实时监测海水入侵-地下水位-土壤盐渍化的系统及方法

摘要

实时监测海水入侵-地下水位-土壤盐渍化的系统及方法，包括上位机、带有GPRS模块的采集发射装置和由可插拔尼龙模块及其之间的铜电极环构成的电阻率测量装置；每个铜电极环通过导线与采集发射装置内的中央控制单元连接。其监测方法包括在海滨地区选取样点；测定样点土样在海水饱和、淡水饱和及含盐量为0.3％时的电阻率作为预警阈值；当电阻率测量装置底部、中部或上部分别达到上述阈值时发出警报。本发明应用广泛、使用方便，可以根据监测目的进行组合以降低成本，通过远程传输数据实现动态原位实时监测，垂向测量一定深度的电阻率实现了远程、原位、实时、自动化的同步监测，对于研究海水入侵-地下水位-土壤盐渍化有着重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实时监测海水入侵-地下水位-土壤盐渍化的系统及方法，属 于自然灾害监测预警领域。

背景技术

海水入侵，是由于陆地地下淡水水位下降而引起的海水浸染地下淡水层的 一种环境地质恶化现象。海水入侵过程中盐分通过毛细作用力积聚到土壤表层 就会造成土壤盐渍化。当地下水位比较浅，大量的水分蒸发导致盐分在土壤中 积聚，也可导致土壤的盐渍化。海水入侵的过程、土壤盐渍的过程，经常伴随 着地下水位的变化。三者的产生与发展过程都相互影响，密不可分。发生海水 入侵和土壤盐渍化后会造成水质恶化，灌溉用水源地减少、土壤生态系统失衡， 耕地资源退化，自然生态环境恶化，从而影响工农业生产以及人口素质和社会 稳定。

目前对于海水入侵、地下水位、土壤盐渍化的监测多为单目的性监测，即 一种方法只能监测上述三种现象中的一种，而不能同时监测三个指标。海水入 侵常见的监测方法有：水化学样品采集与实验室分析法，图像处理法与同位素 法以及时域电阻率成像法，实验室分析法的实效性比较差，受限因素也比较多， 图像处理法和同位素法的缺点在于其污染了海水，造成二次污染，时域电阻率 成像法的技术要求高，操作复杂。地下水位常见的监测方法有：设置监测井利 用测绳和电表进行人工监测或者利用雷达遥感数据监测。利用监测井监测地下 水位的方法效率低、误差大、时效性差，而采用雷达遥感数据监测造价高，较 多的用于大范围地区的连续监测。土壤盐渍化的常规监测方法有：包含遥感法 和离子色谱法。遥感法具有监测滞后性，无法进行实时监测；离子色谱法适用 性差，仅适用于实验室监测。

海水入侵-地下水位-土壤盐渍化三者的发生相互影响，密切相关，然而对于 三者的同步监测还少有研究。一种能够原位同步实时监测海水入侵-地下水位- 土壤盐渍化的系统及方法对于实时监测及时防控自然灾害有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供了一种实时监测海水入侵-地下水位-土壤盐渍化的系 统及方法，以克服现有技术的不足。

本发明技术方案是通过远程、原位、实时、自动地测量土壤一定范围内的 电阻率值，根据土壤不同深度电阻率的实时变动判断海水入侵，地下水位和土 壤盐渍化是否发生，从而实现三者的原位同步实时自动监测。具体是铸造规格 尺寸一定可插拔的尼龙模块以及铜电极环，将其插接组成电阻率测量装置，电 阻率测量装置的电极铜环与采集发射装置通过导线相连接，形成现场采集发射 装置。现场采集发射装置实时采集土壤中垂向的电阻率，并将信号发射至远程 接收分析装置。根据土壤不同深度电阻率的实时变化以及发生海水入侵，地下 水位变动和土壤盐渍化的电阻率预警阈值，由软件分析判断三者是否发生，从 而原位同步实时监测海水入侵-地下水位-土壤盐渍化过程。

一种实时监测海水入侵-地下水位-土壤盐渍化的系统，包括带有信号接收器 的上位机，其特征在于还包括底部和顶部分别设有锥头和采集发射装置的电阻 率测量装置；所述的电阻率测量装置包括至少5个中空的可插拔的圆筒状尼龙 模块和夹在相邻两个尼龙模块对接缝内的铜电极环；所述的采集发射装置包括 通过导线与每个铜电极环连接的内含控制程序的中央控制单元，和与中央控制 单元相连的带有发射天线的GPRS模块。

上述电阻率测量装置由5～201个中空的可插拔的尼龙模块和夹在相邻两 个尼龙模块的对接缝内的铜电极环插接而成。

为了保证电极之间的间距一致，使测量位置与高程的换算更加方便，每个 铜电极环的厚度相同，为0.5～1mm。

为了便于组装并有利于贯入，上述可插拔的尼龙模块可以套置在1根或2 根承力轴上，承力轴表面可以带有螺纹，且管腔内浇筑有硫化橡胶，而使尼龙 模块、铜电极环以及导线成为整体。

GPRS模块是在900MHz/1800MHz网络环境下的，天线为GSM天线。

所述的上位机作为远程接收分析装置，内含客户端服务程序。

一种利用上述监测系统原位同步实时监测海水入侵-地下水位-土壤盐渍化 的方法，包括(1)在海滨地区选取样点；其特征在于还包括以下步骤：

(2)对上述样点取土样，测定该土样在海水饱和、淡水饱和以及含盐量为 0.3％时的电阻率，作为电阻率测量装置底部、中部和上部的监测预警阈值；

(3)将铜电极环与尼龙模块相互插接而构成电阻率测量装置；

(4)在样点处垂直贯入电阻率测量装置；

(5)通过上位机客户端服务程序设置采集参数，并启动实时自动监测；

(6)通过GPRS模块将电阻率信号实时传至上位机；

(7)上位机经信号接收器接收原位传输的实时电阻率信号，上位机的客户 端服务程序根据电阻率测量装置底部、中部和上部预设的预警阈值，在发生海 水入侵，地下水位变动时以及盐渍化时自动监测报警。

步骤1中，需要对滨海地区进行风险勘查评估，以了解样点的地质条件， 土壤类型等，尤其是样点的土壤电学性质，决定电阻率测量装置的规格与数目。

步骤2中，在发生海水入侵时，咸淡水交界面的楔形体会伴随海水入侵而 不断迁移至含水层底部，因此含水层底部初咸淡水交界面处采集的电阻率数据 会有明显的差异，同样地下水位变动处，也存在着淡水饱和土与淡水非饱和土 电阻率差异的界面，盐渍化位置存在着含盐量为0.3％这样一个界限值，因此测 量海水饱和土壤、淡水饱和土壤，以及含盐量为0.3％的土壤的电阻率，分别作 为电阻率测量装置底部判断海水入侵，中部判断地下水位以及上部判断土壤盐 渍化的标准。

步骤3中，将尼龙模块进行插接，每两个尼龙模块对接缝内夹一个铜电极 环，每个铜电极环引出导线从尼龙模块组成的管内通过与中央控制单元连接， 管内可以插有1或2根承力轴，再将管内浇注硫化橡胶，形成电阻率测量装置， 在其下部插接锥头，在其上部插接采集发射装置形成现场采集发射装置。

上述尼龙模块的数量、高度与内外直径可分别在5～201个、5～100mm、 20～60mm和30～70mm范围内选取；尼龙模块可以通过模具采用尼龙浇注的 方法制作。上述铜电极环厚度为0.5mm；外径31～71mm，需略大于尼龙模块 的外径以便使铜电极环露出；内径27～67mm，需大于尼龙模块的内径从而可 以夹在两个尼龙模块对接缝内。

步骤4中，根据步骤1中调查的样点情况垂直贯入相应数量的电阻率测量 装置，其中贯入方式为液压贯入。

步骤5中，采集参数包括采集频率和铜电极环测量的起始位置，并根据样 点的地质条件将电阻率测量装置的底部、中部和上部设置成分别作为海水入侵、 地下水位以及土壤盐渍化的监测预警位置，启动实时自动监测之后，电阻率测 量装置开始实时连续采集土壤电阻率。

监测位置的设定是根据样点的地质条件而定，海水入侵的监测位置设置在 淡水含水层底部，地下水位设置在含水层区域内，土壤盐渍化监测位置设置在 土壤表层位置。

步骤7中，上位机动态同步监测海水入侵、地下水位、土壤盐渍化的发生 过程是根据三者发生的位置不同且各自监测阈值不同。

当开始发生海水入侵且侵入到含水层底部时，电阻率测量装置的底部位置 处于咸淡水交界面楔形体运移的范围内，因此当该监测位置到达其预警阈值即 海水饱和时，上位机首先发出在此处出现海水入侵的警报。

地下水位变化一般在含水层范围内变动，地下水位处的土壤下部为淡水饱 和土，上部为非饱和土，两者的电阻率存在差异，所以当地下水位变动时，电 阻率测量装置中部的电阻率数据会存在一个突变值，这个突变值会随着地下水 位的变动而出现在电阻率测量装置中部的不同位置，当电阻率测量装置中部有 铜电极环出现了达到淡水饱和土的电阻率值的阈值而产生电阻率突变时，上位 机根据该铜电极环的深度判断地下水位的实时位置。

土壤盐渍化指盐分在土壤表层积聚，当电阻率测量装置上部周围土壤发生 盐渍化时，此处土壤为含盐量超过0.3％的土，所以当电阻率测量装置上部有铜 电极环监测到超过其预警阈值的电阻率值时，上位机发出土壤盐渍化预警。

本发明可以根据样点的具体情况设置模块与铜电极环个数来改变电阻率测 量装置的长度，从而降低监测成本。通过设置监测起始时间、位置和监测时间 间隔实现了监测过程的自动化。采集发射装置将原位的电阻率实时变化传输至 客户端，实现远程原位监测。本发明采用插接式模块连续四电极方法可以垂直 向连续测量地表下0～20m内土壤电阻率的实时变化从而连续监测土壤中的水盐 分布，由于海水入侵、地下水位的变动、土壤盐渍化发生在不同的深度因此可 以同步监测三者的发生。土壤水盐含量与土壤电阻率具有良好相关关系，因而 监测结果具有准确性。本套监测系统和方法的远程、原位、同步、实时、自动、 准确的特点为监测预警海水入侵-地下水位-土壤盐渍化提供了有力的依据。

附图说明

图1本发明的电阻率测量装置与采集发射装置的结构示意图。

图2本发明的监测系统的总体结构示意图。

图3本发明的两个尼龙模块及其之间的铜电极环的分解结构示意图。

图4本发明的尼龙模块的俯视图(图中含有承力轴)。

图5本发明的数据采集过程流程图。

图6本发明的数据接收程序流程图。

图7本发明的电阻率测量装置底部电阻率实时变化曲线。

图8本发明的电阻率测量装置中部电阻率实时变化曲线。

图9本发明的电阻率测量装置上部电阻率实时变化曲线

其中，1.锥头，2.铜电极环，3.尼龙模块，4.导线，5中央控制单元，6.GPRS 模块，7.发射天线，8.承力轴，9.电阻率测量装置，10.采集发射装置，11.信号接 收器，12.上位机

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的监测系统包括带有信号接收器11的上位机12， 和底部与顶部分别设有锥头1和采集发射装置10的电阻率测量装置9；所述的 电阻率测量装置9包括至少5个中空的可插拔的圆筒状尼龙模块3和夹在相邻 两个尼龙模块3对接缝内的铜电极环2；所述的采集发射装置10包括通过导线 4与每个铜电极环2连接的内含控制程序的中央控制单元5，和与中央控制单元 5相连的带有发射天线7的GPRS模块6。

上述电阻率测量装置9由5～201个中空的可插拔的尼龙模块3和夹在相邻 两个尼龙模块3的对接缝内的铜电极环2插接而成，如图3所示。尼龙模块3 的高度与内外直径可分别在5～100mm、20～60mm和30～70mm范围内选取； 尼龙模块3可以通过模具采用尼龙浇注的方法制作。

为了保证电极之间的间距一致，使测量位置与高程的换算更加方便，每个 铜电极环2的厚度相同，为0.5～1mm；外径31～71mm，需略大于尼龙模块的 外径以便使电极环露出；内径27～67mm，需大于尼龙模块的内径从而可以夹 在两个尼龙模块对接缝内。

为了便于组装并有利于贯入，如图4所示，上述可插拔的尼龙模块3可以 套置在1根或2根承力轴8上，承力轴8表面可以带有螺纹，且管腔内浇筑有 硫化橡胶，而使尼龙模块3、铜电极环2以及导线4成为整体。

GPRS模块6是在900MHz/1800MHz网络环境下的，发射天线7为GSM 天线。

所述的作为远程接收分析装置的上位机12内含客户端服务程序。

一种利用上述监测系统实时监测海水入侵-地下水位-土壤盐渍化的方法，包 括以下步骤：(1)对滨海地区进行风险勘查评估，选取样点；

(2)对上述样点取土样，测定该土样在海水饱和、淡水饱和以及含盐量为 0.3％时的电阻率，分别作为电阻率测量装置底部、中部和上部的监测预警阈值；

(3)将尼龙模块进行插接，每两个尼龙模块对接缝内夹一个铜电极环，每 个铜电极环引出导线从尼龙模块组成的管内通过与中央控制单元连接，管内可 以插有1或2根承力轴，再将管内浇注硫化橡胶，形成电阻率测量装置，在其 下部插接锥头，在其上部插接采集发射装置形成现场采集发射装置。

上述尼龙模块的数量、高度与内外直径可分别在5～201个、5～100mm、 20～60mm和30～70mm范围内选取；尼龙模块可以通过模具采用尼龙浇注的 方法制作。上述铜电极环厚度为0.5mm；外径31～71mm，需略大于尼龙模块 的外径以便使电极环露出；内径27～67mm，需大于尼龙模块的内径从而可以 夹在两个尼龙模块对接缝内。

(4)根据步骤1中调查的样点情况垂直贯入相应数量的电阻率测量装置， 其中贯入方式为液压贯入。

(5)通过上位机客户端服务程序设置采集参数，包括采集频率和电极环的 起始位置，并启动实时自动监测；并根据样点的地质条件设置电阻率测量装置 的底部、中部和上部分别作为海水入侵、地下水位以及土壤盐渍化的监测预警 位置，启动实时自动监测之后，电阻率测量装置开始实时连续采集土壤电阻率。

电阻率测量装置的三个监测位置的设定可根据样点的地质条件而定，装置 在淡水含水层区域内的部分设置为地下水位的监测位置；装置在淡水含水层底 部的部分设置为海水入侵的监测位置，装置在土壤表层的部分设置为土壤盐渍 化监测位置；通常可以根据地下水位即淡水含水层的深度确定电阻率测量装置 中部的长度，即使两者长度相等，并根据该长度确定电阻率测量装置中部有多 少个铜电极环参与监测地下水位，剩余的上下两部分的铜电极环则分别用于监 测土壤盐渍化和海水入侵，其中用于监测土壤盐渍化的电阻率测量装置上部的 长度可根据土壤表层至含水层的深度来确定；也可以直接将上中下各三分之一 的铜电极环分别用于监测土壤盐渍化、地下水位以及海水入侵。

(6)通过GPRS模块将电阻率信号实时传至上位机；

(7)上位机经信号接收器接收原位传输的实时电阻率信号，客户端服务程 序根据电阻率测量装置底部、中部和上部预设的预警阈值，在发生海水入侵， 地下水位变动时以及盐渍化时自动监测报警。

根据图1电阻率测量装置测量电阻率的原理如下：

一组Wenner装置由相邻的四个电极组成，分别称为A、M、N、B极，其 中A、B为供电电极，M、N为测量电极，测量M、N电极之间的介质导电性， 计算电阻率ρ如公式(1)、(2)所示。当一组Wenner装置采集完毕后，向上依 次滚动测量。

$\rho =K·\frac{{\mathrm{\Delta U}}_{\mathrm{MN}}}{I}---\left(1\right)$

$K=\pi ·\frac{\mathrm{AM}·\mathrm{AN}}{\mathrm{MN}}---\left(2\right)$

式中，K为装置系数，ΔU_MN为测量电极间的电压，I为供电电极间的电流 强度，ρ为介质的视电阻率值，AM、AN、MN分别为对应电极间的距离。

采集发射装置9的数据采集过程如图5所示，首先由上位机12通过初始化 端口设置采集初始参数，设定起始时间，起始位置等，将数据采集模块以及发 射模块初始化，当到达起始时间后，电阻率测量装置9从起始位置开始采集， 采集过程不断切换电极，依次向上连续循环采集。采集到的实时数据通过采集 发射装置10传输至远程接收分析装置。当到达采集结束时间时采集停止。

远程接收分析装置的接收器工作流程如图6所示。接收器与上位机12间采 用RS232接口连接，接收的数据信号传入上位机进行储存，然后采用上位机12 客户端服务程序将垂向的电阻率值绘制成一定深度的电阻率变化曲线予以显 示，当电阻率测量装置9不同位置的监测数据超过监测预警阈值时，系统自动 报警。

实施例

以黄河三角洲为例，该地区存在普遍的海水入侵、地下水位、土壤盐渍化 现象。首先进行风险勘查评估，选取为样点。现场取样，测量其土壤在海水饱 和时电阻率为0.28Ω·m，在淡水饱和时电阻率为42.4Ω·m，盐度为0.3％时电 阻率为3.35Ω·m，将此分别作为海水入侵，地下水位和土壤盐渍化的监测预警 的阈值。根据样点的地质条件(地下水埋深约0.8m，含水层厚度为1m)，设计 电阻率测量装置9长度为2m。制备外径为50mm，内径为40mm，高度为20mm 的圆环柱形的模具，采用尼龙浇筑形成尼龙模块3，锻造外径为51mm，内径 47mm，厚度为0.5mm的铜电极环2。选择101个尼龙模块3插接组成探杆，100 个铜电极环2均匀安装在尼龙模块3之间，采用硫化橡胶密封，电阻率测量装 置9上部安装采集发射装置10与铜电极环2通过导线4联接，将电阻率测量装 置9垂直贯入土壤中，埋深2m。由于相邻的四个电极构成一组Wenner装置，则 100个电极环构成97个电极组，设电阻率测量装置下部30个电极组用于海水 入侵监测，中部40个电极组用于地下水位监测，上部27个电极组用于土壤盐 渍化监测，设置监测开始时间为10min后，监测起始位置为电阻率测量装置9 底部第一个铜电极环2，每两轮监测时间间隔为1min，启动监测服务。监测开 始后，从电阻率测量装置9底部第一个铜电极环2依次向上采集土壤电阻率， 并将采集存储的数据通过采集发射装置10实时传输至远程接收分析装置。

在此过程中，通过注入海水模拟海水入侵，调节地下水位变动，在蒸发条 件下模拟土壤盐渍化，远程接收分析装置实时监控电阻率测量装置9不同位置 的电阻率变化，从图7、8、9可见：

1.当开始发生海水入侵时，电阻率测量装置底部监测位置处的电极测量的 电阻率出现快速降低阶段，海水入侵达到最大量后电阻率变化趋于平缓，达到 底部海水入侵阈值0.28Ω·m，系统报警。

2.随着水位不断变动，电阻率测量装置的阈值设为42.4Ω·m的中部位置监 测到水位上下变动。其中电阻率测量值为42.4Ω·m的铜电极环处为水位位置， 水位位置以上是包气带，由此可以判断出地下水位。

3.伴随着水分的蒸发，盐分不断在土壤表层积聚，电阻率测量装置上部监 测位置处的电极测量的电阻率达到土壤盐渍化预警阈值3.35Ω·m，系统报警， 并且可以根据电阻率与含盐量的相关关系判断盐渍化发生的程度。