CN102288646A

CN102288646A - 一种海水中泥沙浓度垂向分布的原位自动监测方法及系统

Info

Publication number: CN102288646A
Application number: CN 201110125600
Authority: CN
Inventors: 贾永刚; 张颖; 单红仙
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明涉及一种海水中泥沙浓度垂向分布的原位自动监测方法及系统，所述的监测方法的步骤如下：1)首先建立悬沙浓度与电导率值对应关系的标准曲线，2)然后通过电阻率探杆测定出海水中泥沙浓度垂向上各点对应的电阻率值，并根据1)中建立的标准曲线得到相对应的泥沙浓度值，其中电阻率探杆的电极间距1.5cm。所述的系统包括有电源、中央控制单元、电阻率探杆、数字信号采集器、还包括有存储器、GPRS以及数据处理模块，其特征在于电阻率探杆的电极间距为1.5cm。本发明利用电阻率探杆来监测海水中泥沙浓度垂向分布，所用到的电阻率探杆能够在任何海况下进行泥沙浓度的连续、实时监测，并且对高低浓度的悬浮泥沙测量效果都较好。

Description

一种海水中泥沙浓度垂向分布的原位自动监测方法及系统

技术领域

本发明涉及海洋测量技术领域，特别涉及一种海水中泥沙浓度垂向分布的原位自动监测方法及系统。

背景技术

悬沙的分布、扩散、沉降影响了河口海岸带的水质、地貌和生态环境等，所以悬沙浓度的研究对海岸工程、港口及航道的建设等具有重要的意义。目前，测量悬浮泥沙浓度的方法很多，主要包括过滤称量法、声学方法、光学法和卫星遥感法等。过滤称量法得到的悬浮泥沙浓度数据精度高，但是费时、费力，数据零散，只能在正常海况下进行测量。声学方法能在不干扰水体的情况下，实时、连续的获得悬沙浓度剖面的时间序列，不足之处是浓度过高或过低都会造成误差过大。光学仪器都便于携带，使用方便灵活，性能也都比较稳定，数据较为准确可靠，但它的测定范围受到很大地限制，如OBS只能测量探头所在位置的泥沙浓度，激光测沙仪只能进行低浓度点、线泥沙含量的探测，而且造价昂贵。卫星遥感法对高、低浓度泥沙含量的探测效果都比较好，观测周期短、时间频率高，能够从宏观上反映一个水体区域的泥沙浓度分布，不足之处是光谱反射率对大气很敏感，一些海区所用的大气校正模块对其它海区明显不适用，并且，所得图像不能反映垂直方向上的悬沙浓度分布。因此，急需发展出一种更稳定、便捷的泥沙浓度垂向分布测定方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种海水中泥沙浓度垂向分布的原位自动监测方法及系统，即提供一种利用电阻率来测定泥沙浓度的方法，能够在正常海况和极端海况下均可实施连续、实时监测泥沙浓度垂向分布，以弥补现有技术的不足。

本方法的原理是在海水的盐度和温度等条件一定的情况下，海水中泥沙含量与电导率存在线性关系，通过采集、分析海水的电导率值，分析得到电导率的变化规律，根据不同位置电极的数据从而得出泥沙浓度在垂向上的分布规律。

本发明海水中泥沙浓度垂向分布监测方法的步骤如下：

1)首先建立悬沙浓度与电导率值对应关系的标准曲线，

其公式为：

c_{sa} = \frac{γ_{mi} - γ_{sw} (s, t)}{f (s, t)}

公式中γ_mi是所测悬沙的电导率；γ_sw是海水的电导率mS/cm；c_sa是泥沙含量g/L；f(s，t)是盐度s和温度t的函数；

2)然后通过电阻率探杆测定出海水中泥沙浓度垂向上各电极点对应的电导率值，并根据1)中建立的标准曲线得到相对应的泥沙浓度值，从而确定海水中垂向分布的泥沙浓度。

其中电阻率探杆的电极间距为0.5-2cm。

所述的电阻率探杆与中国实用新型专利200820233386.0中的所描述的电阻率检测装置的结构基本相同，本发明是对电阻率探杆的电极间距进行选择，本发明电极间距优选为1.5cm，确定测量值最准确的电极间距来进行现场泥沙浓度的测定。

本发明的另一方面涉及海水中泥沙浓度原位自动监测系统，包括有为整个系统供电的电源、控制监测系统工作状态的中央控制单元，以及收集电阻率探杆所探测的电阻值的数字信号采集器，还包括有现场存储数据的存储器，以及把数据传送给远程的数据处理模块的GPRS，其特征在于电阻率探杆的电极间距为1.5cm。

所述的电源为太阳能电池板，可以安装在浮球上。

本发明的方法利用电阻率探杆来监测海水中泥沙浓度垂向分布，所用到的电阻率探杆能够在任何海况下进行泥沙浓度的连续、实时监测，并且对高低浓度的悬浮泥沙测量效果都较好。并且本发明确定的探杆的电极间距保证了测量上的准确性。

附图说明

图1：本发明的原位监测系统的示意图。

具体实施方式

本发明实施方式提供了一种海水中泥沙浓度垂向分布的原位自动监测方法，该方法的实施步骤包括：

步骤1、建立悬沙浓度与电导率对应关系的标准曲线；

该步骤中的室内模拟实验的具体方法如下：

步骤1A、将监测海岸的沙样经洗盐处理后，置于电热鼓风干燥器中在105℃下烘干；

步骤1B、将该烘干的沙样用取自该海区的海水或用海水素配置成的与该海区盐度相同的海水配成不同浓度的悬沙样；

步骤1C、用电阻率探杆监测不同浓度的悬沙样在不同温度下的电导率；

步骤1D、根据得出的实验数据，先行拟合建立电导率与泥沙含量之间的关系式：采用MATLAB软件对一定盐度、温度范围内的所有实验数据进行多元线性回归分析，得电导率与悬浮泥沙浓度的计算公式如下：

其公式为：

c_{sa} = \frac{γ_{mi} - γ_{sw} (s, t)}{f (s, t)}

式中γ_mi是所测悬沙的电导率；γ_sw是海水的电导率(mS/cm)；c_sa是泥沙含量(g/L)；f(s，t)是盐度s和温度t的函数。

步骤2、通过电阻率探杆测定出海水中泥沙浓度垂向上各点对应的电导率，并根据建立的标准曲线得到海水中的泥沙浓度值。

实现该步骤的方法为，预先设置好电阻率探杆装置的参数，包括采集频率、开始采集时间、结束采集时间，同时记录电阻率探杆的长度和第一个电极的位置。在选定的监测地点或站位将连接好的测试系统安置妥当，同时在距电阻率探杆10-20cm处安置温度传感器(每隔20cm深度上安置一个)，通过电阻率探杆测出沿探杆不同水深处的电导率，将电导率带入建立的标准曲线关系式，转换为对应点的泥沙浓度，将每个电极的泥沙浓度依次记录下，就获得了海水中泥沙浓度垂向分布的数据。

本发明所述的电阻率探杆的构造同中国实用新型专利200820233386.0所描述的电阻率探杆类似，并对电极间距进行了选择。本发明所用的电阻率探杆的长度可以根据实际需要进行选择，它可以用于测定垂向上不同深度的悬沙浓度对应的电导率。

本发明原位监测系统如图1所示，本发明的监测系统包括有为整个系统供电的电源、控制监测系统工作状态的中央控制单元，以及收集电阻率探杆所探测的电阻值的数字信号采集器，其特征在于，还包括有现场存储数据的存储器，以及把数据传送给远程的数据处理模块的GPRS，其中电阻率探杆的电极间距为1.5cm。系统中的各个部件为市售产品，按常规方法组装而成。

所述的电源为太阳能电池板，可以安装在浮球上。

整个系统在中央控制单元的控制下，电阻率探杆采集的数据通过数字信号采集器处理后，直接存入存储器，存储器可以为USB存储器。另外，电阻率探杆经过中央控制单元可将采集的数据直接传送到GPRS上，GPRS把数据信号即时的发送到远程的数据处理模块，数据处理模块可以是微机，能够将所采集的电阻率值按标准曲线公式换算为泥沙浓度。

实施例1标准曲线的建立以及电极间距的筛选

将取自青岛石老人海水浴场的沙洋经洗盐处理后，置于电热鼓风干燥器中在105℃下烘干，将该烘干的沙样用取自该海区的海水在水槽中配成不同浓度的悬沙样，海水盐度为31.9‰，依次将电极间距分别为0.5cm、1cm、1.5cm、2cm的电阻率探杆垂直固定于水槽中，开始电导率值的测定，同时，用悬浮泥沙取样器采集对应探杆一定位置的悬沙样于50ml悬沙取样管中，将离心管中的悬沙样转入已经称重且烘干的小烧杯中，将小烧杯放入烘箱里烘干后称其重量，得到实际的泥沙浓度值。在整个测定过程中悬沙样的温度为28℃左右，波动范围很小，可以认为是一恒定值。

将得到的实际泥沙浓度与对应电导率数据建立曲线图和标准曲线，利用excel进行数学方程关系系数的数值拟合，根据相关系数，选择最优电极间距。

不同电极间距探杆测得的电导率与实测悬浮泥沙浓度数据分别见表1-4。

表1电极间距0.5cm探杆电导率(γ_mi)～悬浮泥沙浓度(c_sa)关系系数确定表

悬浮泥沙浓度/g*L^-1	315.96	246.7	220.62	210.31	203.41	193.52	163.10
								电导率/mS*cm^-1	36.9	38.61	41.8	42.13	43.29	45.81	47.53
悬浮泥沙浓度/g*L^-1	135.21	119.36	102.4	76.21	48.39	42.92	19.64
								电导率/mS*cm^-1	48.95	49.26	48.52	50.80	51.23	50.06	51.85

由上表可得探杆电导率(γ_mi)与悬浮泥沙浓度(c_sa)关系式：

γ_mi＝-0.0533c_sa+54.212，R²＝0.909

表2电极间距1cm探杆电导率(γ_mi)～悬浮泥沙浓度(c_sa)关系系数确定表

悬浮泥沙浓度/g*L^-1	324.85	238.62	213.52	216.31	205.46	182.89	173.24
								电导率/mS*cm^-1	35.49	39.11	42.64	43.89	45.92	46.03	47.98
悬浮泥沙浓度/g*L^-1	144.18	117.35	112.2	69.73	44.32	38.51	15.67
								电导率/mS*cm^-1	48.53	49.22	50.87	51.85	51.46	50.32	52.34

由上表可得探杆电导率(γ_mi)与悬浮泥沙浓度(c_sa)关系式：

γ_mi＝-0.0532c_sa+54.807，R²＝0.874

表3电极间距1.5cm探杆电导率(γ_mi)～悬浮泥沙浓度(c_sa)关系系数确定表

悬浮泥沙浓度/g*L^-1	373.16	249.67	226.69	213.7	199.86	187.82	159.53
								电导率/mS*cm^-1	34.14	39.37	43.07	42.64	44.39	46.31	48.41
悬浮泥沙浓度/g*L^-1	139.66	123.31	114.92	65.84	50.72	40.53	18.97
								电导率/mS*cm^-1	48.79	49.3	50.93	51.21	51.36	51.49	52.41

由上表可得探杆电导率(γ_mi)与悬浮泥沙浓度(c_sa)关系式：

γ_mi＝-0.0538c_sa+55.019，R²＝0.935

表4电极间距2cm探杆电导率(γ_mi)～悬浮泥沙浓度(c_sa)关系系数确定表

悬浮泥沙浓度/g*L^-1	351.29	245.34	219.36	208.73	200.19	185.15	164.71
								电导率/mS*cm^-1	34.67	38.74	43.39	43.58	45.71	46.26	48.11
悬浮泥沙浓度/g*L^-1	143.91	123.83	108.56	73.69	48.27	37.09	15.67
								电导率/mS*cm^-1	48.67	49.25	50.97	51.24	50.99	50.76	52.29

由上表可得探杆电导率(γ_mi)与悬浮泥沙浓度(c_sa)关系式：

γ_mi＝-0.0529c_sa+54.798，R²＝0.898

通过以上实验数据以及其他的实验操作，我们发现电极间距1.5cm的探杆测定的电导率与悬浮泥沙浓度的相关性最好，同实际的悬浮泥沙浓度最接近，而大于或小于1.5cm的电极间距都产生了测量上的偏差，所以用1.5cm电极间距的电阻率探杆进行测量。

由于测定各组数据的过程中温度、盐度基本上不发生变化，所以影响可以忽略，表1-4建立的电导率公式是利用excel进行数值拟合得到的。

实施例2原位监测系统的应用

在青岛第一海水浴场岸滩进行了现场试验，在低潮时将整个监测系统固定于监测点，电极间距1.5cm的电阻率探杆垂直固定于三脚架上，涨潮时，探杆开始数据的采集，在距探杆5-10cm附近。同时用传统的六点法分别在相对水深1.0、0.8、0.6、0.4、0.2及0.0m处利用采集器采集含沙水样，带回实验室测定悬沙浓度，建立标准曲线，具体方法见实例1。该海区盐度为32.1‰，海水温度为25.1℃，整个测定过程中，温度基本保持恒定。而后通过中央控制单元将所采集的数据远程传递给数据处理模块，根据温度参数选择标准曲线进行悬浮泥沙浓度换算。

探杆测得的电导率与实测悬浮泥沙浓度数据见表5。

表5探杆电导率(γ_mi)～悬浮泥沙浓度(c_sa)关系现场测定检验表

由上表可得探杆电导率(γ_mi)与悬浮泥沙浓度(c_sa)关系式：

γ_mi＝-0.0573c_sa+53.406 R²＝0.913

可以看出电极间距为1.5cm的探杆在现场监测所测的的数据与用过滤称量法获得的海水中泥沙浓度垂向分布结果相一致。

Claims

1.一种海水中泥沙浓度垂向分布的原位自动监测方法，其特征在于，监测方法的步骤如下：

1)首先建立悬沙浓度与电导率值对应关系的标准曲线，

其公式为：

c_{sa} = \frac{γ_{mi} - γ_{sw} (s, t)}{f (s, t)}

公式中γ_mi是悬沙的电导率；γ_sw是海水的电导率mS/cm；c_sa是泥沙含量g/L；f(s，t)是盐度s和温度t的函数；

2)然后通过电阻率探杆测定出海水中泥沙浓度垂向上各电极点对应的电阻率值，并根据1)中建立的标准曲线得到相对应的泥沙浓度值，从而确定海水中垂向分布的泥沙浓度。

2.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于上述的电阻率探杆的电极间距为0.5-2cm。

3.如权利要求2所述的监测方法，其特征在于上述电阻率探杆的电极间距为1.5cm。

4.一种海水中泥沙浓度原位自动监测系统，包括有为整个系统供电的电源、控制监测系统工作状态的中央控制单元，以及收集电阻率探杆所探测的电阻值的数字信号采集器，还包括有现场存储数据的存储器，以及把数据传送给远程的数据处理模块的GPRS，其特征在于电阻率探杆的电极间距为1.5cm。

5.如权利要求4所述的自动监测系统，其特征在于上述的电源为太阳能电池板。