[发明专利]一种用于泉水保护的地下水流场信息化模拟系统

权利要求书

1.一种用于泉水保护的地下水流场信息化模拟系统，其特征在于：所述地下水流场信息化模拟系统包括：

水蒸发模拟模块，用于模拟泉水吸热蒸发的过程，所述水蒸发模拟模块的输出端连接水蒸发速率检测模块的输入端和水蒸气流动模拟模块的输入端；

水蒸气流动模拟模块，用于模拟水蒸气漂浮流动的过程，所述水蒸气流动模拟模块的输出端连接第一流动速率检测模块的输入端和大气降水模拟模块的输入端；

顺岩层流动模拟模块，用于模拟雨水沿着顺岩层流动的过程，所述顺岩层流动模拟模块的输出端连接第二流动速率检测模块的输入端和碰撞岩体模拟模块的输入端；

大气降水模拟模块，用于模拟水蒸气遇冷生成雨水的过程，所述大气降水模拟模块的输出端连接降水速率检测模块的输入端和地下渗漏模拟模块的输入端；

地下渗漏模拟模块，用于模拟雨水渗漏到地下的过程，所述地下渗漏模拟模块的输出端连接渗漏速率检测模块的输入端；

碰撞岩体模拟模块，用于模拟雨水在顺岩层流动时遇岩体阻挡的过程，所述碰撞岩体模拟模块的输出端连接碰撞压强检测模块的输入端和泉水模拟模块的输入端；

泉水模拟模块，用于模拟泉水喷涌的过程，所述泉水模拟模块的输出端连接喷涌速率检测模块的输入端；

水蒸发速率检测模块，用于检测水蒸发模拟模块中水蒸发的速率，所述水蒸发速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端；

流动速率检测模块，用于检测水蒸气流动模拟模块中水蒸气流动的速率，所述流动速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端；

降水速率检测模块，用于检测大气降水模拟模块中降水的速率，所述降水速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端；

渗漏速率检测模块，用于检测地下渗漏模拟模块中水渗漏到地下的速率，所述渗漏速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端；

碰撞压强检测模块，用于检测碰撞岩体模拟模块中岩石受到水碰撞时的压强，所述渗漏速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端；

喷涌速率检测模块，用于检测泉水模拟模块中水喷涌的速率，所述喷涌速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端；

所述水蒸发速率检测模块包含超声波换能器的输入端连接单脉冲发射电路的输出端，单脉冲发射电路的输入端连接单片机电路的输出端，超声波换能器的输出端连接可控增益放大电路的输入端，可控增益放大电路的输出端连接单片机电路的输入端，水液位检测原理为：

设水位高度为G，水中超声波传播速度为C，两次回波的间隔时间为t，则有

G=Ct/2 （1）

超声波发射频率影响接收信号的强度，以下方法计算出最优的发射频率：

设入射角为₁，接收角为₂，K₁，K₂为特性阻抗，反射系数K为：

（2）

透射系数E为

（3）

设第一层介质的入射声压为，第一层介质的反射声压为，声波在第i层介质的声速为，声波在第i层介质的密度为，第i层介质特性阻抗为：K_i= * ，波数为Mi，第i层介质厚度为H_i，透射到液体内部的声压幅值为P_nt，由声波在声波介质中的声波解和在介质分界面的边界条件得出传输矩阵公式

（4）

设为声波从第一层介质到第n层介质的传输矩阵的第一行第一列元素，为声波反射回来从第n层介质到第一层介质的传输矩阵的第一行第一列元素，则：

（5）

总的回波透射系数为：

（6）

根据选取合适的超声波发射频率；所述流动速率检测模块包括激光器电路输出端连接稳压恒流驱动电路的输入端，稳压恒流驱动电路的输出端连接调制及智能控制电路的输入端，光电转换电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接整形电路的输入端，放大电路的输出端连接单片机电路的输入端，采用的算法为：

假设单片机AD采样信号为X（m），长度为N，m，的DFT为：

（7）

由，得：

（8）

定义函数：

（9）

（10）

式中为输入的N点序列，为滤波器冲激响应序列，通过Z变换得：

（11）

将（11）分母分子同乘得二阶IIR滤波器的传递函数为：

（12）

二阶IIR滤波器的迭代公式为：

（13）

该算法使计算效率提高；所述降水速率检测模块包含发射天线的输入端连接雷达收发前端电路的输出端，接收天线的输出端连接雷达收发前端电路的输入端，雷达收发前端电路的输出端连接AD转换电路的输入端，AD转换电路的输出端连接单片机电路的输入端，雷达收发前端电路的输入端连接控制电路的输出端，控制电路的输入端连接单片机电路的输出端，计算方法为：

雷达发射微波的频率为，接收微波的频率为，光速为，降水速率为：

（14）

根据降水速率计算降水量；所述渗漏速率检测模块包含电阻应变式传感器的输出端连接差动放大电路的输入端，差动放大电路的输出端连接AD转换电路的输入端，AD转换电路的输出端连接单片机电路的输入，计算方法为：

地下水初始重量为，过时间后地下水重量为，渗漏速率为：

（15）；

所述碰撞压强检测模块包含气压传感器电路的输出端连接信号放大电路的输入端，信号放大电路的输出端连接AD转换电路的输入端，AD转换电路的输出端连接单片机电路的输入端；

所述流动速率检测模块包含光电转换电路的输出端连接整形放大电路的输入端，整形放大电路的输出端连接频率测量电路的输入端，计算方法为：

实验测得水流动使叶片转一圈的速度为，频率测量电路测得的频率为，计算水流速为：

（16）

根据水流速可计算水流量；

所述喷涌速率检测模块包含超声波发射头电路的输入端连接三极管放大电路的输出端，三极管电路的输入端连接单片机电路的输出端，接收电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接单片机电路的输入端，计算方法为：

理想液体的伯努利方程为：

（17）式中为总水头，、为断面高度，、为侧压高度，、水流实际速度；

由于摩擦阻力实际液体伯努利方程为

（18）

为单位流体沿程水头损失；

水头高度为，

（19）

采用达西-韦斯巴诃公式计算，

（20）

涌水量计算公式为：

（21）

为孔深，D为孔径。