CN113218370A - 一种用于水文泥沙监测的仿生河流坐底 - Google Patents

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黄尔
罗铭
许唯临
刘兴年
王协康
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    • G01C13/00—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal

Abstract

本发明公开一种了用于水文泥沙监测的仿生河流坐底，包括仿生鱼框架、仿生鱼壳外壳、中部隔板、活动鱼尾、左空腔、右空腔、沉积物收集稳定板、第一监测设备夹具、第二监测设备夹具、第三监测设备夹具、第四监测设备夹具和重底板。坐底其外形为头部固定、尾部活动的放生鱼形，仿生鱼的身体前2/3部分保持刚性减小头部摆动幅度，身体后1/3部分左右摆动产生行进动能。利用活动尾部在水流下自动摆动进而调整其自身阻力和使其稳定的放置在河床上。本发明提供的仿生河流坐底和监测装置适应性强，适合于我国高原河流、山区河流、城市河流等多种情况下的综合监测装置，实现更方便高效地获取水文泥沙数据，提高水温泥沙检测工作的便捷性和准确性。

Description

一种用于水文泥沙监测的仿生河流坐底
技术领域
本发明涉及一种新型的水文泥沙监测仿生河流坐底，特别是推广在无人看守、人工 监测不易、监测时间偏短的河流、湖泊、水库及沿海地区。
背景技术
水文泥沙监测技术是水利水文信息化的重要基础，它不仅为水利工程安全运行提供 保障，还在洪水防灾减灾、水资源科学调度、地质地貌研究中发挥着非常重要的作用。传统的水文监测仪器、设备都是基于单一物理原理设计的，没有同时收集现场多源信息，不同仪器、设备对河床组成及输沙强度的适应性各具特色，但均有缺陷。
单一流速的测量主要有旋桨测速仪和声学多普勒流速剖面仪(ADCP)，其中ADCP已成为测量海洋，河口和淡水环境中流速测量的标准技术。
单一悬移质测量方法主要有三种方法：采样器法的优点是广泛接受，时间检验、易用，率定其他方法，但其需要后期处理，需要现场人工，干扰流场；声学法的优点是具 有广泛的垂直范围，良好的分辨率，无干扰，但反向散射信号干扰因素复杂，高浓度时 信号容易丢失；激光法的优点是实现了原位级配测量，悬沙浓度不依赖于级配，但昂贵 且不可靠，仅适用于小粒径范围，仅点测量，干扰流场。
单一推移质测量方法主要有四种方法：采样器法的优点是广泛接受，时间检验，现场可检查沙样，但采样效率低，干扰流场；坑槽法在不淤满时结果较可靠，适用于季节 性溪沟，不适合大流量，固定位置，大多数仅能在洪水后测量，需现场施工，价格昂贵； 颗粒跟踪法的优点是可以监测颗粒运动轨迹，但仅限于表面颗粒，大多只能洪水事件后 观测，价格昂贵；间接观测法大多不干扰流场、高时间分辨率，但在某些情况下接受信 号与推移质输沙率相关关系不佳，没有得到广泛认可与大量使用。
因此，研究开发适合于我国高原河流、山区河流、城市河流等多种情况下的综合监测装置来得到所需要的水文泥沙数据，这不仅提高实测成果质量还有着明显的经济效 益。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供用于水文泥沙监测的仿生河流坐底和 监测装置，获得一种适合于我国高原河流、山区河流、城市河流等多种情况下的综合监测装置，实现更方便高效地获取水文泥沙数据，提高水温泥沙检测工作的便捷性和准确性。
基于鲹科模式的运动规律，本发明提供的用于水文泥沙监测的仿生河流坐底，其外形为头部固定、尾部活动的放生鱼形，仿生鱼的身体前2/3部分保持刚性减小头部摆 动幅度，身体后1/3部分左右摆动产生行进动能。利用活动的用尾部在水流下自动摆动 进而调整其自身阻力和使其稳定的放置在河床上。本发明提供的于水文泥沙监测的检测 装置是在仿生河流坐底的内部安装水文泥沙监测设备后得到。所述检测装置采用坐底观 测、自容式的工作方式进行测量。
本发明提供的用于水文泥沙监测的仿生河流坐底，包括仿生鱼框架、仿生鱼壳外壳、中部隔板、活动鱼尾、左空腔、右空腔、沉积物收集稳定板、第一监测设备夹具、 第二监测设备夹具、第三监测设备夹具、第四监测设备夹具和重底板；
所述仿生鱼外壳与仿生鱼框架外形匹配，覆盖并固定连接在仿生鱼框架外部，形成 仿生鱼鱼身，仿生鱼的口部和腹部尾端开口；所述活动鱼尾活动连接在仿生鱼框架上尾端，可相对仿生鱼框架左右摆动；所述中部隔板水平固定在仿生鱼框架内腔中部，将仿 生鱼框架内腔分隔成上下两层空间，所述第一监测设备夹具(16)、第二监测设备夹具 (17)、第三监测设备夹具(18)、第四监测设备夹具(19)均设置在仿生鱼内腔的上 层空间，并固定在仿生鱼框架上；所述沉积物收集稳定板设置在仿生鱼框架的下层空间 内，从仿生鱼的口部贯通下层空间至仿生鱼腹部尾端；所述左空腔和右空腔结构对称， 镶嵌在仿生鱼框架上层空间内的鱼身两侧；所述重底板设置在放生鱼框架正下方，并与 仿生鱼框架固定连接。
进一步地，所述仿生鱼框架由梭形中部框、若干横条、若干U形框条、若干连接 条和两根弧形框条组成，所述若干横框条横竖交叉设置在梭形中部框内并与梭形中部框 固定连接，形成梭形框平面，所述若干U形框条分别竖立固定在梭形框平面的上下面， 且弧形部分分别朝向鱼背部和鱼腹部，所述若干连接条固定在梭形框平面的上面的相邻 两个U形框条之间，将U形框条连接成一体，最末尾的U形框条通过连接条与梭形中 部框的鱼尾端固定连接，仿生鱼头部的第一个U形框条与梭形中部框的头部通过两根 弧形框条固定连接，形成仿生鱼头部，两根弧形框条和梭形框平面之间形成空腔。
进一步地，所述仿生鱼框架的头部为空腔，所述仿生鱼框架(1)的头部为空腔， 所述左空腔(10)和右空腔(9)的为中空结构的长条形塑料空腔，位于仿生鱼框架内 腔的上层空间两侧，空腔的一端头部膨大，镶嵌于仿生鱼框架的头部空腔中，另一端延 伸至鱼体尾部。空腔的设置可以防止装置在河床上发生侧倾或者在初始安置时上下偏转 太大。空腔占据仿生鱼框架的前部、中部和尾部部分空间，使坐底顶部比底部质量轻， 增加了鱼体上部的浮力，从而确保在通过缆绳投放在河底的时候不会被河底紊流掀翻。 即使在被掀翻的时候，也能通过空腔的浮力使发明竖立起来，不会影响持续测量。
进一步地，所述活动鱼尾通过插栓与仿生鱼框架的尾端活动连接。所述插栓的连接 方式类似于合叶连接，插栓同时穿过仿生鱼框架尾端和活动鱼尾上设置的插栓孔，将二者活动连接。河床底部地形非常复杂，仿生鱼外观的水下监测装置能减少很大一部分水 流阻力，为进一步提高装置适应恶劣水域的情况，将活动鱼尾通过插栓连接仿生鱼的主 体，达到鱼尾在不同方向来流的情况摆动使仿生鱼的头部朝着来流方向挪动。
进一步地，所述沉积物收集稳定板中部为U型，往鱼口部一端依次为与U型中部 相接的水平板、与水平板相接的位于鱼口部斜板，往鱼尾端为与U型中部相接的水平 板相接的向鱼腹倾斜的斜板。在采样阶段，河底推移质通过仿生鱼入口处的斜板进入， 推移质进入U形槽中，并填满U形槽，多余的推移质通过后方的斜板流出。在每次采 样时间段内采集部分推移质上岸进行分析。此外斜板的设置还可以使流经第二层的水流 产生一个向前和向下的作用力，向前的作用力可以抵消一部分水流的拖曳力，向下的作 用力可以增加本发明的重量，两个作用力的目的均是使本发明更加稳定的坐落在河底进 行监测，以防止被水流掀翻。
进一步地，所述沉积物收集稳定板的水平板上设置有用于安装振动传感器的安放槽，凹槽上设置有与水平板齐平的槽盖。
进一步地，第一监测设备夹具、第二监测设备夹具、第三监测设备夹具、第四监测设备夹具为由若干框条构成的篓兜形。在实际中可根据需安的监测装设备的大小来确定具体的尺寸，以能够稳定将监测设备固定在坐底上为准。
进一步地仿生鱼框架的鱼头部和尾端分别设置有吊放挂钩，用于将设备整个坐底吊 放至河底。
进一步地，所述中重底板为具有一定重量的钢板，钢板的底面设置有两个重物挂钩 (6)。在某些山区河流中，河流比降大，水流产生的拖曳力往往会超过坐底自身的水 下重量，很容易被携带到下游，设置两个底部重物挂钩用于连接埋在河底的重物，如铅 鱼，以便安放铅鱼进一步增加坐底的整体重量。
本发明的技术方案中，优选地，由于水底水流湍急、河底卵砾石磨损比较严重，仿生鱼框架1采用横截面积2.5×2.5cm2的高猛钢制成。框架共分为两层，第一层形成仿 生鱼的骨架以支撑所有设备的安放，第二层采用边壁贴合的柱状支撑件，各个连接处采 用焊接技术形成一个一体式的骨架，增加结构强度。第一、二层之间用厚度1cm的钢 板作为中部隔板3进行隔离。重底板采用厚度至少为5cm的钢板。为了保护安装在仿 生鱼主体里的测量装置被水流携带的卵砾石冲击破坏，在仿生鱼框架外围利用螺钉螺母 固定厚度1cm的钢板作为仿生鱼外壳保护表层。
本发明提供的用于水文泥沙监测的仿生监测装置，包括上述仿生河流坐底，并在第 一监测设备夹具、第二监测设备夹具、第三监测设备夹具、第四监测设备夹具中根据监测需要安装有不同的监测设备，在所述沉积物收集稳定板安装振动传感器，用于监测河 底推移质运动产生的振动进而得到推移质输移速率。
本发明提供的仿生监测装置，进一步地，根据传统水文站分别测量的四组数据要素： 断面流速、水温、悬移质、推移质，优选在仿生河流坐底的第一监测设备夹具、第二监测设备夹具、第三监测设备夹具、第四监测设备夹具中分别安装声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、光学反向散射自容式浊度仪、LISST-200X水体现场激光粒度测量仪、LRT 轻型释放器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果
1)仿生鱼外形设计，减少对监测的影响
本发明的外形模仿鲹科鱼类，水底阻力更小，减少了装置对水体和河床的影响(如水流流速和泥沙运动)，尽量避免了监测数据不精确。
2)空腔及加重配备，利于装置的平稳
本发明在装置左右两侧分别配备空腔及较重底板，这有利于装置在水底保持平衡， 防止在投放和测量时发生侧倾。
3)模块化设计，适用于更广泛的环境
本发明中的测量系统彼此独立、互不影响，用户可根据自己需求灵活组装监测仪器， 同时可循环利用，未来应用前景广阔。
4)投放方便，无专门人员看守
本发明将相关仪器参数设置好，可直接运用吊车、船舶运输到相应位置直接投放，无需专门人员看守，只需按设置时间采集数据。
附图说明
图1为本发明所述用于水文泥沙监测的仿生河流坐底(装有水文监测设备)的整体立体结构图(带外壳)；
图2为本发明所述用于水文泥沙监测的仿生河流坐底(装有水文监测设备)的整体立体结构图(去掉外壳)；
图3为图2的俯视图；
图4为本发明所述用于水文泥沙监测的仿生河流坐底的仿生鱼框架的立体结构图。
图5为活动鱼尾与仿生鱼体的连接关系图；
图6为仿生鱼框架内腔的下层空间和沉积物收集稳定板、重底板的结构图；
图7为中底板立体图；
图8为左空腔和右边空腔的立体图；
图9为第一夹具结构图；
图10为第二夹具结构图；
图11为第三夹具结构图；
图12为第四夹具结构图。
图中，1-仿生鱼框架，2-重底板，3-中部隔板，4-仿生鱼外壳，5-吊放挂钩，6-重 物挂钩，7-活动鱼尾，8-插栓，9-右空腔，10-左空腔，11-沉积物收集稳定板，12-声学 多普勒流速剖面仪(ADCP)，13-光学反向散射自容式浊度仪，14-LISST-200X水体现 场激光粒度测量仪，15-LRT轻型释放器，16-第一监测设备夹具，17-第二监测设备夹具， 18-第三监测设备夹具，19-第四监测设备夹具，20-垫片，21-安放槽。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明 作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种用于水文泥沙监测的仿生河流坐底，结构如图1-12所示，包括仿生鱼框架1、仿生鱼壳外壳4、中部隔板3、活动鱼尾7、左空腔10、右空腔9、沉积 物收集稳定板11、第一监测设备夹具16、第二监测设备夹具17、第三监测设备夹具18、 第四监测设备夹具19和重底板2；
所述仿生鱼框架1由梭形中部框、若干横条、若干U形框条、若干连接条和两根弧形框条组成，所述若干横框条横竖交叉设置在梭形中部框内并与梭形中部框固定连接形成梭形框平面，所述若干U形框条分别竖立固定在梭形框平面的上、下面，且弧形部分 分别朝向鱼背部和鱼腹部，所述若干连接条固定在梭形框平面的上面的相邻两个U形框 条之间，将U形框条连接成一体，最末尾的U形框条通过连接条与梭形中部框的鱼尾端 固定连接，仿生鱼头部的第一个U形框条与梭形中部框的头部通过两根弧形框条固定连 接，形成仿生鱼头部，两根弧形框条和梭形框平面之间形成空腔。所述仿生鱼外壳为在 仿生鱼框架外围利用螺钉螺母固定的厚度1cm的钢板，作为仿生鱼外壳保护表层，保 护安装在仿生鱼主体里的测量装置避免被水流携带的卵砾石冲击破坏，其外形与仿生鱼 框架匹配，覆盖并固定在仿生鱼框架外表形成仿生鱼的鱼身，仿生鱼的口部和腹部尾端 开口。
由于水底水流湍急、河底卵砾石磨损比较严重，仿生鱼框架1采用横截面积2.5×2.5cm2的高猛钢制成。框架共分为两层，第一层形成仿生鱼的骨架以支撑所有设备的安放，第二层采用边壁贴合的柱状支撑件，各个连接处采用焊接技术形成一个一体式的骨架，增加结构强度。第一、二层之间用厚度1cm的钢板作为中部隔板3进行隔离。所 述中部隔板水平固定在仿生鱼框架内腔的中部，将仿生鱼框架内腔分隔成上、下两层空 间；所述第一监测设备夹具16、第二监测设备夹具17、第三监测设备夹具18、第四监 测设备夹具19均设置在仿生鱼内腔的上层空间，并固定在仿生鱼框架上。
所述沉积物收集稳定板11设置在仿生鱼框架的下层空间内，从仿生鱼的口部贯通下层空间至仿生鱼腹部尾端，并利用螺丝螺母固定在仿生鱼框架上；沉积物收集稳定板 中部为U型，往鱼口部一端依次为与U型中部相接的水平板、与水平板相接的位于鱼口 部的斜板，往鱼尾端为与U型中部相接的水平板相接的向鱼腹倾斜的斜板。沉积物收集 稳定板11的水平板上设置有用于安装振动传感器的安放槽21，安放槽上设置有与水平 板齐平的槽盖。在采样阶段，河底推移质通过仿生鱼入口处的斜板进入。推移质进入U 形槽中，并填满U形槽，则多余的推移质通过后方的斜板流出坐底。在每次采样时间 段内采集部分推移质上岸进行分析。此外斜板的设置还可以使流经第二层的水流产生一 个向前和向下的作用力，向前的作用力可以抵消一部分水流的拖曳力，向下的作用力可 以增加坐底的重量，两个作用力的目的均是使坐底更加稳定的坐落在河底进行监测，以 防止被水流掀翻。
第一监测设备夹具16、第二监测设备夹具17、第三监测设备夹具18、第四监测设备夹具19为由若干框条构成的篓兜形，结构如图9-12，大小形状与所需安装的监测设 备匹配。其中，第一监测设备夹具和第四监测设备夹具为圆柱体形空腔，其第一监测设 备夹具底部固定在垫片20上，垫片20再固定在中部隔板3上，圆柱体篓兜周向固定在 仿生鱼框架上以固位。本实施例中选用的水文监测设备为声学多普勒流速剖面仪 (ADCP)12、光学反向散射自容式浊度仪13、LISST-200X水体现场激光粒度测量仪 14、LRT轻型释放器15，依次对应的安装或放置于第一监测设备夹具16、第二监测设 备夹具17、第三监测设备夹具18、第四监测设备夹具19中。各夹具的大小和形状与对 应的监测设备匹配，能够保证设备的正确放置和固位。
所述左空腔10和右空腔9结构对称，为中空结构的长条形塑料空腔，位于仿生鱼框架内腔的上层空间两侧，空腔的一端头部膨大，镶嵌于仿生鱼框架的头部空腔中，另 一端延伸至鱼体尾部。两个空腔增加了鱼体上部的浮力，保证了坐底通过缆绳投放在河 底的时候不会被河底紊流掀翻。即使在被掀翻的时候，也能通过空腔的浮力使发明竖立 起来，不会影响持续测量。
所述活动鱼尾7通过插栓8与仿生鱼框架1的尾端活动连接，所述插栓同时穿过仿生鱼框架尾端和活动鱼尾上设置的插栓孔，将二者活动连接，使鱼尾可相对仿生鱼框架 左右摆动，从而进一步提高坐底对恶劣水域的情况的适应性。
仿生鱼框架1的鱼头部和尾端分别设置有吊放挂钩5，用于将坐底整体吊放至河底。
所述重底板2设置焊接在仿生鱼框架正下方，重底板为具有一定重量的至少为5cm的钢板。重底板2的存在是增加坐底的整体重量，在重底板2的前后中线处挖了近5× 5×3cm3的槽，并通过焊接技术将两个底部重物挂钩6固定在此处，用于挂放增加坐底 重量的重物，在水流湍急的时候将铅鱼通过挂钩连接到底部重物挂钩6。
实施例2
本实施例提供一种用于水文泥沙监测的仿生监测装置，由实施例1的仿生河流坐底 和水文监测设备组成，所述水文监测设备为为声学多普勒流速剖面仪(ADCP)12、光 学反向散射自容式浊度仪13、LISST-200X水体现场激光粒度测量仪14、LRT轻型释放 器15。声学多普勒流速剖面仪(ADCP)12通过声学多普勒流速剖面仪(ADCP)固定 夹具16和声学多普勒流速剖面仪(ADCP)垫片20利用螺丝螺母安装在仿生鱼框架1 上。光学反向散射自容式浊度仪13通过光学反向散射自容式浊度仪固定夹具17利用螺 丝螺母安装在仿生鱼框架1上。LISST-200X水体现场激光粒度测量仪14通过 LISST-200X水体现场激光粒度测量仪固定夹具18利用螺丝螺母安装在仿生鱼框架1 上。LRT轻型释放器15通过LRT轻型释放器固定夹具19利用螺丝螺母安装在仿生鱼 框架1上。

Claims (10)

1.一种用于水文泥沙监测的仿生河流坐底，其特征在于，包括仿生鱼框架(1)、仿生鱼壳外壳(4)、中部隔板(3)、活动鱼尾(7)、左空腔(10)、右空腔(9)、沉积物收集稳定板(11)、第一监测设备夹具(16)、第二监测设备夹具(17)、第三监测设备夹具(18)、第四监测设备夹具(19)和重底板(2)；
所述仿生鱼外壳(4)与仿生鱼框架(1)外形匹配，覆盖并固定在仿生鱼框架外表形成仿生鱼的鱼身，仿生鱼的口部和腹部尾端开口；所述活动鱼尾(7)活动连接在仿生鱼框架(1)尾端，可相对仿生鱼框架左右摆动；所述中部隔板水平固定在仿生鱼框架内腔的中部，将仿生鱼框架内腔分隔成上、下两层空间；所述第一监测设备夹具(16)、第二监测设备夹具(17)、第三监测设备夹具(18)、第四监测设备夹具(19)均设置在仿生鱼内腔的上层空间，并固定在仿生鱼框架上；所述沉积物收集稳定板(11)设置在仿生鱼框架的下层空间内，从仿生鱼的口部贯通下层空间至仿生鱼腹部尾端；所述左空腔(10)和右空腔(9)结构对称，镶嵌在仿生鱼框架上层空间内的鱼身两侧；所述重底板设置在仿生鱼框架正下方，并与仿生鱼框架固定连接。
2.根据权利要求1所述用于水文泥沙监测的仿生河流坐底，其特征在于，所述仿生鱼框架(1)由梭形中部框、若干横条、若干U形框条、若干连接条和两根弧形框条组成，所述若干横框条横竖交叉设置在梭形中部框内并与梭形中部框固定连接形成梭形框平面，所述若干U形框条分别竖立固定在梭形框平面的上、下面，且弧形部分分别朝向鱼背部和鱼腹部，所述若干连接条固定在梭形框平面的上面的相邻两个U形框条之间，将U形框条连接成一体，最末尾的U形框条通过连接条与梭形中部框的鱼尾端固定连接，仿生鱼头部的第一个U形框条与梭形中部框的头部通过两根弧形框条固定连接，形成仿生鱼头部，两根弧形框条和梭形框平面之间形成空腔。
3.根据权利要求1所述用于水文泥沙监测的仿生河流坐底，其特征在于，所述仿生鱼框架(1)的头部为空腔，所述左空腔(10)和右空腔(9)的为中空结构的长条形塑料空腔，位于仿生鱼框架内腔的上层空间两侧，空腔的一端头部膨大，镶嵌于仿生鱼框架的头部空腔中，另一端延伸至鱼体尾部。
4.根据权利要求1所述用于水文泥沙监测的仿生河流坐底，其特征在于，所述活动鱼尾通过插栓(8)与仿生鱼框架(1)的尾端活动连接；所述插栓同时穿过仿生鱼框架尾端和活动鱼尾上设置的插栓孔，将二者活动连接。
5.根据权利要求1所述用于水文泥沙监测的仿生河流坐底，其特征在于，所述沉积物收集稳定板(11)中部为U型，往鱼口部一端依次为与U型中部相接的水平板、与水平板相接的位于鱼口部的斜板，往鱼尾端为与U型中部相接的水平板相接的向鱼腹倾斜的斜板。
6.根据权利要求1所述用于水文泥沙监测的仿生河流坐底，其特征在于，所述沉积物收集稳定板(11)的水平板上设置有用于安装振动传感器的安放槽(21)，安放槽上设置有与水平板齐平的槽盖。
7.根据权利要求1所述用于水文泥沙监测的仿生河流坐底，其特征在于，第一监测设备夹具(16)、第二监测设备夹具(17)、第三监测设备夹具(18)、第四监测设备夹具(19)为由若干框条构成的篓兜形，大小形状与所需安装的监测设备匹配。
8.根据权利要求1所述用于水文泥沙监测的仿生河流坐底，其特征在于，仿生鱼框架(1)的鱼头部和尾端分别设置有吊放挂钩(5)，用于将坐底整体吊放至河底。
9.根据权利要求1所述用于水文泥沙监测的仿生河流坐底，其特征在于，所述重底板(2)为具有一定重量的钢板，钢板的底面设置有用于挂放增加坐底重量的重物的重物挂钩(6)。
10.用于水文泥沙监测的仿生监测装置，其特征在于，包括在权利要求1-9中任一权利要求所述的仿生河流坐底，并在第一监测设备夹具(16)、第二监测设备夹具(17)、第三监测设备夹具(18)、第四监测设备夹具(19)中根据监测需要安装有不同的监测设备，在所述沉积物收集稳定板(11)的安放槽(21)中安装有振动传感器。
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