CN103528791B - 坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪及其测量方法，该监测仪包括集沙筒外筒和设置在外筒内的集沙筒内筒，所述外筒的底部设有信号输出端与含智能器件的外部控制装置连接的水下压力仪，所述水下压力仪的顶端与内筒底端固定连接，所述内筒中设置排沙泵，所述集沙筒外设有冲沙泵，所述排沙泵、冲沙泵的受控端与外部控制装置连接，所述外筒的顶端设有截面为圆环形的筒盖，所述筒盖的上方设有筒帽，所述筒帽与筒盖之间设有进沙口。本发明设计合理，采用水下压力仪与外部控制装置配合使用，实现了推移质测量工作的连续性和自动化，能够精确测量河底推移质泥沙的变化，不受水深、波浪以及外部泥沙等环境因素的影响，达到对河流中的推移质泥沙连续采样的目的，适用于细颗粒泥沙河流的推移质输沙率的测量工作。

Description

坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种泥沙测量仪器，尤其是一种坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪，还涉及其测量方法。

背景技术

推移质是是指在水流中沿河底滚动、移动、跳跃或以层移方式运动的泥沙颗粒，在运动过程中随水流的强弱变化，推移质可与悬移质与床沙之间进行转换，加上推移质位于河流底层，且层厚很少，因此给实际测量造成了很大的困难。推移质的测量方法主要有直接测量法和间接测量法两类，直接测量包括沙波运动测量法、坑测法和取样器法等，前两种受限于水下地形影响测量精度，较少实施，第三种只能用于测量某一时间段的平均输沙率，不能实现全自动、数字化的要求，也不能测量出推移质的实际状况；间接测量包括采用超声波法和光电法等，这些方法主要用于近底悬移质的测量，是否适用于推移质层的高浓度泥沙动动还有待检验，既然是间接测量，中间又多了一个转化的环节，增加了测量的失真程度。据申请人了解，申请号为200410066086.4的中国专利公开了一种直接测量推移质堆积厚度的推移质测量器，设有开关盒外壳，和由电阻构成的电路，开关盒上设有分别与电阻的两端连接的固定触板和活动触板，使用时河水推动推移质进入开关盒并在开关盒内积累、停留，堆积并推挤活动触板，致使电路断开或连接，实现测量。由上述发明内容可知，这种推移质测量器主要用于测量由于推移质泥沙淤积而产生的河床淤高的变化，它不能发映的推移质输沙平衡时的输沙率，更不能测量输沙率随时间的变化情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是根据现有技术存在的缺陷，根据坑测法的基本原理，提出一种坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪，同时还给出了测量方法，可直接测量推移质泥沙的重量变化，从而推算出其输沙率，又可以进行长期监测，实现推移质泥沙的连续采样，实现推移质输沙率快速准确的实时测量。

本发明的坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪，包括集沙筒外筒和设置在外筒内的集沙筒内筒，所述外筒的底部设有信号输出端与含智能器件的外部控制装置连接的水下压力仪，所述水下压力仪的顶端与内筒底端固定连接，所述内筒中设置排沙泵，所述集沙筒外设有冲沙泵，所述排沙泵、冲沙泵的受控端与外部控制装置连接，所述外筒的顶端设有截面为圆环形的筒盖，所述筒盖的上方设有筒帽，所述筒帽与筒盖之间设有进沙口。这样，该监测仪能够连续对推移质泥沙进行采样，从而推算出推移质输沙率，测量精确，能够反应推移质的连续变化，且通过排沙泵、冲沙泵可将内筒中的推移质泥沙清空排出，便于仪器实现连续的测量工作。

前述的坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪，其中所述筒盖上设有集沙漏斗，所述集沙漏斗的上端设置在筒盖的内圆面上，下端位于内筒中。这样，集沙漏斗起到隔离推移质泥沙进入内筒与外筒之间的水体中，保证水下压力仪中的水体与河道中的水体联通，保证压力仪的正常工作。

前述的坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪，其中所述水下压力仪采用防水材料，包括圆柱形壳体和设置在壳体内的至少三个压力传感器，所述压力传感器上设有与壳体外部相通的水压平衡管和数据传输接口，所述压力传感器通过数据传输接口及通讯线路与外部控制装置的信号输入端连接，所述外部控制装置的控制输出端与显示屏以及排沙泵、冲沙泵、水下压力仪的控制开关连接。这样，水压平衡管可消除测量环境中水深和波浪等变化的作用，保证水下压力仪内外的水压平衡，进而保证水下压力仪具有很高的测量精度，这种情况下，其采用防水材料能够实现该监测仪不受河水侵蚀，使其有较长的使用寿命。

前述的坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪，在其中所述壳体圆周方向均布一组与内筒底面固定连接的支撑件。

前述的坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪，其中所述排沙泵为潜水式搅拌排沙泵，其出口设有排沙管；所述冲沙泵为潜水泵，其出口设有冲沙管。这样，冲沙泵可为排沙泵补充水量，保证排沙泵正常运行，排沙泵和冲沙泵共同作用，将沉积有内筒里的泥沙冲向下游。

前述的坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪，其中所述筒盖通过支撑架与筒帽固定连接，所述筒帽的直径大于或等于内筒的直径。

本发明的坐底式全天候推移质泥沙实时测量方法，包括以下步骤：

第一步、将监测仪埋入河底至进沙口底面与河床表面平齐后，外部控制装置设定水下压力仪的初始压力值，进入下一步；

第二步、待推移质泥沙在水流作用下由进沙口进入集沙筒的内筒并在内筒中沉积后，外部控制装置采集并记录不同时刻水下压力仪的测量压力值及相应测量时间，进入下一步；

第三步、外部控制装置设定水下压力仪的最大压力值，并与当前的测量压力值比较，判断集沙筒内泥沙是否达到充满度以确定集沙筒内是否需要排沙，如是启动冲沙泵和排沙泵，直至测量压力值与初始压力值相符，进入下一步，如否重复第三步；

第四步、外部控制装置以本次测量压力值减去上次测量压力值后作为沉积在集沙筒内的泥沙重量，根据下式计算推移质的单宽输沙率，

$g_b=\frac{{\mathrm{\ΔW}}_i}{{\mathrm{b\Δt}}_i}=\frac{W_i-W_{i-1}}{b(t_i-t_{i-1})}$

其中，W_i，W_i-1为水下压力仪两相邻时刻的测量压力值，t_i，t_i-1为与W_i，W_i-1对应两相邻的时间，b为内筒的宽度，根据监测数据和以上公式可以得出测量结果。其中，水下压力仪显示的压力值为泥沙重量值，集沙筒内泥沙达到充满度是指泥沙占集沙筒内筒容积的70%。

前述的坐底式全天候推移质泥沙实时测量方法，在其中所述步骤一中，所述水下压力仪的初始压力值设为0。

前述的坐底式全天候推移质泥沙实时测量方法，在其中所述步骤一和二之间还具有以下步骤：a、等待第一预定时间，外部控制装置采集水下压力仪的测量压力值，并与初始压力值比较，判断集沙筒内泥沙是否达到充满度，若是推移质泥沙进入集沙筒的内筒，进入下一步；如否递增一定时间，重复步骤a。

前述的坐底式全天候推移质泥沙实时测量方法，在其中所述步骤a和步骤二之间还具有以下步骤：b、待推移质泥沙在集沙筒的内筒中沉积第二预定时间后，外部控制装置采集水下压力仪的测量压力值，并与最大压力值比较，判断集沙筒内是否集满泥沙；如是则启动冲沙泵和排沙泵，直至测量压力值与初始压力值相符，并递减一定时间后，重复步骤b；如否则进行下一步。

本发明坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪设计合理，采用水下压力仪与外部控制装置配合使用，实现了推移质测量工作的连续性和自动化，能够精确测量河底推移质泥沙的变化，不受水深、波浪以及外部泥沙等环境因素的影响，达到对河流中的推移质泥沙连续采样的目的，适用于细颗粒泥沙河流的推移质输沙率的测量工作。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为水下压力仪的剖面结构示意图。

图3为本发明的工作流程示意图。

图中包括外筒1、内筒2、筒盖3、筒帽4、集沙漏斗5、水下压力仪6、排沙泵7、进沙口8、支撑架9、排沙管10、冲沙泵11、冲沙管12、支撑件13、固定支撑架14、壳体61、压力传感器62、水压平衡管63、数据传输接口64。

具体实施方式

实施例一

本实施例的坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪，其结构如图1所示，由组装在外筒2内的集沙、监测、排沙三部分组成，具体包括集沙筒外筒1和设置在外筒1内的集沙筒内筒2，外筒1为圆柱状，用于隔离外界（即土压力）对筒内监测装置的影响，内筒2用于储存从进沙口8进入监测仪的推移质泥沙。外筒1的底部设有信号输出端与含智能器件的外部控制装置连接的水下压力仪6，水下压力仪6的顶端与内筒2底端固定连接，即内筒2设置在水下压力仪6上，通过水下压力仪6可以确定筒内泥沙的重量，内筒2中设置排沙泵7，集沙筒外有冲沙泵11，排沙泵7和冲沙泵11的受控端均与外部控制装置连接，外筒1的顶端设有截面为圆环形的筒盖3，筒盖3的上方设有筒帽4，筒帽3与筒盖4之间设有进沙口8。水下压力仪6采用防水材料，包括圆柱形壳体61和设置在壳体61内的至少三个压力传感器62，压力传感器62上设有与壳体61外部相通的水压平衡管63和数据传输接口64，压力传感器62通过数据传输接口64及通讯线路与外部控制装置的信号输入端连接，外部控制装置的控制输出端与显示屏以及排沙泵7、冲沙泵11、水下压力仪6的控制开关连接，另壳体61圆周方向均布一组与内筒2底面固定连接的支撑件13（见图2）。筒盖3上设有集沙漏斗5，集沙漏斗5的上端设置在筒盖3的内圆面上，下端位于内筒2中，筒盖3和集沙漏斗5配合使用，可以防止泥沙冲填内、外筒之间的区域；筒盖3通过支撑架9与筒帽4固定连接，使得筒帽4高于河床表面一定高度，避免悬移质泥沙沉积入内筒2中，且筒帽4的直径大于或等于内筒2的直径。排沙泵7为潜水式搅拌排沙泵，其出口设有延伸至监测仪外部的排沙管10，冲沙泵11为潜水泵，其出口设有冲沙管12，排沙管10和冲沙管12通过固定支撑架14连接在一起，排沙管10的排沙口位于监测仪后的河流下游，避免影响推移质测量工作。

本实施例的坐底式全天候推移质泥沙实时测量方法，如图3所示包括以下步骤：

第一步安装：将整套监测仪埋入河底至其进沙口8底面与河床表面平齐后，外部控制装置设定水下压力仪6的初始压力值（将初始压力值设为0），进入下一步；

第二步监测：安装完成后，由于仪器埋设对河床的破坏，在试验初期河床有一个调整过程，这段时间由于进入集沙筒的泥沙很少，不能算为正常的推移质运动情况，因此待推移质泥沙在水流作用下由进沙口进入集沙筒的内筒并在内筒中沉积后，外部控制装置采集并记录不同时刻水下压力仪6的测量压力值（为泥沙重量值，下述相同）及相应的测量时间，进入下一步，这样水下压力仪6可以测量并得到不同时刻（即t₁、t₂、……、t_n）下的泥沙重量（W₁、W₂、……、W_n），详情见表1；

第三步排沙：外部控制装置设定水下压力仪6的最大压力值（为集沙筒内泥沙达到充满度时的压力值，其中泥沙达到充满度是指泥沙占集沙筒内筒容积的70%），并与当前的测量压力值比较，判断集沙筒内泥沙是否达到充满度以确定集沙筒内是否需要排沙，如是，测量压力值大于或等于最大压力值，启动冲沙泵11和排沙泵7排沙，直至测量压力值与初始压力值相符（实际情况下，集沙筒内的泥沙不能被排净，需尽可能多的排空集沙筒内的泥沙，使监测仪中的泥沙重量读数接近于初始值，在0～50KN范围内），进入下一步；

第四步计算：外部控制装置以本次测量压力值减去上次测量压力值后作为沉积在集沙筒内的泥沙重量，根据下式计算推移质的单宽输沙率，

$g_b=\frac{{\mathrm{\ΔW}}_i}{{\mathrm{b\Δt}}_i}=\frac{W_i-W_{i-1}}{b(t_i-t_{i-1})}$

其中，W_i，W_i-1为水下压力仪两相邻时刻的测量压力值，两次监测器中的泥沙重量的读数，t_i，t_i-1为与W_i，W_i-1对应两相邻的时间，b为内筒2的宽度（或直径），根据监测数据和以上公式可以得出测量结果，结果见表1。其中，内筒2的宽度为1m，水下压力仪显示的压力值为泥沙重量值。

表1

T(h)	0	1	2	4	6	8	10	12	14
										W（kg）	0	38	75	170	246	348	440	517	590
gb｛kg/(m·s)｝		0.011	0.010	0.013	0.011	0.014	0.013	0.011	0.010

由上表可知，通过对河底推移质泥沙连续采样，能够精确测量并反映河底推移质泥沙的变化，得到在一定时间范围内推移质泥沙的单宽输沙率。

工作时，需要先设定压力仪6的初始值（一般可设为0），推移质泥沙在水流作用下沿河床表面运动，并由进沙口8进入内筒2中，推移质泥沙进入内筒2后，因内筒2内水深突然增大，流速减小，使得推移质在内筒2中沉积，安装在内筒2底部的水下压力仪称量并记录淤积在筒内的泥沙重量，并将记录数值通过数据传输接口输送到外部控制装置，外部控制装置在其显示屏上显示泥沙重量。这样可以检测到不同时段集沙筒内泥沙的重量变化，进而推算出河流推移质的输沙率。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于，第二步中，外部控制装置设定水下压力仪6的最大压力值，并与当前的测量压力值比较，判断集沙筒内泥沙的充满度及集沙筒内是否需要排沙，如否，此时测量压力值小于最大压力值，重复上述过程。

实施例三

本实施例的坐底式全天候推移质泥沙实时测量方法，包括以下步骤：将整套监测仪埋入河底至其进沙口8底面与河床表面平齐后，外部控制装置设定水下压力仪6的初始压力值（将初始压力值设为0）；等待1小时，外部控制装置采集水下压力仪6的测量压力值，并与初始压力值比较，判断集沙筒内是否有泥沙，若有，测量压力值大于初始压力值，推移质泥沙已经进入集沙筒的内筒，定期观测水下压力仪6读数。由于仪器埋设对河床的破坏，在试验初期河床有一个调整过程，这段时间由于进入集沙筒的泥沙很少或没有，不能算为正常的推移质运动情况，因此待推移质泥沙在集沙筒的内筒2中沉积25小时后，外部控制装置采集水下压力仪6的测量压力值，并与最大压力值比较，判断集沙筒内是否集满泥沙（即判断筒内泥沙是否达到充满度），如是，测量压力值大于或等于最大压力值，则启动冲沙泵11和排沙泵7，直至测量压力值与初始压力值相符（此处尽可能多的排空集沙筒内的泥沙，使监测仪中的泥沙重量读数接近于零），并递减1小时，即24小时后，重复上述操作，直至集沙筒在预定的时间内没有集满泥沙。外部控制装置开始采集并记录不同时刻水下压力仪6的测量压力值及相应的测量时间，与此同时，外部控制装置还要判断集沙筒内是否需要排沙，如是启动冲沙泵11和排沙泵7，直至测量压力值与初始压力值相符（此处尽可能多的排空集沙筒内的泥沙，使监测仪中的泥沙重量读数接近于零），进入下一步计算推移质的输沙率，如否重复对集沙筒是否需要排沙进行判断。

实施例四

本实施例与实施例三的不同之处在于：等待1小时后，外部控制装置采集水下压力仪6的测量压力值，并与初始压力值比较，判断集沙筒内是否有泥沙，如否，测量压力值等于初始压力值，递增1小时，即等待2小时后，外部控制装置再次采集水下压力仪6的测量压力值，并判断集沙筒内是否有泥沙，如此循环往复，直至集沙筒内有泥沙。

实施例五

本实施例与实施例三的不同之处在于：待推移质泥沙在集沙筒的内筒2中沉积25小时后，外部控制装置采集水下压力仪6的测量压力值，并与最大压力值比较，判断集沙筒内泥沙是否达到充满度，如否外部控制装置开始采集并记录不同时刻水下压力仪6的测量压力值及相应的测量时间。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪，其特征是：包括集沙筒外筒和设置在外筒内的集沙筒内筒，所述外筒的底部设有信号输出端与含智能器件的外部控制装置连接的水下压力仪，所述水下压力仪的顶端与内筒底端固定连接，所述内筒中设置排沙泵，所述集沙筒外设有冲沙泵，所述排沙泵、冲沙泵的受控端与外部控制装置连接，所述外筒的顶端设有截面为圆环形的筒盖，所述筒盖的上方设有筒帽，所述筒帽与筒盖之间设有进沙口；所述水下压力仪采用防水材料，包括圆柱形壳体和设置在壳体内的至少三个压力传感器，所述压力传感器上设有与壳体外部相通的水压平衡管和数据传输接口，所述压力传感器通过数据传输接口及通讯线路与外部控制装置的信号输入端连接，所述外部控制装置的控制输出端与显示屏以及排沙泵、冲沙泵、水下压力仪的控制开关连接。

2.根据权利要求1所述坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪，其特征是：所述筒盖上设有集沙漏斗，所述集沙漏斗的上端设置在筒盖的内圆面上，下端位于内筒中。

3.根据权利要求1所述坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪，其特征是：在所述壳体圆周方向均布一组与内筒底面固定连接的支撑件。

4.根据权利要求1所述坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪，其特征是：所述排沙泵为潜水式搅拌排沙泵，其出口设有排沙管；所述冲沙泵为潜水泵，其出口设有冲沙管。

5.根据权利要求2所述坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪，其特征是：所述筒盖通过支撑架与筒帽固定连接，所述筒帽的直径大于或等于内筒的直径。

6.根据权利要求1所述的坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪进行全天候推移质泥沙实时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、将监测仪埋入河底至进沙口底面与河床表面平齐后，外部控制装置设定水下压力仪的初始压力值，进入下一步；

第二步、待推移质泥沙在水流作用下由进沙口进入集沙筒的内筒并在内筒中沉积后，外部控制装置采集并记录不同时刻水下压力仪的测量压力值及相应测量时间，进入下一步；

第三步、外部控制装置设定水下压力仪的最大压力值，并与当前的测量压力值比较，判断集沙筒内泥沙是否达到充满度以确定集沙筒内是否需要排沙，集沙筒内泥沙达到充满度是指泥沙占集沙筒内筒容积的70％，如是启动冲沙泵和排沙泵，直至测量压力值与初始压力值相符，进入下一步，如否重复第三步；

第四步、外部控制装置以本次测量压力值减去上次测量压力值后作为沉积在集沙筒内的泥沙重量，根据下式计算推移质的单宽输沙率，

$g_b=\frac{{\mathrm{\ΔW}}_i}{{\mathrm{b\Δt}}_i}=\frac{W_i-W_{i-1}}{b(t_i-t_{i-1})}$

其中，W_i,W_i-1为水下压力仪两相邻时刻的测量压力值，t_i，t_i-1为与W_i,W_i-1对应两相邻的时间，b为内筒的宽度，根据监测数据和以上公式能够得出测量结果。

7.根据权利要求6所述的坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪进行全天候推移质泥沙实时测量方法，其特征在于：在所述步骤一中，所述水下压力仪的初始压力值设为0。

8.根据权利要求6所述的坐底式全天候推移质泥沙实时监测仪进行全天候推移质泥沙实时测量方法，其特征在于，在所述步骤一和二之间还具有以下步骤：a、等待第一预定时间，外部控制装置采集水下压力仪的测量压力值，并与初始压力值比较，判断集沙筒内是否有泥沙，若是推移质泥沙进入集沙筒的内筒，进入下一步；如否递增一定时间，重复步骤a。