一种基于电磁场的新型示踪方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于电磁场的新型示踪方法及装置，包括电磁发射系统、发射天线、电极和接收机；电磁发射系统设置在上游点，其包括发射机、发电机，所述的发射机包括电容器；发射天线采用特殊设计的多种频率发射天线，其穿过岩溶塌陷或钻孔深入至已探测到的含水层；电极和接收机设置在下游点，所述的电极包括两对电极，两对电极呈正交分布，电极位于下游水形成围堰中；所述的接收机采集电极中的电信号。该装置基于水的良好导电性，可将电磁信号作为示踪剂，实现快速观测，电磁信号与传统示踪剂相比其在水中的传播速度极快，性质稳定、无污染，可应用地下水示踪探测，解决传统示踪探测中示踪剂时效性差和不环保的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁场的新型示踪方法及装置
本专利技术涉及水文地质调查中地下水系统的连通探测领域、或者堤坝等渗漏或管涌探测领域、或者地下空间建设中复杂地质情况下岩溶通道的探测领域，具体涉及一种基于电磁场的新型示踪方法及装置。
技术介绍
地下水示踪是一种重要的研究地下水运动的现场探测方法，可分为天然示踪与人工示踪两类方法。其中，应用较广的人工示踪法常用采用放射性同位素示踪测井和地下水连通示踪方法研究地下水力系统。目前确定地下水系统水力联系的主要方法是地下水连通示踪水运动的物源,在预期能到达的部位对其进行接收检测,根据检测结果,综合分析介质场和势场特征,来获取系统天然流场的水动力属性。地下水连通示踪因为结论明确,能够直观地反映地下水系统的运动状态，可广泛应用于区域水文地质调查、环境监测、工程施工等领域对地下水边界和径流途径的研究。地下水连通示踪按示踪剂的类型可分为：(1)简单地下水连通探测，以地下水本身作为示踪剂；(2)物理方法连通示踪探测，包括水声法示踪、水文地质炸弹示踪等；(3)颗粒连通示踪探测，示踪剂为不溶于水的颗粒；(4)人工放射性同位素连通示踪探测；(5)化学试剂连通示踪探测，示踪剂多采用盐类离子化合物、普通色素、荧光色素、离子-分子示踪剂。目前地下水连通示踪主要采用化学试剂或人工放射性同位素连通示踪探测方法。首先，选用与地下水化学成分背景值差异较大、稳定较好且易溶性强的示踪剂，通过地面钻孔将其注入到与出水点相关的含水层，然后进行注水加压，使得示踪剂随地下水流不断地迁移、扩散，并在地下水流的下端排泄点定期进行取样监测，然后分析示踪剂浓度随时间的变化规律，以此分析含水通道地下水力运动规律，进而间接获得投放与接收点间的地下水运动各种相关信息。依示踪剂浓度沿着地下水流运动方向逐渐降低并扩散，求得浓度峰值与距离的关系，可以得到示踪剂沿着一定方向的流动速度，进而推断地下含水通道的规模及发育情况。然而，传统示踪探测存在以下缺陷(1)依赖示踪剂，有污染或有害目前常用的示踪剂主要有同位素、普通色素、荧光素、放射性指示剂等，此类物质成分容易对地下水、土壤、植物造成损害，污染环境，不符合环保要求；同时，示踪剂稳定性差，检测结果受人为因素影响较大，不能适应复杂地质环境，无法满足大型连通探测的要求。(2)观测时间长，时效性差，耗时长示踪剂在水中运动速度过慢，特别是在规模较大的含水通道中，往往投放后1天甚至数天才能得到观测结果，无法及时掌握含水通道规模及发育情况，时效性差。
技术实现思路
针对上述传统示踪探测的缺陷，本专利技术提出了一种新型示踪探测方法及装置。本专利技术基于水导电性良好、电磁信号在水中的传播速度极快的物理特性，且不会对环境造成危害，可将电磁信号作为“示踪剂”，在钻孔处布设发射装置，向地下含水层发射特殊设计的多种频率电磁场，电磁信号在水体中快速传播，并在出水点出设置电磁接收装置进行观测，根据电磁信号的频率、振幅、相位、水的电导率以及观测时间判断地下含水层与出水点之间的连通情况，探明地下含水通道的位置及规模。本专利技术采用的技术方案如下：第一方面，本专利技术提出了一种基于电磁场的新型示踪方法，包括以下步骤：(1)确定要进行探测的上游点和下游点，将上游点作为发射端，下游点作为接收端；(2)在上游点的发射端向水中布置发射天线，在发射端布置电磁发射系统，所述的电磁发射系统可向水中发射电磁信号，；(3)在下游点布置两对正交的不极化电极和接收机，以下游点为中心，并引导下游的水形成小的围堰，使不极化电极处在水中；(4)开启接收机，采集不极化电极中的电信号，在采集一段时间之后在接收机不停机的情况下，开启发射系统；(5)发射系统开机后，按照设计的波形完成多次发射，实际重复观测次数根据选用的频率和收发距离确定，以能够观测，发射系统工作达到设定的时间后，之后关闭发射系统；(6)在发射系统完全关闭后，采集系统仍然继续工作设定的时间，即可停止探测；通过是否能监测到电磁信号判断此出水点与钻孔处含水层是否连通，通过电磁信号频率、振幅、相位、水的电导率和观测时间推断地下含水通道连通性强弱。第二方面，本专利技术还提出了一种示踪探测装置，包括电磁发射系统、发射天线、电极和接收机；所述的电磁发射系统设置在上游点，其包括发射机、发电机，所述的发射机包括电容器；电容器上设有开关控制电容器充放电过程，电容器正极板上设有与工业电接通的充电线缆和与发射天线连接的放电电缆，其中充电开关控制充电线缆与电容器间的电路连通，放电开关控制放电线缆与电容器间的电路连通；所述的发射天线采用多种频率，其长度和频率可根据实际探测需求和探测参数设计和选择，发射天线穿过岩溶塌陷或钻孔深入至已探测到的含水层；所述的电极和接收机设置在下游点，所述的电极包括两对电极，两对电极呈正交分布，电极位于下游水形成围堰中；所述的接收机采集电极中的电信号。相较于其他方法，本专利技术的创新及优势如下：1.本专利技术提出了一种新型示踪探测装置，该装置基于水的良好导电性，可将电磁信号作为示踪剂，实现快速观测，电磁信号与传统示踪剂相比其在水中的传播速度极快，性质稳定、无污染，可应用地下水示踪探测，解决传统示踪探测中示踪剂时效性差和不环保的问题。2.为满足电磁场在地下长距离有效传播的要求，在发射天线和发射信号频率上进行了优化设计和选择。其中，可发射多种频率的天线尺寸较小，此天线采用多种频率接收时，长度在10米到几十米左右，可根据探测参数和探测需求进行选择，易于布设，可满足有限空间内天线布设；工业电和等离子发电可在短时间内发射功率较高且设计的多种频率的电磁信号，实现快速探测的目的；3.基于新型示踪探测装置，提出定性、定量连通性确定方法，不仅能快速对两点之间连通情况进行定性，而且可根据电磁场的趋肤深度公式估算含水通道距离，可有效对含水通道的位置、径流途径及规模进行推断；4.在发射端和接收端的波形和频率上可灵活选择，满足不同探测需求。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1是本专利技术的结构示意图。其中：Tx为发射装置，包括1发射机、2发电机、3发射天线、4连接线缆，发射天线通过连接线缆与发射机连接，布设于5钻孔中；Tx与Rx之间树状通道为所探测的6含水通道，电信号在其中传播。Rx为接收装置，包含7接收机、8不极化电极、9磁棒和连接线缆；其中，AB和A’B’为两对正交的不极化电极，用于接收电磁信号，磁探头用于接收磁场信号；不极化电极布设在围堰边缘，磁棒布设于出水口正上方，不极化电极和磁棒与接收机通过线缆连接。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电磁场的新型示踪方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)确定要进行探测的上游点和下游点，将上游点作为发射端，下游点作为接收端；/n(2)在上游点的发射端向水中布置发射天线，且在发射端布置电磁发射系统，所述的电磁发射系统可向水中发射电磁信号；/n(3)在下游点布置两对正交的电极和接收机，以下游点为中心，并引导下游的水形成围堰，使不极化电极处在水中；/n(4)开启接收机，采集不极化电极中的电信号，在采集一段时间之后在接收机不停机的情况下，开启发射系统；/n(5)发射系统开机后，按照设计的波形完成多次发射，发射系统工作达到设定的时间后，之后关闭发射系统；/n(6)在发射系统完全关闭后，采集系统仍然继续工作设定的时间，即可停止探测；通过是否能监测到电磁信号判断此出水点与钻孔处含水层是否连通，通过电磁信号频率、振幅、相位、水的电导率和观测时间推断地下含水通道连通性强弱。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁场的新型示踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定要进行探测的上游点和下游点，将上游点作为发射端，下游点作为接收端；
(2)在上游点的发射端向水中布置发射天线，且在发射端布置电磁发射系统，所述的电磁发射系统可向水中发射电磁信号；
(3)在下游点布置两对正交的电极和接收机，以下游点为中心，并引导下游的水形成围堰，使不极化电极处在水中；
(4)开启接收机，采集不极化电极中的电信号，在采集一段时间之后在接收机不停机的情况下，开启发射系统；
(5)发射系统开机后，按照设计的波形完成多次发射，发射系统工作达到设定的时间后，之后关闭发射系统；
(6)在发射系统完全关闭后，采集系统仍然继续工作设定的时间，即可停止探测；通过是否能监测到电磁信号判断此出水点与钻孔处含水层是否连通，通过电磁信号频率、振幅、相位、水的电导率和观测时间推断地下含水通道连通性强弱。


2.如权利要求1所述的一种基于电磁场的新型示踪方法，其特征在于，所述的发射天线的采用多种频率的多种频率发射天线，其天线长度可根据探测参数和探测需求进行设计选择，其发射频率种类可满足探测需求；将多种频率的多种频率发射天线穿过岩溶塌陷或钻孔深入至已探测到的含水层，在多个出水点设置不极化电极和接收机。


3.如权利要求2所述的一种基于电磁场的新型示踪方法，其特征在于，利用工业电和电容器的电路装置实现电磁信号发射；电容器上设有开关控制电容器充放电过程，电容器正极板上设有与工业电接通的充电线缆和与发射天线连接的放电电缆，其中充电开关控制充电线缆与电容器间的电路连通，放电开关控制放电线缆与电容器间的电路连通；发射天线采用多种频率发射天线，其长度可根据探测参数和实际探测要求进行设计和选取。


4.如权利要求3所述的一种基于电磁场的新型示踪方法，其特征在于，电路工作前，所有开关均闭合，充电时，打开充电开关，通过接通工业电的充电线缆为电容器充电，电流方向为流入电容器正极板，当电容器两端电压达到工业电的电源电压时充电结束后，充电开关闭合；放电时，打开放电开关，通过与发射天线连接的放电线缆与电容器连通并放电，电流方向为从电容器正极板流出，放电时通过埋入钻孔中的发射天线向接触的地下含水层发射特殊设计的多种频率电磁场。


5.如权利要求1所述的一种基于电磁场的新型示踪方法，其特征在于，在发射端根据等离子发电或者人工触发雷电方式通过发射天线向地下含水层发射特殊设计...

【专利技术属性】
技术研发人员：李术才，孙怀凤，张诺亚，杨洋，柳尚斌，李文翰，刘锐，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37