CN110411923A - 基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海底环境观测技术领域和海洋工程地质技术领域，涉及一种基于自然电位测量海底边界层原位实时监测装置及方法。本发明采用的观测装置是自然电位测量探杆，其电极为稳定性较高的固态环形参比电极，无需对电极供电，不受电极极化影响；测量的是海水与海底沉积物两种不同物质因自然电位产生的电势差值，通过两电极间电势差的大小来确定海床界面，反映海床面上下物质浓度的变化；且探杆结构简单，监测方法清晰明了，监测精度高。

Description

基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测装置及方法

技术领域

本发明属于海底环境观测技术领域和海洋工程地质技术领域，涉及一种基于自然电位测量海底边界层原位实时监测装置及方法。

背景技术

海底边界层不是一个固定的单相的层面，是指海床界面上下一定范围内因水动力与海床相互作用而产生的一个区域，该区域既包含受扰动的水流又包括海床以下受到扰动的沉积层。这个层位内频繁发生着能量的传输及海水与海床的物质交换，正是由于这种动力过程的存在，使得研究海底边界层可以较好的描述海底沉积物的侵蚀淤积过程，对海床的侵蚀淤积演化过程有重要的研究意义。

目前对于海底边界层原位监测的方式主要靠声、光、电三方面的技术进行实现，当前光学、声学的方式只能在海床之上观测海床面及海床面以上的变化，无法对海床下部的沉积物进行较好的观测，用电阻率测量的方法可以实现这种对海床上下部分都进行监测的功能，如深海海底边界层动态观测装置和方法（专利号：CN201810276805.7）。上述的监测方式虽然可以实现海床下部分的观测，但其监测频率及周期仍然受到电池容量的限制，且没有解决电极在水中发生极化的问题无法精确测量水中悬沉积物浓度，另外没能建立起海床上下边界层变化与测量参数间的关系。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供了海底边界层原位长期观测方法的新思路，基于不同环境场自然电位差异的原理，利用自然电位测量探杆，无需电池供电不会产生极化现象，既能监测到水中沉积物浓度，还能识别海床界面以下沉积物的孔隙度，真正意义上的实现海底边界层实时的长期原位观测。

为了达到上述目的，本发明是采用下述的技术方案实现的：

一种基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测装置,包括自然电位测量探杆和主控装置,所述自然电位测量探杆中部为杆体,杆体顶部设置有采集舱，杆体底部设置有高强度的锥尖，方便杆体插入海床，沿杆体长度方向等距预留有多个用于放置环形固体参比电极的凹槽,凹槽对应各个固体参比电极的放置,所述主控装置包括放置在采集舱内部的采集仪及数据传输设备，采集仪输入端通过线路电性连接环形固体参比电极，输出端通过线路电性连接数据传输设备。各个固体参比电极之间相互是不连接的，采集舱内有电路板，电路板上有分别控制各个电极的单独开关。全固态免维护参比电极导电性能高、使用时不会出现极化现象，所述的全固态免维护参比电极在使用时无需供电。杆体为非导体材料制成且具有较大的强度，中间预留通道走线；所述环形电极为稳定性较好的固态参比电极，沿所述杆体长度方向由非导体密封材料，等间距固定在所述杆体的预留凹槽内。

作为优选,所述环形固体参比电极，制作时以钛合金为骨架，表面均匀涂抹石墨烯材料，石墨烯厚度在0.1-1mm之间，涂抹后置于烤箱中在150℃高温下维持30分钟左右即可。

作为优选,所述采集舱内还设有电路板，采集仪内含高精度电压表且自带数据处理及存储功能，采集仪有两种方式均可：自容式（频率预先设定好，程序控制）或实时传输式（频率实时设定，远程控制），多个环形固体参比电极分别连接电压表并通过电路板上的开关单独控制。

作为优选,所述采集舱顶部和侧面设有方便提拉或固定的挂钩。

利用所述装置基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测方法，包括如下步骤：

1）将两个固体参比电极分别放入预监测区清澈海水与海床沉积物中，得到自然电位的差值作为参考值V；测量时电压表正极连接清澈海水中的固态参比电极，负极连接所述海床沉积物中的固态参比电极；

2）将自然电位测量探杆贯入到预监测海床中，使得环形固体参比电极下端部分埋藏在海床沉积物中，上端部分位于水体中；

3）通过采集仪控制各环形固体参比电极所对应测量电路的开关，从上到下依次采集相邻电极之间的电势差，得到电势差发生突变的点，即为海床界面相对探杆的位置；

4）确定海床界面后，将发生突变点上方的环形固体参比电极设定为固定电极，分别测量与其上方和下方所有电极的电势差，对比步骤1）中得到的参考值V，分析该点上下位置悬浮泥沙浓度变化；

5）根据提前预设的采集仪采集频率，重复步骤3）和步骤4），根据长期实时监测数据分析海底边界层动态变化，即得到一定时间范围内海底边界层的动态变化过程，通过其动态变化过程预测一定时间范围内海床侵蚀淤积情况；

6）通过数据传输设备将原始采集数据、分析及预测结果发送至平台。

作为优选，所述环形固体参比电极埋藏在海床沉积物中的数量和位于水体中的数量相同，即埋藏在海床沉积物中的数量和位于水体中的环形固体参比电极相等时，效果最好。

作为优选，所述步骤4）中，悬浮泥沙浓度变化采用如下方法获得：

步骤3）中电势差发生突变的两个电极环的中间位置即为突变点，将其作为海床界面在探杆中的相对位置，高度记为H，以底锥为基准；

确定海床界面后，以突变点上方的电极环作为固定电极，标号为a₀；a₀上方的电极标号依次为a₁、a₂、…、a_n，a₀下方的电极标号依次为a_-1、a_-2、…、a_-n；依次测量a₀与其上下方所有电极的电势差记录为V₁、V_-1、…V_x…、V_n，水中悬浮泥沙浓度梯度式

式中C_h为悬浮泥沙浓度在垂直方向上高度为h处的分布，k为浓度系数，V_n为测量电极环与固定电极间的电势差，h为测量的电极环相对固定电极的距离。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1.与现有的技术相比，本发明采用的使自然电位测量探杆，其电极为稳定性较高的固态环形参比电极，无需对电极供电，不受电极极化影响；测量的是海水与海底沉积物两种不同物质自然电位产生的电势差，通过两电极间电势差的大小来确定海床界面，反映海床面上下物质浓度的变化；且探杆结构简单，监测方法清晰明了。

2.本发明与专利（申请号CN201810276805.7，发明名称：深海海底边界层动态观测装置和方法）相比，克服了后者仅能识别出海床界面的大致位置，而未能建立水中泥沙浓度、沉积物孔隙度与测量结果间的关系，因此不能清晰的确定整个海底边界层的范围的技术缺陷。

3.本发明将利用海水及海底沉积物不同物质自然电位存在差异这一特性，利用固态参比电极，无需对电极进行供电，且能实现对海床上下范围内海底边界层动态变化的监测，预测一定时间范围内的海床侵蚀淤积的结果，推动我国海底边界层动态变化、海床侵蚀淤积动态监测的进步。

附图说明

图1为本发明自然电位测量探杆结构示意图；

图2为本发明基于自然电位海底边界层监测方法的实施流程图；

图3为本发明原位监测海底边界层时的示意图；

图4为室内水槽中测得相邻两电极间电势差情况示意图；

图5为本发明在室内水槽中测得以水中一固定电极为中心与其上下电极电势差情况示意图。

各附图标记为：1挂钩，2采集舱，3杆体，4预留凹槽，5环形电极，6测线，7锥尖，8采集仪，9高精度电压表，10数据传输设备。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

实施例1

如图1所示，基于自然电位测量海底边界层原位实时监测装置，监测装置包括自然电位测量探杆和主控装置，自然电位测量探杆包括采集舱2、杆体3和环形电极5；杆体3顶部有采集舱2，底部有高强度（合金或不锈钢）材料锥7。杆体3自身沿杆体长度方向上等间距分布着预留凹槽4，凹槽4对应环形电极5的分布。采集舱顶部有挂钩1，便于提拉，侧面有挂钩便于固定。杆体3为非导体材且具有较大的强度（例如耐磨橡胶或塑料），中间预留通道走线，凹槽4上环形电极5与电线连接处置孔走线。环形电极5为稳定性较好的固态参比电极，无需外接电源，沿杆体3长度方向由非导体密封材料等间距固定在杆体的预留凹槽4内。由于电极是环形的，在制作时，为了方便安装，可以将杆体先分段制作，然后由下往上一节一节的进行组装，上下两节杆体之间留槽，环形电极卡在槽上，再采用密封垫或者防水胶进行密封。主控装置包括测量电路6、采集仪8及数据传输设备10，杆体3内部中空放置测量电路6，测量电路6分别与环形电极5和采集仪8连接，环形电极5相互之间不连接。各个环形电极5通过各自连接的开关控制后分别与采集仪8内含的高精度电压表9连接，高精度电压表选用自带数据处理及存储功能的电压表。所有的开关开合采用电路板来控制，通过高精度电压表测量环形电极5两两间的电位差并与数据传输设备10连接，数据传输设备进一步可连接平台，通过数据传输设备将原始采集数据、分析及预测结果发送至平台。

结合图2对发明监测方法步骤进行说明：

1）利用全固态免维护参比电极通过室内实验获取预监测区清澈海水与海床沉积物自然电位的差值作为参考值V，测量时电压表正极连接清澈海水中的固态参比电极，负极连接海床沉积物中固态参比电极；

2）将自然电位测量探杆贯入到预监测海床中，环形电极5一半数量埋藏在海床沉积物中，一半数量位于水体中，预设采集仪8的采集频率。

3）通过采集仪控制测线6的开关，从上到下依次采集相邻电极5之间的电势差，根据自然电位测量原理，两电极都在水中时电势差基本为零，同理都在沉积物中时也不产生电势差，当一个电极处于水中一个电极处于沉积物中时则产生电势差值，即电势差产生突变，电势差发生突变的两个电极环的中间位置即为突变点，将其作为海床界面在探杆中的相对位置，高度记为H，以底锥为基准；

4）确定海床界面后，以突变点上方的电极环5作为固定电极（标号为a₀），依次测量与其上下方所有电极（a₀上方的电极标号依次为a₁、a₂、…、a_n，a₀下方的电极标号依次为a_-1、a_-2、…、a_-n）的电势差记录为V₁、V_-1、…V_x…、V_n，水中悬浮泥沙浓度梯度式

式中C_h为悬浮泥沙浓度在垂直方向上高度为h处的分布， V_n为测量电极环与固定电极间的电势差，h为测量的电极环相对固定电极的距离，V是步骤1）中得到的参考值；

不同类型的沉积物k的表现是不同的，在室内水槽实验中通过自然电位探杆测量相对固定电极高度为h处的电极与固定电极的电势差，利用浊度计测量该高度h处的悬浮泥沙浓度C _h 。线性拟合C _h 与自然电位值的对应关系，拟合直线方程的斜率即为浓度系数k的取值。如实施例图5中可以得到黏土质沉积物中k>0，砂质沉积物中k<0。

5）根据提前预设的采集仪8采集频率（最大1赫兹），重复步骤3）和步骤4），根据长期实时监测数据分析海底边界层动态变化，即得到一定时间范围内（以采集仪8工作时长为准）海底边界层的动态变化过程。

6）通过数据传输设备10将原始采集数据、分析及预测结果发送至平台。

图3为海底边界层海床界面上下的沉积物分布情况及本发明原位监测时的示意图。

图4是利用上述实施例的方法步骤3）测得的相邻两电极间的电势差值，电势差首先发生突变的两电极中间的点即可认为是海床界面相对自然电位测量探杆的位置。

图5是在室内水槽中测得以水中一固定电极为中心上下位置电势差情况示意图，结合图4可知，沙质海床边界层自然电位表现为负异常，黏土质海床边界层自然电位表现现为正异常。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测装置,包括自然电位测量探杆和主控装置,其特征在于,所述自然电位测量探杆中部为杆体,杆体顶部设置有采集舱，杆体底部设置有锥尖，沿杆体长度方向等距预留有多个用于放置环形固体参比电极的凹槽；所述主控装置包括放置在采集舱内部的采集仪及数据传输设备，采集仪输入端通过线路电性连接环形固体参比电极，输出端通过线路电性连接数据传输设备。

2.根据权利要求1所述的基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测装置,其特征在于,所述环形固体参比电极以钛合金为骨架，表面均匀涂抹厚度0.1-1mm的石墨烯，涂抹后置于烤箱中150℃下保持30分钟制得。

3.根据权利要求1或2所述的基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测装置,其特征在于,所述采集舱内还设有电路板，采集仪内含高精度电压表且自带数据处理及存储功能，采集仪为自容式或实时传输式，多个环形固体参比电极分别连接电压表并通过电路板上的开关单独控制。

4.根据权利要求1所述的基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测装置,其特征在于,所述采集舱顶部和侧面设有方便提拉或固定的挂钩。

5.利用权利要求1或2所述装置基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将两个固体参比电极分别放入预监测区清澈海水与海床沉积物中，得到自然电位的差值作为参考值V；测量时电压表正极连接监测区清澈海水中的固态参比电极，负极连接所述海床沉积物中的固态参比电极；

2）将自然电位测量探杆贯入到预监测海床中，使得环形固体参比电极下端部分埋藏在海床沉积物中，上端部分位于水体中；

3）通过采集仪控制各环形固体参比电极所对应测量电路的开关，从上到下依次采集相邻电极之间的电势差，得到电势差发生突变的点，即为海床界面相对探杆的位置；

4）确定海床界面后，将发生突变点上方的环形固体参比电极设定为固定电极，分别测量与其上方和下方所有电极的电势差，对比步骤1）中得到的参考值V，分析该点上下位置悬浮泥沙浓度变化；

5）根据提前预设的采集仪采集频率，重复步骤3）和步骤4），根据长期实时监测数据分析海底边界层动态变化，即得到一定时间范围内海底边界层的动态变化过程，通过其动态变化过程预测一定时间范围内海床侵蚀淤积情况；

6）通过数据传输设备将原始采集数据、分析及预测结果发送至平台。

6.根据权利要求6所述基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测方法，其特征在于，所述环形固体参比电极埋藏在海床沉积物中的数量和位于水体中的数量相同。

7.根据权利要求6所述基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测方法，其特征在于，所述步骤4）中，悬浮泥沙浓度变化采用如下方法获得：

步骤3）中电势差发生突变的两个电极环的中间位置即为突变点，将其作为海床界面在探杆中的相对位置，高度记为h；

确定海床界面后，以突变点上方的电极环作为固定电极，标号为a₀； a₀上方的电极标号依次为a₁、a₂、…、a_n，a₀下方的电极标号依次为a_-1、a_-2、…、a_-n；依次测量与其上下方所有电极的电势差记录为V₁、V_-1、

…、V_n，水中悬浮泥沙浓度梯度式

式中C_h为悬浮泥沙浓度在垂直方向上的分布，k为浓度系数,固定电极间的电势差，h为测量的电极环相对固定电极的距离。