CN111549743A - 抽水式剖面泥沙自动监测方法及其监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽水式剖面泥沙自动监测方法及其监测装置，其中监测方法包括：通过深入至水面下方指定位置和深度的进水管获取相应水深处的水样；利用抽水装置将所述水样抽取至设置于水面载体上的检测仓内；利用检测仓内的检测装置对水样进行泥沙监测，获得指定位置、指定深度的泥沙监测数据。其实现了采用1个观测设备，即可实现多个定深水样的长期、连续自动化监测，并避免了人工值守，减少了设备维护。

Description

抽水式剖面泥沙自动监测方法及其监测装置

技术领域

本发明涉及通道建设基槽开挖、沉管安装的泥沙环境监测技术领域，尤其涉及一种抽水式剖面泥沙自动监测方法及其监测装置。

背景技术

在海床上开挖基槽，并埋设安装预制的巨型沉管是海底隧道的修建方式。基槽开挖后，槽底的平整度是沉管能否顺利下放安装的重要因素。而工程海域泥沙淤积规律研究与淤泥的预测预报，是了解与预知基槽泥沙现状、辅助决策沉管顺利下放的重要科学依据，沉管运往现场而因临时淤积无法下放将可能造成数千万的经济损失，工期等所有计划也将重新调整。长期连续自动的剖面泥沙监测，是开展通道泥沙淤积研究的基础，监测数据的完整性、有效性、可靠性直接影响研究结论，影响通道沉管工程的建设，因此海域剖面泥沙监测意义不言而喻。

港珠澳大桥的沉管隧道建设经验表明，工程周边水域的泥沙环境是影响沉管基槽淤积的极为重要因素，未知的泥沙环境有可能造成不明淤积，直接影响巨型沉管下放与安装的可行性、安全性。

长期持续开展工程周边水域的泥沙环境监测，并重点采集近底层(底部0-2m)的剖面泥沙数据，详细分析工程水域泥沙的时间与三维空间(平面及水域剖面)特征，从时间-空间多维角度研究其运动与变化规律，能够为泥沙运动的精确预测预报提供服务，最终服务于通道沉管下放与安装。

目前，针对海域剖面泥沙监测的方法主要有人工取样试验法、人工巡测法、自容式自动监测法，但这些方法都无法在通道工程建设中实现长期连续实时的自动剖面监测。

1、人工取样监测法

作业人员乘坐作业船舶，通过取水器等取样装置，在指定时间，对指定海域位置、指定水体深度，逐点进行现场取样，取样完成后将样品送至室内进行分析试验得出泥沙成果数值。该方法主要应用于小型工程建设的临时监测，而基本无法作为深中通道工程建设泥沙监测的主要方法，理由如下：

①大风、大浪、大雾等恶劣海况下，作业人员无法出海，无法开展作业，而往往在恶劣海况下，数据的极值典型性更优，更具有研究与工程价值。

②监测数据不具备实时性，数据实用性能受限。

据经验统计，现场取样，再将样品转至实内试验的方式，小范围工程海域成果数值的获取往往延后12h以上，大范围工程海域可能延迟1-3天。

③人工观测不具备连续性，难以长期、连续监测。

通道建设周期一般时间较长，人工观测难以长期、连续在海上开展作业，并持续将样品送至岸基实验室。

④成本极高。

主要体现在船舶投入、人员投入。

2、人工巡测法

也是作业人员乘坐船舶赴现场作业的监测方法，相比人工取样监测法，不同的是现场不进行取样，而是直接采用监测仪器直接监测指定位置、指定水体深度的泥沙数据，数据存储在设备中，作业人员回岸基数据中心后，将数据从设备存储中读出。因作业过程与人工取样监测法基本一致，因此其局限性与不足也基本与人工取样监测法一致。

3、定点定深自容式观测

对指定海域位置、指定水体深度(分层)位置布设自容式观测仪，设备布设数量与要求的分层数一致(如6层法则需布设6个同样的观测设备)。观测设备按照设定的时间间隔，自动进行对应位置的泥沙监测并将数据存储在设备中。作业人员定期对设备进行取回并读取所记录的数据，以达到泥沙监测的目的。

该方法虽然能够实现长期连续监测，但也有很大的不足，无法满足通道工程建设的海域剖面监测、便携使用需求。

①观测方式为自容式，不具备实时性。

数据存储在观测设备中，要获取数据，需将设备取回读取数据，

②成本投入高。

因不具备实时性，需定期进行海上回收与数据读取。而根据深中通道建设对数据的实时或准实时需求，基本也需要作业人员长期在海上值守以回收设备读取数据，造成现场成本投入极高。

另外，根据分层需求，每一层均需布设同样的观测设备，设备投入数量多、资源利用不合理，造成剖面监测时投入高，维护成本高。

③无法解决海生物附着生长对泥沙监测的影响。

受传感器观测原理(只能监测定点)限制，剖面监测一直是泥沙专业的技术难题，而通过在不同分层布置多个同样传感器的方式，不仅无法实现实时的数据发送，更是因为长期浸泡、海生物附着、水下电缆缠绕等原因，造成测量结果不准确、可靠性降低。因此采用传统设备进行剖面监测多年来也一直未可行。现场测试结果表明，监测传感器持续在水下2-3天，因海生物附着影响，监测结果就逐步不再可靠。当长期依靠人工进行海生物附着清除时，同样又会出现人工取样监测法的恶劣海况无法作业、不连续、成本高等局限与不足。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种抽水式剖面泥沙自动监测方法，实现了采用1个观测设备，即可实现多个定深水样的长期、连续自动化监测，并避免了人工值守，减少了设备维护。

为实现上述目的和一些其他的目的，本发明采用如下技术方案：

一种抽水式剖面泥沙自动监测方法，包括：

通过深入至水面下方指定位置和深度的进水管获取相应水深处的水样；

利用抽水装置将所述水样抽取至设置于水面载体上的检测仓内；

利用检测仓内的检测装置对水样进行泥沙监测，获得指定位置、指定深度的泥沙监测数据。

优选的是，所述的抽水式剖面泥沙自动监测方法中，还包括：

将所述泥沙监测数据通过集成存储器进行备份保存，并将所述泥沙监测数据通过通信装置远程实时发送。

优选的是，所述的抽水式剖面泥沙自动监测方法中，通过深入至水面下方指定位置和深度的进水管获取相应水深处的水样，包括：

所述进水管的数量根据分层采样的数量要求布设为1根或多根。

优选的是，所述的抽水式剖面泥沙自动监测方法中，利用抽水装置将所述水样抽取至设置于水面载体上的检测仓内，包括：

利用抽水装置将所述水样抽取至设置于水面上的海上固定平台或浮标上的检测仓内。

优选的是，所述的抽水式剖面泥沙自动监测方法中，利用检测仓内的检测装置对水样进行泥沙监测，获得指定位置、指定深度的泥沙监测数据，包括：

利用检测仓内设置的在线式泥沙传感器对水样进行泥沙监测，获得指定位置、指定深度的泥沙监测数据。

一种抽水式剖面泥沙自动监测装置，包括：

采水机构，其包括第一进水管和抽水装置；所述第一进水管由指定位置伸入水面下方并固定于指定深度，并与所述抽水装置相连接；

检测机构，其包括第二进水管和设置于水面载体上的检测仓；所述第二进水管的进水端与第一进水管的出水端相连接，出水端连接检测仓的进水口，所述检测仓对抽水装置通过第一进水管和第二进水管抽取至检测仓内的水样进行检测；

数据采集机构，其包括数据采集器和通信装置；所述数据采集器对检测仓检测的水样数据，以及所述抽水装置和检测仓的状态数据进行采集，并通过通信装置将所述水样数据和状态数据进行远程实时发送。

优选的是，所述的抽水式剖面泥沙自动监测装置中，还包括：

控制器，其与所述抽水装置和检测仓分别连接；所述控制器通过对所述抽水装置的控制控制采水时间和采水频率；所述控制器通过对检测仓的控制控制检测时的采样频率和采样间隔。

优选的是，所述的抽水式剖面泥沙自动监测装置中，所述检测仓上设置有溢水口和排水口；所述溢水口在检测仓内水样过量是将水样部分排出检测仓外；所述排水口与控制器相连接，并在由所述控制器接收到检测完成的信号时打开，以将检测仓内的水样全部排出。

优选的是，所述的抽水式剖面泥沙自动监测装置中，所述第一进水管的数量依据分层采样的数量进行布设；所述第一进水管与第二进水管一一对应连接，或者通过控制开关实现M根第一进水管和N根第二进水管的连接，其中，M为大于N的自然数。

优选的是，所述的抽水式剖面泥沙自动监测装置中，所述检测仓内至少设置有用于水样检测的在线式泥沙传感器；所述检测仓内还设置有用于检测水样电导率的电导率传感器。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明的抽水式剖面泥沙自动监测方法中，通过深入至水面下方指定位置和深度的进水管获取相应水深处的水样，利用抽水装置将所述水样抽取至设置于水面载体上的检测仓内，然后检测仓内的检测装置对水样进行泥沙监测，获得指定位置、指定深度的泥沙监测数据，能够满足通道隧道工程4-5年，甚至更长建设期的工程海域剖面泥沙长期连续自动监测需要，工程价值显著。

通过在检测仓内设置检测装置，通过调整进水管伸入水面下方的深度就能利用抽水装置获得不同定深处的水样，解决了多个传感器电缆众多水下相互缠绕的问题；基于抽水式的原理，将水样输送至检测仓进行检测，检测完即将水样排出，避免了传感器长期在水下浸泡，同时也就避免了海生物的生产与附着，让长期自动监测变得可行。因此本发明可以弥补现有观测方法的不足与局限，有效实现海域剖面泥沙的自动监测。

通过抽水装置、检测仓和进水管的配合，实现了长期连续自动化监测，无需海上人员值守，既能极大减少人员与现场成本投入，同时能保证大风、大浪、大雾等恶劣海况条件下的有效观测。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明提供的抽水式剖面泥沙自动监测装置的框架结构图；

图2是本发明实施例1中CTD与1米处浊度相关关系图；

图3是本发明实施例1中CTD与8米处浊度相关关系图；

图4是本发明实施例1中CTD与15米处浊度相关关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明，以令本领域普通技术人员参阅本说明书后能够据以实施。

一种抽水式剖面泥沙自动监测方法，包括：通过深入至水面下方指定位置和深度的进水管获取相应水深处的水样；

利用抽水装置将所述水样抽取至设置于水面载体上的检测仓内；

利用检测仓内的检测装置对水样进行泥沙监测，获得指定位置、指定深度的泥沙监测数据。

在上述方案中，检测仓安装运行于水面载体上，例如海上固定平台、浮标等移动平台上，通过将进水管(可采用水管连接)下端固定于指定位置的指定深度(分层)处，采用水泵等抽水装置将指定位置、指定深度(分层)的水样抽至水面，并输送至检测仓；检测仓安装有检测装置，在检测仓水样容积满足检测要求时，检测仓中的检测装置对水样进行泥沙检测，从而获取指定位置、指定深度(分层)的泥沙监测成果。

通过在检测仓内设置检测装置，通过调整进水管伸入水面下方的深度就能利用抽水装置获得不同定深处的水样，解决了多个传感器电缆众多水下相互缠绕的问题；基于抽水式的原理，将水样输送至检测仓进行检测，检测完即将水样排出，避免了传感器长期在水下浸泡，同时也就避免了海生物的生产与附着，让长期自动监测变得可行。因此本发明可以弥补现有观测方法的不足与局限，有效实现海域剖面泥沙的自动监测。

通过抽水装置、检测仓和进水管的配合，实现了长期连续自动化监测，无需海上人员值守，既能极大减少人员与现场成本投入，同时能保证大风、大浪、大雾等恶劣海况条件下的有效观测。

一个优选方案中，还包括：将所述泥沙监测数据通过集成存储器进行备份保存，并将所述泥沙监测数据通过通信装置远程实时发送。

在上述方案中，能够同步实现监测的自容式存储、实时在线分发，满足了数据实时性需求；两类方式并存，既满足了通道工程建设对数据实时性的需求，同时数据又将在集成存储器中备份保存。

一个优选方案中，通过深入至水面下方指定位置和深度的进水管获取相应水深处的水样，包括：所述进水管的数量根据分层采样的数量要求布设为1根或多根。

在上述方案中，进水管的数量可以根据分层采样的数量要求灵活布置，进而使得对水样的获取更加便捷，提高采样效率。

一个优选方案中，利用抽水装置将所述水样抽取至设置于水面载体上的检测仓内，包括：利用抽水装置将所述水样抽取至设置于水面上的海上固定平台或浮标上的检测仓内。

在上述方案中，通过将检测仓设置在海上固定平台或浮标等移动平台上，进而避免了检测仓及其内部设置的检测装置长期浸泡在海水内，延长了检测装置的使用寿命，并避免了海生物在检测装置上的附着，并保证了监测的数据准确性。

一个优选方案中，利用检测仓内的检测装置对水样进行泥沙监测，获得指定位置、指定深度的泥沙监测数据，包括：利用检测仓内设置的在线式泥沙传感器对水样进行泥沙监测，获得指定位置、指定深度的泥沙监测数据。

在上述方案中，检测仓内可以设置在线式泥沙传感器进行水样的监测，同时还能够设置电导率传感器等对水样的其他参数进行监测。

如图1所示，一种抽水式剖面泥沙自动监测装置，包括：

采水机构，其包括第一进水管和抽水装置；所述第一进水管由指定位置伸入水面下方并固定于指定深度，并与所述抽水装置相连接；

检测机构，其包括第二进水管和设置于水面载体上的检测仓；所述第二进水管的进水端与第一进水管的出水端相连接，出水端连接检测仓的进水口，所述检测仓对抽水装置通过第一进水管和第二进水管抽取至检测仓内的水样进行检测；

数据采集机构，其包括数据采集器和通信装置；所述数据采集器对检测仓检测的水样数据，以及所述抽水装置和检测仓的状态数据进行采集，并通过通信装置将所述水样数据和状态数据进行远程实时发送。

在上述方案中，采水机构通过将第一进水管(可采用水管连接)下端固定于指定位置的指定深度(分层)处，采用水泵等抽水装置将指定位置、指定深度(分层)的水样抽至水面，并通过第二进水管输送至检测仓；在检测仓水样容积满足检测要求时，检测仓对水样进行泥沙检测，从而获取指定位置、指定深度(分层)的泥沙监测数据，检测完成后水样排出检测仓外，监测数据输入数据采集器，数据采集器对监测数据以及其它部件的工程状态数据进行存储与预处理，同时通过连接的通信装置实现数据的远程实时发送。

通过深入至水面下方指定位置和深度的第一进水管获取相应水深处的水样，利用抽水装置将所述水样抽取至设置于水面载体上的检测仓内，然后检测仓内的检测装置对水样进行泥沙监测，获得指定位置、指定深度的泥沙监测数据，实现了通过调整第一进水管伸入水面下方的深度就能利用抽水装置获得不同定深处的水样，即使得当需要实现多个定深(分层)监测时，无需布设多个观测设备，仅1个设备即可完成剖面监测。

通过抽水装置、检测仓和第一进水管、第二进水管的配合，实现了长期连续自动化监测，无需海上人员值守，既能极大减少人员与现场成本投入，同时能保证大风、大浪、大雾等恶劣海况条件下的有效观测。

基于抽水式的监测装置，将指定分层水样抽取至检测仓进行监测，监测完成后即将水样排出，避免了监测装置长期在水中的浸泡，进而有效避免了海生物的附着，便于免维护地长期自动监测，并提高了监测的准确度。

一个优选方案中，还包括：控制器，其与所述抽水装置和检测仓分别连接；所述控制器通过对所述抽水装置的控制控制采水时间和采水频率；所述控制器通过对检测仓的控制控制检测时的采样频率和采样间隔。

在上述方案中，通过控制器(可采用集成电路开发完成)的设置，实现了采样和样品监测的自动控制，即控制采水机构和检测仓的自动协调工作，使得所述监测装置使用更加方便，避免了人工控制，有效的减少了人员与现场成本投入。另外，控制器还连接具备电源输入输出功能的供电装置，以使控制器能为采水机构的抽水装置、检测仓等耗电原件、数据采集器正常供电。

其中，数据采集器还能实现接收、存储、预处理、转发采水机构、检测仓、控制器的各类状态参数、检测数据、环境数据等，并支持通信装置的接入，可包含北斗等卫星通信、移动网络通信、蓝牙通信、WIFI通信等，以通过连接通信装置，实现数据的远程实时发送；并可控制、设置通信装置的通信参数(通信通道选择、通信补发、通信频率等)，数据采集器的上述功能可以独立研发独立运行，也可与控制器合并研制。

一个优选方案中，所述检测仓上设置有溢水口和排水口；所述溢水口在检测仓内水样过量是将水样部分排出检测仓外；所述排水口与控制器相连接，并在由所述控制器接收到检测完成的信号时打开，以将检测仓内的水样全部排出。

在上述方案中，通过溢水口和排水口的设置，使得检测仓内水样过量时能够通过溢水口方便的排出，而在检测完毕后，能够通过排水口排出水样。其中，溢水口和排水口的形状不限，仅需其三维尺寸与容积满足内部的检测装置的监测工作要求即可。

一个优选方案中，所述第一进水管的数量依据分层采样的数量进行布设；所述第一进水管与第二进水管一一对应连接，或者通过控制开关实现M根第一进水管和N根第二进水管的连接，其中，M为大于N的自然数。

在上述方案中，第二进水管可以与第一进水管一一对应，也可以电磁阀等流路控制开关实现采水机构M根第一进水管和N根第二进水管(M>N)的连接，即使得采水机构和检测机构的连接更加方便灵活。

一个优选方案中，所述检测仓内至少设置有用于水样检测的在线式泥沙传感器；所述检测仓内还设置有用于检测水样电导率的电导率传感器。

在上述方案中，检测仓内可以依据需要获取的水样的监测数据设置多种传感器。

综上，自动监测的实现，能更有效采集到复杂海况下的极值数据，提升泥沙专业的基础研究水平，促进相关行业技术进步。且因复杂海况人员无法出海作业，难以有效获取大风、大浪等极端天气状况下的泥沙极值数据，这在一定程度上制约了相关领域基础理论研究，在实现了自动监测的基础上，使得无需人员值守，即使大风、大浪等恶劣海况下，依然有可能正常获取到泥沙原观数据，这对海洋、交通等领域的海洋泥沙基础理论研究具有较大的科研价值，能促进泥沙专业进步与相关行业的技术发展。

实施例1

2019年8月6-7日，在交通运输部天津水运工程科学研究院院内应用本发明所述的监测方法组织了测试，测试时间为2019.8.610:50～2019.8.706:40。

测试时，采水系统布设了3个进水管，分别固定在1m、8m、15m水深位置。

测试期间，不定期在水样中添加泥样以改变泥沙浓度。

测试同时在进水管下端安装了定点自容泥沙观测设备。

测试完成后，将所监测成果与定点自容泥沙观测设备监测值进行对比统计，其相关系数R均大于99％，相关曲线如图2-图4所示。

另外，统计了本发明在不同浓度、不同粒径、不同深度情况下获得的监测数据的综合相对误差值，综合相对误差值均小于10％，其中误差优于6.62％，小于2倍中误差数值占比93.24％，可见采用本发明所述监测方法获取的监测数据的可靠性很高。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种抽水式剖面泥沙自动监测方法，其中，包括：

通过深入至水面下方指定位置和深度的进水管获取相应水深处的水样；

利用抽水装置将所述水样抽取至设置于水面载体上的检测仓内；

利用检测仓内的检测装置对水样进行泥沙监测，获得指定位置、指定深度的泥沙监测数据。

2.如权利要求1所述的抽水式剖面泥沙自动监测方法，其中，还包括：

将所述泥沙监测数据通过集成存储器进行备份保存，并将所述泥沙监测数据通过通信装置远程实时发送。

3.如权利要求1所述的抽水式剖面泥沙自动监测方法，其中，通过深入至水面下方指定位置和深度的进水管获取相应水深处的水样，包括：

所述进水管的数量根据分层采样的数量要求布设为1根或多根。

4.如权利要求1所述的抽水式剖面泥沙自动监测方法，其中，利用抽水装置将所述水样抽取至设置于水面载体上的检测仓内，包括：

利用抽水装置将所述水样抽取至设置于水面上的海上固定平台或浮标上的检测仓内。

5.如权利要求1所述的抽水式剖面泥沙自动监测方法，其中，利用检测仓内的检测装置对水样进行泥沙监测，获得指定位置、指定深度的泥沙监测数据，包括：

利用检测仓内设置的在线式泥沙传感器对水样进行泥沙监测，获得指定位置、指定深度的泥沙监测数据。

6.一种抽水式剖面泥沙自动监测装置，其中，包括：

采水机构，其包括第一进水管和抽水装置；所述第一进水管由指定位置伸入水面下方并固定于指定深度，并与所述抽水装置相连接；

检测机构，其包括第二进水管和设置于水面载体上的检测仓；所述第二进水管的进水端与第一进水管的出水端相连接，出水端连接检测仓的进水口，所述检测仓对抽水装置通过第一进水管和第二进水管抽取至检测仓内的水样进行检测；

数据采集机构，其包括数据采集器和通信装置；所述数据采集器对检测仓检测的水样数据，以及所述抽水装置和检测仓的状态数据进行采集，并通过通信装置将所述水样数据和状态数据进行远程实时发送。

7.如权利要求6所述的抽水式剖面泥沙自动监测装置，其中，还包括：

控制器，其与所述抽水装置和检测仓分别连接；所述控制器通过对所述抽水装置的控制控制采水时间和采水频率；所述控制器通过对检测仓的控制控制检测时的采样频率和采样间隔。

8.如权利要求7所述的抽水式剖面泥沙自动监测方法，其特征在于，所述检测仓上设置有溢水口和排水口；所述溢水口在检测仓内水样过量是将水样部分排出检测仓外；所述排水口与控制器相连接，并在由所述控制器接收到检测完成的信号时打开，以将检测仓内的水样全部排出。

9.如权利要求6所述的抽水式剖面泥沙自动监测方法，其中，所述第一进水管的数量依据分层采样的数量进行布设；所述第一进水管与第二进水管一一对应连接，或者通过控制开关实现M根第一进水管和N根第二进水管的连接，其中，M为大于N的自然数。

10.如权利要求6所述的抽水式剖面泥沙自动监测方法，其特征在于，所述检测仓内至少设置有用于水样检测的在线式泥沙传感器；所述检测仓内还设置有用于检测水样电导率的电导率传感器。

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