CN109668940B - 双缆式海底地下水排泄原位电学监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双缆式海底地下水排泄原位电学监测方法，包括以下步骤：（1）、沿垂直于海岸带的方向布设水面电缆和水下电缆，双缆协同工作采集电缆间海水层的电阻率，其中水下电缆的电极为供电电极，水面电缆的电极为测量电极；（2）、由水下电缆供电，水面电缆同步测量电位，并行采集下覆海水层中长度为M1米以及自海面向下0～N1米处的海水电阻率。本发明的海底地下水排泄原位电学监测方法，利用密布有电极的监测电缆直接与海水层接触采集电阻率，可以全天侯、高密度监测，能够精确监测到局部突变排泄、咸淡水交换界面的变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种海底地下水排泄监测技术领域，具体地说，是涉及一种海底地下水排泄原位电学监测方法及装置。
背景技术
海底地下水排泄（Submarine Groundwater Discharge，简称SGD）与海洋生态变化、灾害发生密切相关。通过便捷、快速的监测技术实现SGD有效监测，对开展海洋生态环境变化机制研究、生态环境保护具有重要意义。
国际上海底地下水排泄研究主要针对三个科学问题，1）准确评估海底地下水排泄量；2）陆海边界咸淡水交换规律及机制；3）陆源淡水入海后的行为，研究常用的方法主要为直接测量法、水文模型法和同位素示踪法，以及一些新兴技术如遥感、地球物理方法等。
依托咸淡水及其周围土体的电性差异实现的电阻率映像监测技术成为一种SGD研究的新兴手段。电阻率法最初应用于地下水排泄过程监测中，主要是与渗流仪、温度传感、化学示踪等技术进行对比应用。后经一些学者发展应用后，电阻率法逐步显示出其在水体运移实时反映、转换界面识别、局部排泄量估算等方面的技术优势。随着全球水循环系统、滨海资源开发、生态环境保护等问题研究的深入，快速灵敏、解读性高的SGD电法监测极富研究潜力。
海底地下水排泄电学监测作为一种新型监测手段，尚未形成一套完备的监测方法及数据解译技术。从探测效果来看，电阻率法监测获得的水文信息异常易受地质体影响，对不同海岸类型、不同咸淡水交换过程的监测能力、探测结果影响因素、典型异常特征等问题研究尚处于探索阶段；从监测技术装备来看，已经开展的实例中多数利用了美国AdvancedGeosciences Inc.生产的SuperSting R8/IP系列采集仪和防水电缆，其供电能力有限，且不能实现自主连续监测和数据远程传输，可扩展性较差，价格昂贵。海底地下水排泄电学监测方法及设备开发仍是当前研究的重点。
发明内容
本发明为了解决目前直接测量法、地球化学示踪方法、电学方法监测陆源淡水及循环海水排泄入海后的行为中，对局部突变排泄、咸淡水交换界面、水体空间运移形态以及时效性监测等方面的反映能力不足的技术问题，提出了一种双缆式海底地下水排泄原位电学监测方法，可以解决上述问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种双缆式海底地下水排泄原位电学监测方法，包括以下步骤：（1）、沿垂直于海岸带的方向布设水面电缆和水下电缆，其中水下电缆的电极为供电电极，水面电缆的电极为测量电极；
（2）、双缆协同工作采集电缆间海水层的电阻率，由水下电缆供电，水面电缆同步测量电位，并行采集下覆海水层中长度为M1米以及自海面向下0～N1米处的海水电阻率，其中，M1、N1分别为正数；
（3）、根据所测得的海水电阻率形成电学监测剖面，所述电学监测剖面中的电阻率等值线直接反应咸淡水体及其混合界面。
进一步的，步骤（1）中布设方法为：沿垂直于海岸带的方向铺设水面电缆，所述水面电缆设有多个测量电极，水面电缆上固定有浮子，对于低潮线以上区域，水面电缆铺设在该部分所对应的沉积层的上表面，对于低潮线以下区域，水面电缆漂浮于海水上表面；所述水下电缆上布设有多个供电电极，铺设位于低潮线以上部分的水下电缆时，通过挖掘电缆沟的方式将水下电缆埋设于电缆沟中，当铺设位于低潮线以下部分的水下电缆时，通过在该部分的水下电缆上固定配重块的方式，将该部分的水下电缆坠入水底，所述水面电缆和水下电缆分别与采集站连接，所述采集站通过导线与电源模块连接。
进一步的，步骤（2）中双缆协同工作采集电缆间海水层的电阻率的方法为：
（211）、采集站从水下电缆的多个供电电极中选择一个作为工作电极，其余供电电极休眠；
（212）、所述采集站控制电源模块为所述工作电极供电，并且控制水面电缆的全部测量电极返回其当前电位数据，完成单次数据点采集；每次采集中，水面电缆的各测量电极与所述工作电极的连线的中点作为单次数据采集点的坐标位置，用于构建电学监测剖面；
（213）、重新选择工作电极，返回执行步骤（212），直至所有供电电极被至少一次选择做为过工作电极工作，完成对双缆间海水层的电位数据的测量；
（214）、计算海岸带水体的电阻率步骤，采集站根据测量电极所测量的各电位数据及电流数据计算双缆间海水层各采集点的电阻率分布。
进一步的，步骤（2）中电缆间海水层的电阻率采集时，同步记录各测量电极相对沉积层表面的距离，该距离通过浮标标高确定。
进一步的，步骤（213）中，采集站控制从当前工作电极向水下电缆的另外一端移动一个或者多个电极距，重新选择工作电极。
本发明同时提出了一种双缆式海底地下水排泄原位电学监测装置，包括：
水下电缆、水面电缆、采集站、电源模块，所述水面电缆上布设有多个测量电极，所述水下电缆上布设有多个供电电极，所述水下电缆、水面电缆分别与所述采集站连接，所述采集站与电源模块连接，所述水面电缆固定在持力绳上，所述监测装置按照前面所记载的海底地下水排泄原位电学监测方法对海底地下水排泄进行监测。
进一步的，所述测量电极和供电电极分别为不锈钢材质。
进一步的，所述持力绳上还固定有若干个浮子与定位浮标。
进一步的，所述水下电缆的外表面加装钢丝铠装。
进一步的，所述水面电缆和水下电缆的外表面加装多层绝缘层。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的双缆式海底地下水排泄原位电学监测方法，利用双缆协同工作采集电缆间海水层的电阻率，进而间接获取海岸带断面各层的咸度，而咸度直接反映了咸淡水的交换结果，以达到监测咸淡水水体形态及交换界面位置的目的，本方法利用密布有电极的监测双电缆直接与海岸带沉积层、海水层接触采集电阻率，可以全天侯、高密度监测，能够精确监测到局部突变排泄、咸淡水交换界面的变化，以及通过全天侯监测，可以获取水体空间运移形态信息。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所提出的双缆式海底地下水排泄原位电学监测装置一种实施例布设方式；
图2是本发明所提出的双缆式海底地下水排泄原位电学监测方法的一个室内物理模拟实施例；
图3a是本发明监测方法的室内物理模拟淡水渗漏过程水面电极系探测电阻率值分布1剖面图；图3b是本发明监测方法的室内物理模拟淡水渗漏过程水面电极系探测电阻率值分布2剖面图；
图3c是本发明监测方法的室内物理模拟淡水渗漏过程水面电极系探测电阻率值分布3剖面图；
图3d是本发明监测方法的室内物理模拟淡水渗漏过程水面电极系探测电阻率值分布4剖面图；
图3e是本发明监测方法的室内物理模拟淡水渗漏过程水面电极系探测电阻率值分布5剖面图；
图4是本发明所提出双缆式海底地下水排泄原位电学监测装置一种实施例中水面电缆局部图；
图5是本发明所提出双缆式海底地下水排泄原位电学监测装置一种实施例中水下电缆局部图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
为了监测海底地下水排泄过程中陆源淡水泄漏入海后的行为，由于泄漏水体为淡水，海水为咸水，地下水排泄后会与海水进行混合，根据咸、淡水中所含溶质及其浓度不同，溶质及其浓度变化可以直接反应咸淡水的交换情况，溶质浓度变化可通过电学测量的方式获取，也即，通过检测海水中的电阻率，根据所测得的海水电阻率形成电学监测剖面，该电学监测剖面中的电阻率等值线可以直接反应咸淡水体的状况及其混合界面。在实际海水电阻率监测过程中，面临着监测范围广、监测剖面面积大的问题，监测区域大直接影响到监测效率，目前的监测数据具有滞后性，无法实现实时监测，基于此，本实施例提出了一种双缆式海底地下水排泄原位电学监测方法，通过采用布设双缆的方式，实现对监测剖面同步监测，可以提高监测效率，具体的，该双缆式海底地下水排泄原位电学监测方法包括以下步骤：
S1、沿垂直于海岸带的方向布设水面电缆和水下电缆，其中水下电缆的电极为供电电极，水面电缆的电极为测量电极；如图1所示，为该双缆也即水面电缆和水下电缆的布设示意图。
S2、双缆协同工作采集电缆间海水层的电阻率，由水下电缆供电，水面电缆同步测量电位，并行采集下覆海水层中长度为M1米以及自海面向下0～N1米处的海水电阻率，其中，M1、N1分别为正数；通过水面电缆同步测量电位可以通过电学公式计算出海水电阻率。
S3、根据所测得的海水电阻率形成电学监测剖面，所述电学监测剖面中的电阻率等值线直接反应咸淡水体及其混合界面。
本实施例的监测方法通过布设两根电缆的方式，其中一根电缆专门用于供电，另外一根电缆专门测量电极，每测量一次，可以同步获取的测量值数量与测量电缆上的测量电极数量一致，获取的数据量多，而且，通过将两根电缆分别布设在海面和海底，两根电缆所跨区域大，因此测量的区域范围相应增大，监测效率高，实时性好，可以进行全天侯、高密度监测，能够精确监测到局部突变排泄、咸淡水交换界面的变化，以及通过全天侯监测，可以获取水体空间运移形态信息。
作为一个优选的实施例，步骤S1中布设方法为：沿垂直于海岸带的方向铺设水面电缆，所述水面电缆设有多个测量电极，水面电缆上固定有浮子，对于低潮线以上区域，水面电缆铺设在该部分所对应的沉积层的上表面，对于低潮线以下区域，水面电缆漂浮于海水上表面；所述水下电缆上布设有多个供电电极，铺设位于低潮线以上部分的水下电缆时，通过挖掘电缆沟的方式将水下电缆埋设于电缆沟中，当铺设位于低潮线以下部分的水下电缆时，通过在该部分的水下电缆上固定配重块的方式，将该部分的水下电缆坠入水底，所述水面电缆和水下电缆分别与采集站连接，所述采集站通过导线与电源模块连接。通过为水下电缆设置多个供电电极，每次测量时其中一个供电电极工作用于供电，所有供电电极轮询工作，可以通过改变供电电极的供电位置，在测量空间上供电电极位于不同位置时所覆盖的测量空间不完全相同，最终得到的测量值能够覆盖整个监测剖面，实现全面测量。
步骤S2中双缆协同工作采集电缆间海水层的电阻率的方法为：
S211、采集站从水下电缆的多个供电电极中选择一个作为工作电极，其余供电电极休眠；
S212、所述采集站控制电源模块为所述工作电极供电，并且控制水面电缆的全部测量电极返回其当前电位数据，完成单次数据点采集；每次采集中，水面电缆的各测量电极与所述工作电极的连线的中点作为单次数据采集点的坐标位置，用于构建电学监测剖面；
S213、重新选择工作电极，返回执行步骤S212，直至所有供电电极被至少一次选择做为过工作电极工作，完成对双缆间海水层的电位数据的测量；
S214、计算海岸带水体的电阻率步骤，采集站根据测量电极所测量的各电位数据及电流数据计算双缆间海水层各采集点的电阻率分布。
步骤S2中电缆间海水层的电阻率采集时，同步记录各测量电极相对沉积层表面的距离，该距离通过浮标标高确定，通过确定采集点的位置，在绘制电学监测剖面时使用。
步骤S213中，采集站控制从当前工作电极向水下电缆的另外一端移动一个或者多个电极距，重新选择工作电极。
实施例二
实验设计
将2 mm 筛网筛分后的砂土装填在2 m×1.5 m×1.3 m 的有机玻璃水槽中形成斜坡，坡度设置为17°。在坡面上布设19极电极系，极距0.1 m，全长1.8 m；然后在坡面上铺设防渗膜，并在其上部空间注入海水素配比的盐度35‰海水，完成后在砂层中注入淡水，使初始淡水水位面高于海水面，水位面高度通过设置在槽壁上的水位标尺确定。最后在海水面上布置14 极电极系，极距0.1 m，全长1.3 m，具体电极的位置关系见图2。
实验开始后，在防渗膜中部制造直径4 cm 左右的渗漏点，使砂层中淡水通过渗漏点向海水中扩散，同时海水也可以通过渗入过程的物质补偿进入砂层中。在此过程中分别利用海水面和斜坡表层布设的水面、水下电极系进行电阻率剖面探测。
实验结果分析
图3a-图3e为淡水渗漏过程实测剖面。从图中可以看到，未发生渗漏时，海水电阻率在0.2 Ω·m~0.3 Ω·m之间，砂层电阻率在11 Ω·m~14 Ω·m之间，水土界面清晰（见图3a）；渗漏发生后，由于海水向砂层中侵入，渗漏点下侧砂土电阻率变成低阻异常区，同时渗漏的淡水和海水混合使海水层右侧电阻率升高（见图3b）；随着渗漏持续发生，扩散到海水表层的淡水不断混合扩散至两侧，在海水表层形成一层明显的咸淡水混合层，混合层电阻率在0.4 Ω·m ~0.8 Ω·m之间（见图3c、图3d、图3e）。同时随着侵入到砂层中的海水不断扩散，低阻区分布范围也越来越大。对比不同时刻低阻区变化可确定砂层中海水界面横向扩散过程。
实施例三
本实施例提出了一种双缆式海底地下水排泄原位电学监测装置，如图1、图4所示，包括：
水下电缆11、水面电缆12、采集站13、电源模块（图中未示出），水面电缆12上布设有多个测量电极131，水下电缆11上布设有多个供电电极111，水下电缆11、水面电缆12分别与采集站连接，采集站13与电源模块连接，水面电缆12固定在持力绳14上，监测装置按照实施例一所记载的海底地下水排泄原位电学监测方法对海底地下水排泄进行监测。
水面电缆12上的电极均为测量电极，重量小。布置时首先由拖船延垂直海岸线方向离岸引入一条持力绳（尼龙绳或卡夫拉缆），通过将水面电缆12固定在持力绳14上，持力绳14上每隔一段间距设置1个浮子15，间隔若干个浮子15用沉入海底的砼块锚16固一次。浮子15优选为圆形，采用强韧高分子聚乙烯等材料制成，能提供较大的浮力，结合水下砼锚后能长期稳定海面缆线，具有良好的抗腐蚀及抗冲击特性，可随潮汐涨落而自动升降，还用于标记测线位置及提醒来往船只。
持力绳14稳固于海面后，利用工作船将水面电缆悬挂于持力绳上，使各电极处于海水表面10cm以下，并控制测量电极间的距离为实际测量极距。
为保证水下砼块锚16投放位置的准确性，采用的布放回收器投放。
测量电极131为不锈钢材质，可以提高耐海水的腐蚀性。
持力绳14上还固定有定位浮标17，用于为测量电极131定位。
如图5所示，水下电缆11为供电、测量一体电极，加装钢丝铠装，质量大。在潮滩区布设时，通过人工挖掘V型埋设沟，直接将其埋设在沉积层表面下20 cm-40cm深度；
水下部分敷设时，多用浅埋方式，可根据土质适当增加配重。布设时，首先将水下电极系敷设到海床表面，再利用高压水泵将附近泥沙冲散，利用电缆自重沉入海底20-30cm深度。海底电缆末端需增设砼块配重，并穿接引线，引线长度为该点最大水深，引线末端连接水面浮标，其用于测线位置标定。回收时也采用高压水泵冲散水下电极系上覆泥沙，拖拽电缆使电极系浮出沉积层。
水下电缆11的外表面加装钢丝铠装112，提高了水下电缆11的抗拉和持力性能，防止布设和收回过程中沿电缆轴向的张力将水下电缆损坏。
水下电缆11的外表面加装多层绝缘层，如图5所示，分别为设置在钢丝铠装112内侧的内绝缘层113、设置在钢丝铠装112外侧的外护层114，水下电缆11中不同的线芯之间还设置有相绝缘层115，相绝缘层与内绝缘层113之间设置有填充层116。内绝缘层113用于将内部结构与铠装层112绝缘，相绝缘层115用于内部线芯间彼此隔离，保证电流稳定传输。位于最外层的外护层114起到保护其免受外界机械损伤和腐蚀的作用。填充层116起到保护与绝缘的作用。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种双缆式海底地下水排泄原位电学监测方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）、沿垂直于海岸带的方向布设水面电缆和水下电缆，其中水下电缆的电极为供电电极，水面电缆的电极为测量电极；
（2）、双缆协同工作采集电缆间海水层的电阻率，由水下电缆供电，水面电缆同步测量电位，并行采集下覆海水层中长度为M1米以及自海面向下0～N1米处的海水电阻率，其中，M1、N1分别为正数；
（3）、根据所测得的海水电阻率形成电学监测剖面，所述电学监测剖面中的电阻率等值线直接反应咸淡水体及其混合界面；
步骤（2）中双缆协同工作采集电缆间海水层的电阻率的方法为：
（211）、采集站从水下电缆的多个供电电极中选择一个作为工作电极，其余供电电极休眠；
（212）、所述采集站控制电源模块为所述工作电极供电，并且控制水面电缆的全部测量电极返回其当前电位数据，完成单次数据点采集；每次采集中，水面电缆的各测量电极与所述工作电极的连线的中点作为单次数据采集点的坐标位置，用于构建电学监测剖面；
（213）、重新选择工作电极，返回执行步骤（212），直至所有供电电极被至少一次选择做为过工作电极工作，完成对双缆间海水层的电位数据的测量；
（214）、计算海岸带水体的电阻率步骤，采集站根据测量电极所测量的各电位数据及电流数据计算双缆间海水层各采集点的电阻率分布。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，步骤（1）中布设方法为：沿垂直于海岸带的方向铺设水面电缆，所述水面电缆设有多个测量电极，水面电缆上固定有浮子，对于低潮线以上区域，水面电缆铺设在该部分所对应的沉积层的上表面，对于低潮线以下区域，水面电缆漂浮于海水上表面；所述水下电缆上布设有多个供电电极，铺设位于低潮线以上部分的水下电缆时，通过挖掘电缆沟的方式将水下电缆埋设于电缆沟中，当铺设位于低潮线以下部分的水下电缆时，通过在该部分的水下电缆上固定配重块的方式，将该部分的水下电缆坠入水底，所述水面电缆和水下电缆分别与采集站连接，所述采集站通过导线与电源模块连接。
3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，步骤（2）中电缆间海水层的电阻率采集时，同步记录各测量电极相对沉积层表面的距离，该距离通过浮标标高确定。
4.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，步骤（213）中，采集站控制从当前工作电极向水下电缆的另外一端移动一个或者多个电极距，重新选择工作电极。
5.一种双缆式海底地下水排泄原位电学监测装置，其特征在于，包括：
水下电缆、水面电缆、采集站、电源模块，所述水面电缆上布设有多个测量电极，所述水下电缆上布设有多个供电电极，所述水下电缆、水面电缆分别与所述采集站连接，所述采集站与电源模块连接，所述水面电缆固定在持力绳上，所述监测装置按照权利要求1-4任一项所述的海底地下水排泄原位电学监测方法对海底地下水排泄进行监测。
6.根据权利要求5所述的监测装置，其特征在于，所述测量电极和供电电极分别为不锈钢材质。
7.根据权利要求5所述的监测装置，其特征在于，所述持力绳上还固定有若干个浮子与定位浮标。
8.根据权利要求5所述的监测装置，其特征在于，所述水下电缆的外表面加装钢丝铠装。
9.根据权利要求5所述的监测装置，其特征在于，所述水面电缆和水下电缆的外表面加装多层绝缘层。
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