CN108957451A - 一种内陆架海区永久固定式数据网络平台的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内陆架海区永久固定式数据网络平台的构建方法,包括在内陆架区水深10~20米范围内布置离岸式单位测站,相邻单位测站跨30度的等潮时线,在单位测站配置生产业务用房,陆基水准点,SAR合成孔径雷达,雨量计,雷达式水位计,数字水准仪,全站仪,气象监测仪,海水盐度计,浊度仪,海流仪,和波浪仪进行数据采集,采集的数据经由北斗卫星系统发送至位于内陆技术中心的遥测库接收和算法平台,进行数据的集成和处理,还可以进行“水流‑水质‑泥沙‑大气”耦合模型的数据同化计算,识别和捕捉激波及超临界流涡系的时空变化。本发明能够捕捉激波及超临界流涡系,具有重要的商业应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种内陆架海区永久固定式数据网络平台的构建方法,属于海岸及海洋监测技术领域。
背景技术
传统的海洋监测站建在陆地或岛屿,外海的海洋数据往往是通过浮标或卫星遥感图像分析得到。浮标系统因随潮位上下浮动变化,难以保障流速、含沙量、水质等数据的精准度,单纯的卫星资料遥感反演则难以保障数据资料质量和数据密度,不能满足工程研究的需要。陆基合成孔径雷达(SAR)有很高的分辨率,且具有一定的穿透能力,特别适于内陆架海域(水深小于30米)的内波和超临界流涡系和浪场反演。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷,提供一种内陆架海区永久固定式数据网络平台的构建方法,通过构建内陆架海区永久固定式数据监测平台站网,使之捕捉激波及超临界流涡系(弗汝德数大于一, Froude Number>1),如:涌潮,内波及表面波浪破碎及内陆架海区超临界流涡系,同时实施“水流-水质-泥沙-大气”系统大范围、多参数、高分辨率监测。
为解决上述技术问题,本发明提供一种内陆架海区永久固定式数据网络平台的构建方法,包括以下步骤:
1)建立潮波-风浪的数学模型,计算M2分潮的等潮时线和等振幅线;
2)在内陆架区水深10~20米范围内布置离岸式单位测站,相邻单位测站跨30度的等潮时线,间距控制在30~50公里;
3)单位测站配置如下:按照海岸工程规范,建设桩基生产业务用房100平方米,在生产业务用房附近布置陆基水准点3个,在生产业务用房顶部布置陆基SAR合成孔径雷达1台;测井内配置雨量计1台,雷达式水位计2台,数字水准仪1台,全站仪1台,气象监测仪1套,海水盐度计2套,浊度仪1套,海流仪1套和波浪仪1套;
所述雨量计用于测量降雨量;所述雷达式水位计用于测量潮位;所述数字水准仪用于测量高程;所述全站仪用于测量水平角、垂直角、距离和高差;所述气象监测仪用于测量气压,温度和湿度;所述海水盐度计用于测量海水含盐度;所述浊度仪用于测量含沙量;所述海流仪用于测量流速流向;所述波浪仪用于测量波高、波周期和波向;
4)在各单位测站分别安装数据采集器RTU,数据通信单元,设备状态检测装置及太阳能供电装置;所述雨量计,雷达式水位计,浊度仪,数字水准仪,全站仪,海水盐度计,气象监测仪,海流计和波浪仪均与数据采集器RTU相连;所述数据通信单元和设备状态检测装置通过RS232通信传输接口与数据采集器RTU相连;所述太阳能供电装置为数据采集器RTU,数据通信单元和设备状态检测装置供电;
5)各单位测站的数据采集器RTU采集雨量计,雷达式水位计,浊度仪,数字水准仪,全站仪,海水盐度计,气象监测仪,海流计和波浪仪的数据,以及SAR合成孔径雷达的数据,集成为能够编码发送和解码的雷达数据,通过数据通信单元发射至北斗卫星系统DTU;
6)北斗卫星系统将数据传输至位于内陆技术中心的遥测库接收和算法平台,在该平台中将接收到的数据解码,并对数据进行集成和处理;
7)在遥测库接收和算法平台的大型计算机或工作站进行“水流-水质-泥沙-大气”耦合模型的数据同化计算,识别和捕捉激波及超临界流涡系的时空变化。
前述的数据采集器RTU还支持CF存储卡。
前述的太阳能供电装置采用太阳能电池和蓄电池组合供电方式,由太阳能电池、大容量免维护蓄电池、过压过流保护电路和DC-DC电源变换电路组成;所述太阳能电池安装在生产业务用房顶部,所述免维护蓄电池采用4组并联的单体电池组成,每组由7块2V,500Ah的单体电池串联而成;所述蓄电池安装在密封的电池舱中。
前述的单位测站还配置有锚灯,通过太阳能供电装置供电。
前述的步骤6)对数据进行处理为:对数据提取相关参数,对数据进行评估,并剔除无效数据。
前述的步骤7)的“水流-水质-泥沙-大气”耦合模型的数据同化计算基于拉格朗日块体法或者Fluent软件进行。
本发明所达到的有益效果:
本发明能够捕捉激波及超临界流涡系,激波是水面及水下航行器航行安全和泊稳的重要致险原因,对自然界中激波和涡系的捕捉使本发明有重要的商业应用价值。
本发明能够产生高质量、高密度的数据同化产品,为内陆架海区海岸工程设计施工及海岸防护安全提供长期同步数据资料;为水面及水下航行器的安全提供重要的航行安全保障及长期同步高精度的数据监测资料。
附图说明
图1为本发明的内陆架海区永久固定式数据监测网络平台布局示意图;
图2为单位测站的配置示意图;
图3为实施例中,合成孔径雷达SAR的监测结果示例,(a)为孤立内波,(b)为小尺度涡;
图4为实施例中,江苏沿海内陆架区观测站的应用实例;
图5为实施例中,江苏沿海离岸堤永久固定式数据监测网络平台布局示意图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
内陆架海区永久固定式数据监测网络平台,不同于传统海洋站建于陆地,本发明在200~300公里的内陆架区水深10~20米范围布置一系列永久固定式测站,使之捕捉激波及超临界流涡系(弗汝德数大于一, Froude Number>1),如:涌潮,内波及表面波浪破碎及内陆架海区超临界流涡系,同时实施“水流-水质-泥沙-大气”系统大范围、多参数、高分辨率监测。
本发明以潮波的统计特征(等潮时线等振幅线)作为测站平面布置的主要设计参数。平台平面布局参照图1,相邻测站跨约30度的等潮时线(间距控制在30~50公里)。该平台基于我国自主北斗卫星系统和陆基SAR合成孔径雷达和"水流-水质-泥沙-大气"系统观测手段的集成。
单位测站的配置设备参照图2,主要配置:生产业务用房100平方米(含测井),在生产业务用房附近布置陆基水准点3个,在生产业务用房顶部布置陆基SAR合成孔径雷达1台;测井内配置雨量计1台,用于测量降雨量;雷达式水位计2台,用于测量潮位;数字水准仪1台,用于测量高程;全站仪1台,用于测量水平角、垂直角、距离(斜距、平距)和高差;海水盐度计2套,用于测量海水含盐度;浊度仪1套,用于测量含沙量;气象监测仪1套,用于测量气压,温度和湿度;海流计1套,用于测量流速流向;波浪仪1套,用于测量波高;数据采集器RTU及配套设备2套,用于进行数据采集。配置的2台或2套仪器一般互为备用。通常海水有较大腐蚀性,重要数据采集仪器安装两台/套,备用一套。
雨量计,雷达式水位计,浊度仪,数字水准仪,全站仪,海水盐度计,气象监测仪,海流计和波浪仪均与数据采集器RTU相连。
数据采集器RTU提供RS232通信传输接口,连接GPRS/CDMA数据通信单元,实现海洋站与岸站间的通信传输。GPRS/CDMA数据通信单元将采集的数据发送至北斗卫星系统DTU。
数据采集器RTU还通过RS232通信传输接口连接设备状态检测装置。
数据采集器RTU还支持CF存储卡。
数据采集器RTU,GPRS/CDMA数据通信单元和设备状态检测装置均通过太阳能供电装置供电,本发明的太阳能供电装置采用太阳能电池和蓄电池组合供电方式,主要由太阳能电池、大容量免维护蓄电池、过压过流保护电路和DC-DC电源变换电路组成,对单位测站提供单一工作电压。免维护蓄电池选用同一类型、同一容量、同一电压的电池,这样可使供电装置工作稳定、电池使用寿命长、维护简单。电源输出标称值为14V,设计容量一般为50Ah/日,完全可以满足综合性海洋观测的要求。太阳能电池安装在生产业务用房顶部,可避免遭到破坏;免维护蓄电池采用2V单体电池(500Ah)7块串联成一组,电压14V;根据功耗需求,蓄电池由4组并联组成。蓄电池安装在密封的电池舱中,同仪器舱隔绝。
另外,单位测站还配置有锚灯,同样通过太阳能供电装置供电。
上述测站的数据传输过程如下:
数据采集器采集雨量计,雷达式水位计,浊度仪,数字水准仪,全站仪,海水盐度计,气象监测仪,海流计和波浪仪的数据,以及SAR合成孔径雷达的数据发送至数据采集器RTU,数据采集器RTU对数据进行初步处理,即集成为可以编码发送和解码的雷达数据,然后将数据通过数据通信单元传输至北斗卫星系统DTU,北斗卫星系统将数据传输至位于内陆技术中心的遥测库接收和算法平台,在该平台中将接收到的数据进行解码并进行数据的集成和处理,在接收和算法平台的大型计算机或工作站进行“水流-水质-泥沙-大气”耦合模型的数据同化(data assimilation)计算,识别和捕捉激波及超临界流涡系的时空变化。
本发明的具体实施步骤如下:
(1)首先建立潮波-风浪的数学模型,计算等潮时线和等振幅线(以M2分潮为主)。如采用自行研制的“水流-水质-泥沙-大气”耦合模型(参见黄春琳; 李熙; 孙永远. (2017) 太湖水龄分布特征及"引江济太"工程对其影响研究, 湖泊科学,29(1): 22~31)或商业软件Mike21 或其他常规软件都可以轻松做到,潮汐振动常用8 个分潮叠加,本发明以数模计算M2 分潮的等潮时线和等振幅线。本发明的网络平台构建适用于水深小于20m的内陆架海区。
(2)设计单位测站平面、结构和测井布置图;内陆架区水深10~20米范围布置离岸式单位测站,相邻测站跨约30度的等潮时线(间距控制在30~50公里)。
(3)单位测站配置如下:按照海岸工程规范建设桩基生产业务用房100平方米,陆基水准点3个。生产业务用房顶部建设安装陆基SAR合成孔径雷达1台。测井内配置安装雨量计1台,雷达式水位计2台,数字水准仪1台,全站仪1台,气象监测仪1套,海水盐度计2套,浊度仪1套,海流仪1套和波浪仪1套。
(4)数据源集成,在各单位测站分别安装集成数据采集器RTU(配置一台台式电脑),数据通信单元,设备状态检测装置及太阳能供电装置。数据采集器RTU采集雨量计,雷达式水位计,浊度仪,数字水准仪,全站仪,海水盐度计,气象监测仪,海流计和波浪仪的数据,以及SAR合成孔径雷达的数据进行初步处理后,通过数据通信单元发射传输至北斗卫星系统。
(5)北斗卫星系统将数据传输至位于内陆技术中心的遥测库接收和算法平台,将接收的数据解码并通过算法进行数据的集成和处理。数据处理一般包括通过平台自带算法软件对原始数据提取各种参数,对数据进行评估,并剔除无效数据等简单操作。
(6)在接收和算法平台的大型计算机或工作站基于拉格朗日块体法(李熙,Chu,V. H., (2005) 关于瑞利-泰勒不稳定性的实验和数值研究,科技导报,23(209): 30-32.),或者其他带有超临界流模块的商业软件(如Fluent),进行“水流-水质-泥沙-大气”耦合模型的数据同化(data assimilation)计算。在"水流-水质-泥沙-大气"耦合数值模型的动态运行过程中融合本数据网络平台的观测数据,可以消除算法的伪物理效应,识别捕捉模拟激波及涡系的时空发展变化及其动力过程,从而本发明能够产生高质量、高密度的数据同化产品。
实施例
江苏沿海内陆架海区面积约1.5万平方公里(南北约200km,东西约90km),超临界流和多尺度涡系发达,参照图3(a),(b)和图4,江苏近岸带海域提供了本发明最佳的天然应用和验证场:从射阳河口到长江口等河口入海径流含沙量较大,同时也有海沙来源,因此江苏近岸带泥沙来源丰富;江苏沿海的潮波系统是南黄海和东海潮波的混合,潮差大,是陆海双向强潮河口。由局地风引起的波长为数十米的风浪经常出现,外海传来的涌浪触碰到岛屿会发生反射和折射现象,海面风场和浪场在数公里范围内就有较大变化。在夏秋季节,工程周边海域还是台风多发区,从而会引发巨浪。参照图5,单位测站宜建在水深12-15米的范围,测站布局沿潮波等振幅线布置,相邻测站间距为30-50公里,数据接收和算法平台建在盐城,进入遥测库。
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,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种内陆架海区永久固定式数据网络平台的构建方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)建立潮波-风浪的数学模型,计算M2分潮的等潮时线和等振幅线;
2)在内陆架区水深10~20米范围内布置离岸式单位测站,相邻单位测站跨30度的等潮时线,间距控制在30~50公里;
3)单位测站配置如下:按照海岸工程规范,建设桩基生产业务用房100平方米,在生产业务用房附近布置陆基水准点3个,在生产业务用房顶部布置陆基SAR合成孔径雷达1台;测井内配置雨量计1台,雷达式水位计2台,数字水准仪1台,全站仪1台,气象监测仪1套,海水盐度计2套,浊度仪1套,海流仪1套和波浪仪1套;
所述雨量计用于测量降雨量;所述雷达式水位计用于测量潮位;所述数字水准仪用于测量高程;所述全站仪用于测量水平角、垂直角、距离和高差;所述气象监测仪用于测量气压,温度和湿度;所述海水盐度计用于测量海水含盐度;所述浊度仪用于测量含沙量;所述海流仪用于测量流速流向;所述波浪仪用于测量波高、波周期和波向;
4)在各单位测站分别安装数据采集器RTU,数据通信单元,设备状态检测装置及太阳能供电装置;所述雨量计,雷达式水位计,浊度仪,数字水准仪,全站仪,海水盐度计,气象监测仪,海流计和波浪仪均与数据采集器RTU相连;所述数据通信单元和设备状态检测装置通过RS232通信传输接口与数据采集器RTU相连;所述太阳能供电装置为数据采集器RTU,数据通信单元和设备状态检测装置供电;
5)各单位测站的数据采集器RTU采集雨量计,雷达式水位计,浊度仪,数字水准仪,全站仪,海水盐度计,气象监测仪,海流计和波浪仪的数据,以及SAR合成孔径雷达的数据,集成为能够编码发送和解码的雷达数据,通过数据通信单元发射至北斗卫星系统DTU;
6)北斗卫星系统将数据传输至位于内陆技术中心的遥测库接收和算法平台,在该平台中将接收到的数据解码,并对数据进行集成和处理;
7)在遥测库接收和算法平台的大型计算机或工作站进行“水流-水质-泥沙-大气”耦合模型的数据同化计算,识别和捕捉激波及超临界流涡系的时空变化。
2.根据权利要求1所述的一种内陆架海区永久固定式数据网络平台的构建方法,其特征在于,所述数据采集器RTU还支持CF存储卡。
3.根据权利要求1所述的一种内陆架海区永久固定式数据网络平台的构建方法,其特征在于,所述太阳能供电装置采用太阳能电池和蓄电池组合供电方式,由太阳能电池、大容量免维护蓄电池、过压过流保护电路和DC-DC电源变换电路组成;所述太阳能电池安装在生产业务用房顶部,所述免维护蓄电池采用4组并联的单体电池组成,每组由7块2V,500Ah的单体电池串联而成;所述蓄电池安装在密封的电池舱中。
4.根据权利要求1所述的一种内陆架海区永久固定式数据网络平台的构建方法,其特征在于,所述单位测站还配置有锚灯,通过太阳能供电装置供电。
5.根据权利要求1所述的一种内陆架海区永久固定式数据网络平台的构建方法,其特征在于,所述步骤6)对数据进行处理为:对数据提取相关参数,对数据进行评估,并剔除无效数据。
6.根据权利要求1所述的一种内陆架海区永久固定式数据网络平台的构建方法,其特征在于,所述步骤7)的“水流-水质-泥沙-大气”耦合模型的数据同化计算基于拉格朗日块体法或者Fluent软件进行。
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