CN111721575A - 应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置及观测方法 - Google Patents

应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置及观测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111721575A
CN111721575A CN202010558546.4A CN202010558546A CN111721575A CN 111721575 A CN111721575 A CN 111721575A CN 202010558546 A CN202010558546 A CN 202010558546A CN 111721575 A CN111721575 A CN 111721575A
Authority
CN
China
Prior art keywords
annular
observation
rod
sand
wave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010558546.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111721575B (zh
Inventor
刘晓磊
郑晓泉
李伟甲
郭磊
梁丙辰
王振鲁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ocean University of China
Original Assignee
Ocean University of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ocean University of China filed Critical Ocean University of China
Priority to CN202010558546.4A priority Critical patent/CN111721575B/zh
Publication of CN111721575A publication Critical patent/CN111721575A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111721575B publication Critical patent/CN111721575B/zh
Priority to JP2021074579A priority patent/JP6941907B1/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/04—Devices for withdrawing samples in the solid state, e.g. by cutting
    • G01N1/08—Devices for withdrawing samples in the solid state, e.g. by cutting involving an extracting tool, e.g. core bit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/12—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy
    • F03B13/14—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy
    • F03B13/16—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem"
    • F03B13/18—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore
    • F03B13/1885—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore and the wom is tied to the rem
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C13/00—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal
    • G01C13/002—Measuring the movement of open water
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/10—Devices for withdrawing samples in the liquid or fluent state
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/241—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by using reflection of acoustical waves, i.e. Doppler-effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/50—Systems of measurement, based on relative movement of the target
    • G01S15/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/10—Devices for withdrawing samples in the liquid or fluent state
    • G01N2001/1031—Sampling from special places
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)

Abstract

本发明涉及海底观测领域，特别是一种应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置及观测方法。支撑机构呈天平状，包括重力锚、六棱杆、环形仪器控制舱和支撑杆，重力锚位于整个装置的底部，重力锚通过数个六棱杆与其上方的环形仪器控制舱连接，内波能发电机构设置在环形仪器控制舱内，环形仪器控制舱的外侧对称固定有两支撑杆，其中一支撑杆通过其端部的机械抓环与多功能观测杆连接，另一支撑杆通过其端部的机械抓环与砂质沉积物采样杆连接，环形仪器控制舱的顶部通过凯夫拉电缆与海水分界层面处的潜标连接。其充分利用海洋内波能量，实现了对海底沙波的长期原位观测，观测结果准确可靠，观测成本低，并实现了对海底沙波土样的采集回收。

Description

应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置及观测方法
技术领域
本发明涉及海底观测领域，特别是一种应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置及观测方法。
背景技术
我国的南海海域，地质条件复杂，海水密度层化显著，是海洋内孤立波的天然多发区。这一海域内波不仅以孤立波的形式出现,还以内潮波的形式存在，目前观测到的振幅最大可达240m，蕴含巨大能量。其在海水密度分层界面处传播时会引起大量水体和沉积物垂直运动，这一过程作用在海床上常会形成诸如海底沙波等地貌形态，正因如此我国南海北部陆坡发育有大量由海洋内波造成的海底沙波。而海底沙波的迁移会造成海底管道悬空折断、航道淤积碍航、油气平台结构失稳等事故，对海洋里的工程设施安全造成严重威胁，因此对海底沙波的观测研究具有重大意义。
目前国内外学者原位观测海底沙波多采用多波束测深系统和侧扫声呐等声学仪器。间隔一定时间通过多波束和侧扫声呐等声学仪器对观测海域进行重复水深测量，通过水深变化，结合平面、剖面对比来实现对海底沙波的迁移观测。但是这种方法成本高、效率低、得到的数据是间断的，无法实现对海底沙波的原位实时观测。从检索的公开资料分析发现：专利号为CN2013103117430.1、名称为“一种海底大型复杂沙波地貌的精确探测方法”和专利号为CN201310317429.9、，名称为“一种基于MBES的海底沙波地貌运动探测方法”的发明专利，均是以高分辨率多波束测深技术和定位系统为核心技术来探测海底沙波的迁移，上述方法是目前的主流观测方式，但是需多次重复测量，观测时间不连续，间断的数据无法准确的反应海底沙波迁移过程的具体情况，因此需要对海底沙波进行原位定点长期观测研究。专利号为CN201710693750.5、名称为“海底沙波原位实时观测装置及方法”和专利号为CN201611223091.0、名称为“基于压力计的海底沙波迁移观测装置及方法”的发明专利和公开号为CN109579801A、名称为“基于电阻率探杆的多级贯入式海底沙波原位观测装置及方法”的发明专利，均在原理上实现了对沙波原位、长期、连续的观测。
但由于砂质海床贯入强度大，现有的重力取样装置中的取样柱难以贯入，所以通过重力取样难以完成取样工作；而箱式取样器和蚌式取样器无法采集到海床内部的样品且在取海床表面样品时由于砂砾的作用，难以完全闭合，常出现漏沙现象，目前尚未有可以有效获取砂质海床内部沉积物剖面信息的取样装置，而上述专利并未解决这一问题，这也导致其在实际观测中缺乏对沉积物浮容重、粒径、孔隙度等性质的数据支撑，导致其通过上覆沉积物重量或沉积物电阻率的变化来反演沙波高程变化时误差较大。
另外，由于海底沙波迁移的速率慢、周期长等特点，坐底观测平台在观测此类现象时需要观测数月甚至数年的时间，而这需要消耗十分巨大的电能，这一问题也是困扰海底观测平台建设多年的问题，上述专利也未能提出对这一问题的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置，其充分利用海洋内波能量，实现了对海底沙波的长期原位观测，观测结果准确可靠，观测成本低，并实现了对海底沙波土样的采集回收。
本发明的技术方案是：一种应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置，包括潜标和支撑机构，其中，还包括多功能观测杆、砂质沉积物采样杆和内波能发电机构，支撑机构呈天平状，包括重力锚、六棱杆、环形仪器控制舱和支撑杆，重力锚位于整个装置的底部，重力锚通过数个六棱杆与其上方的环形仪器控制舱连接，内波能发电机构设置在环形仪器控制舱内，环形仪器控制舱的外侧对称固定有两支撑杆，其中一支撑杆通过其端部的机械抓环与多功能观测杆连接，另一支撑杆通过其端部的机械抓环与砂质沉积物采样杆连接，支撑杆上搭载有声学多普勒流速剖面仪、声学多普勒流速仪、水下照相机、波潮仪和成像声呐，环形仪器控制舱的底部与重力锚的顶部之间通过连接有声学释放器的钢缆相连，环形仪器控制舱的顶部通过凯夫拉电缆与海水分界层面处的的潜标连接；
所述多功能观测杆的底部固定有贯入锥尖，贯入锥尖的底部呈尖状，贯入锥尖的顶部设有土压力传感器，土压力传感器的上方且位于多功能观测杆内设有孔隙水压力传感器，孔隙水压力传感器的上方且多功能观测杆内沿其轴向间隔设置数个浊度传感器；
所述砂质沉积物采样杆包括提取部和采样部，采样部与提取部之间活动连接，提取部包括数根沿竖直方向平行设置的钢管连接杆和沿钢管连接杆的轴向设置的数个环形储沙仓，钢管连接杆通过机械抓环与支撑杆连接，环形储沙仓设置在钢管连接杆之间，环形储沙仓内设有环形的腔体，环形储沙仓的环形侧壁与其外部的数根钢管连接杆固定连接，环形储沙仓的顶部呈开口状，环形储沙仓的底部设有环形孔；
所述采样部包括数个沿竖直方向设置的采样单元，采样单元包括圆板Ⅰ和圆板Ⅱ，圆板Ⅰ位于圆板Ⅱ的上方，圆板Ⅰ和圆板Ⅱ之间通过位于中心的圆板连接杆固定连接，圆板Ⅰ和圆板Ⅱ位于环形储沙仓内，圆板Ⅰ和圆板Ⅱ的尺寸小于环形储沙仓的内壁尺寸，圆板Ⅱ的尺寸大于环形储沙仓底部的环形孔的尺寸，相邻两采样单元之间的圆板连接杆之间通过紧固件连接，各钢管连接杆上部之间固定连接有固定圆板，位于最上方的采样单元的圆板连接杆顶端与固定圆板滑动连接。
本发明中，所述重力锚内部有六边形凹槽，六棱杆插入六边形凹槽内，实现六棱杆与重力锚的固定连接。
所述声学多普勒流速剖面仪、声学多普勒流速仪、水下照相机、波潮仪和成像声呐和机械抓环分别通过电缆与供电电源电连接，供电电源与内波能发电机构电连接。
所述内波能发电机构包括发电机构外框架、发电机构内壁、发电齿轮齿条、弹簧、感应线圈和电容与整流器，发电机构内壁位于环形仪器控制舱内，发电机构内壁与环形仪器控制舱顶板、环形仪器控制舱底板之间密封固定连接，发电机构内壁为空心的圆柱型腔体，环形仪器控制舱顶板上设有开口，发电齿轮齿条和弹簧位于发电机构内壁的空心腔体内，发电机构外框架位于环形仪器控制舱的上方，发电机构外框架的底部与环形仪器控制舱顶板固定连接，发电机构外框架的中部设有中心孔；
所述发电齿轮齿条包括两组齿轮和位于两组齿轮之间的齿轮条，位于齿轮条对应两侧的两齿轮的转向相反，且两齿轮均与齿轮条相互咬合，两齿轮均通过中心转轴与齿轮支撑杆连接，齿轮支撑杆与发电机构内壁固定连接，齿轮条一侧的齿轮上设有磁铁，齿轮条的下端通过弹簧与环形仪器控制舱底板连接，齿轮条的顶端通过凯夫拉电缆与潜标连接，凯夫拉电缆设置在发电机构外框架的中心孔内，齿轮条的顶端固定有限位板，限位板位于发电机构外框架中心孔的下方，且其尺寸大于中心孔的尺寸，在位于发电机构内壁上部和下部的外侧设有感应线圈框体，感应线圈框体与环形仪器控制舱的内部固定连接，感应线圈缠绕在感应线圈框体内，上、下感应线圈分别通过导线和电容与整流器连接。
所述各采样单元的圆板连接杆也可以为一体式结构。
本发明还包括一种利用上述观测装置进行观测取样的方法，该方法包括以下步骤：
S1.仪器的室内检测与标定；
S2.选择观测海域和时间；
S3.布放作业船；
S4.组装观测装置；
S5.布放观测装置；
S6.观测装置的贯入和观测：
观测装置布放结束后，机械抓环接受指令，释放多功能观测杆与砂质沉积物取样杆，多功能观测杆与砂质沉积物取样杆在重力作用下下落贯入至沙体中，ADV、ADP、波潮仪、水下照相机和成像声呐开始工作，并储存数据，实现地形的观测，多功能观测杆实现沙波迁移过程中上覆土层重量变化、沙波表面微地貌形态变化及近底水体水动力特征的观测；
观测过程中，潜标位于低密度海水和高密度海水的分层界面处，在海水密度分界层处极易产生内孤立波，位于海水密度分层界面处的潜标在内孤立波的作用下上下运动，使内波能发电机构发电；
S7.砂质沉积物的采样：
砂质沉积物取样杆贯入沙体中，钢管连接杆与圆板由于重量和底面积不同，所受贯入阻力不同：钢管连接杆的自重大、底面积小，贯入深度大，圆板的自重小、底面积大，贯入深度小，由此使得钢管连接杆和圆板之间产生相对位移，每一个采样单元的相邻两圆板之间的空间脱离固定在钢管连接杆上的环形储沙仓的阻挡，暴露于沙波之中，由此沙波可以自由进出该空间，在沙波迁移后，两圆板之间由砂体充满；
设砂质沉积物采样杆所在位置的沙波坡角为θ，观测时长为T，沙波迁移速率为v，环形储沙仓的高度为H，环形储沙仓的直径为D，相邻两环形储沙仓之间的间距为L，则在观测开始后的t时刻，观测点处沙波高程变化量Δh＝vt·tanθ，开始观测后的t时刻进入砂质沉积物采样杆的沉积物总容积为：
Figure BDA0002545411110000041
S8.装置的回收：
机械抓环夹持固定多功能观测杆与砂质沉积物取样杆，声学释放器释放重力锚，利用潜标的浮力将该装置的上部整体回收；
回收过程中，当机械抓环夹持钢管连接杆向上提起，由于圆板与钢管连接杆之间相互独立，钢管连接杆先于圆板被提起，至环形储沙仓的底部圆环与圆板接触时，采样单元受力开始被提起，此时环形储沙仓的环形侧壁与上、下两圆板之间形成相对闭合空间，将处于两圆板间的沉积物一同采集提起；
设沉积物的浮容重为γ，砂质沉积物取样杆的自重为x(kg),要成功回收沉积物样品，则作用在砂质沉积物取样杆上的向上的拉力至少需要F(t)＝(V(t)·γ+x)·g,其中g为当地的重力加速度；
S9.数据的收集和修正。
步骤S6中，潜标上下浮动过程中，通过凯夫拉电缆拉动齿轮条上下运动，齿轮条上下运动过程中，带动与其咬合的齿轮转动，发电齿轮上的磁铁随着齿轮转动，磁铁运动过程中，对上、下感应线圈之间的磁感线进行切割，切割磁感线运动会在感应线圈内产生交流电，感应线圈中产生的交流电通过导线流入电容与整流器内，通过整流器将交流电整流为直流电，并储存在电容，电容与供电电源连接。
本发明的有益效果是：
(1)该装置采用锥尖压力传感器对海底沙波进行原位观测，并配设其他仪器辅助观测，可获得准确可靠的观测结果，从而实现对海底沙波的原位观测研究；
(2)搭载于该观测装置上的内波能发电机构，通过将在南海广泛发育的内波能量转化为电能，以增加观测装置的续航性，并且可回收多次使用，大大减少了观测成本；
(3)本申请通过砂质沉积物采样杆，解决了沙波土样采集问题，实现海底沙波土样的采集，对海底地形调查与海底科学研究有重要实际使用价值；
(4)该装置采用重力锚和天平式支撑机构的方式，重力锚解决了装置的不均匀沉降及倾覆问题，天平式的支撑杆，解决了观测点位沉积物扰动问题；
(5)通过砂质沉积物采集杆和多功能观测杆，有效地实现了对海底表层沉积物内部的孔隙水压力变化、近底水体悬浮沉积物变化的观测与沉积物的采集，并与观测架上搭载的ADV、ADP和成像声呐等仪器实现了从沙波内部到沙波表面再到近底水体的全剖面观测。
附图说明
图1是本发明的主视结构示意图；
图2是内波能发电机构的主视结构示意图；
图3是内波能发电机构的立体结构示意图；
图4是砂质沉积物采集杆底部的主视结构示意图；
图5是砂质沉积物采集杆的局部立体结构示意图；
图6是多功能探测杆的主视结构示意图；
图7是内波能发电机构的发电原理示意图；
图8是该装置未贯入沙体的结构示意图；
图9是该装置贯入沙体的结构示意图；
图10是砂质沉积物采样杆的采样过程示意图。
图中：1重力锚；2六棱杆；3钢缆；4声学释放器；5砂质沉积物采样杆；6多功能观测杆；7支撑抓环；8环形仪器控制舱；9凯夫拉电缆；10潜标；11声学多普勒流速剖面仪；12声学多普勒流速仪；13水下照相机；14波潮仪；15成像声呐；16支撑杆；17齿轮条；18发电机构外框架；19感应线圈框体；20电容与整流器；21电能输出孔；22导线；23环形仪器控制舱底板；24环形仪器控制舱顶板；25齿轮；26磁铁；27弹簧；28限位板；29发电机构内壁；30齿轮支撑杆；31钢管连接杆；32圆板Ⅰ；33圆板Ⅱ；34环形储沙仓；35环形孔；36圆板连接杆；37紧固件；38观测杆连接杆；39浊度传感器；40土压力传感器；41孔隙水压力传感器；42贯入锥尖。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明所述的应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置包括潜标10、支撑机构、多功能观测杆6、砂质沉积物采样杆5和内波能发电机构。支撑机构呈天平状，包括重力锚1、六棱杆2、环形仪器控制舱8和支撑杆16，重力锚1位于整个装置的底部，重力锚材质为钢筋混凝土，其具体质量和体积需根据观测系统设置配置，为整套装置提供驻底重力。重力锚1通过数个六棱杆2与其上方的环形仪器控制舱8连接，本实施例中设置了四根六棱杆2。本实施例中，重力锚1内部有六边形凹槽，六棱杆2插入六边形凹槽内，实现六棱杆2与重力锚1的固定连接。
环形仪器控制舱8由耐腐蚀材料制成，内波能发电机构和供电电源设置在环形仪器控制舱8内。环形仪器控制舱8的外侧固定有两钢制支撑杆16，两支撑杆16呈对称设置，支撑杆16的一端与环形仪器控制舱8固定连接，支撑杆的另一端设有机械抓环7，其中一支撑杆通过其端部的机械抓环7与多功能观测杆6连接，另一支撑杆通过其端部的机械抓环7与砂质沉积物采样杆5连接。多功能观测杆6和砂质沉积物采样杆5分别穿过机械抓环，与支撑杆16固定连接。内波能发电机构与供电电源电连接，内波能发电机构发出的电能输送至供电电源，对供电电源进行充电，供电电源对电能进行储存。
支撑杆16上搭载有声学多普勒流速剖面仪11(acoustic doppler profiler，简写为ADP)、声学多普勒流速仪12(Acoustic Doppler Velocimetry，简写为ADV)、水下照相机13、波潮仪14和成像声呐15。波潮仪14记录波浪和潮位信息，用于后期数据矫正。成像声呐15定期扫描地形，测量区域沙波的波长。安装在支撑杆16上的上述仪器通过电缆与环形仪器控制舱内的供电电源并联连接。机械抓环7也通过电缆与供电电源相连。
环形仪器控制舱8的底部与重力锚的顶部之间通过连接有声学释放器4的钢缆3相连，环形仪器控制舱8的顶部通过凯夫拉电缆9与水面上的潜标10连接，通过环形仪器控制舱内的供电电源为潜标供电。通过船体单位对声学释放器4发送命令，声学释放器4释放其下部的重力锚1，实现其余设备上浮回收工作，以满足海底沙波回收工作的需要。
本实施例中的多功能观测杆6由耐腐蚀材料制成，如图6所示，多功能观测杆6的顶部固定有与机械抓环7连接的观测杆连接杆38，多功能观测管的底部固定有贯入锥尖42，贯入锥尖42的底部呈尖状，以便于多功能观测杆插入沙体中。贯入锥尖42的顶部设有土压力传感器40，土压力传感器40的上方且位于多功能观测杆内设有孔隙水压力传感器41，孔隙水压力传感器41的上方且多功能观测杆内沿其轴向间隔设置多个浊度传感器39。土压力传感器40的精度为量程的2％，该装置布放至海床后随着沙波移动会逐渐将土压力传感器40掩埋，并随着沙波的周期变化，覆土重量也会出现周期性变化。
本实施例中，土压力传感器40的上方5cm处安装孔隙水压力传感器41，孔隙水压力传感器41的上方15cm处安装第一个浊度传感器，第一个浊度传感器的上方10cm处安装第二个浊度传感器，第二个浊度传感器的上方20cm处安装第三个浊度传感器，第三个浊度传感器的上方20cm处安装第四个浊度传感器，其余浊度传感器之间的距离为30cm，共安装八个浊度传感器，传感器与锥尖布置总长度为200cm，多功能观测杆内部的土压力传感器、孔隙水压力传感器、浊度传感器集成自容。浊度传感器39以并联方式通过电缆连接于环形仪器控制舱，并由环形仪器控制舱内的电路板控制采集频率以及数据存储，浊度传感器35由环形仪器控制舱内的供电电源进行供电。
将该观测装置整体投放至海底，投放前多功能观测杆由机械抓环控制，底部距海床约1.5米，重力锚触底后，环形仪器控制舱控制机械抓环释放多功能观测杆，杆体在自重作用下落，其贯入锥尖贯入至沙体中。
贯入锥尖贯入沙体后，多功能观测杆底部搭载的土压力传感器，测量上覆沙土重量变化，从而反演上覆沙波的高程变化，其测得的峰值与谷底之间的高差即为波高；其记录的相邻沙土重量最大值的时间间隔为沙波迁移一个波长所需的时间即周期；通过波潮仪记录波浪和潮位信息，用于后期数据修正；成像声呐动态测量地形得到沙波波长，即沙波迁移速率＝波长/周期。通过ADP和ADV可以得到观测区域内流速的空间分布，结合浊度传感器所测沉积物悬浮浓度的数据，可以得到观测位置的沙波沉积物输运通量。结合沙波的迁移速率可以对沙波的活动性作出定量评估。所搭载的水下照相机可以按一定频率对沙波迁移的不同阶段，表面砂纹的演化作出记录。底部的孔压传感器，可以测量沙波迁移过程中，水动力对沙波内部的影响深度。由此实现对沙波迁移过程中的剖面物理变化过程的系统性观测。
如图2和图3所示，内波能发电机构包括发电机构外框架18、发电机构内壁29、发电齿轮齿条、弹簧27、感应线圈和电容与整流器20，发电机构内壁29位于环形仪器控制舱8内，发电机构内壁29与环形仪器控制舱顶板24、环形仪器控制舱底板23之间密封固定连接，发电机构内壁29为空心的圆柱型腔体，环形仪器控制舱顶板24上设有开口，通过开口使海水流入发电机构内壁29的腔体内，使发电机构内壁29内充满海水。发电齿轮齿条和弹簧27位于发电机构内壁29的空心腔体内。发电机构外框架18位于环形仪器控制舱8的上方，发电机构外框架18的底部与环形仪器控制舱顶板24固定连接，发电机构外框架18的中部设有中心孔。
发电齿轮齿条包括两组齿轮25和位于两组齿轮之间的齿轮条17，位于齿轮条17对应两侧的两齿轮25的转向相反，且两齿轮25均与齿轮条17相互咬合。两齿轮25均通过中心转轴与齿轮支撑杆30连接，齿轮支撑杆30与发电机构内壁29固定连接。齿轮条17一侧的齿轮19上设有磁铁26。齿轮条17的下端通过弹簧27与环形仪器控制舱底板23连接，齿轮条17的顶端通过凯夫拉电缆9与海水分界层面处的潜标10连接。凯夫拉电缆9设置在发电机构外框架18的中心孔内，齿轮条17的顶端固定有限位板28，限位板28位于发电机构外框架18中心孔的下方，且其尺寸大于中心孔的尺寸。通过设置发电机构外框架18，一方面对凯夫拉电缆9起到了导向作用；另一方面，通过发电机构外框架18和限位板28的配合作用，对齿轮条17起到了限位作用，防止海水波浪较大或者整个装置回收提拉过程中，弹簧27因受到较大的外力作用而导致其损坏失效。
发电机构内壁29的上部和下部均设有感应线圈。本发明中，在位于发电机构内壁29上部和下部的外侧设有感应线圈框体19，感应线圈框体19与环形仪器控制舱8的内部固定连接，感应线圈缠绕在感应线圈框体19内。上、下感应线圈分别通过导线22和电容与整流器20连接，电容与整流器20通过导线将电路输送至该装置内的其它仪器。
如图7所示，本发明所述的潜标10位于低密度海水A和高密度海水B的分层界面处，在海水密度分界层处极易产生内孤立波C，位于海水密度分层界面处的潜标在内孤立波C的作用下上下运动。潜标10上下浮动过程中，由于齿轮条17通过凯夫拉电缆9与潜标10连接，会通过凯夫拉电缆9拉动齿轮条17上下运动，齿轮条17上下运动过程中，会带动与其咬合的齿轮25转动，此时发电齿轮上的磁铁26也随着齿轮25转动，磁铁26运动过程中，对上、下感应线圈之间的磁感线进行切割，切割磁感线运动会在感应线圈内产生交流电，感应线圈中产生的交流电通过导线22流入电容与整流器20内，通过整流器将交流电整流为直流电，并储存在电容中。环形仪器控制舱8的侧壁上设有电能输出孔21，电容通过穿过电能输出孔21的导线与供电电源连接，实现了电能的储存。该内波能发电机构充分利用了海洋密封分界层处产生的海洋内波的能量。
如图4和图5所示，砂质沉积物采样杆5包括提取部和采样部，采样部与提取部之间活动连接。提取部包括数根沿竖直方向平行设置的钢管连接杆31和沿钢管连接杆的轴向设置的数个环形储沙仓34，钢管连接杆31的上端通过机械抓环7与支撑杆16连接，环形储沙仓34设置在钢管连接杆31之间，环形储沙仓34内设有环形的腔体，环形储沙仓34的环形侧壁与其外部的数根钢管连接杆31固定连接，环形储沙仓34的顶部呈开口状，环形储沙仓34的底部设有环形孔35。
采样部包括数个沿竖直方向设置的采样单元，相邻两采样单元之间通过紧固件37实现上下连接。采样单元包括圆板Ⅰ32和圆板Ⅱ33，圆板Ⅰ32位于圆板Ⅱ33的上方，圆板Ⅰ32和圆板Ⅱ33之间通过位于中心的圆板连接杆36固定连接，圆板Ⅰ32和圆板Ⅱ33位于环形储沙仓34内，圆板Ⅰ32和圆板Ⅱ33的尺寸小于环形储沙仓34的内壁尺寸，圆板Ⅱ33的尺寸大于环形储沙仓34底部的环形孔35的尺寸，因此圆板Ⅱ33可以放置在环形储沙仓34的底部圆环上，环形储沙仓34对采样单元起到了支撑作用。相邻两采样单元之间的圆板连接杆36之间通过紧固件37连接，从而实现了采样单元的上下连接。本实施例中，采样部的圆板连接杆也可以为一体式结构，即各圆板之间通过一根圆板连接杆实现固定连接。提取部和采样部之间可以相对滑动，通过提取部和采样部之间的相对滑动，实现了对沙坡土样的采样。
在各钢管连接杆32上部之间固定连接有固定圆板，即各钢管连接杆31之间通过固定圆板固定连接，位于最上方的采样单元的圆板连接杆与固定圆板滑动连接，通过圆板连接杆与固定圆板的连接，实现了采样部的定位。本发明中采样单元的数量可以由观测需求进行选择和确定。
将该观测装置整体投放至海底的过程中，投放前砂质沉积物采样杆由机械抓环控制，重力锚触底后，由环形仪器控制舱控制机械抓环释放杆体，砂质沉积物采样杆在自重作用下贯入至沙体内。提取部和采样部由于重量和底面积不同，所受贯入阻力不同：提取部中的钢管连接杆31自重大，底面积小，贯入深度大，采样部中的圆板自重小，底面积大，贯入深度小。由此使得提取部和采样部之间产生相对位移，每一个采样单元的相邻圆板之间的空间两侧脱离环形储沙仓34侧壁的阻挡，暴露于沙波之中，由此沙波可以自由进出相邻两圆板之间的空间。在沙波迁移后，两圆板之间被砂体充满。当该装置回收时，机械抓环夹持钢管连接杆向上提起，此时由于采样部和提取部之间的相对独立，提取部的钢管连接杆31先于圆板被提起，钢管连接杆31带动环形储沙仓底部34的圆环与圆板接触时，圆板受力开始被提起。此时钢管环形储沙仓34的侧壁与两相邻圆板之间形成相对闭合空间，将处于两圆板之间的沉积物一同采集提起。
本发明还包括一种利用上述观测装置进行观测取样的方法，该方法包括以下步骤。
第一步，仪器的室内检测与标定。
在进行观测之前，土压力传感器、孔隙水压力传感器、浊度仪、波潮仪、ADV、ADP和成像声呐均需按照国家标准GB/T12763.10—2007进行校准标定，保证所有仪器处于正常工作状态，仪器精度符合国标要求。
第二步，选择观测海域和时间。
根据已有观测资料对海底沙波进行分析，从沙波波谷处选择观测点，并在三级海况以下作业，凯夫拉电缆和相关缆绳的长度根据测点水深情况设置。
第三步，布放具有三吨以上吊车等必要的布放设备的作业船。
第四步，装置组装。
设置ADV、ADP、波潮仪、成像声呐的工作频率和时长，然后将各种仪器进行组装，使用机械抓环将多功能观测杆和砂质沉积物取样杆固定，整个观测装置安装好之后，将其搭载于布放船上。
第五步，观测装置的布放。
利用GPS定位系统将作业船行驶至预定观测点，观测布放海域周围四平方海里海流、水深和底质条件；根据海流和船舶漂移速度，确定开始布放位置，采用先布标后布锚的布放方法；利用起吊装置将装置用布放缆起吊，下放入海，待其漂离后，起吊重力锚，将重力锚吊至水面，确认水深符合要求，释放重力锚，记录入水时间、布放水深、经纬度，使用声学与释放器组测量布放距离，如图8所示。
第六步，观测装置的贯入和观测。
观测装置布放结束后，机械抓环接受指令，释放多功能观测杆与砂质沉积物取样杆，多功能观测杆与砂质沉积物取样杆在重力作用下下落贯入至沙体中，如图9所示。ADV、ADP、波潮仪、水下照相机和成像声呐开始工作，并储存数据，实现地形的观测，多功能观测杆实现沙波迁移过程中上覆土层重量变化、沙波表面微地貌形态变化及近底水体水动力特征的观测。
观测过程中，潜标10位于低密度海水A和高密度海水B的分层界面处，在海水密度分界层处极易产生内孤立波C，位于海水密度分层界面处的潜标在内孤立波C的作用下上下运动，潜标10上下浮动过程中，内波能发电机构发电：通过凯夫拉电缆9拉动齿轮条17上下运动，齿轮条17上下运动过程中，带动与其咬合的齿轮25转动，发电齿轮上的磁铁26随着齿轮25转动，磁铁26运动过程中，对上、下感应线圈之间的磁感线进行切割，切割磁感线运动会在感应线圈内产生交流电，感应线圈中产生的交流电通过导线22流入电容与整流器20内，通过整流器将交流电整流为直流电，并储存在电容，电容与供电电源连接。
第七步，砂质沉积物的采样。
砂质沉积物取样杆贯入沙体中，钢管连接杆与圆板由于重量和底面积不同，所受贯入阻力不同：钢管连接杆的自重大、底面积小，贯入深度大，圆板的自重小、底面积大，贯入深度小，由此使得钢管连接杆和圆板之间产生相对位移，每一个采样单元的相邻两圆板之间的空间脱离固定在钢管连接杆上的环形储沙仓的阻挡，暴露于沙波之中，由此沙波可以自由进出该空间。在沙波迁移后，两圆板之间由砂体充满。
设砂质沉积物采样杆所在位置的沙波坡角为θ，观测时长为T，沙波迁移速率为v，环形储沙仓的高度为H，环形储沙仓的直径为D，相邻两环形储沙仓之间的间距为L，则在观测开始后的t时刻，观测点处沙波高程变化量Δh＝vt·tanθ。
以最底部的采样单元为例进行分析可得，在t(0<t<T)时刻进入取样单元Ⅰ的沉积物体积为V1，
当0<vt<D时，
Figure BDA0002545411110000111
当D<vt<H·tanθ+D时，
Figure BDA0002545411110000112
当H·tanθ+D<vt<(L+H)·secθ时，
Figure BDA0002545411110000113
因此在开始观测后的t时刻进入砂质沉积物采样杆的沉积物总容积为：
Figure BDA0002545411110000114
第八步，装置的回收。
原位观测结束，作业船行驶至观测海域，通过下达指令，机械抓环夹持固定多功能观测杆与砂质沉积物取样杆，声学释放器释放重力锚，利用潜标的浮力将该装置的上部整体回收。
与此同时，当机械抓环夹持钢管连接杆向上提起，此时由于圆板与钢管连接杆的相对独立，钢管连接杆先于圆板被提起，至环形储沙仓的底部圆环与圆板接触时，采样单元受力开始提起。此时环形储沙仓的环形侧壁与上、下两圆板之间形成相对闭合空间，将处于两圆板间的沉积物一同采集提起，砂质沉积物的采样过程如图10所示。
设沉积物的浮容重为γ，砂质沉积物取样杆的自重为x(kg),要成功回收沉积物样品，则作用在砂质沉积物取样杆上的向上的拉力至少需要F(t)＝(V(t)·γ+x)·g,其中g为当地的重力加速度。
第九步，数据的收集和修正。
收集多功能观测杆内与支撑杆上各仪器的储存数据，多功能观测杆土压力传感器上的数据可通过波潮仪进行修正，通过成像声呐得到的沙波波长数据推算沙波的迁移速率，并利用底流数据分析海底流速对沙波迁移的影响。
第十步，对砂质沉积物取样杆取回的沙波土样进行标记保存，可用于后续对比不同高程下沙波土样的物理性质差异，对沙波土体的研究有重要意义。
以上对本发明所提供的应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置，包括潜标(10)和支撑机构，其特征在于：还包括多功能观测杆(6)、砂质沉积物采样杆(5)和内波能发电机构，支撑机构呈天平状，包括重力锚(1)、六棱杆(2)、环形仪器控制舱(8)和支撑杆(16)，重力锚(1)位于整个装置的底部，重力锚(1)通过数个六棱杆(2)与其上方的环形仪器控制舱(8)连接，内波能发电机构设置在环形仪器控制舱(8)内，环形仪器控制舱(8)的外侧对称固定有两支撑杆(16)，其中一支撑杆通过其端部的机械抓环(7)与多功能观测杆(6)连接，另一支撑杆通过其端部的机械抓环(7)与砂质沉积物采样杆(5)连接，支撑杆(16)上搭载有声学多普勒流速剖面仪(11)、声学多普勒流速仪(12)、水下照相机(13)、波潮仪(14)和成像声呐(15)，环形仪器控制舱(8)的底部与重力锚(1)的顶部之间通过连接有声学释放器(4)的钢缆(3)相连，环形仪器控制舱(8)的顶部通过凯夫拉电缆(9)与海水分界层面处的潜标(10)连接；
所述多功能观测杆(6)的底部固定有贯入锥尖(42)，贯入锥尖(42)的底部呈尖状，贯入锥尖(42)的顶部设有土压力传感器(40)，土压力传感器(40)的上方且位于多功能观测杆内设有孔隙水压力传感器(41)，孔隙水压力传感器(41)的上方且多功能观测杆内沿其轴向间隔设置数个浊度传感器(39)；
所述砂质沉积物采样杆(5)包括提取部和采样部，采样部与提取部之间活动连接，提取部包括数根沿竖直方向平行设置的钢管连接杆(31)和沿钢管连接杆的轴向设置的数个环形储沙仓(34)，钢管连接杆(31)通过机械抓环(7)与支撑杆(16)连接，环形储沙仓(34)设置在钢管连接杆(31)之间，环形储沙仓(34)内设有环形的腔体，环形储沙仓(34)的环形侧壁与其外部的数根钢管连接杆(31)固定连接，环形储沙仓(34)的顶部呈开口状，环形储沙仓(34)的底部设有环形孔(35)；
所述采样部包括数个沿竖直方向设置的采样单元，采样单元包括圆板Ⅰ(32)和圆板Ⅱ(33)，圆板Ⅰ(32)位于圆板Ⅱ(33)的上方，圆板Ⅰ(32)和圆板Ⅱ(33)之间通过位于中心的圆板连接杆(36)固定连接，圆板Ⅰ(32)和圆板Ⅱ(33)位于环形储沙仓(34)内，圆板Ⅰ(32)和圆板Ⅱ(33)的尺寸小于环形储沙仓(34)的内壁尺寸，圆板Ⅱ(33)的尺寸大于环形储沙仓(34)底部的环形孔(35)的尺寸，相邻两采样单元之间的圆板连接杆(36)之间通过紧固件(37)连接，各钢管连接杆(32)上部之间固定连接有固定圆板，位于最上方的采样单元的圆板连接杆顶端与固定圆板滑动连接。
2.根据权利要求1所述的应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置，其特征在于：所述重力锚(1)内部有六边形凹槽，六棱杆(2)插入六边形凹槽内，实现六棱杆与重力锚的固定连接。
3.根据权利要求1所述的应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置，其特征在于：所述声学多普勒流速剖面仪(11)、声学多普勒流速仪(12)、水下照相机(13)、波潮仪(14)、成像声呐(15)和机械抓环(7)分别通过电缆与供电电源电连接，供电电源与内波能发电机构电连接。
4.根据权利要求1所述的应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置，其特征在于：所述内波能发电机构包括发电机构外框架(18)、发电机构内壁(29)、发电齿轮齿条、弹簧(27)、感应线圈和电容与整流器(20)，发电机构内壁(29)位于环形仪器控制舱(8)内，发电机构内壁(29)与环形仪器控制舱顶板(24)、环形仪器控制舱底板(23)之间密封固定连接，发电机构内壁(29)为空心的圆柱型腔体，环形仪器控制舱顶板(24)上设有开口，发电齿轮齿条和弹簧(27)位于发电机构内壁(29)的空心腔体内，发电机构外框架(18)位于环形仪器控制舱(8)的上方，发电机构外框架(18)的底部与环形仪器控制舱顶板(24)固定连接，发电机构外框架(18)的中部设有中心孔；
所述发电齿轮齿条包括两组齿轮(25)和位于两组齿轮之间的齿轮条(17)，位于齿轮条(17)对应两侧的两齿轮(25)的转向相反，且两齿轮(25)均与齿轮条(17)相互咬合，两齿轮(25)均通过中心转轴与齿轮支撑杆(30)连接，齿轮支撑杆(30)与发电机构内壁(29)固定连接，齿轮条(17)一侧的齿轮(19)上设有磁铁(26)，齿轮条(17)的下端通过弹簧(27)与环形仪器控制舱底板(23)连接，齿轮条(17)的顶端通过凯夫拉电缆(9)与潜标(10)连接，凯夫拉电缆(9)设置在发电机构外框架(18)的中心孔内，齿轮条(17)的顶端固定有限位板(28)，限位板(28)位于发电机构外框架(18)中心孔的下方，且其尺寸大于中心孔的尺寸，在位于发电机构内壁(29)上部和下部的外侧设有感应线圈框体(19)，感应线圈框体(19)与环形仪器控制舱(8)的内部固定连接，感应线圈缠绕在感应线圈框体(19)内，上、下感应线圈分别通过导线(22)和电容与整流器(20)连接。
5.根据权利要求1所述的应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置，其特征在于：所述各采样单元之间的圆板连接杆为一体式结构。
6.一种权利要求1-5任一权利要求所述应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置的观测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.仪器的室内检测与标定；
S2.选择观测海域和时间；
S3.布放作业船；
S4.组装观测装置；
S5.布放观测装置；
S6.观测装置的贯入和观测：
观测装置布放结束后，机械抓环接受指令，释放多功能观测杆与砂质沉积物取样杆，多功能观测杆与砂质沉积物取样杆在重力作用下下落贯入至沙体中，ADV、ADP、波潮仪、水下照相机和成像声呐开始工作，并储存数据，实现地形的观测，多功能观测杆实现沙波迁移过程中上覆土层重量变化、沙波表面微地貌形态变化及近底水体水动力特征的观测；
观测过程中，潜标位于低密度海水和高密度海水的分层界面处，在海水密度分界层处极易产生内孤立波，位于海水密度分层界面处的潜标在内孤立波的作用下上下运动，使内波能发电机构发电；
S7.砂质沉积物的采样：
砂质沉积物取样杆贯入沙体中，钢管连接杆与圆板由于重量和底面积不同，所受贯入阻力不同：钢管连接杆的自重大、底面积小，贯入深度大，圆板的自重小、底面积大，贯入深度小，由此使得钢管连接杆和圆板之间产生相对位移，每一个采样单元的相邻两圆板之间的空间脱离固定在钢管连接杆上的环形储沙仓的阻挡，暴露于沙波之中，由此沙波可以自由进出该空间，在沙波迁移后，两圆板之间由砂体充满；
设砂质沉积物采样杆所在位置的沙波坡角为θ，观测时长为T，沙波迁移速率为v，环形储沙仓的高度为H，环形储沙仓的直径为D，相邻两环形储沙仓之间的间距为L，则在观测开始后的t时刻，观测点处沙波高程变化量Δh＝vt·tanθ，开始观测后的t时刻进入砂质沉积物采样杆的沉积物总容积为：
Figure FDA0002545411100000031
S8.装置的回收:
机械抓环夹持固定多功能观测杆与砂质沉积物取样杆，声学释放器释放重力锚，利用潜标的浮力将该装置的上部整体回收；
回收过程中，当机械抓环夹持钢管连接杆向上提起，由于圆板与钢管连接杆之间相互独立，钢管连接杆先于圆板被提起，至环形储沙仓的底部圆环与圆板接触时，采样单元受力开始被提起，此时环形储沙仓的环形侧壁与上、下两圆板之间形成相对闭合空间，将处于两圆板间的沉积物一同采集提起；
设沉积物的浮容重为γ，砂质沉积物取样杆的自重为x(kg),要成功回收沉积物样品，则作用在砂质沉积物取样杆上的向上的拉力至少需要F(t)＝(V(t)·γ+x)·g,其中g为当地的重力加速度；
S9.数据的收集和修正。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤S6中，潜标上下浮动过程中，通过凯夫拉电缆拉动齿轮条上下运动，齿轮条上下运动过程中，带动与其咬合的齿轮转动，发电齿轮上的磁铁随着齿轮转动，磁铁运动过程中，对上、下感应线圈之间的磁感线进行切割，切割磁感线运动会在感应线圈内产生交流电，感应线圈中产生的交流电通过导线流入电容与整流器内，通过整流器将交流电整流为直流电，并储存在电容，电容与供电电源连接。
CN202010558546.4A 2020-06-18 2020-06-18 应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置及观测方法 Active CN111721575B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010558546.4A CN111721575B (zh) 2020-06-18 2020-06-18 应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置及观测方法
JP2021074579A JP6941907B1 (ja) 2020-06-18 2021-04-27 内部波発達エリアに使用される海底サンドウェーブの長期観測装置及び観測方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010558546.4A CN111721575B (zh) 2020-06-18 2020-06-18 应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置及观测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111721575A true CN111721575A (zh) 2020-09-29
CN111721575B CN111721575B (zh) 2021-04-20

Family

ID=72567437

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010558546.4A Active CN111721575B (zh) 2020-06-18 2020-06-18 应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置及观测方法

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6941907B1 (zh)
CN (1) CN111721575B (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112986616A (zh) * 2021-02-22 2021-06-18 中国科学院亚热带农业生态研究所 一种确定喀斯特岩溶管道淤泥流速的装置和方法
CN113187648A (zh) * 2021-04-29 2021-07-30 中国科学院广州能源研究所 波浪能供电潜标
CN113587908A (zh) * 2021-08-03 2021-11-02 中国海洋大学 基于三角式压力传感器测定海底沙波迁移装置及工作方法
CN113640800A (zh) * 2021-08-25 2021-11-12 中国人民解放军海军潜艇学院 一种用于反演海洋内孤立波数据的反演方法
CN113984439A (zh) * 2021-12-24 2022-01-28 四川省绵阳生态环境监测中心站 一种水下沉积物自动采样装置
CN114739366A (zh) * 2022-04-15 2022-07-12 山东海慧勘察测绘有限公司 基于mbes的海底沙波地貌运动探测装置
CN115930902A (zh) * 2023-03-14 2023-04-07 国家深海基地管理中心 一种海洋结构物沉降测量装置及方法
CN117704929A (zh) * 2024-02-06 2024-03-15 自然资源部第一海洋研究所 一种海底沉积物厚度变化测定装置及其方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114235493B (zh) * 2021-11-26 2024-01-09 青岛海洋地质研究所 潜水器搭载式海水保真取样器
CN115783197B (zh) * 2022-12-12 2023-07-07 青岛海洋地质研究所 一种适用于深海潜器的辅助触底装置及实现方法
CN116642550B (zh) * 2023-06-02 2024-01-30 交科院科技集团有限公司 一种带伸缩插杆探针的泥沙流量计及其使用方法
CN117589960B (zh) * 2024-01-18 2024-04-16 浙江甬信检测技术有限公司 一种河流水质参数综合监测仪

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS639822A (ja) * 1986-06-30 1988-01-16 Shigeru Yoshida 海底砂れきの流量測定装置
CN2645073Y (zh) * 2003-08-27 2004-09-29 浙江大学 浅水水体沉积物的分层样品取样器
KR101349562B1 (ko) * 2013-02-01 2014-01-10 한국해양과학기술원 기포함유 퇴적층에서 차주파수 음파를 이용한 공기 함유량 추정방법
CN107063196A (zh) * 2016-12-27 2017-08-18 中国海洋大学 基于压力计的海底沙波迁移观测装置及方法
CN107631720A (zh) * 2017-08-14 2018-01-26 中国海洋大学 海底沙波原位实时观测装置及方法
CN109186559A (zh) * 2018-06-14 2019-01-11 中国海洋大学 深海座底式工程地质环境原位长期观测装置及方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS639822A (ja) * 1986-06-30 1988-01-16 Shigeru Yoshida 海底砂れきの流量測定装置
CN2645073Y (zh) * 2003-08-27 2004-09-29 浙江大学 浅水水体沉积物的分层样品取样器
KR101349562B1 (ko) * 2013-02-01 2014-01-10 한국해양과학기술원 기포함유 퇴적층에서 차주파수 음파를 이용한 공기 함유량 추정방법
CN107063196A (zh) * 2016-12-27 2017-08-18 中国海洋大学 基于压力计的海底沙波迁移观测装置及方法
CN107631720A (zh) * 2017-08-14 2018-01-26 中国海洋大学 海底沙波原位实时观测装置及方法
CN109186559A (zh) * 2018-06-14 2019-01-11 中国海洋大学 深海座底式工程地质环境原位长期观测装置及方法

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112986616A (zh) * 2021-02-22 2021-06-18 中国科学院亚热带农业生态研究所 一种确定喀斯特岩溶管道淤泥流速的装置和方法
CN112986616B (zh) * 2021-02-22 2023-11-10 中国科学院亚热带农业生态研究所 一种确定喀斯特岩溶管道淤泥流速的装置和方法
CN113187648A (zh) * 2021-04-29 2021-07-30 中国科学院广州能源研究所 波浪能供电潜标
CN113187648B (zh) * 2021-04-29 2022-08-05 中国科学院广州能源研究所 波浪能供电潜标
CN113587908A (zh) * 2021-08-03 2021-11-02 中国海洋大学 基于三角式压力传感器测定海底沙波迁移装置及工作方法
CN113587908B (zh) * 2021-08-03 2022-04-22 中国海洋大学 基于三角式压力传感器测定海底沙波迁移装置及工作方法
CN113640800B (zh) * 2021-08-25 2023-07-28 中国人民解放军海军潜艇学院 一种用于反演海洋内孤立波数据的反演方法
CN113640800A (zh) * 2021-08-25 2021-11-12 中国人民解放军海军潜艇学院 一种用于反演海洋内孤立波数据的反演方法
CN113984439A (zh) * 2021-12-24 2022-01-28 四川省绵阳生态环境监测中心站 一种水下沉积物自动采样装置
CN114739366A (zh) * 2022-04-15 2022-07-12 山东海慧勘察测绘有限公司 基于mbes的海底沙波地貌运动探测装置
CN114739366B (zh) * 2022-04-15 2023-07-07 山东海慧勘察测绘有限公司 基于mbes的海底沙波地貌运动探测装置
CN115930902B (zh) * 2023-03-14 2023-08-04 国家深海基地管理中心 一种海洋结构物沉降测量装置及方法
CN115930902A (zh) * 2023-03-14 2023-04-07 国家深海基地管理中心 一种海洋结构物沉降测量装置及方法
CN117704929A (zh) * 2024-02-06 2024-03-15 自然资源部第一海洋研究所 一种海底沉积物厚度变化测定装置及其方法
CN117704929B (zh) * 2024-02-06 2024-05-03 自然资源部第一海洋研究所 一种海底沉积物厚度变化测定装置及其方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111721575B (zh) 2021-04-20
JP2021196344A (ja) 2021-12-27
JP6941907B1 (ja) 2021-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111721575B (zh) 应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置及观测方法
US10640176B1 (en) Observation system and method for re-suspension quantity of submarine sediments by deep-sea internal waves
EP3351973B1 (en) Long-term seabed-based multi-point in-situ observation system
CN109579801B (zh) 基于电阻率探杆的多级贯入式海底沙波原位观测装置及方法
CN109579802B (zh) 一种多级贯入式海底沙波原位观测装置及方法
DE212019000025U1 (de) In-situ-Langzeitbeobachtungsvorrichtung für eine ingenieurgeologische Umgebung eines Tiefseebodens
CN113432648B (zh) 深海内波诱发海底软粘土变形滑动长期观测系统及方法
US11313207B2 (en) Deep-sea submarine gas hydrate collecting method and production house
CN106802132A (zh) 一种贯入式多功能海底沉积物原位观测探杆
CN108760375B (zh) 一种重力柱状沉积物取样器
CN106406141A (zh) 一种用于海底地震波法探测的模型试验系统及方法
CN107727430A (zh) 一种船基深海沉积物智能重力采样装置
CN108318382B (zh) 近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法
CN107063196B (zh) 基于压力计的海底沙波迁移观测装置及方法
CN107700458A (zh) 用于海洋超软土原位测试的梨形扩底全流触探探头
CN210072086U (zh) 一种滩浅海工程地质性质原位综合调查平台
CN110346535B (zh) 一种软土场地土体参数长距离连续测量装置
CN2711755Y (zh) 集成式深海海流剖面和海浪综合监测仪
CN107747306A (zh) 一种用于海洋超软土原位测试的十字形全流触探探头
CN210294256U (zh) 一种大范围软土场地土体参数连续测量装置
CN110512585B (zh) 用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置
CN1332226C (zh) 一种深海潜标测量系统
JP2019078534A (ja) ボーリング孔内の検層方法および該検層のために用いられる水中浮遊型カプセルプローブ。
JP2020056728A (ja) シュー装置、水底地盤貫入試験装置、および水底地盤貫入試験方法
Meunier et al. First tests of Penfeld: a new seabed penetrometer

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Liu Xiaolei

Inventor after: Zheng Xiaoquan

Inventor after: Li Weijia

Inventor after: Guo Lei

Inventor after: Liang Bingchen

Inventor after: Wang Zhenlu

Inventor before: Liu Xiaolei

Inventor before: Zheng Xiaoquan

Inventor before: Li Weijia

Inventor before: Guo Lei

Inventor before: Liang Bingchen

Inventor before: Wang Zhenlu

CB03 Change of inventor or designer information