CN112082527A - 河床冲刷深度实时监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河床冲刷深度实时监测系统，包括河床，河床及其两岸围成河道，河道上方具有固定结构，固定结构向下连接有若干红色的连接丝，各连接丝均沿竖向方向设置；连接丝采用碳纤维丝，各连接丝的下端均固定连接有浮球，浮球的密度小于等于0.2克/立方厘米；各浮球分别预埋在河床内的预定深度；各连接丝顶部分别连接有指示牌，指示牌用于指示相应浮球的预埋深度。本发明避免了重力探杆因阻挡水流而带来的偏差，也避免了声纳系统的高昂成本以及无法直接观察等缺陷。本发明利用浮力原理，实现在结果准确的同时能够使工作人员方便而直观地看到河床冲刷的变化情况，同时工作人员也可在显示屏上观察并随时查看记录的河床冲刷情况。

Description

河床冲刷深度实时监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，尤其涉及河床冲刷深度监测技术。

背景技术

河床冲刷实验是常见的河工模型实验，在水利相关的研究中，常常需要进行河床冲刷实验，通过河床冲刷实验为预测在某一水流条件（包括河流形态、水文泥沙、河床特点、水量水速等等）下河床的发展趋势提供依据。

河床冲刷实验中，需要对河床冲刷深度进行实时监测。在现实中的某些河段，也需要对河床深度进行实时监测。无论是在实验室，还是在现实河流中，都存在不容易实时准确地监测河床深度的问题。

现有的研究中，有人提出重力式河床深度监测方法，在护管或护套内设置探杆，探杆底端设置底板，底板支撑在河床上，护管或护套保护探杆免受水流冲击。河床冲刷较深、河床变低时，探杆也会下沉。通过观察探杆的下沉量，可以得到河床的冲刷深度。但这种方式，由于护管或护套会对探杆处的水流产生较大的阻挡作用，因此该处河床冲刷的实际状况与自然条件下冲刷的状况有所偏差。

也有人提出使用声纳技术利用超声波实时探测河床深度的方案。声纳系统价格高昂，并且在混浊的水流中声波会产生折射、散射、反射和干涉等现象，会产生声线弯曲、信号起伏和信号畸变，影响探测精度。河床冲刷实验中，不可避免会出现水流混浊的现象。声纳技术的另一缺陷是，不能像探杆一样使工作人员能够直观地观察到河床冲刷深度的变化情况。

因此，需要提出一种新的河床冲刷技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种河床冲刷深度实时监测系统，既能够直观地观察到河床冲刷深度的变化情况，又能够避免护管或护套阻挡水流导致冲刷状况出现偏差。

为实现上述目的，本发明的河床冲刷深度实时监测系统包括自然的或模拟的河床，河床上具有自然的或模拟的水流，河床及其两岸围成河道，其特征在于：河道上方具有固定结构，固定结构向下连接有若干红色的连接丝，各连接丝均沿竖向方向设置；

连接丝采用碳纤维丝，连接丝的直径小于等于0.5毫米；各连接丝的下端均固定连接有浮球，浮球的密度小于等于0.2克/立方厘米，浮球的直径为1±0.1厘米；各浮球分别预埋在河床内的预定深度，各浮球的预埋深度各不相同；

各连接丝顶部分别连接有指示牌，不同连接丝连接的指示牌的形状和颜色均不相同，各连接丝的指示牌上写有用于表明该连接丝所连接的浮球的预埋深度的数字，指示牌的形状和颜色为视觉特征，指示牌上的数字为深度特征，各指示牌分别与相应的视觉特征的深度特征一一对应。

河道上方的固定结构为固定建筑物或者两端连接在河道两岸固定物上的悬臂梁。

河道上方的固定结构上安装有移动侦测用摄像头，摄像头的摄像范围覆盖各连接丝及指示牌的初始位置以及各浮球浮起后各指示牌向下游方向移动的最远位置；

摄像头以有线或无线的方式连接有电控装置，电控装置连接有显示屏。

本发明还公开了一种使用上述河床冲刷深度实时监测系统的监测方法，按以下步骤进行：

第一步骤是安装；如果河道上方没有固定结构，首先架设固定结构；将各连接丝的一端分别连接浮球，在河道上方的固定结构上安装连接丝的另一端；在河道上方的连接丝上固定指示牌；将各浮球分别预埋至河床内，并使各浮球分别位于相应的预埋深度；

第二步骤是监测；河床上部的泥沙逐渐被水流冲刷走，当某一浮球与水流接触时，在浮力的作用下该浮球被水冲向下游；此时与该浮球相应的连接丝由竖向变为向下游方向倾斜，工作人员通过观察倾斜的指示牌的形状和颜色，或者通过观察倾斜的连接丝上的指示牌上的数字，得到河床的当前冲刷深度。

电控装置内置有存储器、计时器和图像识别算法；

在第二步骤的进行过程中，当某一连接丝与竖向方向的夹角小于等于10度时，电控装置判断连接丝连接的浮球未上浮；当某一连接丝与竖向方向的夹角大于10度并持续3秒以上时，电控装置判断该连接丝所连接的浮球上浮，此时电控装置将该浮球对应的预埋深度作为当前河床冲刷深度，将当前河床冲刷深度和当前时间记录至存储器中。

本发明具有如下的优点：

本发明相比以往的重力式探杆（在重力作用下探杆下沉）的方案，本发明的监测原理是浮力而非重力；本发明对水流阻力非常微小，因而对河床冲刷情况的影响可以忽略（探杆及其护管则对水流阻力明显，不能忽略），得到的河床冲刷结果更为准确。

相比以往的声纳技术，本发明成本显著降低，而且能够使工作人员通过指示牌直观地观察到冲刷情况（声纳技术无法肉眼观察），并且避免信号起伏、畸变带来的精度降低的缺陷。

本发明避免了护管或护套因阻挡水流而带来的偏差，也避免了采用声纳系统带来的高昂成本以及探测精度受水流情况影响、无法直接观察等缺陷。本发明以较低的成本，利用浮力导致浮球上浮的原理，实现在结果准确的同时能够使工作人员方便而直观地看到河床冲刷的变化情况。同时电控装置能够进行冲床情况的实时记录，工作人员也可以在显示屏上观察各连接丝及指示牌，并随时查看记录的河床冲刷情况。

碳纤维丝在较小的直径下具有较高的强度，较小的直径对水的阻力非常微小，避免以往护管或套管体积较大、对水流的阻碍作用明显而导致实验结果不够准确。碳纤维丝具有较高的强度，能够防止水流的冲击破坏连接丝。连接丝采用红色，易于肉眼观察，也便于摄像头准确识别。

电控装置和显示屏的设置提供了远程监测的手段，工作人员不必留在现场。

本发明的监测方法便于安装，简单易行，结果准确，既能人眼直接观察，也能利用电控装置自动记录，使用十分方便。

持续3秒的意义在于：在水流的冲击下，浮球未上浮时，连接丝也可能因自身的弹性而向下游方向发生变形，引起连接丝偏离竖向方向。但这种状态是不稳定的，连接丝很快会因为自身弹力而回复原位，在水流中连接丝可能会出现一定程度的振荡现象。当某一连接丝与竖向方向的夹角大于10度并持续3秒以上时，电控装置判断该连接丝所连接的浮球上浮，这样可以避免连接丝振荡带来的误判断。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的控制原理图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的河床冲刷深度实时监测系统包括自然的或模拟的河床1，河床1上具有自然的或模拟的水流2，河床1及其两岸围成河道，河道上方具有固定结构3，固定结构3向下连接有若干红色的连接丝4，各连接丝4均沿竖向方向设置；

连接丝4采用碳纤维丝，连接丝4的直径小于等于0.5毫米；各连接丝4的下端均固定连接有浮球5，浮球5的密度小于等于0.2克/立方厘米，浮球5的直径为1±0.1厘米（包括两端值）；各浮球5分别预埋在河床1内的预定深度，各浮球5的预埋深度各不相同；

各连接丝4顶部分别连接有指示牌6，指示牌6用于指示相应浮球5的预埋深度。不同连接丝4连接的指示牌6的形状和颜色均不相同，各连接丝4的指示牌6上写有用于表明该连接丝4所连接的浮球5的预埋深度的数字，指示牌6的形状和颜色为视觉特征，指示牌6上的数字为深度特征，各指示牌6分别与相应的视觉特征的深度特征一一对应。

本发明中，位于最上方的指示牌6，可以是红色三角形；向下依次可以是橙色正方形、黄色圆形、绿色椭圆形等等。

本发明避免了护管或护套因阻挡水流2而带来的偏差，也避免了采用声纳系统带来的高昂成本以及探测精度受水流2情况影响、无法直接观察等缺陷。本发明以较低的成本，利用浮力导致浮球5上浮的原理，实现在结果准确的同时能够使工作人员方便而直观地看到河床1冲刷的变化情况。同时电控装置能够进行冲床情况的实时记录，工作人员也可以在显示屏9上观察各连接丝4及指示牌6，并随时查看记录的河床1冲刷情况。

碳纤维丝在较小的直径下具有较高的强度，较小的直径对水的阻力非常微小，避免以往护管或套管体积较大、对水流2的阻碍作用明显而导致实验结果不够准确。碳纤维丝具有较高的强度，能够防止水流2的冲击破坏连接丝4。连接丝4采用红色，易于肉眼观察，也便于摄像头准确识别。

河道上方的固定结构3为固定建筑物（如自然河流上的水工构筑物或者实验室天花板）或者两端连接在河道两岸固定物上的悬臂梁（悬臂梁可由钢丝绳替代）。

河道上方的固定结构3上安装有移动侦测用摄像头7，摄像头7的摄像范围覆盖各连接丝4及指示牌6的初始位置以及各浮球5浮起后各指示牌6向下游方向移动的最远位置；

摄像头7以有线或无线（如采用无线摄像头7）的方式连接有电控装置8，电控装置8连接有显示屏9。电控装置8为PLC或工控计算机。显示屏9用于显示摄像头拍摄的图像，或者显示电控装置8的记录内容。电控装置8和显示屏9的设置提供了远程监测的手段，工作人员不必留在现场。

本发明还公开了使用上述的河床冲刷深度实时监测系统的监测方法，按以下步骤进行：

第一步骤是安装；如果河道上方没有固定结构3，首先架设固定结构3（如在河道两岸固定物之间连接横跨河道的悬臂梁）；将各连接丝4的一端分别连接浮球5，在河道上方的固定结构3上安装连接丝4的另一端；在河道上方的连接丝4上固定指示牌6；将各浮球5分别预埋至河床1内，并使各浮球5分别位于相应的预埋深度；

第二步骤是监测；河床1上部的泥沙逐渐被水流2冲刷走，当某一浮球5与水流2接触时，在浮力的作用下该浮球5被水冲向下游；此时与该浮球5相应的连接丝4由竖向变为向下游方向倾斜，工作人员通过观察倾斜的指示牌6的形状和颜色，或者通过观察倾斜的连接丝4上的指示牌6（即向下游方向离开原位置的指示牌6）上的数字，得到河床1的当前冲刷深度。

由于指示牌6的形状和颜色与指示牌6上的数字具有一一对应的关系，因此工作人员或电控装置8通过视觉特征和深度特征当中的任一项，均可得到河床1的当前冲刷深度。

电控装置8内置有存储器、计时器和图像识别算法；

在第二步骤的进行过程中，当某一连接丝4与竖向方向的夹角小于等于10度时，电控装置8判断连接丝4连接的浮球5未上浮；当某一连接丝4与竖向方向的夹角大于10度并持续3秒以上时，电控装置8判断该连接丝4所连接的浮球5上浮，此时电控装置8将该浮球5对应的预埋深度作为当前河床1冲刷深度，将当前河床1冲刷深度和当前时间记录至存储器中。

其中，存储器、计时器和图像识别算法均为常规技术，具体不再详述。

持续3秒的意义在于：在水流2的冲击下，浮球5未上浮时，连接丝4也可能因自身的弹性而向下游方向发生变形，引起连接丝4偏离竖向方向。但这种状态是不稳定的，连接丝4很快会因为自身弹力而回复原位，在水流2中连接丝4可能会出现一定程度的振荡现象。当某一连接丝4与竖向方向的夹角大于10度并持续3秒以上时，电控装置8判断该连接丝4所连接的浮球5上浮，这样可以避免连接丝4振荡带来的误判断。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.河床冲刷深度实时监测系统，包括自然的或模拟的河床，河床上具有自然的或模拟的水流，河床及其两岸围成河道，其特征在于：河道上方具有固定结构，固定结构向下连接有若干红色的连接丝，各连接丝均沿竖向方向设置；

连接丝采用碳纤维丝，连接丝的直径小于等于0.5毫米；各连接丝的下端均固定连接有浮球，浮球的密度小于等于0.2克/立方厘米，浮球的直径为1±0.1厘米；各浮球分别预埋在河床内的预定深度，各浮球的预埋深度各不相同；

各连接丝顶部分别连接有指示牌，不同连接丝连接的指示牌的形状和颜色均不相同，各连接丝的指示牌上写有用于表明该连接丝所连接的浮球的预埋深度的数字，指示牌的形状和颜色为视觉特征，指示牌上的数字为深度特征，各指示牌分别与相应的视觉特征的深度特征一一对应。

2.根据权利要求1所述的河床冲刷深度实时监测系统，其特征在于：河道上方的固定结构为固定建筑物或者两端连接在河道两岸固定物上的悬臂梁。

3.根据权利要求1或2所述的河床冲刷深度实时监测系统，其特征在于：河道上方的固定结构上安装有移动侦测用摄像头，摄像头的摄像范围覆盖各连接丝及指示牌的初始位置以及各浮球浮起后各指示牌向下游方向移动的最远位置；

摄像头以有线或无线的方式连接有电控装置，电控装置连接有显示屏。

4.使用权利要求1至3中任一项所述的河床冲刷深度实时监测系统的监测方法，其特征在于按以下步骤进行：

第一步骤是安装；如果河道上方没有固定结构，首先架设固定结构；将各连接丝的一端分别连接浮球，在河道上方的固定结构上安装连接丝的另一端；在河道上方的连接丝上固定指示牌；将各浮球分别预埋至河床内，并使各浮球分别位于相应的预埋深度；

第二步骤是监测；河床上部的泥沙逐渐被水流冲刷走，当某一浮球与水流接触时，在浮力的作用下该浮球被水冲向下游；此时与该浮球相应的连接丝由竖向变为向下游方向倾斜，工作人员通过观察倾斜的指示牌的形状和颜色，或者通过观察倾斜的连接丝上的指示牌上的数字，得到河床的当前冲刷深度。

5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于：

电控装置内置有存储器、计时器和图像识别算法；

在第二步骤的进行过程中，当某一连接丝与竖向方向的夹角小于等于10度时，电控装置判断连接丝连接的浮球未上浮；当某一连接丝与竖向方向的夹角大于10度并持续3秒以上时，电控装置判断该连接丝所连接的浮球上浮，此时电控装置将该浮球对应的预埋深度作为当前河床冲刷深度，将当前河床冲刷深度和当前时间记录至存储器中。

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