)電極；
[0009] 所述電導(dǎo)電極的主要功能是測(cè)量系統(tǒng)電導(dǎo)率W感知離子濃度變化，對(duì)于稀的 強(qiáng)電解質(zhì)有，A=Am-aclA"為極限摩爾電導(dǎo)，在C很小的情況下，c》cl因此電導(dǎo)
電導(dǎo)變化
當(dāng)電導(dǎo)常數(shù) k不變時(shí)，離子濃度變化AC與電導(dǎo)率的變化AA成正比。根據(jù)測(cè)量需要可在傳感器上布 設(shè)一對(duì)電導(dǎo)電極W測(cè)量某一方向上的離子濃度變化，也可布設(shè)多對(duì)電導(dǎo)電極測(cè)量不同方向 上的離子濃度變化。電解電極與電導(dǎo)電極的最小間距使用公式
估算，式中d為 最小電極間距，e為測(cè)量允許的相對(duì)誤差，化為所測(cè)量水中離子擴(kuò)散系數(shù)，Umi。為設(shè)計(jì)最小 流速，電解電極與電導(dǎo)電極間距不小于d。
[0010] 3)對(duì)電解電極施加一定時(shí)間的直流電壓，同時(shí)通過電導(dǎo)電極的測(cè)量電導(dǎo)率變化， 繪制電導(dǎo)率變化曲線；所述施加直流電壓的時(shí)間為[0.5-10]秒，直流電壓大小為巧-36] 伏。所述測(cè)量電導(dǎo)率變化的采樣頻率不低于O.lHz。
[0011] 當(dāng)施加直流電壓時(shí)，電極表面在電場(chǎng)作用下陰離子向正極運(yùn)動(dòng)、陽(yáng)離子向負(fù)極運(yùn) 動(dòng)，電極附近溶液形成濃差極化，使得電極表面離子濃度高于體系平均離子濃度，電極附近 離子濃度低于體系平均離子濃度，形成電解質(zhì)脈沖，此時(shí)在距離電極X處離子數(shù)密度為：
[001引式（1)中：Z巧第i種離子的電荷數(shù)；e為電子電量；的幻為X處的電勢(shì)；k為玻爾 茲曼常數(shù)；T為溫度；巧為柳句=0時(shí)平均數(shù)密度；
[001引式似中，八…為極限摩爾電導(dǎo)，k為電導(dǎo)常數(shù)，A入為電導(dǎo)率變化，AC為離子濃 度變化； 陽(yáng)016] 4)對(duì)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)通過濾波處理后繪制電導(dǎo)變化曲線，W電解電極開始施加直流電 壓的時(shí)間為零點(diǎn)，在電導(dǎo)變化曲線上求電導(dǎo)率極大值或極小值出現(xiàn)的時(shí)間t;
[0017] 5)計(jì)算測(cè)定流速。所述測(cè)定流速，采用公式u=f計(jì)算，式中V為測(cè)定流速，d為電 解電極與電導(dǎo)電極的間距，t為步驟（4)所得時(shí)間；
[0018] 6)標(biāo)定流速校正系數(shù)。所述標(biāo)定流速校正系數(shù)，首先在一系列已知流速的條件下， 按步驟（3)-步驟（5)求取測(cè)定流速，再對(duì)已知流速和測(cè)定流速進(jìn)行回歸分析，求得回歸方 程Ve知二曰?V|j促+b，式中Ve巧為已知流速，a為校正系數(shù)，V|j促為測(cè)量流速，b為補(bǔ)償因子， 最終確定校正系數(shù)及補(bǔ)償因子；
[0019] 7)測(cè)量實(shí)際流速。所述測(cè)量實(shí)際流速，按步驟（3)-步驟妨求取測(cè)定流速，根據(jù) 步驟（6)的校正系數(shù)及補(bǔ)償因子，按=a?V胃g+b計(jì)算實(shí)際流速，式中vett為已知流 速，a為校正系數(shù)，V胃g為測(cè)量流速，b為補(bǔ)償因子。
[0020] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：采用本發(fā)明方法示蹤過程不引入新物質(zhì)，無(wú)環(huán)境污染， 方法所需測(cè)量距離小，能同時(shí)測(cè)定多個(gè)方向上的流速分量，為滲流監(jiān)測(cè)提供連續(xù)測(cè)量方法。
【附圖說明】
[0021] 下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：
[0022] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例電解電極與電導(dǎo)電極的布置圖；
[0023] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例電導(dǎo)率變化圖；
[0024]圖3是本發(fā)明實(shí)施例小波濾波后電導(dǎo)率變化曲線圖； 陽(yáng)0巧]圖4是本發(fā)明實(shí)施例回歸分析結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明 進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用W解釋本發(fā)明，并不用于限 定本發(fā)明。
[0027] 本實(shí)施例中測(cè)量電導(dǎo)率在50-1500yScmi之間的天然水，流速范圍0.01cm S1-0. 1cmS1內(nèi)的滲流流速。
[0028] 一種電解極化測(cè)量滲流流速的方法，包括W下步驟：
[0029] (1)布設(shè)電解電極。布設(shè)電解電極，電解電極的材質(zhì)采用銅、電極形狀采用平行條 帶，電極寬1. 00mm，長(zhǎng)5. 00mm，厚度35ym，間隔距離1. 00mm，電極常數(shù)約為0. 4 ;
[0030] 似布設(shè)電導(dǎo)電極。布設(shè)電導(dǎo)電極，電導(dǎo)電極的材質(zhì)采用銅、電極形狀采用平行條 帶，電極寬1. 00mm，長(zhǎng)5. 00mm，厚度35ym，間隔距離1. 00mm，電極常數(shù)約為0. 4。電導(dǎo)電極 數(shù)量為一對(duì)，設(shè)置在下游方向。電解電極與電導(dǎo)電極間距，取最小流速Umi"= 0.01cm*s1， 化=10 5cm2 ?s1，e= 1%，計(jì)算最小電極間距
取電解電極與電導(dǎo)電極 間距為2cm(如圖1);
[0031] (3)電解電極施加一定時(shí)間的直流電壓，同時(shí)通過電導(dǎo)電極的測(cè)量電導(dǎo)率變化 (如圖2)，繪制電導(dǎo)率變化曲線。施加直流電壓的時(shí)間為4秒，直流電壓大小為9伏。測(cè)量 電導(dǎo)率變化的采樣頻率4Hz。
[0032] (4)根據(jù)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)通過濾波后繪制電導(dǎo)變化曲線，W電解電極開始施加直流電 壓的時(shí)間為零點(diǎn)，在電導(dǎo)變化曲線上求電導(dǎo)率極大值或極小值出現(xiàn)的時(shí)間。根據(jù)電導(dǎo)率數(shù) 據(jù)通過濾波后繪制電導(dǎo)變化曲線（如圖3)，W電解電極開始施加直流電壓的時(shí)間為零點(diǎn)， 求電導(dǎo)率極大值出現(xiàn)的時(shí)間，測(cè)得極大峰時(shí)間為105秒，極小峰60秒。
[003引 妨計(jì)算測(cè)定流速。巧憶流速采用公式心-f計(jì)算，式中V為測(cè)定流速，d為電解電 極與電導(dǎo)電極的間距，t為步驟（4)所得時(shí)間。計(jì)算得測(cè)定流速為。
[0034] (6)標(biāo)定流速校正系數(shù)。首先在一系列已知流速的條件下，按步驟（3)-步驟巧） 求取測(cè)定流速結(jié)果如表1，再對(duì)已知流速和測(cè)定流速進(jìn)行回歸分析（如圖4)，求得回歸方程 V已巧=a?Vj|促+b，式中Ve巧為已知流速，a為校正系數(shù)，Vj|促為測(cè)量流速，b為補(bǔ)償因子，最 終確定校正系數(shù)及補(bǔ)償因子，極大峰校正系數(shù)1. 328、補(bǔ)償因子-4. 78X103cm.S1，極小峰 校正系數(shù)0. 7058、補(bǔ)償因子-1. 31X10 3畑1 ?S1。
[0035] 表1不同流速測(cè)量結(jié)果
[0036]
陽(yáng)037] 表中：V。為已知流速，L為電解電極與電導(dǎo)電極距離，t為極小峰出峰時(shí)間，STD 為極小峰出峰時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)方差，為極小峰測(cè)定流速，thkp為極大峰出峰時(shí)間，STDhkp為極大 峰出峰時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)方差，Vhkp為極大峰測(cè)定流速；
[003引 （7)測(cè)量實(shí)際流速。測(cè)量實(shí)際流速，按步驟（3)-步驟妨求取測(cè)定流速，根據(jù)步驟 (6)的校正系數(shù)及補(bǔ)償因子，按V實(shí)際=a'V測(cè)定+b計(jì)算實(shí)際流速，式中ve知為已知流速，a為 校正系數(shù)，V胃g為測(cè)量流速，b為補(bǔ)償因子。極大峰的測(cè)定流速為0. 0321cm?S1，實(shí)際流速 為0. 0378cm?S1，極小峰的測(cè)定流速為0. 0555cm?S1，實(shí)際流速為0. 0379cm?S1。
[0039] 應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說，可W根據(jù)上述說明加W改進(jìn)或變換， 而所有運(yùn)些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電解極化測(cè)量滲流流速的方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 在巖土體中布設(shè)用于產(chǎn)生電解極化形成離子脈沖電解電極； 2) 在巖土體中布設(shè)用于測(cè)量系統(tǒng)電導(dǎo)率以感知離子濃度變化的電導(dǎo)電極； 3) 對(duì)電解電極施加一定時(shí)間的直流電壓，同時(shí)通過電導(dǎo)電極的測(cè)量電導(dǎo)率變化，繪制 電導(dǎo)率變化曲線； 4) 對(duì)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)通過濾波處理后繪制電導(dǎo)變化曲線，以電解電極開始施加直流電壓的 時(shí)間為零點(diǎn)，在電導(dǎo)變化曲線上求電導(dǎo)率極大值或極小值出現(xiàn)的時(shí)間t; 5) 計(jì)算測(cè)定流速：所述測(cè)定流速，采用公式E=? 十算，式中v為測(cè)定流速，d為電解電 t 極與電導(dǎo)電極的間距，t為步驟（4)所得時(shí)間； 6) 標(biāo)定流速校正系數(shù)；標(biāo)定流速校正系數(shù)的方法為，首先在一系列已知流速樣本的條 件下，按步驟1)至步驟5)求取測(cè)定流速，再對(duì)已知流速和測(cè)定流速進(jìn)行回歸分析，求得回 歸方程=a?vilK +b，式中為已知流速，a為校正系數(shù)，vilK為測(cè)量流速，b為補(bǔ)償 因子，最終確定校正系數(shù)a及補(bǔ)償因子b; 7) 根據(jù)測(cè)定流速及校正系數(shù)a及補(bǔ)償因子b計(jì)算實(shí)際流速。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述施加直流電壓的時(shí)間為[0. 5-10]秒， 直流電壓大小為[2-36]伏。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述測(cè)量電導(dǎo)率變化的采樣頻率不低于 0.lHz〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3)中電導(dǎo)率變化采用下式獲 得： 當(dāng)施加直流電壓時(shí)，電極表面在電場(chǎng)作用下陰離子向正極運(yùn)動(dòng)、陽(yáng)離子向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，電 極附近溶液形成濃差極化，使得電極表面離子濃度高于體系平均離子濃度，電極附近離子 濃度低于體系平均離子濃度，形成電解質(zhì)脈沖，此時(shí)在距離電極x處離子數(shù)密度為：⑴ 式⑴中式為第i種離子的電荷數(shù)；e為電子電量；妒(X)為x處的電勢(shì)；k為玻爾茲 曼常數(shù)；T為溫度；Cf力f/9(X) =0時(shí)平均數(shù)密度； 電導(dǎo)變化（2) 式（2)中，為極限摩爾電導(dǎo)，k為電導(dǎo)常數(shù)，AA為電導(dǎo)率變化，AC為離子濃度變 化。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電解極化測(cè)量滲流流速的方法，該方法包括以下步驟：布設(shè)用于產(chǎn)生電解極化形成離子脈沖電解電極；布設(shè)用于測(cè)量系統(tǒng)電導(dǎo)率以感知離子濃度變化的電導(dǎo)電極；對(duì)電解電極施加一定時(shí)間的直流電壓，同時(shí)通過電導(dǎo)電極的測(cè)量電導(dǎo)率變化，繪制電導(dǎo)率變化曲線；在濾波后的電導(dǎo)率變化曲線上，以電解電極開始施加直流電壓的時(shí)間為零點(diǎn)，求電導(dǎo)率極大值或極小值出現(xiàn)的時(shí)間；根據(jù)電導(dǎo)率極值出現(xiàn)時(shí)間及兩電極間距計(jì)算測(cè)定流速；根據(jù)標(biāo)定測(cè)得的校正系數(shù)a及補(bǔ)償因子b，計(jì)算實(shí)際流速。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，操作方便，示蹤過程不引入新物質(zhì)，無(wú)環(huán)境污染，方法所需測(cè)量距離小，能同時(shí)測(cè)定多個(gè)方向上的流速分量，為滲流監(jiān)測(cè)提供連續(xù)測(cè)量方法。
【IPC分類】G01P5/00
【公開號(hào)】CN105116164
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510632850
【發(fā)明人】秦孫巍, 邱丹丹, 孫靜月, 李先福, 李云安
【申請(qǐng)人】武漢工程大學(xué)
【公開日】2015年12月2日
【申請(qǐng)日】2015年9月29日