CN103776430B - 潮滩近底边界层水沙观测方法及系统 - Google Patents

潮滩近底边界层水沙观测方法及系统 Download PDF

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CN103776430B CN201410029922.5A CN201410029922A CN103776430B CN 103776430 B CN103776430 B CN 103776430B CN 201410029922 A CN201410029922 A CN 201410029922A CN 103776430 B CN103776430 B CN 103776430B
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张茜
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靳闯
吕亭豫
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    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C13/00Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal

Abstract

本发明提供一种潮滩近底边界层水沙观测方法,包括如下步骤:根据研究滩面的水动力条件、地质条件确定相关参数;根据确定的相关参数,在所述研究地点处安装观测支架;在观测支架完成安装之后,安装观测仪器,并采集数据;采集数据完成之后,回收所述观测仪器和所述观测支架,并处理所采集的数据。本发明还提供一种潮滩近底边界层水沙观测系统。本发明提供的滩面近底边界层水沙观测方法及系统具有测量精度高且近底层分辨率高的优点。

Description

潮滩近底边界层水沙观测方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及水沙观测技术领域,尤其涉及一种潮滩近底边界层水沙观测方法及系统。
背景技术
[0002] 海底边界层是水流结构明显受到海底影响的水层,是水动力和细颗粒泥沙交换最为频繁的部分,对水体的垂向混合、动能耗散方面有着特殊的意义,对于地貌演变具有至关重要的作用。边界层厚度通常与水流周期成正比,对于常见的半日潮水域,潮滩上整个水层可视为底边界层,在落潮后期甚至还会出现滩面水深远小于边界层厚度的“极浅水”情况,边界层流速分布与深水条件时差异很大,并在所有动力作用中占主导地位。近底边界层内水沙结构,对于潮滩系统地貌塑造起着至关重要的作用,是地貌动力学研究中不可或缺的部分。
[0003]自上世纪中期开始,就有国内外学者关注近底边界层,并初步展开了现场观测。一般的声学多普勒流速仪由于存在上下侧盲区且垂向分层较粗,无法获取近底、具有垂向高分辨率的流速数据;而用于实验室的流速仪比较脆弱,一般不适于高含沙量、大流速的现场环境,且存在供电、数据传输等问题。因此,由于观测设备等的限制,近底边界层流速剖面(尤其是近底1cm以内)的获取一直是现场观测中的难点,在一定程度上阻碍了潮滩地貌动力学的发展。
[0004] 本发明中设计的观测系统,引进国外先进的流速、潮位、波浪、浊度监测装置,采用信号无线传输方式,实现近底边界层流速、含沙量剖面的全自动、高精度、高分辨率观测;对潮位和波浪数据实现自记。观测系统采用组装式支架结构,可根据潮滩最大水深选配杆件,在潮滩低潮出露时段进行快速安装,携带方便,智能化程度高,可应用于潮滩近底边界层的水动力泥沙现场观测。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于构建一种可以实现潮滩近底边界层水沙结构全自动、高精度、高分辨率的观测方法。
[0006] —方面,本发明提供一种滩面近底边界层水沙观测方法,包括如下步骤:根据研究滩面的水动力条件、地质条件确定相关参数;根据确定的相关参数,在研究地点处安装观测支架,包括:安装主杆,其包括:所述主杆由下部组件、中部组件和上部组件依次组接而成,先将主杆的下部组件设置于研究滩面的土体中,然后依次安装主杆中部和上部组件,并且在各组件套接口处插入螺丝并拧紧,安装横杆,其包括:在所述主杆上设计高度处安装全自动摇臂式横杆,并将所述横杆套接在所述主杆上,然后通过卡槽将所述横杆卡接到所述主杆上的全螺纹杆芯处,安装锚固装置,其包括:以所述主杆为中心,在所述主杆周围三个方向上,距离所述主杆预定距离处,将锚固钢管向外侧与研究滩面呈45°打入土体,并通过锚固钢索两端分别连接所述主杆和所述锚固钢管上配置的扣环,调节所述锚固钢索的长度并拉紧,安装侧杆,其包括:在所述主杆侧边相隔预定距离处,将两根侧杆设置于研究滩面的土体中约Im深度,采用尼龙绳将所述侧杆与所述主杆连接并拉紧,其中:所述主杆和所述两根侧杆组成的平面垂直于水流主向;在观测支架完成安装之后,安装观测仪器,并采集数据;采集数据完成之后,回收所述观测仪器和所述观测支架,并处理所采集的数据。
[0007] 另一方面,本发明还提供一种滩面近底边界层水沙观测系统,包括:主杆、两根侧杆、横杆、竖杆、托架、锚固钢管、锚固钢索、小威龙剖面流速仪、一台多普勒剖面流速仪、两台波潮仪和五台光学浊度仪,其中:所述主杆,其包括下部组件、中部组件和上部组件,所述下部组件直接插入土体,所述中部组件的下端连接所述下部组件的上端且接口处套接并用螺丝卡锁固定,所述上部组件的下端连接所述中部组件的上端且接口处套接并用螺丝卡锁固定;所述上部组件,其顶部设置微型电动机和搭载架,所述电动机与所述主杆内部的全螺纹杆芯连接,数据采集传输装置安置在所述搭载架上;所述中部组件,其上套接带有尾部平衡装置的全自动摇臂式横杆,所述全自动摇臂式横杆通过所述主杆上的卡槽与所述全螺纹杆芯卡接;所述横杆,其端部设置调试轴承并且套接竖杆,所述横杆的底部设置有超声波测距传感器;所述竖杆,其尾部搭载小威龙剖面流速仪;所述锚固钢管,其以所述主杆I为中心,以45°倾斜角打入土体,所述锚固钢管的顶部扣环部位留在滩面以上;所述锚固钢索,其两端分别连接所述锚固钢管和所述主杆的中部组件、上部组件上配置的扣环;所述第一侧杆、所述第二侧杆和所述托架与所述主杆保持在同一垂直于涨落潮流主向的平面内且彼此隔开安全距离;第一波潮仪和第二波潮仪分别安装于主杆和第二侧杆的底部;第一浊度观测仪、第二浊度观测仪、第三浊度观测仪分别安装于第一及第二侧杆的不同设计高度位置处;多普勒剖面流速仪,其以发射端朝上方式设置在所述托架上。
[0008] 本发明提供的一种滩面近底边界层水沙观测方法及系统,观测系统结构简单,现场安装方便:以往常用于现场观测的三脚架系统,笨重难于搬运,现场施工需要配备大型施工工具,并且在潮流作用下容易侧翻,稳定性差;同时,大型三脚架系统会对其周围的水体产生较大的扰动,不适用于近底精细流速结构的测量;而本发明设计的观测系统因地制宜,采用几根特制钢管进行现场组装,采用钢索进行全方位锚固,极大地降低了操作难度,减少了支架本身对水流的干扰,提高了数据的可靠性。同时,在现场测量中引进国外先进多普勒流速测量仪器一一小威龙剖面流速仪,克服了一般野外用声学多普勒剖面流速仪的近底盲区限制,捕捉到了近底1cm以内3cm范围剖面流速,垂向分辨率高达1_,采样频率高达10Hz ο
[0009] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,这些将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0010] 图1示出了根据本发明一实施方式的滩面近底边界层水沙观测方法的流程示意图;
[0011] 图2示出了根据本发明一实施方式的观测系统的主视图;
[0012] 图3示出了根据本发明一实施方式的观测系统中的数据采集传输装置的局部放大示意图;
[0013] 图4示出了根据本发明一实施方式的观测系统中的横杆装置的局部放大示意图;
[0014] 图5示出了根据本发明一实施方式的观测系统中的主杆及锚固装置的俯视图;
[0015] 图6示出了根据本发明一实施方式的观测系统中的横杆装置的侧视图;
[0016] 图7示出了根据本发明一实施方式的观测期间波高过程的示意图;
[0017] 图8示出了根据本发明一实施方式的观测期间水深过程的示意图;
[0018] 图9示出了根据本发明一实施方式的观测期间水深-流速-含沙量过程的示意图。
具体实施方式
[0019] 下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
[0020] 本技术领域技术人员可以理解,除非特意声明,这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是,本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解,当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时,它可以直接连接或耦接到其他元件,或者也可以存在中间元件。此外,这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0021] 本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0022] 图1示出了根据本发明一实施方式的滩面近底边界层水沙观测方法的流程示意图。如图1所示,本发明提供一种滩面近底边界层水沙观测方法,包括如下步骤:步骤S1:根据研究滩面的水动力条件、地质条件确定相关参数;步骤S2:根据确定的相关参数,在研究地点处安装观测支架,包括:子步骤S21:安装主杆,其包括:所述主杆由下部组件、中部组件和上部组件依次组接而成,先将主杆的下部组件设置于研究滩面的土体中,然后依次安装主杆中部和上部组件,并且在各组件套接口处插入螺丝并拧紧,子步骤S22:安装横杆,其包括:在所述主杆上设计高度处安装全自动摇臂式横杆,并将所述横杆套接在所述主杆上,然后通过卡槽将所述横杆卡接到所述主杆上的全螺纹杆芯处,子步骤S23:安装锚固装置,其包括:以所述主杆为中心,在所述主杆周围三个方向上,距离所述主杆预定距离处,将锚固钢管向外侧与研究滩面呈45°打入土体,并通过锚固钢索两端分别连接所述主杆和所述锚固钢管上配置的扣环,调节所述锚固钢索的长度并拉紧,子步骤S24:安装侧杆,其包括:在所述主杆侧边相隔预定距离处,将两根侧杆设置于研究滩面的土体中约Im深度,采用尼龙绳将所述侧杆与所述主杆连接并拉紧,其中:所述主杆和所述两根侧杆组成的平面垂直于水流主向;步骤S3:在观测支架完成安装之后,安装观测仪器,并采集数据;步骤S4:采集数据完成之后,回收所述观测仪器和所述观测支架,并处理所采集的数据。
[0023] 进一步地,所述根据研究地点的水动力条件、地质条件确定相关参数可以包括:将主杆的下部组件设置于研究滩面的土体中的深度D1、主杆在滩面以上的高度D2,主杆总高度H,H=D1+D2,D2=h_+S,其中:h_为测量期间研究滩面的最高潮位,δ为安全超高并根据研究滩面波高参数以保证顶部的数据采集传输盒于测量期间能出露于水面以上来确定,小威龙剖面流速仪距滩面的距离S由研究目标确定,所述小威龙剖面流速仪能测量的是距底面S-7cm至S-4cm之间并且分辨率为1_的流速剖面范围。
[0024] 进一步地,所述安装观测仪器可以包括:流速观测仪器的安装,其中:将小威龙剖面流速仪安装到所述横杆上并用卡箍固定;水平方向旋转所述横杆,使所述横杆和所述主杆组成的平面垂直于水流主方向;通过设定电脑程序自动控制所述横杆的高度,使所述小威龙剖面流速仪到达设定高度并通过无线方式与电脑保持实时通讯;将声学多普勒剖面流速仪换能器朝上,并埋设到潮滩里,与事先打入土体中的托架用螺丝固定,使换能器表面与滩面基本持平,用于观测全水深流速剖面。
[0025] 进一步地,所述安装观测仪器可以包括:分层含沙量观测仪器的安装,其中:根据所述研究滩面的最高潮位,采用近底加密、全水深监测的方法将光学浊度仪按不同高度安装到侧杆上,用于获取全潮周期分层同步含沙量信息;所述研究滩面的近底采用小体积光学浊度仪观测含沙量,并采用无线传输方式与电脑通讯,数传电台与发射装置同样集成在数据采集传输装置中;所述研究滩面的上层含沙量观测采用自容式光学浊度仪。
[0026] 进一步地,所述安装观测仪器可以包括:水深观测仪器的安装,其中:将波潮仪安装在所述主杆和侧杆的下端。
[0027] 进一步地,所述安装观测仪器可以包括:数据采集传输装置的安装,其中:观测数据采用无线通讯的方式,用电脑进行实时传输,数传电台与发射装置集成在数据采集传输装置中,所述数据采集传输装置设置于所述主杆的上部组件处。
[0028] 进一步地,所述数据采集可以包括:通过无线传输的仪器采用对应的电脑软件对小威龙剖面流速仪、声学多普勒剖面流速仪、光学浊度仪进行实时数据采集;在安装前设置自容式光学浊度仪的参数,等待测量完成之后连接电脑从所述自容式光学浊度仪下载数据。
[0029] 进一步地,所述处理数据可以包括:全水深分层流速数据由所述小威龙剖面流速仪和所述声学多普勒剖面流速仪导出;通过电脑软件对所述小威龙剖面流速仪和所述声学多普勒剖面流速仪采集的数据进行相关处理并组合,以获得近底分辨率1_、全水深分辨率1cm的完整流速剖面数据;含沙量数据由所述光学浊度仪提供;水深数据由波潮仪提供。
[0030] 进一步地,所述含沙量数据由光学浊度仪提供可以包括:采集现场水样对所述光学浊度仪进行标定;通过分析得到仪器读数与含沙量的相关关系。
[0031] 本发明提供的观测系统包括:主杆、横杆、侧杆、自动升降装置、锚固装置、数据采集无线传输装置,以及流速、潮位、波浪、浊度观测仪器,其中:主杆是整套观测系统的主要承重部分,其底端打入滩面一定深度,根据滩面最大水深选择杆件总高度;主杆上通过横杆布置小威龙剖面流速仪,近底处布置波潮仪;横杆与主杆上的自动升降装置相连,可以通过远程遥控使横杆上下移动,调节小威龙剖面流速仪距地高度;侧杆用于布置浊度仪及波潮仪;锚固装置用于全方位固定主杆,使其在水流作用下保持稳固;数据采集无线传输装置设置在主杆顶端,用于仪器的供电、数据采集及无线传输。该系统特征在于:主杆为特制钢管,分节组装,接口处套接并用螺丝卡锁固定。顶部的分节钢管带有搭载架,用于固定数据采集及无线传输装置。全自动摇臂式横杆带有尾部平衡装置,套装在主杆上,可远程遥控360°转动和上下移动;横杆端部带有调试轴承及螺旋扣,用于安装固定竖杆,竖杆亦可人工调节方向及一定范围的高度。自动升降装置由微型电动机、全螺纹杆芯、超声波测距传感器组成。全螺纹杆芯内置于主杆中心,主杆两侧开有槽口,全自动摇臂式横杆套接在主杆上并通过卡槽卡接到全螺纹杆芯上;超声波测距传感器安装于横杆底部,用于感知横杆距底距离并反馈给计算机,通过电脑程序控制安装在主杆顶部的电动机,带动全螺纹杆芯的转动,实现横杆的智能化自动升降;侧杆为两根特制钢管,用于分层安装含沙量测量仪器与波潮仪,杆件上有固定装置,与仪器配套契合。锚固装置由三根特制钢管及配套钢索组成,设置在主杆周围三个方向上,彼此之间夹角为120°。钢管向外侧与滩面呈45°打入土体,每根钢管顶部设有扣环,用于钢索的安装;钢索两头分别连接主杆顶部与锚固钢管顶部扣环,中间设有调节扣可调节钢索长度,使钢索保持在拉紧状态。数据采集传输装置由无线传输模块、用于供电的电源模块、防水保护盒及防晒保温板构成。其中无线传输模块与仪器适配,由无线数传电台与信号发射器组成。防水保护盒由两个尺寸相同的无盖铁盒对接而成,接口处采用密封圈闭合,用以防水。
[0032] 为详细说明本发明的结构、特点及功效,现结合以下实施例并配合附图进一步描述。实施时间为2013年8月8日至8月10日,地点为江苏沿海中部川东港南侧潮滩,坐标为33° 03' 6.60" N,120° 54r 36.30" E0本实施例基本按照上文的方法进行测量,由于此次测量关注的重点为近底1cm以内流速剖面,故仅采用了手动调整横杆的方式。同时,由于船停在观测点位不远处(约70m)且船上可提供稳定交流电源,故采用交流电源提供仪器用电,小威龙采用有线连接方式与电脑相连。
[0033] 本发明还提供一种滩面近底边界层水沙观测系统,包括:主杆、两根侧杆、横杆、竖杆、托架、锚固钢管、锚固钢索、小威龙剖面流速仪、一台多普勒剖面流速仪、两台波潮仪和五台浊度观测仪,其中:所述主杆,其包括下部组件、中部组件和上部组件,所述下部组件直接插入土体,所述中部组件的下端连接所述下部组件的上端且接口处套接并用螺丝卡锁固定,所述上部组件的下端连接所述中部组件的上端且接口处套接并用螺丝卡锁固定;所述上部组件,其顶部设置微型电动机和搭载架,所述电动机与所述主杆内部的全螺纹杆芯连接,数据采集传输装置安置在所述搭载架上;所述中部组件,其上套接带有尾部平衡装置的全自动摇臂式横杆,所述全自动摇臂式横杆通过所述主杆上的卡槽与所述全螺纹杆芯卡接;所述横杆,其端部设置调试轴承并且套接竖杆,所述横杆的底部设置有超声波测距传感器;所述竖杆,其尾部搭载小威龙流速剖面仪;所述锚固钢管,其以所述主杆I为中心,以45°倾斜角打入土体,所述锚固钢管的顶部扣环部位留在滩面以上;所述锚固钢索,其两端分别连接所述锚固钢管和所述主杆的中部组件、上部组件上配置的扣环;所述第一侧杆、所述第二侧杆和所述托架与所述主杆保持在同一垂直于涨落潮流主向的平面内且彼此隔开安全距离;第一波潮仪和第二波潮仪分别安装于第一侧杆的不同高度位置处;第一浊度观测仪、第二浊度观测仪、第三浊度观测仪分别安装于第二侧杆的不同高度位置处;多普勒流速剖面仪,其以发射端朝上方式设置在所述托架上。图2示出了根据本发明一实施方式的观测系统的主视图。图3示出了根据本发明一实施方式的观测系统中的数据采集传输装置的局部放大示意图。图4示出了根据本发明一实施方式的观测系统中的横杆装置的局部放大示意图。图5示出了根据本发明一实施方式的观测系统中的主杆及锚固装置的俯视图。图6示出了根据本发明一实施方式的观测系统中的横杆装置的侧视图。
[0034] 图2示出了根据本发明一实施方式的观测系统的主视图。如图2所示,该观测系统可以包括如下部件:主杆I及组成部件1-1、1-2、1_3(分别为主杆从下而上的三节)、螺丝
2、扣环3、钢索4、调节扣5、锚固钢管6、横杆7、尾部平衡杆8、加固套锁9、固定螺丝10、全螺纹杆芯11、调试轴承12、仪器竖杆13、第一浊度观测仪器(型号:小威龙二代)14、卡箍15、微型电动机16、调节螺旋扣17、第一侧杆18、第二侧杆19、第一光学浊度仪(型号:0BS5+)20、第二光学浊度仪(型号:0BS3A)21、第三光学浊度仪(3台,型号:0BS3+) 22、波潮仪(型号:TWR2050) 23、潮位仪(型号:RBRduo) 24、第一浊度观测仪器(型号=RiverRay ADCP) 25、ADCP配套托架26、搭载架27、数据采集传输装置28、密封圈29、防晒保温板30、数据采集盒入口端31、数据采集盒出口端32、电源模块33、变压器34、OBS无线数传电台35、ADCP无线数传电台36、无线发射端37、超声波测距传感器38。
[0035] 根据一具体实施方式,如图2-图6所示,具体实施步骤及连接结构如下:拟定主杆I长6m,其中:组成部件1-1、1-2、1-3分长分别为2.5m、2m、l.5m,两根侧杆18、19均长
3.5m,锚固装置的杆件6长1.5m ;将主杆1_1部分打入土体2m深;将锚固钢索4 一端与中心杆件1-3、1-2顶部的扣环3连接;横杆7与卡锁9按顺序套入1-2 ;1_3与1_2套接并旋紧螺丝2 ;此时两根杆件上的扣环3位置应上下对齐;将组装好的1-2和1-3整体套接到1-1上,安装并旋紧螺丝2 ;3根锚固钢管6以中心杆件I为中心,均距之3.5m远,彼此之间呈120°角并与中心杆件的扣环3方向对应,45°倾斜打入土体,只留扣环部位3在滩面以上;将锚固钢索4另一端与扣环3连接,调节调节扣5,使锚固钢索4拉紧;调节1-2节杆上横杆7的位置,到达设定高度(Im左右)以后旋紧螺丝10,同时将套锁9紧贴横杆下方,用螺丝锁紧;如图4和图6所示,将竖杆13插入横杆端部的调试轴承12,大致固定竖杆位置;将小威龙二代14用卡箍15固定在竖杆下部的铁板上;调节竖杆13高度,使小威龙换能器到达设定高度(距滩面1cm),旋紧螺旋扣17 ;2根侧杆18、19的安装位置距离主杆分别为2m和3m,使三根杆件大致在一垂直于水流主向的平面内。侧杆打入土体Im深,与用尼龙绳中心杆件拉紧固定;0BS与波潮仪的安装,0BS3+22安装在侧杆I上,探头距离滩面的距离分别为10cm、30cm和60cm。0BS5+20、0BS3A21及波潮仪23安装在侧杆2上,探头距离底部距离分别为2m、ImUOcm ;另有潮位仪24安装在主杆底部,探头距底同样为1cm ;所有仪器均用卡箍15固定;在三个杆件同一平面内,距第二根侧杆3m处挖浅坑,将RiverRay ADCP的托架26打入土体,将RiverRay ADCP用螺丝与托架固定在一起,使换能器高于滩面1cm左右,旋紧连接螺丝;连接线路,小威龙二代、ADCP及0BS3+的数据线及电源线全部由防水保护盒28的入口端31接入,数据采集传输盒28内集成交流电源33及ADCP、0BS3+的无线数传电台35、36 ;出口端32接出无线发射器37置于盒子外侧;小威龙二代10m数据传输线与船上的电脑相连,同时接入由船上提供的220V电压的电缆;进行观测,采集数据,除自容式仪器在安装前已经设置好参数自动采集并记录数据以外,在船上用电脑对小威龙二代、ADCP, 0BS3+下达采集指令,所有仪器开始工作;监控数据,如有问题可以及时采取相应措施;仪器支架的调整与回收,一个涨落潮周期后,再次露滩的时候进行仪器支架的调整与回收工作。如果需要继续测量,则检查仪器支架、拉索有没有松动的情况,所有连接部位是否牢靠,及时修复;如果测量已经完成,则进行支架的回收;基本上按照安装的反序进行操作,先断开连线,回收观测仪器;然后松开锚固装置,最后回收杆件;处理数据,在观测点位附近采集水样对OBS进行标定。其它仪器则采用相应软件导出数据进行后处理。此次在粉沙淤泥质潮滩上实施观测,取得了 3个潮周期的水深-流速-含沙量-波高数据,尤其是近底3-6cm水层的Imm高分辨率流速剖面数据,数据质量很高。
[0036] 如图2-图6所示,本发明提供的滩面近底边界层水沙观测系统,可以包括:主杆1、侧杆18、19以及ADCP托架26 ;其中,主杆I由三部分组件构成1_1、1_2、1_3,下部组件1-1直接插入土体,中部组件1-2下端连接下部组件1-1上端,上部组件1-3下端连接中部组件1-2上端,接口处套接并用螺丝卡锁2固定。上部组件1-3顶部设置微型电动机16及搭载架27。电动机16与主杆内部的全螺纹杆芯11连接,数据采集传输装置28安置在搭载架27上。带有尾部平衡装置8的全自动摇臂式横杆7套接在主杆中部组件1-2上,并通过主杆I上的卡槽与全螺纹杆芯11卡接。横杆7端部设置调试轴承12,与竖杆13套接,竖杆13尾部搭载三维流速剖面仪Vectrino ProfilerH0横杆7底部设置超声波测距传感器38。锚固钢管6以主杆I为中心,45°倾斜打入土体,其顶部扣环部位3留在滩面以上,锚固钢索4两端分别连接锚固钢管6和主杆中部组件1-2、上部组件1-3顶端的扣环3。第一侧杆18、第二侧杆19及ADCP托架26与主杆I保持在同一垂直于涨落潮流主向的平面内,彼此隔开安全距离。波潮仪23、24、浊度观测仪20、21、22分别安装于第一侧杆18、第二侧杆19不同高度。托架26托载发射端朝上的多普勒流速剖面仪ADCP25。
[0037] 图7、图8、图9中展示了测量期间的水深、波高以及第二个潮周期的水深、近底6cm层流速、流向、含沙量过程数据。其中近底6cm层流速、流向为Imin平均后的数据,原始数据为25Hz的高频观测数据。流速数据呈现出非常好的连贯性以及趋势性,尤其是落潮后期流速稍有回升,对极浅水边界层的探究有非同寻常的意义。同时,与流速数据相对应的分层含沙量数据,可以用以解释一些极浅水边界层的动力地貌现象,这些都是前人未曾成功取得的宝贵的现场资料。
[0038] 相比现有技术,本发明采用上述技术方案具有以下优势:
[0039] 1、智能化程度高:所有仪器均采用无线传输或自容的方式,避免了现场远距离布线工作的不便;观测者只需在附近的观测船上对电脑终端进行相关操作,发送指令,即可控制仪器的工作,并进行实时数据监控,保证了数据的有效性;同时,由于小威龙二代可以观测近底层滩面冲淤过程,为了跟踪近底层流速结构,本系统实现了横杆高度调节的全自动化。
[0040] 2、测量精度高,近底层分辨率高,同步性好:可获取包含近底层高分辨率流速结构的全水深流速剖面,即近底1cm以内可获得3cm范围流速剖面,垂向分辨率高达1_,采样频率高达10Hz ;结合分层布设的OBS及波潮仪,可获取全潮周期水位-波高-流速-含沙量同步数据。
[0041] 3、观测系统结构简单,现场安装方便:以往常用于现场观测的三脚架系统,笨重难于搬运,现场施工需要配备大型施工工具,并且在潮流作用下容易侧翻,稳定性差;同时,大型三脚架系统会对其周围的水体产生较大的扰动,不适用于近底精细流速结构的测量;而本发明设计的观测系统因地制宜,采用几根特制钢管进行现场组装,采用钢索进行全方位锚固,极大地降低了操作难度,减少了支架本身对水流的干扰,提高了数据的可靠性。
[0042] 4、该观测系统适应性强:根据不同的需求,替换部分监测装置即可进行潮滩上多种水文要素的观测,是潮滩水文观测的智能化平台。
[0043] 5、同时,在现场测量中引进国外先进多普勒流速测量仪器一一小威龙剖面流速仪,克服了一般野外用声学多普勒剖面流速仪的近底盲区限制,捕捉到了近底1cm以内3cm范围剖面流速,垂向分辨率高达1mm,采样频率高达100Hz。
[0044] 本技术领域技术人员可以理解,本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地,具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地,现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
[0045] 以上所述仅是本发明的部分实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种滩面近底边界层水沙观测方法,其特征在于,包括如下步骤: 步骤S1:根据研究滩面的水动力条件、地质条件确定相关参数; 步骤S2:根据确定的相关参数,在所述研究地点处安装观测支架,包括: 子步骤S21:安装主杆,其包括:所述主杆由下部组件、中部组件和上部组件依次组接而成,先将主杆的下部组件设置于研究滩面的土体中,然后依次安装主杆中部和上部组件,并且在各组件套接口处插入螺丝并拧紧, 子步骤S22:安装横杆,其包括:在所述主杆上设计高度处安装全自动摇臂式横杆,并将所述横杆套接在所述主杆上,然后通过卡槽将所述横杆卡接到所述主杆上的全螺纹杆芯处, 子步骤S23:安装锚固装置,其包括:以所述主杆为中心,在所述主杆周围三个方向上,距离所述主杆预定距离处,将锚固钢管向外侧与研究滩面呈45°打入土体,并通过锚固钢索两端分别连接所述主杆和所述锚固钢管上配置的扣环,调节所述锚固钢索的长度并拉紧, 子步骤S24:安装侧杆,其包括:在所述主杆侧边相隔预定距离处,将两根侧杆设置于研究滩面的土体中Im深度,采用尼龙绳将所述侧杆与所述主杆连接并拉紧,其中:所述主杆和所述两根侧杆组成的平面垂直于水流主向; 步骤S3:在观测支架完成安装之后,安装观测仪器,并采集数据;所述安装观测仪器,进一步包括:水深观测仪器的安装,其中:将波潮仪安装在所述主杆和侧杆的下端; 步骤S4:采集数据完成之后,回收所述观测仪器和所述观测支架,并处理所采集的数据。
2.根据权利要求1所述的滩面近底边界层水沙观测方法,其特征在于,所述安装观测仪器,进一步包括:流速观测仪器的安装,其中: 将小威龙剖面流速仪安装到所述横杆上并用卡箍固定; 水平方向旋转所述横杆,使所述横杆和所述主杆组成的平面垂直于水流主方向; 通过设定电脑程序自动控制所述横杆的高度,使所述小威龙剖面流速仪到达设定高度并通过无线方式与电脑保持实时通讯; 将声学多普勒剖面流速仪换能器朝上,并埋设到潮滩里,与事先打入土体中的托架用螺丝固定,使换能器表面与滩面持平,用于观测全水深流速剖面。
3.根据权利要求1所述的滩面近底边界层水沙观测方法,其特征在于,所述安装观测仪器,进一步包括:分层含沙量观测仪器的安装,其中: 根据所述研究滩面的最高潮位,采用近底加密、全水深监测的方法将光学浊度仪按不同高度安装到侧杆上,用于获取全潮周期分层同步含沙量信息; 所述研究滩面的近底采用小体积光学浊度仪观测含沙量,并采用无线传输方式与电脑通讯,数传电台与发射装置同样集成在数据采集传输装置中; 所述研究滩面的上层含沙量观测采用自容式光学浊度仪。
4.根据权利要求1所述的滩面近底边界层水沙观测方法,其特征在于,所述安装观测仪器,进一步包括:数据采集传输装置的安装,其中: 观测数据采用无线通讯的方式,用电脑进行实时传输,数传电台与发射装置集成在数据采集传输装置中,所述数据采集传输装置设置于所述主杆的上部组件处。
5.根据权利要求1所述的滩面近底边界层水沙观测方法,其特征在于,所述采集数据,进一步包括: 通过无线传输的仪器采用对应的电脑软件对小威龙剖面流速仪、声学多普勒剖面流速仪、光学浊度仪进行实时数据采集; 在安装前设置自容式光学浊度仪的参数,等待测量完成之后连接电脑从所述自容式光学浊度仪下载数据。
6.根据权利要求1所述的滩面近底边界层水沙观测方法,其特征在于,所述处理数据,进一步包括: 全水深分层流速数据由小威龙剖面流速仪和声学多普勒剖面流速仪导出; 通过电脑软件将所述小威龙剖面流速仪和所述声学多普勒剖面流速仪采集的数据进行合成,以组成近底分辨率1_、全水深分辨率1cm的完整流速剖面数据; 含沙量数据由光学浊度仪提供; 水深数据由波潮仪提供。
7.根据权利要求6所述的滩面近底边界层水沙观测方法,其特征在于,所述含沙量数据由光学浊度仪提供,进一步包括: 采集现场水样对所述光学浊度仪进行标定; 通过分析得到仪器读数与含沙量的相关关系。
8.—种滩面近底边界层水沙观测系统,其特征在于,包括:主杆、第一侧杆、第二侧杆、横杆、竖杆、托架、锚固钢管、锚固钢索、两台声学多普勒剖面流速仪、两台波潮仪和五台浊度观测仪,其中: 所述主杆,其包括下部组件、中部组件和上部组件,所述下部组件直接插入土体,所述中部组件的下端连接所述下部组件的上端且接口处套接并用螺丝卡锁固定,所述上部组件的下端连接所述中部组件的上端且接口处套接并用螺丝卡锁固定; 所述上部组件,其顶部设置微型电动机和搭载架,所述电动机与所述主杆内部的全螺纹杆芯连接,数据采集传输装置安置在所述搭载架上; 所述中部组件,其上套接带有尾部平衡装置的全自动摇臂式横杆,所述全自动摇臂式横杆通过所述主杆上的卡槽与所述全螺纹杆芯卡接; 所述横杆,其端部设置调试轴承并且套接竖杆,所述横杆的底部设置有超声波测距传感器; 所述竖杆,其尾部搭载小威龙剖面流速仪; 所述锚固钢管,其以所述主杆为中心,以45°倾斜角打入土体,所述锚固钢管的顶部扣环部位留在滩面以上; 所述锚固钢索,其两端分别连接所述锚固钢管和所述主杆的中部组件、上部组件上配置的扣环; 所述第一侧杆、所述第二侧杆和所述托架与所述主杆保持在同一垂直于涨落潮流主向的平面内且彼此隔开安全距离; 第一波潮仪和第二波潮仪分别安装于第一侧杆的不同高度位置处; 第一浊度观测仪、第二浊度观测仪、第三浊度观测仪分别安装于第二侧杆的不同高度位置处;多普勒剖面流速仪,其以发射端朝上方式设置在所述托架上。
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