地下水位监测（精选十篇）
地下水位监测 篇1
过去几十年里人类活动加剧了地下水污染,含水层枯竭及地下水生态环境的恶化。地下水系统与环境相互作用,修建水库、增加灌溉用水和抽取地下水会造成地下水位的改变,这些由于环境改变导致的地下水水质和水量变化都会反作用于环境,造成地下水水位下降会导致地面沉降或沙漠化等。建立一个优化的地下水监测系统获取地下水信息是最有效的途径,可以在时间和空间上监测由于环境的改变所导致的地下水水量和水质的变化。对建立健全地下水位动态数据库,保障地下水资源的可持续利用具有重要意义。GPRS是通用分组无线业务的简称,它是一种基于分组交换传输数据的高效率无线传输平台,数据率理论上最高可达170kbps,借助GPRS网络作为数据传输方式设计的地下水水位水温监测系统,能够将远程的信息通过GPRS网络传输到监测中心,使监测工作变得更加方便[1]。
1 系统总体结构
该地下水水位水温监测系统主要由采集终端和监测终端组成,系统结构如图1所示。
采集终端利用ATmega128L微控制器作为控制单元,与无线模块MC55通过串口相连进行通信,主要完成对水位和水温的采集的工作并将数据打包,通过GPRS网络发送给监测中心;监测终端的主要任务是接收采集终端返回来的数据包,并对数据包进行解包、处理、分析、显示等。
2 系统硬件设计
采集终端硬件电路设计主要由压力传感器、温度传感器、控制单元ATmega128L、无线通信模块MC55部分组成。
2.1 控制单元
处理核心选用8位低功耗微控制器ATmega128L,相对于其他通用的8位微控制器来说,它具有非常丰富的资源,具有片内128K字节的程序存储器(FLASH),4K字节的数据存储器(SRAM,可外扩到64K)和4K字节的E2PROM。它具有53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、两个USART、8通道10位ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口和IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口,此接口同时还可以用于片上调试,以及六种可以通过软件选择的省电模式[2]。
2.2 无线通信模块
MC55内置完整的TCP/IP协议栈,不仅支持SOCKET连接下的TCP/UDP数据传输,还支持HTTP、FTP、SMTP和POP3等上层应用协议。模块有40个引脚,通过一个ZIF连接器引出。这40个引脚可以划分为5类,即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。外围电路如图2所示。
系统加电后为使MC55进入工作状态,必须给IGT加一个大于100ms的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1ms。MC55模块的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器,符合ITU-T RS232接口标准,波特率在300～115kbps之间可选。MC55的串行接口与控制单元的串行接口相连,在通信过程过主要是接收来自控制单元发出的AT指令来完成各项网络配置和数据传输等任务的[3]。
2.3 传感器部分
采集端由两种传感器组成:水位和温度传感器。监测井点示意图如图3所示。
2.3.1 温度传感器
温度检测电路采用Dallas公司生产的1-Wire接口数字温度传感器DS18B20,温度测量范围为-55℃～+125℃,编程设置9～12位分辨率。现场温度直接以1-Wire的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性[4]。单片机PA0口与DS18B20的DQ连接完成温度采集,其VDD端用3v～5.5v电源供电。
2.3.2 地下水位传感器
利用流体静力学原理测量水位是压力传感器的一种重要应用。PTH601采用扩散硅压阻芯体或陶瓷压阻芯体,316全不锈钢结构,从而能获得准确的测量结果与优良的稳定性,广泛应用于地下水位、水库、水塔及水文勘探等领域。量程:100mmH2O～100mH2O、500mmH2O～500mH2O;综合精度:0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS;输出信号:4～20mA (二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制);供电电压:24DCV;介质温度:0～85℃;该传感器由高性能压力传感器作为测量元件,精度高、体积小、抗干扰能力强、稳定性好、灵敏度高、防水。控制单元的PF0口与传感器的电压输出端相接,经过模数转换后获取压力信号,压力信号经过运算便可得出Hd,被测点的水位即为(Ht-Hd)。
3 软件设计
软件部分涉及两部分:采集终端和监测终端。采集终端负责水位和温度的采集,并将这些数据打包传送;监测终端负责采集指令的发送、数据的接收、动态曲线显示、系统设置、网络连接和数据统计等。
3.1 采集终端程序设计
每个采集终端具有唯一的ID,这个ID在数据传输的过程中一起发送到服务器,以便将其存储到对应的数据库中。开机后首先进行初始化,不断与事先设置好的服务器IP建立网络连接。软件流程图如图4所示。
一旦连接成功,就按照监测中心系统设置的模式开始水位和水温的采集,并将采集终端的ID号按一起进行数据打包传送到远端的监测中心;如果接收到结束采集的命令,即刻断网进入建立网络连接等待状态。
3.2 网络连接
GPRS与Internet网中间建立了许多相当于ISP的网关支持节点(GGSN),以连接GPRS网与外部的Internet网。GPRS模块可以通过拨“*99***1#”登录到GGSN上动态分配到Internet网的IP地址。其间GPRS模块与网关的通信要符合点对点协议(PPP),其中身份验证时用户名、密码都为空。使用PPP协议登录上之后,就可以通过GGSN接上Internet了。
TCP/IP协议是一个标准协议套件,可以用分层模型来描述。数据打包处理时,每一层把自己的信息添加到一个数据头中,而这个数据头又被下一层中的协议包装到数据体中。数据解包处理程序接收到GPRS数据时,把相应的数据头剥离,并把数据包的其余部分当作数据体对待。
3.3 监测终端程序设计
服务器端工作在Windows xp系统下,利用VC++6.0编写监测软件。主要通过Socket控件对网络部分进行编程;并建立ACCESS数据库,为每个新接入的客户端建立一个表,每个表存储对应采集终端的ID、录入时间和水位水温数据等信息,同时利用TeeChart控件编写的界面能将采集回来的温度和水位数据进行实时显示。同时该监测软件具有系统设置、历史数据再现、数据统计等功能[5]。
4 测试结果
在采集数据之前,将开通了GPRS功能的SIM卡插入采集终端的SIM卡插槽里,开机后通过软件自动分配到IP地址,由于每次接入GPRS时分配到的IP地址是动态的,所以监测中心的主机必须具备固定的外网IP,并且固定服务端口号,这样采集终端才能在初始化完成后与服务器成功建立网络连接。
该系统经过测试,工作稳定可靠,图5为监测终端软件数据采集到的水位数据曲线图,显示了地下水水位在时间和空间上的关系。
5 结束语
基于GPRS远程地下水水位水温监测系统能完成实时水位水温数据的采集、传输和处理,能快速、准确、可靠的提供地下水动态变化信息。通过分析可以进一步研究地下水动态的变化规律,该系统可为水资源可持续开发利用、环境整治、生态恢复设计和调控提供科学依据,对建立健全地下水位动态数据库,保障地下水资源的可持续利用具有重要意义。
参考文献
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区域地下水位监测网优化设计方法 篇2
区域地下水位监测提供了定量评价含水层地下水位持续下降及其对环境影响必不可少的信息.历史上的地下水位监测网是为了评价地下水资源或监测水源地降落漏斗而设立的.,目前它们已经不能适应为流域水资源综合管理提供必需的信息.本文在综述国际地下水位监测现状的基础上,介绍了区域地下水位监测网优化设计的方法.采用地理信息系统编制的地下水动态类型图为地下水位监测井位置的选择提供了坚实的水文地质基础;克里金插值法能定量评价监测网观测值绘制的地下水位等高线的精度,因而可以用来定量设计地下水位监测网;时间序列分析和统计检验提供了优化地下水位监测频率的定量标准.这些方法已被应用于北京平原、乌鲁木齐河流域和济南岩溶泉域,其成果将在本刊分期发表.
作 者：周仰效 李文鹏 ZHOU Yang-xiao LI Wen-peng 作者单位：周仰效,ZHOU Yang-xiao(联合国教科文组织荷兰水资源学院,荷兰德尔福特)
李文鹏,LI Wen-peng(中国地质环境监测院,北京,100081)
冻层融冻过程地下水位变化影响分析 篇3
摘 要：我国季节性冻土约占土地面积的54%，而季节性冻土通过冻融影响着地下水的水位。地下水位变化受多重因素的影响，因此研究冻融对冻土的影响一般不直接测量地下水位变化，而是通过对土壤各物理因素的分析，从而得到冻土对地下水的影响。
关键词：冻结期；冻融期；季节性冻土；地下水
中图分类号： P641.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）20-168-2
1 研究方法
冻层冻融过程地下水位变化一般不直接测量地下水位试验来的出结论，而是通过对地下水势、土壤温度、土壤含水量周期观测及土壤入渗试验，综合其他相关试验数据及当地气候资料，从而得到试验的数据及相关曲线，分析地下水的动态特征，而后得出结论[1-6]。
2 冻结期土壤水分动态变化及地下水位的变化
季节性冻土在冻结过程中由地表开始自上而下逐渐加厚，在温度梯度、水势梯度、毛细力及分子力等的作用下，液态水在一定的深度范围上渗，遇到冻层下界面冻结成冰晶，大于这个深度范围，液态水下渗，本文把这个深度称为水分零通面（简称零通面）[6]。地下水的埋深与该水分零通面的关系决定了地下水的补给或损耗。
2.1 潜埋型地下水位变化
当地下水埋深小于水分零通面，地下水直接向上入渗补给土壤水以形成冻层，在其他条件不变时，地下水位下降[6-8]，但是具有一定的滞后性。尤其在平原或较低的地区，潜水埋藏较浅，大量潜水直接补给到土壤中，形成季节性冻土，在冻结状态下，土壤含水率可达到饱和或者过饱和状态，此时，地下水损耗较大，地下水位变化较大[8]，这种地下水损耗通常称为“潜水蒸发”。
冻结期潜水蒸发量比非冻结期大，土壤增加贮水量和累计潜水蒸发量相关性较好，潜水蒸发随着负积温的增加而增加；潜水蒸发随冻结过程时间的增大而增大；随着潜水埋深的增加呈指数递减；损耗强度随时间有一个峰值，可用幂指数方程表示[9-11]。
2.2 深埋型地下水位变化
当地下水埋深大于水分零通面时，由于水分零通面的水势最大，以其为界，土壤水分以上部分向上入渗遇到冰层冻结，以下部分下渗补给地下水（指潜水）[6]，其他条件不变的情况下，地下水位上升，但影响不是很明显。
如果冻结前土壤含水量不大，冻结期没有充足的水补给地下水并上渗冻结，地下水可能就不会上升；如果地下水埋藏深度远大于零通面，地下水位就不会受到影响，但不利于土壤保墒。
2.3 冻结期地下水位变化的其他影响因素
地下水排泄主要受到季节性丰水期和枯水期的调节，在冻结期不会有太大的影响。而地表水入渗和蒸发据冻结情况，对地下水位影响可分为两种情况：
①地下水埋藏较浅，或冻结期处于给水量充足的丰水期，土壤冻结含水量等于或大于土壤含水量，李天霄等[12]通过对大田土壤冻结过程入渗的试验，得到稳定入渗时间、稳定入渗率和累计入渗量随冻深的变化曲线，三条曲线反映了在冻结期冻层逐渐变厚时，其渗透能力迅速减小达到稳定，冻层几乎不透水，形成了隔水层，几乎不发生地表水入渗和蒸发到地表，对地下水位影响不大。
②地下水埋藏较深，或冻结期处于干旱或缺水时期，冻结期供水不足，土壤未达到饱和，此时土壤具有一定的入渗能力和蒸发能力[13]。但此时入渗及蒸发能力很弱，且地下水位较深，很少能蒸发或地表水补给，所以对地下水位变化影响也不大。
3 冻融期土壤水分动态变化及地下水水位变化
冻层融化过程要比冻结过程短很多，春季气温回升时季节性冻土开始双向融化，此时土壤液态含水量增加，水势分布发生变化，水分零通面消失。
3.1 潜埋型地下水位变化
如2.1所述，冻结期土壤贮存了大量水，当冻层融化时，易形成冻层上水，但冻层具有隔水性，所以冻层上水在融通前不会补给地下潜水。冻层下融化的土壤由于超过了持水量，所以大量释水补给地下水，地下水为上升[6-8]。
腾凯等[14]发现冻土融化后渗透系数变大，渗透性比未冻前高出数倍甚至百倍，地下潜水位的变化要比冻结时变化快；并且冻层上水逐渐聚集易形成一定厚度的冻层上潜流层，等冻层融通后，冻层上潜流层和融雪水下渗补给地下水。冻融水是年内地下水补给的重要来源[15]，郭占荣等[6]提到在西北内陆盆地，潜水年补给量的51.9%来自冻融水入渗补给；冻融期月最大补水量（细沙）是冻结期月地下水最大损耗量（砂砾石）的四倍多。
冻结期土壤不是特别干旱，地下水埋深小于零通面，冻融水一般都会补给地下潜水，使其水位上升。
3.2 深埋型地下水位变化
当地下水埋深大于零通面，地下水在冻结期不补给土壤水，冻结前土壤较为干旱，冻层贮水没达到土壤饱和，在融化过程，土壤释水，入渗途径长，到达不了地下水，地下水位不会发生明显变化。土壤含水没达到饱和，或者冻土中有空洞、虫穴、腐烂根道等，也就会有一定的渗透能力，在整个冻融过程中，融雪水和其他地表水都会下渗，也会引起地下水的变化。
4 结论
①冻结期，埋藏小于水分零通面的地下水大量补给土壤冻结，土壤含水达到饱和或过饱和，地下水位下降；埋藏大于零通面的地下水获得少量土壤水，如果埋藏较深且冻结前较为干旱，地下水位不能得到土壤水的补给，水位几乎不会受到冻融的影响；地下水埋藏小于零通面时，冻层为隔水层，几乎不发生蒸发到地表以上或地表水入渗，埋藏大于零通面时，土壤可能达不到饱和冻结，冻层虽然具有一定的渗透能力，但是由于埋藏较深，蒸发到地表或地表水下渗对地下水位影响不大。
②冻融期，水势发生变化，零通面消失。潜埋型地下水在冻结期贮存大量的水，融化时大量释水补给地下水，地下水位上升，冻融水成为地下水补给的重要来源；深埋型地下水，土壤贮水没有前者多，释水补给地下水较少或不补给，地下水位影响不大；潜埋型地下水在融通前不能得到融雪水等地表水的补给，深埋型地下水或者具有空洞、蚁穴腐烂根道等土壤的地下水能够接受融雪入渗或其他地表水的补给，水位变化依情况而定。
参 考 文 献
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地下水位监测 篇4
1 检测技术的研究内容
依据国家地下水监测工程项目实施的有关要求,进行地下水位检测仪器质量检测技术的研究及比测,主要内容包括:
1)开展地下水位监测仪器质量检测关键技术研究,创建产品质量检测平台。
2)对地下水位监测仪器的水位检测准确度、测量稳定性、环境适应性、固态存储功能及其他技术指标进行实验室检测与分析评估,包括对传感器+RTU的一体化监测仪器的数据传输进行规约符合性检测。
3)针对压力式水位计的水位测量的长期稳定性和可靠性等技术指标,进行模拟野外比测与分析评估。
4)依据地下水位监测仪器实验室检测与模拟野外比测的具体情况,进行地下水位计产品质量性能的基本评价,出具检测报告,为国家地下水位监测工程项目的监测仪器选型工作提供参考依据。
2 检测方法的分析
针对国家地下水监测工程项目,考虑到监测仪器的适用性和长期稳定性,优先选用压力式和浮子式地下水位计。对于这些不同类型的仪器检测项目,提出适用于国家地下水监测工程要求的技术指标,新建了检测平台与设备,完善了检测方法及手段,最终以能够完全反映受检仪器关键性能质量为目的。检测方法的影响分析如下:
1)以往检测,传感器和RTU分别检测,为适应国家地下水监测工程的要求,对厂家提出了一体化仪器概念,即传感器+ RTU一体化监测仪器,这样可避免将来项目上分别采购,安装时可能出现的数据传输问题,因此送检的产品首先需要进行的是规约符合性检测。
2)现行的国标中,压力式和浮子式水位计的准确度一般分为3 个等级,针对国家地下水监测工程项目的市场准入制度,经过专家的论证,统一了技术指标[4],浮子式和压力式地下水位计的准确度应能够达到 ±2 cm以内(水位变化范围0~10 m)或量程的0.2%(水位变化范围大于10 m),重复性和回差指标均应在 ±1 cm以内。悬锤式水位计应能够达到 ±1 cm以内(水位变化范围0~10 m)或量程的0.1%(水位变化范围大于10 m)。
3)稳定性[1](这里指输出和温度的漂移)是极其关键的指标。现行国标中对于这2 项指标要求不高,分别为“24 h输出漂移不超过基本误差”和“在0~+ 40℃ 环境温度下温度漂移误差不大于基本误差”(其中基本误差分为3 级,分别为 ±1,±2和 ±3 cm)。
4)环境适应性[3]相比现行标准及以往检测要求,提出了更具体的要求,针对一体化监测仪器中不同部位,分别提出指标要求。
5)常规检测方法只限于实验室检测过程,忽略仪器在现场使用过程中,随着环境变化和时间推移而产生的仪器自身的性能改变,因此在研究过程中特别加入了模拟野外比测环节,以考查仪器在一段时间内的准确度、稳定性和可靠性。
3 检测平台的创建与应用
检测技术与方法的研究离不开硬件条件的支撑,对于本课题而言,检测平台的创建与应用在整个研究过程中起到了重要的作用。检测平台包括规约符合性检测、实验室检测及模拟野外比测等3 个平台。
3.1 规约符合性检测平台
规约符合性测试平台指中心站计算机(含国家地下水监测工程(水利部分)监测数据通信报文规定专用检测软件和固定IP网络)。检测系统结构如图1 所示。
1)检测平台。检测平台包括计算机和报文规定专用检测软件,具有数据收发、查询、控制功能,对发送、接收的正确信息帧实时显示和解析。可提取信息帧的分层信息,如链路层标志和功能码、应用层信息对象标识等,便于直观判断信息交换的正确性。GPRS接入方式为TCP/IP协议。
2)受检仪器。根据检测的要素,应能按照报文规定要求处理、发送相关数据,实现相应功能。
3)信道设备。包括GPRS通信信道和固定IP网络。受检仪器和检测平台,通过GPRS信道进行信息交互,检测平台接收通讯报文,并通过专用检测软件判断交换信息的正确性。
4)检测范围。依据《国家地下水监测工程(水利部分)监测数据通信报文规定》的要求,检测表1所示的功能码。
3.2 实验室检测平台
实验室检测作为检测仪器基本性能最主要的检测阶段,检测平台涵盖了针对仪器准确度、稳定性(针对压力式水位计)、环境适应性、外观结构、电源功耗、密封性能、温度测量误差、固态存储等各项指标的检测设备与设施,具体如表2 所示。
3.3 模拟野外比测平台
地下水位监测仪器模拟野外比测试验平台主要由以下装置组成:
1)模拟野外地下水试验井。试验井全井为钢管,井内水体与地下水完全隔离,配有相应的注/排水系统,其中排水采用井用潜水泵,通过人工改变水位,试验井口设有仪器升降装置。
主要技术指标如下:试验井井管为钢管,井管内径为450 mm,井底封闭,通过配套的注/排水系统控制水位;试验井的深度为33 m,井倾斜角度小于2o;用于排水的井用潜水泵为单相井用潜水电泵,额定流量为2 m3/h,额定功率为0.37 k W,扬程为35 m。
2)压力式水位计水下部分升降装置。仪器升降装置由升降架、升降机、不锈钢钢丝绳、仪器架、线缆卷等组成,升降机通过不锈钢钢丝绳将放置压力式水位计水下部分的仪器架放置在相应位置。
3)标准水位测量设备(悬锤式水位计)。量程为50 m;测尺为复塑钢尺,分辨力为1 mm;示值误差满足钢卷尺国家标准 Ⅱ 级精度(允许误差 △ =±(0.3+0.2 L)mm,L是以m为单位的长度值)。
4 监测仪器的质量评估理论与方法
对于监测仪器的质量评估,应是一个综合评价过程,对于不同类型的仪器,应有相应的要求。对于包含RTU的一体化监测仪器,首先均必须通过数据传输规约符合性测试要求,浮子式水位计须满足实验室检测要求,压力式水位计则在此基础上,还应通过模拟野外比测试验,以验证仪器的长期稳定性和可靠性。仪器质量检测项目如表3 所示[6]。
对于产品质量的评定,通过检测的仪器应在所有关键检测项目中全部检测合格,非关键检测项目,最多只允许有1 项出现一般不合格情况(一般不合格指产品发生故障时,无需更换元器件、零部件及修改软件,仅需现场简单处理即可恢复产品的正常工作)。
特别需要注意的是,对于压力式水位计的模拟野外比测,是一个较为复杂的评价指标,它综合验证了仪器的准确度、稳定性和可靠性。对此提出一套能够真实反映一体化监测仪器(含传感器和RTU)质量的技术指标,作为模拟野外比测的评价标准,技术指标如下:
1)地下水位埋深变幅为0~10 m时,埋深测量综合误差在±2 cm内数据率≥95%,且综合误差在±3 cm内数据率为100%;
注:■表示按不同类型仪器需检测项目
2)中心站接收数据无缺失,且与固态存储数据相(数值与时间)相一致。
5 检测关键技术与方法的研究
地下水监测仪器的质量检测工作近年来一直在开展,包括产品的出厂、型式检验等,但针对一些关键技术指标的检测,以往常规检测并不深入。
5.1 稳定性检测
目前市场上的压力式监测仪器[2]多为陶瓷电容压力传感器的结构,通常采用双电容结构,稳定性较高,蠕变、时间和温度漂移都较小,这几个指标对于压力式监测仪器来说极其重要,通常的稳定性检测分为以下2 种漂移检测:
1)时间漂移。试验时被测水位计按照每天采集6 次发送1 次的工作模式连续工作10 d(水温变差≤±3 ℃),仪器放入时漂装置并调试完成后,检测人员通过水位测针读取装置内标准水位值,5 min内连续3 次测量,取平均值(最大值与最小值之差≤ 0.5 mm,若超过则重新测量),同时记录各被测仪器测量值,作为测量初值,记录在附表中。时间漂移试验10 d内,考虑到水面蒸发对标准水位值的影响,检测人员在通过水位测针读取装置内水位变化时,每天9:00 和15:00 通过人工补水的方式保证装置内水位不变(水位变化不超过0.1 mm)。试验全程中被测水位计的输出值发送并存储至测试数据接收平台,被测水位计输出值与各自测量初值之差的最大值,为该测试点水位计的时间漂移测量误差。
2)温度漂移。在试验前用经过计量检定的温度计校准装置显示水温数据(在水面下1 m处,保证标准温度与试验装置显示温度之差≤ 0.5 ℃)。试验时通过温度调节装置调节试验水温,将装置内的水温单向从4 ℃ 变化到40 ℃,取4,10,20,30 和40 ℃等5 个温度点附近温度进行试验,被测水位计连续工作。装置内水体温度稳定在第1 个测试点(4 ℃)15 min后,待装置内水位静置,通过水位测针读取装置内标准水位值,5 min内连续3 次测量取平均值(最大值与最小值差≤ 0.5 mm,若超过则重新测量),同时记录各被测仪器测量值,作为测量初值。考虑到试验过程中温度变化对水体体积(标准水位值)的影响,达到每个试验温度点恒定15 min后,检测人员通过水位测针读取装置内水位变化,并人工调整装置内水位,保证装置内水位不变(水位变化不超过0.1 mm,3 次测量,方法与4 ℃ 时相同),并读取此时被测水位计的输出值。被测水位计输出值与各自测量初值之差的最大值,为该温度测试点水位计的温度漂移测量误差。
5.2 模拟野外比测
地下水位监测仪器模拟野外比测试验过程中采用人工改变比测试验井内水位,加速模拟测试环境变化的方法,测量标准水位值和受检仪器测量值。标准水位值的测量通过人工采用悬锤式水位计测量的方法获得。比测试验井内水位随机变化,水位变率不大于60 cm/min。受检仪器测量值通过GPRS发送至测试数据接收平台,比测时间不少于60 d,受检仪器综合测量误差的计算基值,通过受检仪器放置在井内固定位置后前2 天的埋深测量值和标准水位值计算并设定,通过对数据的分析处理,考核受检仪器的长期测量稳定性和可靠性。模拟野外比测流程如图2 所示。
6 检测技术的创新点
研究的检测技术具有以下几个创新点:
1)建设了一套完整的地下水位监测仪器质量控制的检测平台。检测平台针对国家地下水监测工程项目的要求,涵盖了地下水位监测仪器的规约符合性检测、实验室检测及必要的模拟野外比测,能够满足监测仪器各项技术指标的质量检测。以往此类仪器的检测,均是参考国家标准,通过常规检测装置及手段进行产品的质量检测,缺乏针对性。本平台的建设弥补了以往常规检测装置未达到的测量范围或精度,针对压力式水位计建设的长期模拟野外比测平台,从规约符合性检测到实验室检测,再到模拟野外比测,填补地下水位监测仪器综合评价的空白。
2)提出了新的质量评价关键指标。针对国家地下水监测工程项目,提出的质量评价关键指标,为将来相关仪器国标的修订提供技术上的支撑,如仪器准确度、稳定性、环境适用性、功耗及固态存储指标等。同时,改进了压力式水位计的温度、时间稳定性检测方法,使检测结果更加能够反映仪器的真实质量水平。
3)提出了地下水位监测仪器的模拟野外比测试验方法。模拟野外比测方法可对仪器的长期稳定性、可靠性进行考核。由于模拟野外比测是建立在考核传感器+ RTU的一体化仪器的基础上,所以不仅对传感器的测量误差有要求,同时还对数据采集、传输、存储都有较高要求,是一个综合评价的过程。所以在模拟野外比测的数据结果基础上,对每支仪器的数据都进行了统计分析,提出了一套全面的评价指标,该评价指标同时涵盖了对传感器、RTU及数据传输的要求,有一定的全面性、针对性和合理性。
7 结语
通过地下水位监测仪器质量检测技术的研究与应用,不仅建立了严格的市场准入制度,还遴选出了市场上真正优质的生产厂家及仪器,淘汰一批质量不合格的产品。检测平台的建立,实验室检测结合模拟野外比测的质量控制模式,可为今后我国水利行业其它专项项目建设提供借鉴、示范模板,同时也为地下水位监测仪器相关标准的修订提供有力的依据。总体而言,无论是从产品发展角度还是行业管理角度,都有着积极深远的意义。建议今后应继续深入对地下水位监测仪器的产品原理及长期稳定性的研究工作,同时不断完善健全质量控制体系,为我国水利行业提供技术保障。
参考文献
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人工降低地下水位的方案选择自测题 篇5
一、单项选择题
1.人工降低地下水位是在()不断地抽出地下水，使地下水位降低到坑底以下，直至基础工程施工完毕为止。
a.基坑开挖前b.开挖过程中
c.开挖后d.基坑开挖前和开挖过程中
2.人工降低地下水位不仅是一种施工措施，也是一种()的方法。来源：
a.加固地基b.抗震
c.隔震d.加固土坡
3.人工降低地下水位的方法中()方法应用最广泛。
a.喷射井点b.电渗井点
c.管井井点d.轻型井点
4.轻型井点降低地下水位，是利用()原理，通过抽水设备将地下水从井点管内不断抽出，使原有地下水位降至坑底以下。
a.膨胀b.真空
c.压缩d.u型管
5.当基坑或沟槽宽度小于6m，且降水深度不大于5m时，井点平面布置可用()井点。
a.环状井点b.u形井点来源：
c.单排线状井点d.双排线状井点
6.如宽度大于6m，或土质不良，渗透系数较大时，则井点平面布置宜采用()井点。来源：
a.环状井点b.u形井点
c.单排线状井点d.双排线状井点
7.面积较大的基坑，井点平面布置宜用()井点。
a.环状井点b.u形井点
c.单排线状井点d.双排线状井点
8.面积较大的基坑可布置为()井点，以利挖土机械和运输车辆出人基坑。
a.环状井点b.u形井点
c.单排线状井点d.双排线状井点
9.井点管的埋设深度“的计算式中，i表示地下水降落坡度，对于环状井点，i取()。
a.1/5b.1/10
c.1/15d.1/20
10.井点管的埋设深度”的计算式中，i表示地下水降落坡度，对单排线状井点，i取()。
a.1/2b.1/3
c.1/4d.1/5
11.若计算出的"值大于井点管长度，则应()井点管的埋置面以适应降水深度的要求。
a.降低b.升高
c.不变d.不能确定
二、多项选择题
1.人工降低地下水位的方法主要有()。来源：
a.轻型井点b.喷射井点
c.电渗井点d.集水井点
e.管井井点及深井井点
2.施工时可根据()选择降低地下水位的方法。来源：
a.土的含水率b.土的渗透系数
c.要求降低水位的深度d.工程特点
e.设备条件及经济性
3.轻型井点系统的布置，应根据()因素综合确定。
a.施工季节b.基坑或沟槽的平面形状和尺寸
c.地下水位高低与流向d.降水深度要求
e.基坑或沟槽的深度及土质情况
考点47自测题答案：
一、单项选择题：1.d2.a3.d4.b5.c6.d7.a8.b9.b10.c11.a
地下水位变动对地下工程的危害分析 篇6
我国的沿海城市、沿着大江大河分布的城市,往往处在I级 ~ Ⅱ级冲、洪积阶地的地貌单元上,其第四系松散堆积物厚度大、含水量高、强度低,且发育有不同类型的地下水,地下水位埋深浅,补给丰富。随着城市建设的快速发展,地下工程规模向大面积、大深度的方向发展。在这样的工程地质水文地质条件下,进行大规模地下工程建设,就会带来一系列的水文工程地质问题。事实上,我国已经先后发生了数起由于基坑渗透破坏引起的重大事故。因此,地下水控制逐渐成为地下空间开发利用中的一个关键性问题之一[1,2]。
地下工程的修建,一般都布设有支挡结构和止水帷幕。这些人为的外来物插入到地下含水层中,不仅在岩土开挖的施工期、而且在施工后的运营期,都会对地下水环境产生影响。例如,在地下工程施工期间基坑降水而导致的地面沉降问题; 在地下工程运营期间因地下水位受阻、水位上升而造成原基础的抗浮力不足等等问题。这些影响可能是有隐形的、长期的、深远的。可以预计,随着地下工程开发的深度和广度而日益彰显出来。
目前,人们普遍重视基坑开挖时的地下水的控制技术开发和应用的问题,而对因地下工程对地下水流动的阻碍问题没有引起足够的重视。我们认为这种做法是短视的,片面地追求施工期的经济效益的做法是不足取的。下文从地下水环境变化角度出发,分析因大型地下空间开发利用、道路、地铁等地下工程建设而阻断地下水流的危害的表现形式,并给出了一些具体的危害实例,以便唤起广大地下工程设计、施工和管理人员的高度关注,避免工程事故和后工程问题。
1地下水流动阻碍的危害表现形式
图1 ( 照片) 为在长江I级阶地上修建的大型地下商业城基坑施工现场。基坑地下长1067m,宽23 ~ 39m,呈长条状,开挖面积达3. 3万。采用钻孔灌注桩 + 钢管支撑; 非落底式的竖向隔水帷幕( 深12. 5 ~ 14m) 加深井 ( 115眼,井深25 ~ 30m)降水的综合地下水控制方案。工程实践表明,本方案有效地处置了强、弱透水层中的地下水问题,既确保了基坑的顺利开挖,也有效地保护了基坑的周边环境,是富水承压水地层中深大基坑工程中的地下水控制的一个成功案例[2]。
但是,如果含水层采用如图2所示的全隔断式的止水帷幕,则会阻断地下水的流动,改变自然的地下水补给、泾流和排泄条件。表1为日本因修建地铁或地下公路而造成地下水位变化的2个实例。京都地铁鸟丸线,地下止水帷幕建成后,上游侧地下水位上升约3m,而下游侧下降约5m左右。若采用通水管把上下游止水帷幕墙联通,则上游侧地下水位上升约为0 ~ 1. 5m,而下游侧下降约为0 ~2m。与全隔断式的止水帷幕的工况相比较,采取通水措施后的地下水位变幅要小得多。
注: ( ) 内数据为采取地下水保护措施—设置通水管,联通上下游止水帷幕后地下水位的变化幅度。
人为地阻断地下水的流动,改变了自然的地下水泾流和排泄条件,就可能会产生如图2、表2所示的一系列的危害[3,4]。在上游侧,将导致地下水位上升,从而可能导致: ( 1) 地基湿地化,树根腐烂; ( 2) 既有地下结构渗水、漏水; ( 3) 既有地下结构浮力增大,基础抗浮力不足; ( 4) 震动液化等。而在下游侧,将导致地下水位下降,从而可能导致: ( 1) 地面沉降; ( 2) 水井取水困难,泉水枯竭、流量减少;( 3) 河流、湖泊水位下降;( 4) 因水位下降而产生的生态改变等。
地下水的升降除受地下工程影响外,还在很大程度上取决于人为的地下水利用及其法规、条例的实施状况。
图3给出了东京东部6个区的承压含水层水位的历年变化情况。江东区和墨田区从1964年,其他几个区从1970年前后开始地下水位上升,目前仍处在上升态势。地下水位上升了34 ~ 49m,现距地表以下1. 5 ~ 8. 2m。相应地,在1974年左右之前,东京出现大范围的地面沉降问题,之后则出现地面的缓慢回弹隆起。地下水位的变化是与对地面沉降问题的认识,实施严格的地下水利用条例密不可分的。
2地下水流动阻碍的危害实例
地下水流动受阻会造成地下水位的下降和上升。人们普遍对地下水位下降造成的地面沉降、不均匀沉降、建筑物开裂等现象和危害认识得比较充分,在设计和施工时对地下水的下降也控制得相对较好。而事实上,地下水位上升也同样可以造成一系列的严重后果,如地下设施抗浮力不足而上浮、基底损伤、隧道漏水、电缆漏电等事故。日本东京具有世界上最复杂的地下工程系统,在地下空间开发利用上,有很多值得我们借鉴的经验和启示。下文择3例介绍之。
2. 1地下水位上升导致挡墙隆起开裂
图4 ( 照片) 为日本东京JR武藏野线新小平车站因地下水上升而造成挡墙的上升开裂的情况。新小平车站为 半地下式 车站,完工于1976年。1991年11月,因暴雨和地下水泾流问题,导致了地下水位上升了6m ( 相对雨季)~ 9m ( 相对旱季) ,致使U型挡墙隆起最大达1. 3m,挡墙顶部伸缩缝张开达70cm ( 图4) 。其结果,大量的泥水涌入、淹没车站,铁路停运达2个月之久。
2. 2地下水位上升导致结构物抗浮力不足
地下水位上升可造成地下设施抗浮力不足而上浮、基底损伤、隧道漏水、电缆漏电等事故。
图5为日本东北新干线上野地下车站针对地下水上升而采取了一系列工程措施。该地下车站共4层,深度30m,最大宽度48m,长度840m。基础底面坐落在东京砂砾石层和江户川砂层之上,车站建设的当时,地下水位为GL - 38m。随着加强地下水的管理,1987年新干线开通时,地下水位已急剧上升到了GL - 18m。1994年上升至GL - 14m。为针对地下水位上升、基础抗浮力的不足,在站台与基础之间设置了3. 7万吨的铁块。可是,地下水位还在不断上升,2002年达到了GL - 12m左右。为此,实施了二期工程,在底板上设置了永久性锚杆。设计的二期工程措施考虑的地下水位为GL - 7. 5m。永久性锚杆施工时,必须考虑高承压水条件下的止水问题。否则一旦漏水,后果不堪设想。为解决这一关键性问题,还专门研发出了世界首创的具有止水性能的永久性锚杆系统。
目前,根据东京都的地下水位长期观测资料假定的最终地下水水位为GL - 5,0m,制定了视地下水位变化情况而实施阶段性的补救工程措施方案。
可见,该地下车站的地下水位从建设期的GL- 38m变化到目前的GL - 12m,水头差达26m,期间发生了极大的变化。随之,地下工程为抗浮力不足而采取的工程应对措施则是长期的、艰巨的,工程费用也是巨大的。
2. 3地下水位上升导致结构物漏水
地下水位上升可导致地下结构物渗水、漏水,并影响其结构寿命。
图6为总武快速线总武隧道因地下水位上升而造成的漏水图示。总武隧道建于1965 ~ 1972年,为一并行单线洞室。由于施工期的地下水位在隧道下方,所以没有实施二次衬砌。铁路运营后,随着地下水开采限制条例的实行,地下水位恢复超过了隧道的拱顶。从1970年代后期开始,出现隧道漏水、轨道腐蚀、钢筋锈蚀等问题。为此,采取了灌浆止水,设置集水桶等临时性措施以及二次衬砌的永久性措施。
由上可见,线性地下工程,不仅需要考虑建设期的地下水位及地下水位升降对工程和周边环境的影响,还必须考虑工程运营期的地下水位及其变化的问题。运营期的地下水位变化对地下工程的潜在影响更长久,由此产生的直接危害更巨大,间接影响更深远,相应的应急措施或永久措施不仅施工更加困难,工程风险、工程费用也是巨大的。日本的地下工程建设经验和教训值得我们借鉴和重视,特别是一些目前建设期地下水位深而将来地下水位可能会上升的地区,如我国华北地区的地下工程,尤应引起重视。
3结语
线性地下工程,如地下公路、铁路、地铁、大型地下商场的建设,因为施工作业的需要、安全的需要而施作的支挡结构和止水帷幕,人为地造成了地下水位的大幅度升降,阻碍了地下水的流动,其危害是巨大的,影响是深远的。人们已经普遍认识到了地下水位下降造成地面沉降的危害,却忽视了地下水位上升所带来的一系列问题。
鉴于对地下水环境的保护和建设工程的安全,日本专门立法必须开展建设工程对地下水环境影响评估,在工程建设中特别重视对地下水的控制[8]。在施工期间,就必须考虑采用地下水回灌、通水管联通、通水SMW等综合的地下水流动保护技术,以确保地下水位不产生大的变化。我国也应重视地下工程建设对地下水环境的保护问题,开发新的止水帷幕技术,以减小地下工程止水帷幕隔断地下水的影响,降低因地下水位变动而造成的运营风险,注重长期的地下水位预测及其工程预防。
参考文献
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关于地下水初见水位的讨论 篇7
在岩土工程勘察过程中，按规范要求，遇地下水时都要测量地下水的初见水位和稳定水位。笔者在工作过程中发现，不同的勘察单位之间、同一个勘察单位的不同技术人员之间、不同地区的施工图审查机构之间，甚至于不同的规程、规范之间，对稳定水位的认识比较一致，但对初见水位的理解和认识往往不同，且时日已久，觉得有必要把这个问题提出来和同行们进行讨论。因为勘察一线的技术人员，特别是现场钻孔记录员或编录员，必须对初见水位的理解和测量方法得到统一。
1 初见水位的定义
虽然我国岩土工程勘察的规程、规范种类众多，除国家标准外，还有各种行业标准，再算上各种地方标准，总数几十上百本。但绝大多数对初见水位的定义没有明确描述。
在《水文地质术语》（GB/T14157-1993）[1]、《铁路工程水文地质勘察规程》（TB10049-2004）[2]和《地下铁道轻轨交通岩土工程勘察规范》（GB50307-1999）[3]中，描述的初见水位的定义分别如下：
(1)《水文地质术语》6.3.23条：
初见水位Initial Water Level：当钻孔揭露含水层时，首先发现的地下水面的高程。
(2)《铁路工程水文地质勘察规程》2.1.10条：
初见水位Initial Water Level：当钻孔揭露含水层时，初次发现的地下水面的高程。
上述两本规范对初见水位的文字表述，只是前者用“首先”、后者用“初次”，表达的意思没有不同，不应该存在理解上的争议。
(3)《地下铁道轻轨交通岩土工程勘察规范》（GB50307-1999）[3]8.3.2条的条文说明有不同的表述：“初见水位的量测，一般在工程勘察中从钻具带上的土样观测，土样由湿到很湿带水时的标高，即为初见水位”。让人感觉原本很清楚的概念，好象又不太清楚了，“由湿到很湿带水时的标高”，给人留下了无限想象和发挥的空间，于是出现了众多版本的各种解读。
2 有关初见水位的一致看法
以下内容这部分内容在众多规程、规范中一再出现，勘察同行的看法也是高度一致：
初见水位和稳定水位可在钻孔、探井或测压管内直接量测，稳定水位的间隔时间按地层的渗透性确定，对砂土和碎石土不得少于0.5h，对粉土和粘性土不得少于8h，并宜在勘察结束后统一量测稳定水位。量测读数至厘米，精度不得低于±2cm[4]。
实际操作中，大家也是在地下水位上采用不加水钻探，稳定水位应在初见水位后经一定的稳定时间后量测。
3 有关初见水位的不同观点
针对初见水位和稳定水位存在着什么关系？初见水位究竟怎么测量？各有各的说法，在网络上的讨论也是相当热烈。有代表性的是“岩土在线”（http://www.yantubbs.com/）论坛和“中国工程勘察信息网”（http://www.geot.com.cn/）论坛。
现对目前网络上和现实工作人员中的不同观点，按类合并归纳如下。
3.1 如何测量初见水位的不同观点
(1)从钻具带上的土样观测，土样由湿到很湿带水时的标高，即为初见水位。(2)观察初见水位主要看麻花钻带上来土的色泽变化，如果发亮，可能就是遇到地下水了。(3)当首次见到饱和土时，饱和土的上界可认为就是初见水位，但由于受毛细水的影响和判定方法上精度较低。(4)及时了解湿度，只要取出的土中含有自由水，那么初见水位也就基本是这个位置了（上下不会差的太多）。(5)钻头见滴水即可确定初见水位。(6)钻进过程中遇到地下水位时立即停钻测得的地下水位是初见水位。
3.2 初见水位用途的不同观点
(1)初见水位意义不大。(2)初见水位在工程中的作用主要是判定地下水是不是承压水：如果稳定水位大于初见水位则为承压水。(3)初见水位反映了地层的渗透性。
3.3 初见水位和稳定水位关系的不同观点
(1)初见饱和砂或土，既认定为初见水位，由于毛细水一般初见水位要高于稳定水位。(2)初见水位应该是在真正见到水位时测量的，因此，实测的初见水位一般低于稳定水位。(3)一般情况下，初见水位是低于稳定水位的，稳定水位应该根据规范要求的时间来量测。(4)一般初见水位总是低于稳定水位，渗透性越强，初见水位越接近于稳定水位。反之，越低于稳定水位。
4 讨论
4.1 如何测量初见水位
文献[3]和文献[1]和[2]中对初见水位的表述不一致，给大家造成了理解上的争议，不同标准之间宜协调一致。文献[3]中“土样由湿到很湿带水时的标高”的表述在实际操作中人为影响因素太大，文献[1]和[2]中对初见水位的表述更为准确。
规范讲的初见水位和稳定水位，是时间上的概念，间接反映了土的渗透性。因此地下水位指的是指地下含水层中水面的高程，根据观测时间不同，可分为初见水位、稳定水位、丰水期水位、枯水期水位等。基于这一点，笔者认为观点（6）是正确的，观点（1）～（5）值得商榷。
4.2 初见水位用途
规范要求遇地下水时都要测量地下水的初见水位，但对初见水位的用途没有叙述，显得美中不足。根据工程实践经验，土层渗透性越强，初见水位和稳定水位差别越小；土层渗透性越弱，初见水位和稳定水位差别越大，笔者认为初见水位反映了地层的渗透性。因此观点（1）显然不对；根据观点（2）有时会得出错误的结论，因为稳定水位大于初见水位的地下水，并不一定是承压水。
4.3 初见水位和稳定水位关系
初见水位是指干钻时刚好钻到地下水位左右时，立即停钻，量测的地下水位。稳定水位是指规范规定时间后，钻孔中形成的稳定的水位。因为当刚钻至地下水位时，地下水需要一个渗流的过程才能形成稳定的水位，因此一般情况下初见水位低于稳定水位，土体的渗透性越大，则初见水位越接近稳定水位。在一些水塘或河道附近（地下水受地表水补给，且地表水位比地下水位高时）钻探时就很容易发现，钻探结束后，孔中水位在不断的上升，直至稳定水位。
一般地，渗透性强的土中潜水的初见水位与稳定水位基本持平；渗透性越弱的中潜水的初见水位比稳定水位要低。而渗透性强的土中承压水的初见水位比稳定水位要低更多。当钻孔揭穿承压含水层的隔水顶板时，就见到地下水，此时的水面高程为初见水位，承压性越大，其初见水位与稳定水位差别就越大。对于承压水，正确地测定其初见水位有着相当重要的意义。
4.4 初见水位和稳定水位实测数据举例
以南京市某科技创业特别社区一期建筑（A、B）地块、一期景观及中心湖区岩土工程勘察项目为例，实测地下水初见水位及稳定水位、地下水所在地层及物理性质等成果，详见表1、表2和表3、表4、表5。
5 结束语
测量初见水位，首先要要求“干钻”，在未见地下水时，不能用水或泥浆，钻具带岩芯上来时只要注意观察，一般情况编录员都会准确测量出初见水位。
但要注意，在勘察费以米计价和无序竞争的情况下，有些钻机很少专门这样干了，笔者在参加相关质量检查过程中，时常发现勘察报告中的初见水位是假的、人为写上的。这就要求加强质量控制和现场监督，才能保证原始数据的准确性。
摘要：针对勘察同行们对地下水初见水位的不同理解,进行分析和讨论,提出了自己的看法,可供勘察同行们工作中参考。
关键词：地下水,水位,初见水位,稳定水位,讨论
参考文献
[1]国家技术监督局,GB/T14157-93《水文地质术语》[S].北京:中国标准出版社,1993.
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浅谈城市地下水水质水位预警 篇8
一、城市地下水水质水位预警的特点
(一)警情的累积性与突发性。
地下水资源系统自身的性质决定了水质水位警情具有突发性,同时对地下水资源的开发与利用会使地下水资源系统的内部平衡以及人类社会系统与水资源系统间的平衡被打破。如果不能对这些情况进行有效控制,则极容易使这些系统发生逆向的演替。警情的积累性决定了警兆的滞后性,及出现警兆时可能警情已经十分严重了,所以警情的积累性要求城市地下水水质水位预警能够涵盖足够的空间和时间范围,而突发性要求城市水质水位预警能够提早预报并具有性质有效的缓解措施。
(二)警源的复杂性。
首先,地下水资源系统内部存在复杂的相互关系,所以在对某一区域或者某一类型的水进行预警的过程中也要对其他水域或者其他类型水与预警区域水的关系作出重点考虑;其次在水质预警的分析过程中,不仅要以现有的经济核算指标为依据,同时也要考虑到一些如社会效益、环境效益、生态经济效益等指标,在这些需要考虑的指标中,有些指标如环境收益是难以进行量化的。
(三)预警的集中性。
对地下水水质水位预警需要突出警觉性与先觉性,而不能同留在对现状的分析上,或者说预警是对水资源需要面临的负面影响以及危害进行预测,其重点应集中于地下水资源或者水源恶化的过程以及恶化的状态分析方面,从而对有可能出现的危害或负面影响作出警示。
(四)预警的动态性。
对城市地下水水质水位作出预警与静态的地下水资源评价取值具有很大的区别,主要体现于预警取值是一个动态的过程,需要对水资源的演化方向作出预测。同时预警取值需要从时间方面对地下水资源的恶化趋势、恶化速度以及恶化状态作出预测,所以这就决定了预警趋势是具有多维特点的。
二、城市地下水水质水位预警框架构建
(一)明确警义。
对警义的明确是进行预警研究的重要前提。明确警义的过程是对警素进行划分的过程,其中警素是指组成警情的各种指标。一般情况下包括社会警素与自然警素两类,社会警素包括工业三废、农业化肥与农业以及水资源回灌,自然警素包括水文、气候、地貌、土壤等。在对城市地下水水质水位预警作出分析的过程中需要对影响水质水位的各个因素可能出现的危险区域或者危险点作出分析并发出警报,从而为地下水的决策、控制和管理提供必要的依据。
(二)寻找警源。
在城市地下水水质水位预警工作中,警源是警情发生的原因,寻找警源是对警患进行排除的前提。警源的存在与变化会使地下水资源系统中正常的内部机制和外部机制受到破坏并产生警情。警源一般包括内因和外因,而警情的产生往往是内因和外因共同作用而发生的。内因是指自然生态中产生的警源,即自然环境中一些可能发生变化而产生警情的客观因素。外因则是受到外部干扰而产生的警源头,主要表现为社会因素、文化因素、政治因素等。
(三)分辨警兆。
警兆是指警情爆发前产生的先兆,它是警源在经历量变以及质变过程中产生的结果,所以警兆可以说是警情的先发现象。警兆与警情之间的关系可以是间接的,也可以是直接的,可以表现出明显的关联,也可能是未知的或隐形的关系,所以对警兆作出判定对警情的防范具有重要的意义。对于地下水水质水位预警而言,警兆主要体现为动向警兆和景气警兆两类。动向警兆是指对地下水资源景气程度不作出直接表现的指标,如污水处理率、点状、面状污染源分布面积等;景气警兆能够对地下水资源的景气程度作出一定表现,如地层精华能力、降水量等。
(四)预报警度与排除警患。
警度的预报可以进行警素模型的建立,通过预测将警限向警度转换;也可以利用警素的警度模型来根据警兆的警级来进行警素警度的预测。警度具有较多的划分方法,通常用无、轻、中、重、巨五个层次来表示。在警度得以确定后,需要利用宏观的掉空工具并通过相应措施的采取对存在警情的地下水质和水位采取及时的防减灾以及控制工作。
摘要：地下水是水资源中重要的构成部分,同时也是工农业用水以及生活用水的主要来源。随着城镇化的发展,人们对地下水资源的需求不断加大,这就造成了地下水水位的不断下降以及地下水水质的恶化,所以对城市地下水水质水位预警作出研究具有紧迫性与现实意义。本文以促进地下水资源可持续发展为出发点,对城市地下水质水位预警的特点以及框架作出研究。
地下水位对基底土颗粒压应力的影响 篇9
地基承载力计算是地基基础分析设计的重要组成部分。GB 50007-2012建筑地基基础设计规范 (以下简称《地基规范》) 也有明确的规定 (简化起见, 本文仅考虑轴心荷载作用) :
从式 (1) 可以看出, 其内容包括地基承载力特征值fa和基础底面压力pk两部分。
对于地基承载力, 规范规定:
承载力深度修正采用的γm为基础底面以上土的加权平均重度, 位于地下水位以下的取土层有效重度γ'。
对于基础底面压力pk, 规范规定:
其中, Gk为基础自重和基础以上的土重。
在常规设计中, 习惯性按照比重20 k N/m3计算基础和基础以上土重。这样, 随着地下水位相对基础底面高差的增大, 将会使不等式两侧的差值增大。若埋置深度较深, 地下水位较浅, 为满足设计要求, 基底面积要增大。尤其对于上部结构荷载较小情况, 基础增大更显著, 影响工程造价、设计、施工。
本文试图用浮力学基本原理, 从微观角度分析地下水位对地基承载力及基底压力的影响, 以期解决上述问题。
1 原理推导
土体包含土颗粒 (固相) 、孔隙水 (液相) 、气泡 (气相) 三部分, 对于地下水位以下的地基土及其覆土, 气相部分可忽略不计。
与之相对应, 在微观上, 地基土与基础底面也存在两种接触方式:土颗粒在与基础接触面范围 (面积A1) 内, 对基础给以支承, 其应力就是土颗粒有效应力σ1;孔隙水在与基础底面接触面的范围 (面积A2) 内, 对基础给以浮托, 其应力就是水浮力σ2。A1, A2为均匀分布在基础底面的微小接触面的总和, 即基础底面积A0=A1+A2。
根据有效土压力原理, 饱和土体所受的总应力σ为有效土压力σ'和水压力u之和。
两部分压力重叠作用于基础底面A0上。
根据实际情况, 也可以按照基础底面与土颗粒和孔隙水的接触面 (A1, A2) , 将基底反力分为两部分:土颗粒压力和水浮力 (σ1A1+σ2A2) 。基础对地基土的作用最终应落实在对地基土颗粒骨架的压力σ1, 土颗粒压力的增大导致土体变形甚至破坏。
假设上部结构荷载N1, 基础自重G1和基础上土的土重为N2 (见图1) 。
假定基底和基础覆土孔隙率相同, 则基底以上土颗粒和孔隙水对基础顶面的接触面积也是A1和A2。
初始基底应力状况为:
地下水升高后, 基底应力状况为:
假定基础上下土质均匀, 则:
代换后可得:
与式 (3) 相减可知:
即:
地下水位的升高前后土颗粒压应力没有变化。
此结果说明:地下水位的高低对基底土颗粒压力的影响较小。但是, 目前在地基基础设计过程中, 对基础及其覆土压力通常采用土的实际重度, 或简化成20 k N/m3, 对水下部分深度修正则采用浮重度, 由此导致深度每增加1 m, 地基承载力相对减弱约10 k N/m2 (按深度修正系数ηd取1.0) 。在极端的情况下, 对于埋置较深的软弱土层, 若地下水位较高, 即使没有基础作用, 其土层顶覆土压应力也将超过经深度修正后的地基承载力, 这显然是不符合实际情况的。
2 算例
基于上述分析, 以下算例按照三种算法对基础进行设计。
计算条件:基础埋深3.0 m, 地基承载力fak=100 k N/m2, 柱脚荷载Nk=200 k N。算例图示见图2。
地下水位在地面下0.5 m, 覆土及基底土比重20 k N/m3。
算法一、二按照规范规定计算地基承载力深度修正, 对基底以上土和基础自重, 算法一按照20 k N/m3, 算法二按照扣除部分浮力;算法三未考虑水对基底压力和地基承载力的影响, 采用的均为实际重度。算法三与规范规定不相符, 在此仅作参考。各算法基础计算见表1。
从上述分析可以看出, 算法二比算法一基底面积减少24.4%, 算法三比算法一减少14.0%, 这对于降低工程造价有显著的作用。
3 结论与建议
本文分析过程中采用了以下的理想化假定:
1) 深度修正系数ηd取1.0, 根据《地基规范》对于粉土、粘土、大面积压实填土等, ηd取值大于1.0, 随着深度的增加, 承载力相对基底压力可能有增大的趋势;2) 基底土与基顶覆土的孔隙比相同, 这与工程实际情况有出入, 但两者的差别不会太大;3) 忽略结构 (柱墙) 在土层以下的体积, 将其等效为基顶覆土, 这与实际情况有一定的出入, 但是一般情况下柱墙面积相对于基底面积较小, 可以忽略。
上述假定对分析结果有一定的影响, 应作为以后分析的参考因素, 以完善分析结论。但是, 本文所做的假定同样符合工程实际情况, 分析表明在假定满足的条件下, 采用适当的验算方法可以显著降低基础工程量, 这在设计过程中不应被忽略。
本文引入了土颗粒压应力的概念, 与之相对应的是水浮力概念。两者 (前者) 与有效土压力σ'和孔隙水压力u (后者) 的区别在于:1) 两者作用面积不同, 前者在各自与基础的接触面积内给基础以基底反力, 后者叠加在基底面积整体范围内给基础以支托。相比较而言, 前者更直观。2) 后者中有效土压力是根据孔隙水压力计算得来, 而并非土体实际应力, 相对而言, 前者两部分传力途径更加明确。
综上所述, 笔者认为, 地基承载力计算过程中, 应同时考虑地下水位对基底压力和地基承载力的影响。由于《地基规范》已明确规定承载力深度修正采用的γm为基础底面以上土的加权平均重度, 位于地下水位以下的土层有效重度, 因此, 建议基顶覆土在地下水位以下同样采用浮重度, 以使设计更加符合实际, 使基础工程更经济, 也更便于设计和施工。
参考文献
[1]陈希哲.土力学地基基础[M].北京:清华大学出版社, 2004.
地下水位监测 篇10
关键词：地下水系统,模糊控制,MATLAB
1 引 言
地下水系统的内部是十分复杂的地理系统, 欲建立准确的数学模型, 意味着要完全认识这个系统, 并且要经过大量复杂的计算。基于此, 把地下水系统视为一个模糊系统。然而, 考虑到地下水系统的变化过程, 主要是由于系统的补给量与开采量在数量上的差异直接放映在地下水位的变化上。目前对于这3种量的变化资料容易获得。我们将地下水系统的预报过程模拟成一模糊控制过程。把补给量、开采量做为输入, 水位变化作为预报量, 输入输出间的模糊关系视为模糊变换器。
2 模糊控制系统的设计
2.1 模糊控制系统的基本结构[1,2]
图1所示为常规模糊控制器的结构图, 常规模糊控制器由五部分组成:输入量模糊化接口、数据库、规则库、推理机和输出解模糊接口。
(1) 模糊化接口, 模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制输出的求解, 它是模糊控制器的输入接口, 其主要作用是将真实确定的输入量转换成一个模糊矢量。
(2) 数据库, 数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值, 用于向推理机提供数据, 注意:输入、输出变量的测量数据集不属于数据库存放范畴。
(3) 规则库, 模糊控制器的规则是基于专家知识或熟练的手动操作人员长期积累的经验, 它是按人的直觉推理的一种语言表示形式, 通常把if部分称为“前提部”。而then部分称为“结论部”。
(4) 模糊推理, 根据输入模糊量, 由模糊控制规则完成模糊推理, 求解模糊关系方程, 以获得模糊控制量, 模糊推理方法有多种, 本文采用Mamdani方法。
(5) 解模糊, 解模糊又称为清晰化或去模糊。它实际上是从模糊控制作用空间到精确控制作用空间的映射。
2.2 输入输出量的选取
二维结构模糊控制器的输入为补给量 (A) 、开采量 (B) , 输出为水位量 (C) 。输入输出量的论域:补给量 (A) 论域取为[0, 10], 开采量 (B) 论域取为[-15, 0], 输出为水位量 (C) 论域取为[0, 5]。模糊等级划分:把补给量分为若干模糊等级, 分级太多则计算量太大, 太少又会影响精度, 可根据实际需要确定分级数, 这里将补给量分为五个模糊等级, 依次记为A1 (很少) A2 (偏少) A3 (适中) A4 (偏多) A5 (很多) 。具体补给量隶属度函数见图2。开采量和水位变幅均参照补给量的模糊等级划分规则但是每个输出量和输入量的基本论域和模糊集论域是不尽相同的。开采量分为5个模糊等级, 依次记为B1 (很少) B2 (偏少) B3 (适中) B4 (偏多) B5 (很多) , 水位变幅分为5个模糊等级, 依次记为C1 (很少) C2 (偏少) C3 (适中) C4 (偏多) C5 (很多) , 相应的隶属度函数见图3和图4。
2.3 模糊控制器规则的建立
地下水系统的特性与其控制因素间的关系蕴含在大量的输入输出数据资料中, 我们根据一定数量的已知输入输出资料以及专家经验, 运用模糊算法, 计算出模糊关系。即为模糊控制器[3]。模糊系统的输入输出数据资料以及专家的每一条经验, 都可以用一个模糊条件语言来描述, 根据专家经验并处理后, 得如下9条模糊规则:
(1) 若A3且B1, 则C1;
(2) 若A5且B1, 则C4;
(3) 若A5且B2, 则C2或C3;
(4) 若 (A2, A3或A4) 且B2, 则C2;
(5) 若A1且B2, 则C1;
(6) 若A5且B3, 则C2;
(7) 若A3且B3, 则C4;
(8) 若A4且B4, 则C5;
(9) 若A4且B5, 则C2;
将上述规则输入到MATLAB软件模糊控制器[4]的规则编辑器中如图5所示。
3 模糊控制系统仿真结果
完成上述步骤之后, 将补给量和开采量输入将要预测的数值进行预测, 预测到了要预测的数值, 如图6所示。图7为输出量的曲面观测器。
用此模糊控制模型对19年的实测数据进行拟合检验, 检验结果见图8。从图8中可以看到实测值均落在计算的预报区间内。拟合率为100%。用此模型对第20年的水位变化进行预报, 第20年的补给量为5.018, 开采量为-13.314, 该年水位变幅的预报值为1.7 (见图6) , 而该年的实测水位变幅为1.53, 预报结果令人满意。若用二元回归方程法预报, 则预报值为3.3, 显然用模糊控制模型预报比用回归方法好。
4 结 论
文章应用模糊控制技术来对地下水位的动态进行预报, 无论是在实测数据进行拟合检验中, 还是在对第20年的水位预测结果与实测结果进行对比实验中都表明文章使用的预报模型能够较满意的达到对地下水位的预报效果。
参考文献
[1]诸静.模糊控制原理与应用[M].北京:机械工业出版社, 2005
[2]韩晓泉.模糊控制在光电跟踪伺服系统中的应用研究[D].中国科学院研究生院博士学位论文, 2005
[3]张国良, 曾静, 柯熙政, 等.模糊控制及其MATLAB应用[M].西安:西安交通大学出版社, 2002