CN104457712A - 移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下分层异重流的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下异重流的系统和方法。主要是构建了移动式仪器施放牵引系统，点式流速仪和多参数水质监测仪联合施放系统和方法，异重流主要水力学表征参数标定方法。本发明所提供的方法简单，装置成本较低，且可弥补目前超大型水库支流库湾倒灌异重流现场监测研究中的不足。

Description

移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下分层异重流的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下分层异重流的系统及方法。

背景技术

三峡水库蓄水运行后，由于干流流量总体较大，掺混强度较强，水体垂向温度梯度较小，而支流库湾水体受到干流顶托，水体垂向温度梯度较大。如此在干支流汇合区，由于干支流水体密度差异，会发生异重流现象，干流水体以异重流的形式潜入支流。支流上游来流大多发源于山区，甚至森林，如神农架，来流水温一般较低，低于库湾回水温度，上游入流大多时间以底部异重流形式流出库湾。因此，干流的倒灌异重流和上游底部异重流在支流库湾运动并驱动库湾水体流动，形成复杂多样的环流模式。该分层异重流驱动的环流模式在三峡水库众多的支流库湾中长期普遍存在。该异重流具有流速小（流速只有厘米级）、复杂多变的特点。

测量流速的仪器种类繁多，根据测流设备所在载体的不同运动状态，常见的有２种方式：①走航式测量，船只搭载测流设备，在行进的过程中测流；②定点式测量，测流设备处于静止状态或以锚定的船只为承载平台测流。应用走航式测量时，测船应沿预定断面航行，船艏不应有大幅度摆动：既要防止测船偏离断面航线，又要避免航向急剧改变。为了取得较好的成果，测船横渡速度最好接近于或略小于水流速度。而在在三峡水库支流库湾中，回水区基本处于准静止状态（v＜0.1m/s），流速很小。若采用走航式测量，控制船速低于水流速度的难度极大。如何利用精度相对更高的定点式测量仪器测出一个测点的流速垂线，并移动测量不同河段不同支流库湾的异重流特性，成为监测和研究类似三峡水库支流库湾低流速条件下分层异重流特性的关键技术难点。同时如何借用其他示踪方法帮助验证异重流的运动过程，克服单一监测流场，出现库湾原有水体受到异重流影响而产生的流动与异重流混淆的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一套移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下异重流的系统和方法。精确系统监测三峡水库支流库湾长期普遍存在的异重流的流场特征，并通过同步监测支流库湾的水质表征参数，如水温、电导率对分层异重流的潜入形式、潜入厚度、运行距离等特征进行系统全面验证。为深化认识三峡水库支流库湾倒灌异重流的存在性和水动力学参数的标定方法提供技术支持，并对基于该水动力特性的水华暴发机理提供水力学基础。

本发明的目的是这样实现的：一种移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下分层异重流的系统，它包括监测船，监测船通过第一钢丝绳、第一锚、第二钢丝绳、第二锚固定，第一钢丝绳和第二钢丝绳上分别牵引多参数水质分析仪和点式流速仪，第一锚侧设有第一电动机，第一电动机通过第一皮带连接第一卷扬机，第一卷扬机上设有第一钢丝绳，第一钢丝绳穿过设置在第一锚支架上的第一滑轮；第二锚侧设有第二电动机，第二电动机通过第二皮带连接第二卷扬机，第二卷扬机上设有第二钢丝绳，第二钢丝绳穿过设置在第二锚支架上的第二滑轮，所述第一电动机和第二电动机上分别通过第一电缆和第二电缆设有第一倒顺开关和第二倒顺开关，第一倒顺开关和第二倒顺开关另一端通过电缆连接发电机。

上述的式流速仪通过铁丝扣和U型卸扣与第一钢丝绳连接；所述的多参数水质分析仪通过铁丝扣和U型卸扣与第二钢丝绳连接。

上述的U型卸扣包括卸扣本体和横销，卸扣本体为扁型，径向截面大体呈椭圆形，两端头分别设置有螺纹销孔。

一种移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下分层异重流的方法,它包括如下步骤：

（1）移动式仪器施放牵引系统生成，将配备卷扬机、发电机、钢丝绳各两套，锚、锚支架各两个的监测船行驶到预先设定的一个采样点，停定，开启发电机，利用第二倒顺开关控制第二电动机通过第二皮带带动第二卷扬机释放第二钢丝绳将第二锚放入水中并逐渐下放至河底，抓牢河床；并利用第一倒顺开关控制第一电动机通过第一皮带8带动第一卷扬机释放第一钢丝绳将第一锚放入水中并逐渐下放至河底，同样抓牢河床，如此便在监测船与河底之间形成相对稳定的牵引柱，前后两根，分别用于施放高精度点式流速仪和多参数水质监测仪；

（2）启动相关仪器。启动高精度点式流速仪，流速测量可选范围为0.01-7.00 m/s，精度为测量值的±0.5％或±0.1mm/s，输出采样频率为1-64Hz，内部采样频率为100-250Hz，采样体积为柱形，距探头距离0.15m，直径15mm，可选高度为5~20mm；启动多参数水质监测仪，监测参数包括溶解氧、pH、电导率、水温、深度、浊度和叶绿素 a。设置监测频率为每5秒获取一组数据；

（3）点式流速仪和多参数水质分析仪联合施放，用铁丝分别在点式流速仪和多参数水质分析仪上各拧出铁丝扣，将点式流速仪倒立，用绳索穿过点式流速仪上的每一个铁丝扣绑紧固定并在探头下面打一个结，保持绳索从流速仪正中使力并保证流速仪收放流畅；同时用另一根绳索穿过多参数水质分析仪上的铁丝扣绑紧固定并在仪器尾部自带铁环上打一个结，同样为了流场收放多参数水质分析仪；用U型卸扣将点式流速仪连接到船头牵引第二钢丝绳上，同时用U型卸扣将多参数水质分析仪连接到船尾牵引第一钢丝绳上；施放仪器实施监测，先将多参数水质分析仪沿深度缓慢连续施放，释放速度为小于1m/15 s，保证每米深度内有三个以上数据，待多参数水质分析仪测到河底后迅速收起，停止仪器并导出数据，形成水温沿深度变化的简图，初步判断干流倒灌异重流潜入方式和潜入深度；施放点式流速仪，根据水温监测垂线，初步确定异重流上下界面深度，在流速监测时，流速监测的深度设定为平均每2m一层，在倒灌异重流的上层边界及下层边界上下各5m加密为0.5 m一层，每层监测1分钟，用秒表计时。待监测完毕后，迅速收起仪器，停止流速仪并导出数据，绘制流速沿深度变化图。

（4）后续数据分析，标定异重流主要水力学参数，利用流速沿深度变化图，标定干流倒灌异重流的潜入方式和潜入深度，待整条库湾流速及多参数水质指标测定完成后，汇总整条河中泓线纵向所有监测点垂线流速数据，绘制支流库湾流速纵剖面图；汇总整条河中泓线纵向所有监测点垂线电导率数据，绘制支流库湾电导率纵剖面图；对照流速剖面图及电导率剖面图，确认倒灌异重流的潜入形式，并根据电导率纵剖面图中电导率等值线分布特征，标定异重流潜入运行距离，应用电导率示踪标定的方法，有利于克服流场中运行距离偏大的假象。

上述移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下分层异重流的方法,还包库如下步骤：所述的横销穿过一端螺纹销孔，和另一端螺纹销孔螺纹连接，转动销尾至卸扣本体的端头外侧，横销不能继续转动时，实现横销与卸扣本体的连接，使用完后，反向转动销尾至卸扣本体退出螺纹销孔，取下时，可将卸扣本体保留在仪器上的铁丝扣上，只取下横销，或者将横销和卸扣本体同时取下。

应用上述标定方法，可监测异重流，图7的潜入方式为中层倒灌，潜入深度为4.1-32.1m。

本发明有如下有益效果：

本发明所提供的移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下异重流的系统和方法，通过构建移动式仪器施放牵引柱，将高精度三维点式流速仪和多参数水质分析仪联合用于三峡水库支流库湾厘米级异重流流场的现场测定和相关水力学参数的标定，对深化认识三峡水库支流库湾倒灌异重流的长期普遍存在性和水动力学参数的标定方法提供技术支持。本发明所提供的方法简单，装置成本较低，且可弥补目前超大型水库支流库湾倒灌异重流现场监测研究中的不足。鉴于三峡水库及其上游梯级水库的重要性，本发明可为制定三峡水库及其上游梯级水库干支流库湾异重流监测、验证、水力学参数标定方法指南或技术标准。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的移动式仪器施放牵引系统的结构示意图；

图3为流速仪和多参数水质监测仪沿钢丝绳固定方法图；

图4为U型卸扣的结构示意图；

图5为水温沿深度变化实例图；

图6流速沿深度变化实例图；

图7异重流主要水力学参数标定方法图。

具体实施方式

如图1-3中，一种移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下分层异重流的系统，它包括监测船9，监测船通过第一钢丝绳2、第一锚1、第二钢丝绳16、第二锚17固定，第一钢丝绳2和第二钢丝绳16上分别牵引多参数水质分析仪3和点式流速仪15，第一锚侧设有第一电动机7，第一电动机通过第一皮带8连接第一卷扬机6，第一卷扬机上设有第一钢丝绳2，第一钢丝绳穿过设置在第一锚支架5上的第一滑轮18连接多参数水质分析仪；第二锚侧设有第二电动机10，第二电动机通过第二皮带12连接第二卷扬机11，第二卷扬机上设有第二钢丝绳14，第二钢丝绳穿过设置在第二锚支架13上的第二滑轮24连接点式流速仪。

所述第一电动机7和第二电动机10上分别通过第一电缆20和第二电缆22设有第一倒顺开关1和第二倒顺开关23，第一倒顺开关1和第二倒顺开关23另一端通过电缆连接发电机21。所述的式流速仪通过铁丝扣25、27、29、30和U型卸扣26、28与第一钢丝绳2连接；所述的多参数水质分析仪通过铁丝扣31、33、35、36和U型卸扣32、34与第二钢丝绳16连接。

该专利具体实施包括移动式仪器施放牵引系统生成，启动仪器设备，流速仪和多参数水质分析仪联合施放和后续数据分析，标定异重流主要水力学参数。具体包括入校步骤：

（1）移动式仪器施放牵引系统生成，将配备卷扬机、发电机、钢丝绳各两套，锚、锚支架各两个的监测船行驶到预先设定的一个采样点，停定，开启发电机，利用第二倒顺开关控制第二电动机通过第二皮带带动第二卷扬机释放第二钢丝绳将第二锚放入水中并逐渐下放至河底，抓牢河床；并利用第一倒顺开关控制第一电动机通过第一皮带8带动第一卷扬机释放第一钢丝绳将第一锚放入水中并逐渐下放至河底，同样抓牢河床，如此便在监测船与河底之间形成相对稳定的牵引柱，前后两根，分别用于施放高精度点式流速仪和多参数水质监测仪。

（2）启动相关仪器。启动高精度点式流速仪，本发明选用挪威Nortek AS 公司生产的高分辨率三维点式流速仪“威龙”，能直接测量三维流速，具有对水流干扰小、测量精度高、采样体积小、无需率定、操作简便和流速资料后处理功能强等优点。流速测量可选范围为0.01~7.00 m/s，精度为测量值的±0.5％或±0.1mm/s，输出采样频率为1~64Hz，内部采样频率为100~250Hz，采样体积为柱形，距探头距离0.15m，直径15mm，可选高度为5~20mm。

启动多参数水质监测仪，本发明选用美国HACH（哈希）公司生产的Hydrolab DX5多参数水质分析仪，监测参数包括溶解氧、pH、电导率、水温、深度、浊度、叶绿素 a。设置监测频率为每5秒获取一组数据。

（3）点式流速仪和多参数水质分析仪联合施放

用铁丝分别在点式流速仪和多参数水质分析仪上各拧出铁丝扣25、27、29和30以及31、33、35和36，将点式流速仪倒立，用绳索穿过点式流速仪上的每一个铁丝扣绑紧固定并在探头下面打一个结，保持绳索从流速仪正中使力并保证流速仪收放流畅；同时用另一根绳索穿过多参数水质分析仪上的铁丝扣绑紧固定并在仪器尾部自带铁环上打一个结，同样为了流场收放多参数水质分析仪。

用U型卸扣26和28将点式流速仪连接到船头牵引钢丝绳16上，同时用U型卸扣32和34将多参数水质分析仪连接到船尾牵引钢丝绳2上。U型卸扣，包括卸扣本体37和横销38，卸扣本体37为扁型，径向截面大体呈椭圆形，两端头分别设置有螺纹销孔。使用时，横销38穿过一端螺纹销孔，和另一端螺纹销孔螺纹连接，转动销尾至卸扣本体37的端头外侧，横销38不能继续转动时，实现横销38与卸扣本体37的连接。使用完后，反向转动销尾至卸扣本体37退出螺纹销孔。取下时，可将卸扣本体38保留在仪器上的铁丝扣上，只取下横销37，或者将横销37和卸扣本体38同时取下。

施放仪器实施监测，先将多参数水质分析仪沿深度缓慢连续施放，释放速度为小于1m/15 s，保证每米深度内有三个以上数据。待多参数水质分析仪测到河底后迅速收起，停止仪器并导出数据，形成水温沿深度变化的简图，初步判断干流倒灌异重流潜入方式和潜入深度。如图5，发现水温在10 m左右及30 m左右出现分层特征突变且10-30m之前水温梯度很小，所以推测干流水体从10-30 m之间倒灌进入支流库湾，所以在流速监测时，流速监测的深度设定为平均每2m一层，在倒灌异重流的上层边界及下层边界上下各5m加密为0.5 m一层，如2010年5月16日在5-15 m及25-35m加密为每0.5 m一层，每层监测1分钟，用秒表39计时。待监测完毕后，迅速收起仪器，停止流速仪并导出数据。绘制流速沿深度变化图，如图6。

（4）后续数据分析，标定异重流主要水力学参数

利用流速沿深度变化图，标定干流倒灌异重流的潜入方式和潜入深度。如图7，潜入方式为中层倒灌，潜入深度为4.1-32.1m。

待整条库湾流速及多参数水质指标测定完成后，汇总整条河中泓线纵向所有监测点垂线流速数据，绘制支流库湾流速纵剖面图，如图7（a）。汇总整条河中泓线纵向所有监测点垂线电导率数据，绘制支流库湾电导率纵剖面图，如图7（b）。对照流速剖面图及电导率剖面图，确认倒灌异重流的潜入形式，并根据电导率纵剖面图中电导率等值线分布特征，标定异重流潜入运行距离。如图7（b）中电导率纵剖面图中虚线显示异重流倒灌运行距离河口约18 km，似乎大于流速纵剖面图中运行距离（图7（a）），然而正是基于电导率示踪作用的保守性，干流水体真正到达之处才会出现在电导率的等值线上，而流场中，由于干流倒灌水体的推动作用，库湾原有水体也会出现向上游流动的趋势。所以，应用电导率示踪标定的方法，有利于克服流场中运行距离偏大的假象。

Claims (6)

1.一种移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下分层异重流的系统，其特征在于，它包括监测船（9），监测船通过第一钢丝绳（2）、第一锚（1）、第二钢丝绳（16）、第二锚（17）固定，第一钢丝绳（2）和第二钢丝绳（16）上分别牵引多参数水质分析仪（3）和点式流速仪（15），第一锚侧设有第一电动机（7），第一电动机通过第一皮带（8）连接第一卷扬机（6），第一卷扬机上设有第一钢丝绳（2），第一钢丝绳穿过设置在第一锚支架（5）上的第一滑轮（18）；第二锚侧设有第二电动机（10），第二电动机通过第二皮带（12）连接第二卷扬机（11），第二卷扬机上设有第二钢丝绳（14），第二钢丝绳穿过设置在第二锚支架（13）上的第二滑轮（24），所述第一电动机（7）和第二电动机（10）上分别通过第一电缆（20）和第二电缆（22）设有第一倒顺开关（1）和第二倒顺开关（23），第一倒顺开关（1）和第二倒顺开关（23）另一端通过电缆连接发电机（21）。

2.根据权利要求1所述的移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下分层异重流的系统,其特征是：所述的多参数水质分析仪通过铁丝扣（25、27、29、30）和U型卸扣（26、28）与第一钢丝绳（2）连接；所述的点式流速仪通过铁丝扣（31、33、35、36）和U型卸扣（32、34）与第二钢丝绳（16）连接。

3.根据权利要求2所述的移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下分层异重流的系统,其特征是：所述的U型卸扣包括卸扣本体（37）和横销（38），卸扣本体为扁型，径向截面大体呈椭圆形，两端头分别设置有螺纹销孔。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下分层异重流的方法,包括如下步骤：

（1）移动式仪器施放牵引系统生成，将监测船配备卷扬机、发电机、钢丝绳各两套，锚、锚支架各两个行驶到预先设定的一个采样点，停定，开启发电机，利用第二倒顺开关控制第二电动机通过第二皮带带动第二卷扬机释放第二钢丝绳将第二锚放入水中并逐渐下放至河底，抓牢河床；并利用第一倒顺开关控制第一电动机通过第一皮带带动第一卷扬机释放第一钢丝绳将第一锚放入水中并逐渐下放至河底，同样抓牢河床，如此便在监测船与河底之间形成相对稳定的牵引柱，前后两根，分别用于施放高精度点式流速仪和多参数水质监测仪；

（2）启动相关仪器：启动高精度点式流速仪，流速测量可选范围为0.01-7.00 m/s，精度为测量值的±0.5％或±0.1mm/s，输出采样频率为1-64Hz，内部采样频率为100-250Hz，采样体积为柱形，距探头距离0.15m，直径15mm，可选高度为5~20mm；启动多参数水质监测仪，监测参数包括溶解氧、pH、电导率、水温、深度、浊度和叶绿素 a，设置监测频率为每5秒获取一组数据；

（3）点式流速仪和多参数水质分析仪联合施放，用铁丝分别在点式流速仪和多参数水质分析仪上各拧出铁丝扣，将点式流速仪倒立，用绳索穿过点式流速仪上的每一个铁丝扣绑紧固定并在探头下面打一个结，保持绳索从流速仪正中使力并保证流速仪收放流畅；同时用另一根绳索穿过多参数水质分析仪上的铁丝扣绑紧固定并在仪器尾部自带铁环上打一个结，同样为了流场收放多参数水质分析仪；用U型卸扣将点式流速仪连接到船头牵引第二钢丝绳上，同时用U型卸扣将多参数水质分析仪连接到船尾牵引第一钢丝绳上；施放仪器实施监测，先将多参数水质分析仪沿深度缓慢连续施放，释放速度为小于1m/15 s，保证每米深度内有三个以上数据，待多参数水质分析仪测到河底后迅速收起，停止仪器并导出数据，形成水温沿深度变化的简图，初步判断干流倒灌异重流潜入方式和潜入深度；施放点式流速仪，根据水温监测垂线，初步确定异重流上下界面深度，在流速监测时，流速监测的深度设定为平均每2m一层，在倒灌异重流的上层边界及下层边界上下各5m加密为0.5 m一层，每层监测1分钟，用秒表计时；待监测完毕后，迅速收起仪器，停止流速仪并导出数据，绘制流速沿深度变化图；

（4）后续数据分析，标定异重流主要水力学参数，利用流速沿深度变化图，标定干流倒灌异重流的潜入方式和潜入深度，待整条库湾流速及多参数水质指标测定完成后，汇总整条河中泓线纵向所有监测点垂线流速数据，绘制支流库湾流速纵剖面图；汇总整条河中泓线纵向所有监测点垂线电导率数据，绘制支流库湾电导率纵剖面图；对照流速剖面图及电导率剖面图，确认倒灌异重流的潜入形式，并根据电导率纵剖面图中电导率等值线分布特征，标定异重流潜入运行距离，应用电导率示踪标定的方法，有利于克服流场中运行距离偏大的假象。

5.根据权利要求4所述的移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下分层异重流的方法,其特征在于，还包库如下步骤：所述的横销穿过一端螺纹销孔，和另一端螺纹销孔螺纹连接，转动销尾至卸扣本体的端头外侧，横销不能继续转动时，实现横销与卸扣本体的连接，使用完后，反向转动销尾至卸扣本体退出螺纹销孔，取下时，可将卸扣本体保留在仪器上的铁丝扣上，只取下横销，或者将横销和卸扣本体同时取下。

6.根据权利要求4或5所述的移动监测河道型水库支流库湾低流速条件下分层异重流的方法,其特征在于，所述的潜入方式为中层倒灌，潜入深度为4.1-32.1m。