CN105113453B - 一种智能式河道清淤指导系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能式河道清淤指导系统，自动化获得河道底泥淤积深度和地表‑地下水垂向潜流交换速率，从而指导河道清淤工作，跟踪评价河道生态特性。该系统在河道沉积物层网格式布设大量信号输出端，通过电缆线路与近岸信号接受端相连，根据每个信号输出端输出的温度信号及相应水热参数，编写相应程序，计算对应的河道淤积深度和垂向潜流交换速率。该系统全部实现智能自动化，可以每时每刻地描述河道淤积情况，及地表水与地下水的潜流交换速率，从而指导河道清淤工作，不仅突破了目前根据经验进行清淤的局限，还将地表水与地下水的“潜流交换理念”融入到河流生态治理中，开了河流生态治理的先河。
Description
技术领域
本发明是涉及一种智能式河道清淤指导系统，属于河流生态治理技术领域。
背景技术
河道是水生态环境的重要载体，不仅仅是水利要求的泄洪、行洪、供水、灌溉、通航等功能，它还是地下水源的重要补给，因此，对河道进行生态治理已成为生态水利规划的重要内容。然而，河道清淤是河道生态治理的一项重要工程，不仅有利于河道各项功能的正常发挥，还改善了河道的生态环境，提高了河道自净能力，对促进经济社会的快速持续发展有着重大意义。在河道清淤工程中，首要任务是确定清淤深度，目前还处于模糊状态，很多时候都采用一般经验，即清理到黄土层为止，也有少部分采用测深仪测量河道底部实际高程，与原河道底部设计高程作差而得河道淤积深度，这也存在一个局限，即所测得的淤泥深度可能很小而达不到清淤，也有可能很大而错过了河流的治理，简单而言，就是在“何时清理”这个问题上只能靠一般经验。因此，本发明设计了一种智能式河道清淤指导系统，该系统全部实现智能自动化，能每时每刻地呈现河道淤泥深度，描述河道淤积情况，同时还能量化地表水与地下水的垂向交换速率，根据淤积深度和垂向交换速率指导河道清淤工作，评价河道清淤效果。
发明内容
目的：针对目前河道淤泥的“不知何时清理”及淤积深度的无标准量测状态，为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种智能式河道清淤指导系统，能够每时每刻地获悉河道淤积深度和垂向潜流交换速率的空间分布规律，全部实现智能自动化，解决了目前河道清淤工程的“模糊清淤深度”与“何时进行清淤”两大问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种智能式河道清淤指导系统，其特征在于：包括多个信号输出端、信号接受端、电缆线路和远程计算机；通过布设多个信号输出端，测量河道沉积物层不同深度的温度，由电缆线路将温度信号传输到近岸的信号接收端，并通过无线网络传入远程计算机，利用信号处理程序处理温度时序数据，并计算河道淤积深度及相应的垂向潜流交换速率，以此来指导河道清淤工作，跟踪评价河道生态特性。
所述的智能式河道清淤指导系统，其特征在于：所述信号输出端，包括铁管、隔热层、温度传感器和原质底泥；隔热层为与铁管内径相配合的圆环形柱体，内嵌于镀锌铁管并贴设于镀锌铁管内表面，用以阻隔热量的横向传播；在隔热层内垂向均匀布设三个温度传感器，最上面和最下面都设定安全距离，以防磨损，隔热层内其余空间由原质底泥填充，原质底泥的压实度与河道底部附近一致。所述的隔热层阻隔了温度的横向传播，最大可能的保证了热量从河水到沉积物层的竖直向传递。
所述的智能式河道清淤指导系统，其特征在于：所述铁管内表面和外表面均设有镀锌层以起防锈作用；铁管厚度为0.5cm，内径和外径分别为9cm、10cm。
所述的智能式河道清淤指导系统，其特征在于：所述隔热层厚度为2cm，内径和外径分别为5cm、9cm，材质为离心玻璃棉毡。
所述的智能式河道清淤指导系统，其特征在于：所述温度传感器为沉入式温度传感器(防腐耐磨)，相邻温度传感器间隔为20cm，最上面、最下面的温度传感器距离顶部或底部5cm。
所述的智能式河道清淤指导系统，其特征在于：所述信号输出端内插在沉积物表层30cm以下，并保持竖直状态，测量沉积物层不同深度的温度。
所述的智能式河道清淤指导系统，其特征在于：所述信号处理程序，是由MATlAB计算语言编写的程序，专门用于处理获取的浅层沉积物层温度时序数据，针对不同深度的温度时序数据进行同步处理、重取样、信号分离及波动振幅、相位提取的基础上，利用一维热运移模型解法进行垂向潜流交换速率及高程变化量计算，可换算成河道淤积深度，并通过后处理插值生成图像，以得到空间分布规律。
有益效果：本发明提供的一种智能式河道清淤指导系统，与现有技术相比，具有以下优点：
1、目前河道清淤工程，对其所要清淤的深度没有一个标准化的定义，大多是根据经验，挖到黄土层即可，尽管采用测深仪测高程法，其外业过程也极其繁琐，而此系统全部实现智能自动化，通过温度传感器信号输入计算机，计算得到河道淤积深度，在室内随时随刻都能获悉河道淤积情况；
2、目前在河道底泥淤积到何种程度时应该进行清理这一问题上没有定性的指标，而该系统可以根据温度传感器信号计算垂向渗流速度，即地表水与地下水的垂向潜流交换速率，因此可以根据交换速率的大小来指导河道清淤工作，评价河道清淤效果；
3、地表水与地下水之间存在着潜流交换，属于一个整体水系，而目前河流生态治理还仅仅处于地表水治理，对地下水涉及甚少，而此系统正好弥补了这一缺陷，通过地表水与地下水的交换情况来指导河道清淤，即将“潜流交换理念”引入到河道治理过程中，开了河道生态治理的先河。
附图说明
图1本发明的信号输出端结构示意图；
图2a和图2b本发明的布置结构示意图；
图3本发明的温度信号输出过程线图；
图4为本发明中信号处理程序流程图；
图中：镀锌铁管1、隔热层2、原质底泥3、温度传感器4、信号输出端5、电缆线路6、信号接收端7。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1至图3所示，一种智能式河道清淤指导系统，包括多个信号输出端、信号接受端、电缆线路和远程计算机；通过布设多个信号输出端，测量河道沉积物层不同深度的温度，由电缆线路将温度信号传输到近岸的信号接收端，并通过无线网络传入远程计算机，利用信号处理程序处理温度时序数据，并计算河道淤积深度及相应的垂向潜流交换速率，以此来指导河道清淤工作，跟踪评价河道生态特性。
如图1所示，信号输出端5，包含镀锌铁管1、隔热层2、温度传感器4和原质底泥3，其整体结构为无盖圆柱体(Ф10×50cm)。镀锌铁管厚度为0.5cm，内外径分别为9cm、10cm全部镀锌以起防锈作用；隔热层为圆环形柱体，厚度为2cm，内外径分别为5cm、9cm，内嵌于镀锌铁管，采用离心玻璃棉毡制成，以阻隔热量的横向传播；在隔热层内垂向均匀布设三个沉入式温度传感器(防腐耐磨)，传感器间隔20cm，最上面和最下面都设定安全距离，距离顶部或底部5cm，以防磨损，其余空间由原质底泥填充，压实度与河道底部附近一致。安装时，必须保证信号输出端处于竖直状态，且顶部距离沉积物表层30cm，以避免清淤时遭到破坏。
如图2a和图2b所示，智能式系统，由多个信号输出端5、信号接收端7、电缆线路6和远程计算机组成。所述信号输出端需竖直安置于沉积物层，顶部距沉积物表层0.3m，为清淤安全距离，且大量信号输出端网格式布设于河道，纵向间距10m，横向间距视具体河宽而定，在急流或易淤区域适当增加布点。在沉积物层铺设电缆线路将其温度信号输出，通过近岸信号接收端接收，并远程无线传入计算机，通过MATLAB编辑程序语言，提取不同深度的温度信号振幅比和相位差，结合相关水热参数计算河道淤积深度及垂向潜流交换速率，并插值生成河道纵剖面图，以得到河道淤泥深度及垂向交换量的空间分布规律。
信号处理程序，主要为温度时序数据分析、淤积深度计算及后期处理三步。温度时序数据分析，是针对每个信号输出端输出的三个不同深度的温度信号，利用MATLAB计算语言编写程序，对其进行同步处理、重取样、信息分离，提取各自振幅、周期及相位，并作出温度过程线图(如图3所示)；淤积深度计算，是基于一维对流-扩散理论，根据上述提取的参数和相应水热参数，通过计算机计算对应点的垂向交换速率及相应高程变化量，再根据河道设定标高换算成河道底部淤积深度。由于淤积深度计算只需两个温度传感器信号，因此信号输出端内布设三个温度传感器，目的在于计算出三组不同的值，然后取其平均值，不仅可以提高精度，还可以在其中一个出现故障的情况下继续工作；后期处理，主要是根据所计算的结果，利用MATLAB插值生成图像，以得到空间分布规律。如图4所示，具体的信号处理理论如下：
1)信号处理原理
基于一维对流-扩散基本理论进一步分析和推求，考虑测点表面高程变化的垂向潜流交换速率将由下式给出：
其中，
上式中，Δz为测点表面高程变化量；P为温度波动周期；κe为有效热扩散系数；γ＝ρmcm/ρwcw，ρ和c分别表示介质密度和热容量(下标m和w分别代表介质砂和水)；表示两个温度传感器所测温度过程线的相位差(如图3)；Ar为两条温度过程线的振幅比。
由此可知，根据温度信号时序数据，可以计算不同时刻信号输出端顶部高程变化量Δz(可换算成对应淤积深度)和垂向潜流交换速率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 (6)
1.一种智能式河道清淤指导系统，其特征在于：包括多个信号输出端、信号接受端、电缆线路和远程计算机；通过布设多个信号输出端，测量河道沉积物层不同深度的温度，由电缆线路将温度信号传输到近岸的信号接收端，并通过无线网络传入远程计算机，利用信号处理程序处理温度时序数据，并计算河道淤积深度及相应的垂向潜流交换速率，以此来指导河道清淤工作，跟踪评价河道生态特性；
信号处理程序，包括温度时序数据分析、淤积深度计算及后期处理；
温度时序数据分析，是针对每个信号输出端输出的不同深度的温度信号，利用MATLAB计算语言编写程序，对其进行同步处理、重取样、信息分离，提取各自振幅、周期及相位，并作出温度过程线图；
淤积深度计算，是基于一维对流-扩散理论，根据提取的参数和相应水热参数，通过计算机计算对应点的垂向交换速率及相应高程变化量，再根据河道设定标高换算成河道底部淤积深度；
后期处理，是根据所计算的结果，利用MATLAB插值生成图像，以得到空间分布规律；
具体的信号处理原理如下：
基于一维对流-扩散基本理论进一步分析和推求，考虑测点表面高程变化的垂向潜流交换速率q将由下式给出：
其中，式中，Δz为测点表面高程变化量；P为温度波动周期；κe为有效热扩散系数；γ＝ρmcm/ρwcw，ρ和c分别表示介质密度和热容量，下标m和w分别代表介质砂和水；表示两个温度传感器所测温度过程线的相位差；Ar为两条温度过程线的振幅比；
由此可知，根据温度信号时序数据，可以计算不同时刻信号输出端的测点表面高程变化量Δz和垂向潜流交换速率,测点表面高程变化量Δz可换算成对应淤积深度。
2.根据权利要求1所述的智能式河道清淤指导系统，其特征在于：所述信号输出端，包括铁管、隔热层、温度传感器和原质底泥；隔热层为与铁管内径相配合的圆环形柱体，内嵌于镀锌铁管并贴设于镀锌铁管内表面，用以阻隔热量的横向传播；在隔热层内垂向均匀布设三个温度传感器，最上面和最下面都设定安全距离，以防磨损，隔热层内其余空间由原质底泥填充，原质底泥的压实度与河道底部附近一致。
3.根据权利要求2所述的智能式河道清淤指导系统，其特征在于：所述铁管内表面和外表面均设有镀锌层以起防锈作用；铁管厚度为0.5cm，内径和外径分别为9cm、10cm。
4.根据权利要求2所述的智能式河道清淤指导系统，其特征在于：所述隔热层厚度为2cm，内径和外径分别为5cm、9cm，材质为离心玻璃棉毡。
5.根据权利要求2所述的智能式河道清淤指导系统，其特征在于：所述温度传感器为沉入式温度传感器，相邻温度传感器间隔为20cm，最上面、最下面的温度传感器距离顶部或底部5cm。
6.根据权利要求1所述的智能式河道清淤指导系统，其特征在于：所述信号输出端内插在沉积物表层30cm以下，并保持竖直状态，测量沉积物层不同深度的温度。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170125 Termination date: 20190722 |