CN103389363B - 一种船载走航式水环境参数测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船载走航式水环境参数测量系统及方法，包括进样模块1、流量测量模块2、测量仓3、水样测量模块4、控保模块5、GPS模块6、供电模块7、数据处理与显示系统8；测量仓3的顶端和底部分别设置有溢流口9和排废口10，排废口处设置有排废阀门11。本发明中的数据处理与显示系统8能够利用GPS模块6和流量测量模块2获取的数据实时计算进样流速，进而得到精确的航迹数据，实现水体空间信息的高效实时测量。本发明操作简便，测量精度高，具有较好的通用性与可扩展性。

Description

一种船载走航式水环境参数测量系统及方法

技术领域

本发明涉及水体测量技术领域，特别涉及一种船载走航式水环境参数测量系统及方法。

背景技术

近年来，我国湖泊面临着面积萎缩、水质恶化、生态环境遭受严重破坏、功能和效益不断下降等一系列问题，表明了我国经济高速增长所累积的水生态环境问题已开始进入集中暴发的高发期。湖泊水环境的快速监测与保护已经成为维护湖泊功能可持续利用的重要需求。对水环境参数的快速测量是监测与保护水环境的必要条件。

目前，受到关注的水环境参数主要包括水体悬浮泥沙浓度、叶绿素浓度、总有机碳含量（TOC，Total organic carbon）、溶解有机碳含量（DOC，Dissolvedorganic carbon）、溶解有机质含量（CDOM，Colored Dissolved Organic Matter）生化需氧量（BOD，Biochemical Oxygen Demand）、化学需氧量（COD，ChemicalOxygen Demand）等，此外，由于遥感技术在水环境参数监测中影响力与作用力不断增加，水体光学参数如水体总吸收系数，颗粒物后向散射系数等，也可以用来描述水环境特征，同时也为利用遥感技术快速监测水环境参数提供理论与数据支撑。

长期以来水环境参数测量方法主要有采样实验室测量、定点原位测量两种。近年来，也有少量基于光学原理的定点原位测量设备具备自寄式测量功能，可采用拖拽式走航测量方式。上述三种测量方式存在以下问题：

1、采样实验室测量与定点原位测量方式存在测量范围有限，样品空间代表性不足、无法实时反映自然水体水环境参数特征，测量效率不高等问题。

2、拖曳式走航测量方式，受到风浪、拖曳缆绳长度等因素的影响，导致走航剖面上水体参数结果不在水平面；此外，船舶动力对水体的扰动，也会导致测量水体区域中存在大量气泡，干扰了设备光路的传输，导致测量结果出现误差。此外，拖曳式测量中，由于船舶速度与设备采样频率匹配等问题没有得到很好的解决，容易出现采样数据空间位置难以还原，采样空间分辨率无法界定等问题，难以满足水环境调查等科研和业务应用领域的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种船载走航式水环境参数测量系统及方法，以充分提高水环境参数测量效率，提高走航观测水环境测量精度。

本发明采用如下技术方案：

一种船载走航式水环境参数测量系统，包括进样模块1、流量测量模块2、测量仓3、水样测量模块4、控保模块5、GPS模块6、供电模块7、数据处理与显示系统8；测量仓3的顶端和底部分别设置有溢流口9和排废口10，排废口处设置有排废阀门11；进样模块1、流量测量模块2、测量仓3依次连接；水样测量模块4设置在测量仓3内；控保模块5分别与进样模块1、流量测量模块2、水样测量模块4、供电模块7、数据处理与显示系统8连接；GPS模块6与数据处理与显示系统8连接。

所述的测量仓3包括颗粒物测量仓和溶解质测量仓；水样测量模块4包括颗粒物测量模块和溶解质测量模块；颗粒物测量模块设置在颗粒物测量仓内，溶解质测量模块设置在溶解质测量仓内。

一种利用上述系统进行水环境参数测量的方法，包括以下步骤：

步骤1、在数据处理与显示系统8端，发送指令以检测控保模块5和GPS模块6的供电与通讯状态；

步骤2、确认供电通讯正常后，在数据处理与显示系统8端对控保模块5和GPS模块6进行参数预设，预设参数包括水样测量模块4的采样频率f_M、GPS模块6的采样频率f_G，测量仓3的预设水位；

步骤3、在数据处理与显示系统8端，发送指令至控保模块5，依次启动进样模块1、流量测量模块2；

步骤4、流量测量模块2在启动时刻获取第一组流量数据，经控保模块5返回至数据处理与显示系统8，计算第t₀组数据返回至数据处理与显示系统8时刻测量仓3的水样体积V，并计算测量仓3水位H；

测量仓水样体积V与测量仓水位H如下：

$V=\underset{t=1}{\overset{t_0}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t*(1/f_w)$

H=(V-L)/S；

其中，S为测量仓3底面积，L为进样模块1入水口至测量仓3入水口直接的管道容积，f_w为流量测量模块2的测量频率，v_t为第t组流量数据，单位为升/秒；

步骤5、当测量仓3的水位H达到水样测量模块4的工作水位H₀后，即H=H₀时，数据处理与显示系统8发出指令，提示控保模块5调节进样模块1中的水泵流量和测量仓底部的排废阀门11，使H始终等于H₀，待水位稳定后，数据处理与显示系统8发送指令至水样测量模块4和GPS模块6，开始进行水样测量，归零流量测量模块2的计数时间，使其与GPS模块6、水样测量模块4的启动时间一致；

步骤6、在水样测量过程中，实时监测测量仓3的水位，当H超出H₀2cm以上时，数据处理与显示系统8进行报警，停止水样测量模块4的供电，重复步骤5；

步骤7、将流速测量模块2与水样测量模块4测量获取的数据返回至数据处理与显示系统8，计算得到流速测量模块2第t组数据时刻由入水口到测量仓测量水位的管道所导致的水路延时k；

v_t*(1/f_w)+v_t-1*(1/f_w)+...+v_t-k*(1/f_w)＝V

步骤8、计算水路延时导致的GPS模块6测量频率下的实际滞后数据组数目k_GPS：

k_GPS＝k*(1/f_w)*f_G

步骤9、匹配流速测量模块2记录第t组数据时刻，对应测量仓内水体实际GPS空间位置Loc，该位置相当于GPS第（t-k_GPS）组数据：

Loc＝GPS(t-k_GPS)

步骤10、提取流速测量模块2获取第t组流量数据时刻水样测量模块4第t_m组水质参数数据DATA(t_m)，将其与对应的GPS空间位置同时显示在数据处理与显示系统8中，t_m计算方法如下：

t_m＝t*(1/f_w)*f_M。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明中的数据处理与显示系统能够利用GPS模块和流量测量模块获取的数据实时计算进样流速，进而得到精确的航迹数据，实现水体空间信息的高效实时测量。

2、本发明中进样模块及分级测量仓设计，可以净化光学设备测量环境，去除高浑浊水体颗粒物对其它水环境参数测量的影响；能够在一个走航观测中最大限度的保障颗粒物与溶解质特征参数的高精度测量，能够适用于不同种类的复杂水域，从而具有更广泛的应用范围。

3、本发明结构简单，操作与安装简便，通信可靠，具有较好的通用性与可扩展性。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图。

图2为本发明方法的流程图。

其中，1—进样模块，2—流量测量模块，3—测量仓，4—水样测量模块，5—控保模块，6—GPS模块，7—供电模块，8—数据处理与显示系统，9—溢流口，10—排废口，11—排废阀门。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行详细的描述。

如图1所示，一种船载走航式水环境参数测量系统，包括进样模块1、流量测量模块2、测量仓3、水样测量模块4、控保模块5、GPS模块6、供电模块7、数据处理与显示系统8；测量仓3的顶端和底部分别设置有溢流口9和排废口10，排废口处设置有排废阀门11；进样模块1、流量测量模块2、测量仓3依次连接；水样测量模块4设置在测量仓3内；控保模块5分别与进样模块1、流量测量模块2、水样测量模块4、供电模块7、数据处理与显示系统8连接；GPS模块6与数据处理与显示系统8连接；测量仓3包括颗粒物测量仓和溶解质测量仓；水样测量模块4包括颗粒物测量模块和溶解质测量模块；颗粒物测量模块设置在颗粒物测量仓内，溶解质测量模块设置在溶解质测量仓内。

使用时，进样模块1安放用于船舷外，用于实现垂直剖面可调的水样抽取、水样初级过滤和去气泡；

流量测量模块2选用小型流量传感器，安放于进样模块后端管道中，用于测量走航过程中进样的实际流量，估算抽水速率；

测量仓3在流速测量模块输出管道之后，用于为水环境特征参数测量提供环境，包括颗粒物测量仓和溶解质测量仓，颗粒物测量仓用于为浊度、叶绿素浓度测量提供测量环境，颗粒物测量仓也可为水体中颗粒物总吸收系数、后向散射系数等水色遥感反演算法所需光学参数提供测量环境；溶解质测量仓用于水样溶解态物质如CDOM、TOC、BOD、COD等测量提供测量环境；

水样测量模块4安放在所述测量仓内，用于测量水样中关键水环境特征参数；水样测量模块包括颗粒物测量模块和溶解质测量模块，所述颗粒物测量模块安放于所述颗粒物测量仓，用于测量水样中非溶解态颗粒物的特征参数，如浊度、叶绿素、颗粒物总吸收系数、后向散射系数等；所述溶解质测量模块用于测量水样溶解态物质理化特性，如CDOM、TOC、BOD、COD等；

控保模块5用于控制所述流量测量模块、所述水样测量模块的供电控制、还用于所述流量测量模块与所述水样测量模块和数据处理与显示系统之间的通讯；

GPS模块6用于走航过程中空间定位，记录航迹并将GPS获取数据回传至数据处理与显示系统；

供电模块7为续航能力达到72小时以上的蓄电池或太阳能电池；

数据处理与显示系统8将所述控保模块传回的流量测量模块数据与所述GPS模块传回的数据进行时空匹配，计算所述水样测量模块获取数据的时空延时，并将所述水样测量模块获取数据还原到采样时刻的空间位置，并在显示系统进行航迹、测量数据的实时显示；数据处理与显示系统还可以提供网络发布与服务功能。

下面以一次走航观测为例，结合图2对测量方法进行说明。

实施时，先手动关闭测量仓3下端排废阀门11，打开测量仓3的溢流口9，在数据处理与显示系统8端，启动控保模块5，开启电路控制与数据传输流程。

一种利用上述系统进行水环境参数测量的方法，包括以下步骤：

步骤1、在数据处理与显示系统8端，发送指令以检测控保模块5和GPS模块6的供电与通讯状态；

步骤2、确认供电通讯正常后，在数据处理与显示系统8端对控保模块5和GPS模块6进行参数预设，预设参数包括水样测量模块4的采样频率f_M、GPS模块6的采样频率f_G，测量仓3的预设水位；

步骤3、在数据处理与显示系统8端，发送指令至控保模块5，依次启动进样模块1、流量测量模块2；

步骤4、流量测量模块2在启动时刻获取第一组流量数据，经控保模块5返回至数据处理与显示系统8，计算第t₀组数据返回至数据处理与显示系统8时刻测量仓3的水样体积V，并计算测量仓3水位H；

测量仓水样体积V与测量仓水位H如下：

$V=\underset{t=1}{\overset{t_0}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t*(1/f_w)$

H=(V-L)/S；

其中，S为测量仓3底面积，L为进样模块1入水口至测量仓3入水口直接的管道容积，可根据管道长度提前测量获取；f_w为流量测量模块2的测量频率，v_t为第t组流量数据，单位为升/秒；

步骤5、当测量仓3的水位H达到水样测量模块4的工作水位H₀后，即H=H₀时，数据处理与显示系统8发出指令，提示控保模块5调节进样模块1中的水泵流量和测量仓底部的排废阀门11，使H始终等于H₀，待水位稳定后，数据处理与显示系统8发送指令至水样测量模块4和GPS模块6，开始进行水样测量，归零流量测量模块2的计数时间，使其与GPS模块6、水样测量模块4的启动时间一致。

步骤6、在水样测量过程中，实时监测测量仓3的水位，当H超出H₀2cm以上时，数据处理与显示系统8进行报警，停止水样测量模块4的供电，重复步骤5。

步骤7、将流速测量模块2与水样测量模块4测量获取的数据返回至数据处理与显示系统8，计算得到流速测量模块2第t组数据时刻由入水口到测量仓测量水位的管道所导致的水路延时k；

v_t*(1/f_w)+v_t-1*(1/f_w)+...+v_t-k*(1/f_w)＝V

步骤8、计算水路延时导致的GPS模块6测量频率下的实际滞后数据组数目k_GPS：

k_GPS＝k*(1/f_w)*f_G

步骤9、匹配流速测量模块2记录第t组数据时刻，对应测量仓内水体实际GPS空间位置Loc，该位置相当于GPS第（t-k_GPS）组数据：

Loc＝GPS(t-k_GPS)

步骤10、提取流速测量模块2第t组数据时刻水样测量模块4第t_m组水质参数数据DATA(t_m)，将其与对应的GPS空间位置同时显示在数据处理与显示系统8中，t_m计算方法如下：

t_m＝t*(1/f_w)*f_M。

Claims (1)

1.一种水环境参数测量的方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1、在数据处理与显示系统(8)端，发送指令以检测控保模块(5)和GPS模块(6)的供电与通讯状态；

步骤2、确认供电通讯正常后，在数据处理与显示系统(8)端对控保模块(5)和GPS模块(6)进行参数预设，预设参数包括水样测量模块(4)的采样频率f_M、GPS模块(6)的采样频率f_G，测量仓(3)的预设水位；

步骤3、在数据处理与显示系统(8)端，发送指令至控保模块(5)，依次启动进样模块(1)、流量测量模块(2)；

步骤4、流量测量模块(2)在启动时刻获取第一组流量数据，经控保模块(5)返回至数据处理与显示系统(8)，计算第t₀组数据返回至数据处理与显示系统(8)时刻测量仓(3)的水样体积V，并计算测量仓(3)水位H；

测量仓水样体积V与测量仓水位H如下：

H＝(V-L)/S；

其中，S为测量仓(3)底面积，L为进样模块(1)入水口至测量仓(3)入水口直接的管道容积，f_w为流量测量模块(2)的测量频率，v_t为第t组流量数据，单位为升/秒；

步骤5、当测量仓(3)的水位H达到水样测量模块(4)的工作水位H₀后，即H＝H₀时，数据处理与显示系统(8)发出指令，提示控保模块(5)调节进样模块(1)中的水泵流量和测量仓底部的排废阀门(11)，使H始终等于H₀，待水位稳定后，数据处理与显示系统(8)发送指令至水样测量模块(4)和GPS模块(6)，开始进行水样测量，归零流量测量模块(2)的计数时间，使其与GPS模块(6)、水样测量模块(4)的启动时间一致；

步骤6、在水样测量过程中，实时监测测量仓(3)的水位，当H超出H₀2cm以上时，数据处理与显示系统(8)进行报警，停止水样测量模块(4)的供电，重复步骤5；

步骤7、将流速测量模块(2)与水样测量模块(4)测量获取的数据返回至数据处 理与显示系统(8)，计算得到流速测量模块(2)第t组数据时刻由入水口到测量仓测量水位的管道所导致的水路延时k；

v_t*(1/f_w)+v_t-1*(1/f_w)+...+v_t-k*(1/f_w)＝V

步骤8、计算水路延时导致的GPS模块(6)测量频率下的实际滞后数据组数目k_GPS：

k_GPS＝k*(1/f_w)*f_G

步骤9、匹配流速测量模块(2)记录第t组数据时刻，对应测量仓内水体实际GPS空间位置Loc，该位置相当于GPS第(t-k_GPS)组数据：

Loc＝GPS(t-k_GPS)

步骤10、提取流速测量模块(2)获取第t组流量数据时刻水样测量模块(4)第t_m组水质参数数据DATA(t_m)，将其与对应的GPS空间位置同时显示在数据处理与显示系统(8)中，t_m计算方法如下：

t_m＝t*(1/f_w)*f_M；

上述各模块之间的连接关系如下：测量仓(3)的顶端和底部分别设置有溢流口(9)和排废口(10)，排废口处设置有排废阀门(11)；进样模块(1)、流量测量模块(2)、测量仓(3)依次连接；水样测量模块(4)设置在测量仓(3)内；控保模块(5)分别与进样模块(1)、流量测量模块(2)、水样测量模块(4)、供电模块(7)、数据处理与显示系统(8)连接；GPS模块(6)与数据处理与显示系统(8)连接。