CN114113673B - 一种水文地质勘测用水流流速监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水文地质勘测领域，具体公开了一种水文地质勘测用水流流速监测装置及方法，包括参考浮体、移动浮体和辅助机构，所述的辅助机构包括墩座，所述墩座内侧端面的相同位置固定连接有锚杆，所述锚杆端部连接有水平布置的悬索，所述参考浮体和移动浮体在上部和下部的相同位置处均安装有通信模块、转角传感器和两组呈上下分布的监测传感器模块。本发明通过设有的参考浮体、移动浮体、通信模块、监测传感器模块和辅助机构，可以防止塑料袋、树枝等杂物缠绕在设备外侧，排除外界的干扰因素，使传感器模块始终保持在同一垂线上，满足测量需要，提高监测结果的精确度。

Description

一种水文地质勘测用水流流速监测装置及方法
技术领域
本发明涉及水文地质勘测领域，特别涉及一种水文地质勘测用水流流速监测装置及方法。
背景技术
水文地质勘察亦称“水文地质勘测”。指为查明一个地区的水文地质条件而进行的水文地质调查研究工作。旨在掌握地下水和地表水的成因、分布及其运动规律。为合理开采利用水资源，正确进行基础、打桩工程的设计和施工提供依据，在对于明渠河道的水文地质勘测过程中，需要获取有关于的河流各种参数，如河流流向、水流速度和植被种类等，而河流中的水流速度对于河道两侧的水土侵蚀、河床的演化以及河道内部植被的覆盖种类均具有重要的影响作用，因此在水文地质勘测中，测量和监测河流的水流流速是必不可少且具有重要影响的项目之一。
根据《河流流量测验规范》要求，采用流速面积法对明渠或者河流进行测流时，需要在断面上布设足够多的测速垂线，且在每条垂线上还要布设多个测点，测得每个测点的流速，计算断面流量。为了减少测点，陈兴伟等在《粗糙透水床面明渠水流的垂线流速分布》中提出了垂线上的流速分布模型，包括对数型、抛物线型、椭圆型及指数型等，目的是简化垂线上的测点，在一条测速垂线上测一点或两点流速，通过模型公式计算出垂线平均流速，从而缩短测流时间。而对于流速在横断面上的分布，王鸿杰等在《基于横断面垂线平均流速分布的流量计算模型研究与应用》中提出一个可以较准确地描述横断面垂线平均流速分布的计算模型，应用该模型，利用有限的测速垂线，计算出断面流量，缩短测流历时，实现实时在线测流，该模型的应用对研究泥沙运动、河床演变及水文测验技术等均有潜在的推广应用价值。
但在近几年的实际测试中应用中，不断暴露出了一系列问题。主要问题包括：在采用流速面积法测流时，要求测速所用的传感器只能在某一垂直水位上可以上下移动，而不能左右晃动，这就要求测速传感器和装载传感器的浮体不能是一体化的，但在实际测试中，浮体漂浮于水面上，在水的冲击下时刻处于不规则的震动状态，同时当遭遇如大风、降雨等恶劣天气时，浮体的晃动程度增大，位于同一垂线上的传感器位置发生偏移，导致采集的数据不准确，影响监测结果；另一方面，明渠和河流中会经常漂浮有干扰杂物，如树枝、塑料袋以及其余漂浮物，在对水速长期实时监测过程中，传感器与装载传感器的浮体易被水中杂物阻扰，常常出现传感器被塑料袋缠绕遮挡的现象，也会使得数据的监测不准确。此外现有的监测装置多是分散固定在河流的某一固定位置处，监测装置之间独立工作，而对于河流水文地质勘探工作来说，为预测河流的河床演化，研究河道中溶质的输移情况等课题，需要获取河道横断面不同位置的流速数据，以及河道横断面不同位置的流速与水流侧向冲击之间关系的原始数据，为此，我们提出一种水文地质勘测用水流流速监测装置。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种水文地质勘测用水流流速监测装置及方法，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种水文地质勘测用水流流速监测装置及方法，包括参考浮体、移动浮体和辅助机构，所述的辅助机构包括等高且对称布置在明渠或河道两侧堤岸的墩座，所述墩座内侧端面的相同位置固定连接有锚杆，所述锚杆端部连接有水平布置的悬索，所述参考浮体和移动浮体均安装在悬索的外侧，所述参考浮体和移动浮体具有相同的结构，且参考浮体和移动浮体在上部和下部的相同位置处均安装有通信模块、转角传感器和两组呈上下分布的监测传感器模块，所述参考浮体和移动浮体通过通信模块进行无线电测距。
进一步的，所述参考浮体和移动浮体均由转动部、主体部、配重部和尾部构成，所述主体部为空心结构，所述尾部与配重部之间转动连接，且尾部为鱼尾状设置，所述通信模块和转角传感器均安装在转动部的内部，所述监测传感器模块分别安装在主体部的下端和配重部的下端。
进一步的，所述参考浮体安装在悬索的中间位置处，且参考浮体的转动部通过轴承与悬索转动连接。
进一步的，所述移动浮体的转动部内部安装有直线轴承，所述直线轴承内部连接有滑轨，所述滑轨内部与悬索固定连接，且滑轨对称分布在参考浮体的两侧。
进一步的，所述的辅助机构还包括固定在墩座上端的太阳能板和位于右侧墩座上端的基站，所述基站与通信模块之间通过无线电无线通信。
进一步的，所述主体部的截面为圆弧状设置，且主体部整体为板状或圆柱状。
进一步的，装置的使用步骤如下：
步骤一，使用时，将参考浮体和移动浮体浸入水流中，并向配重部中添加配重物，使两组监测传感器模块均位于水位线以下，两组监测传感器模块可以分别检测同一垂线上不同深度水深的流速，并通过通信模块以无线电方式将所测水流速度信号值发送至基站处，基站将测量数据通过3G或4G信号方式发送至工作人员处，工作人员通过获得的同一垂线上不同深度水深的流速值数据，依据现有的流速计算模型计算出垂线平均流速，实现实时在线测流的功能；
步骤二，参考浮体与移动浮体之间通过通信模块采用基于时间差的无线电测距方法进行测距，可计算出参考浮体与移动浮体之间的距离，并确定移动浮体的具体位置，获取水流对于河道中漂浮物的推动作用的原始数据，结合安装在移动浮体的上的两组监测传感器模块所测得的流速值，获取河道横断面不同位置的流速与水流侧向冲击之间关系的原始数据，为研究河道横断面不同位置的处流速与水流冲击的关系和预测河流的河床演化、河道中溶质的输移情况等提供了理论数据基础。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1）参考浮体与移动浮体均采用多段式设计，主体部采用圆弧状空心设计，可以防止塑料袋、树枝等杂物缠绕在主体部外侧，排除外界的干扰因素，便于监测传感器的安装，当主体部受到水流冲击时，主体部在轴承和直线轴承的作用下围绕转动部的中心进行转动，而固定在主体部和配重部的监测传感器模块跟随转动，使两组监测传感器模块始终保持在同一垂线上，满足测量需要，且两组监测传感器的距离可以根据初始安装位置信息和转角传感器的测量信息进行计算确定，便于计算水流深度，同时设置可围绕配重部摆动的尾部，可以缓解浮体在水平方向上的晃动，维持主体部的稳定性，进一步降低了浮体的震动程度，提高监测结果的精确度；
2）参考浮体与移动浮体之间通过通信模块采用基于时间差的无线电测距方法进行测距，可计算出参考浮体与移动浮体之间的距离，并确定移动浮体的具体位置，获取水流对于河道中漂浮物的推动作用的原始数据，结合安装在移动浮体的上的两组监测传感器模块所测得的流速值，为研究河道横断面不同位置的处流速与水流冲击的关系和预测河流的河床演化、河道中溶质的输移情况等提供了理论数据基础；
3）使用时，将参考浮体和移动浮体浸入水流中，并向配重部中添加配重物，使两组监测传感器模块均位于水位线以下，两组监测传感器模块可以分别检测同一垂线上不同深度水深的流速，并通过通信模块以无线电方式将所测水流速度信号值发送至基站处，基站将测量数据通过3G或4G信号方式发送至工作人员处，工作人员通过获得的同一垂线上不同深度水深的流速值数据，依据现有的流速计算模型计算出垂线平均流速，实现实时在线测流的功能；
4）在河道两岸的墩座上端安装有太阳能板和基站，太阳能板可以将太阳能进行转换，同时基站内也可配有应急电源，只需定期进行更换或者充电即可，可以解决户外电气设备用电的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明参考浮体的结构示意图；
图3为本发明移动浮体的结构示意图；
图4为本发明参考浮体和移动浮体的截面结构示意图。
图中：1、参考浮体；2、移动浮体；31、墩座；32、锚杆；33、悬索；34、太阳能板；35、基站；4、通信模块；5、转角传感器；6、监测传感器模块；7、转动部；8、主体部；9、配重部；10、尾部；11、直线轴承；12、滑轨。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制，为了更好地说明本发明的具体实施方式，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸，对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的，基于本发明中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-4所示，一种水文地质勘测用水流流速监测装置及方法，包括参考浮体1、移动浮体2和辅助机构，辅助机构包括等高且对称布置在明渠或河道两侧堤岸的墩座31，墩座31内侧端面的相同位置固定连接有锚杆32，锚杆32端部连接有水平布置的悬索33，参考浮体1和移动浮体2均安装在悬索33的外侧，参考浮体1和移动浮体2具有相同的结构，且参考浮体1和移动浮体2在上部和下部的相同位置处均安装有通信模块4、转角传感器5和两组呈上下分布的监测传感器模块6，参考浮体1和移动浮体2通过通信模块4进行无线电测距。
参考浮体1和移动浮体2均由转动部7、主体部8、配重部9和尾部10构成，主体部8为空心结构，尾部10与配重部9之间转动连接，且尾部10为鱼尾状设置，通信模块4和转角传感器5均安装在转动部7的内部，监测传感器模块6分别安装在主体部8的下端和配重部9的下端。
参考浮体1安装在悬索33的中间位置处，且参考浮体1的转动部7通过轴承与悬索33转动连接。
移动浮体2的转动部7内部安装有直线轴承11，直线轴承11内部连接有滑轨12，滑轨12内部与悬索33固定连接，且滑轨12对称分布在参考浮体1的两侧。
通过采用上述技术方案：使用时，将参考浮体1和移动浮体2浸入水流中，并向配重部9中添加配重物，使两组监测传感器模块6均位于水位线以下，两组监测传感器模块6可以分别检测同一垂线上不同深度水深的流速，并通过通信模块4以无线电方式将所测水流速度信号值发送至基站35处，基站35将测量数据通过3G或4G信号方式发送至工作人员处，工作人员通过获得的同一垂线上不同深度水深的流速值数据，依据现有的流速计算模型计算出垂线平均流速，实现实时在线测流的功能，在使用过程中，由于浮体收到收的浮力作用漂浮自流水中，时刻受到水的冲击作用，处于不规则的运动状态，为了确定同组的监测传感器模块6之间的垂直距离，在设备安装调试完成后，需要测得初始状态下同组监测传感器模块6之间的垂直距离和吃水深度，在使用过程中，通过转角传感器5可以检测转动部7的转动角度值，结合初始状态下同组监测传感器模块6之间的垂直距离值和吃水深度，可以计算得出在该转动角度下同组监测传感器模块6之间的垂直距离，从而可以确定同组的两个监测传感器模块6的吃水深度，由于监测传感器模块6安装于主体部8的不同位置，同组监测传感器模块6之间存在初始的高度差和初始的吃水深度，当获取转动部7的转角信息后，由于监测传感器模块6跟随主体部8转动了同样的角度，故可以很容易的求取转动部7在某一转角位置时两个监测传感器模块6的吃水深度，即可获取监测传感器模块6在该吃水深度位置处的水流流速值，需要说明的是：当参考浮体1和移动浮体2浸入水流中后，监测传感器模块6也浸入水流中，由于安装位置的不同，同组的监测检测器模块6之间存在高度差，同时在水平方向上存在距离差，当监测传感器模块6浸入水流中后，虽然同组的两个监测传感器模块6之间存在水平方向上的距离差，但监测传感器模块6均是朝向水流，且参考浮体1和移动浮体2均是漂浮在水流中，故不会对水流流速产生影响，因此可以忽略同组监测传感器模块6在水平方向上的距离差。
实施例2
如图1-4所示，一种水文地质勘测用水流流速监测装置及方法，包括参考浮体1、移动浮体2和辅助机构，辅助机构包括等高且对称布置在明渠或河道两侧堤岸的墩座31，墩座31内侧端面的相同位置固定连接有锚杆32，锚杆32端部连接有水平布置的悬索33，参考浮体1和移动浮体2均安装在悬索33的外侧，参考浮体1和移动浮体2具有相同的结构，且参考浮体1和移动浮体2在上部和下部的相同位置处均安装有通信模块4、转角传感器5和两组呈上下分布的监测传感器模块6，参考浮体1和移动浮体2通过通信模块4进行无线电测距。
参考浮体1和移动浮体2均由转动部7、主体部8、配重部9和尾部10构成，主体部8为空心结构，尾部10与配重部9之间转动连接，且尾部10为鱼尾状设置，通信模块4和转角传感器5均安装在转动部7的内部，监测传感器模块6分别安装在主体部8的下端和配重部9的下端。
参考浮体1安装在悬索33的中间位置处，且参考浮体1的转动部7通过轴承与悬索33转动连接。
移动浮体2的转动部7内部安装有直线轴承11，直线轴承11内部连接有滑轨12，滑轨12内部与悬索33固定连接，且滑轨12对称分布在参考浮体1的两侧。
主体部8的截面为圆弧状设置，且主体部8整体为板状或圆柱状。
通过采用上述技术方案：参考浮体1与移动浮体2均采用多段式设计，主体部8采用圆弧状空心设计，且整个设备通过主体部8悬浮在流水中，当塑料袋或者树枝等杂物随流水到达主体部8处时，可以沿着主体部8下端的圆弧面流走，可以防止塑料袋、树枝等杂物缠绕在主体部8外侧，排除外界的干扰因素，便于监测传感器模块6的安装，当主体部8受到水流冲击时，主体部8在轴承和直线轴承11的作用下围绕转动部7的中心进行转动，而固定在主体部8和配重部9的监测传感器模块6跟随转动，使两组监测传感器模块6始终保持在同一垂线上，满足测量需要，同时设置可围绕配重部9摆动的尾部10，在水流的冲击下，尾部10左右摆动，可以缓解浮体在水平方向上的晃动，维持主体部8的稳定性，降低浮体的震动幅度，提高监测结果的精确度。
实施例3
如图1-4所示，一种水文地质勘测用水流流速监测装置及方法，包括参考浮体1、移动浮体2和辅助机构，辅助机构包括等高且对称布置在明渠或河道两侧堤岸的墩座31，墩座31内侧端面的相同位置固定连接有锚杆32，锚杆32端部连接有水平布置的悬索33，参考浮体1和移动浮体2均安装在悬索33的外侧，参考浮体1和移动浮体2具有相同的结构，且参考浮体1和移动浮体2在上部和下部的相同位置处均安装有通信模块4、转角传感器5和两组呈上下分布的监测传感器模块6，参考浮体1和移动浮体2通过通信模块4进行无线电测距。
参考浮体1和移动浮体2均由转动部7、主体部8、配重部9和尾部10构成，主体部8为空心结构，尾部10与配重部9之间转动连接，且尾部10为鱼尾状设置，通信模块4和转角传感器5均安装在转动部7的内部，监测传感器模块6分别安装在主体部8的下端和配重部9的下端。
参考浮体1安装在悬索33的中间位置处，且参考浮体1的转动部7通过轴承与悬索33转动连接。
移动浮体2的转动部7内部安装有直线轴承11，直线轴承11内部连接有滑轨12，滑轨12内部与悬索33固定连接，且滑轨12对称分布在参考浮体1的两侧。
主体部8的截面为圆弧状设置，且主体部8整体为板状或圆柱状。
通过采用上述技术方案：参考浮体1与移动浮体2之间通过通信模块4采用基于时 间差的无线电测距方法进行测距，测距原理为：在某一固定的时刻，移动浮体2的通信模块4 在时刻t向参考浮体1的通信模块4发送一个无线电定位信号，当参考浮体1的通信模块4接 收到测距信号后，立刻向移动浮体2发送反馈信号，移动浮体2记录接收到反馈信号的时刻 t1，假设参考浮体1接收到信号后的响应时间为t2，则可根据公式
Figure 311993DEST_PATH_IMAGE001
（其中：s 为参考浮体1与移动浮体2之间的距离；c为无线电波的传播速度）计算出移动浮体2与参考 浮体1之间的距离，由于参考浮体1安装在悬索33的中间位置，故参考浮体1的位置是确定 的，从而可以确定该移动浮体2的位置信息，进而可以获取水流对于河道中漂浮物的推动作 用的原始数据，结合安装在移动浮体2的上的两组监测传感器模块6所测得的流速值，为研 究河道横断面不同位置的处流速与水流冲击的关系和预测河流的河床演化、河道中溶质的 输移情况等提供了理论数据基础。
实施例4
如图1-4所示，一种水文地质勘测用水流流速监测装置及方法，包括参考浮体1、移动浮体2和辅助机构，辅助机构包括等高且对称布置在明渠或河道两侧堤岸的墩座31，墩座31内侧端面的相同位置固定连接有锚杆32，锚杆32端部连接有水平布置的悬索33，参考浮体1和移动浮体2均安装在悬索33的外侧，参考浮体1和移动浮体2具有相同的结构，且参考浮体1和移动浮体2在上部和下部的相同位置处均安装有通信模块4、转角传感器5和两组呈上下分布的监测传感器模块6，参考浮体1和移动浮体2通过通信模块4进行无线电测距。
辅助机构还包括固定在墩座31上端的太阳能板34和位于右侧墩座31上端的基站35，基站35与通信模块4之间通过无线电无线通信。
通过采用上述技术方案：在河道两岸等高处建设对称的墩座31，并在墩座31一侧相同位置处打入锚杆32用于安装悬索33，在锚杆32一端连接有悬索33，使用卷扬机将悬索33拉直，使悬索33呈水平状态横向布置在河面上侧，在河道两岸的墩座31上端安装有太阳能板34和基站35，太阳能板34可以将太阳能进行转换，同时基站35内也可配有应急电源，只需定期进行更换或者充电即可，可以解决户外电气设备用电的问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种水文地质勘测用水流流速监测装置，包括参考浮体（1）、移动浮体（2）和辅助机构，其特征在于：所述的辅助机构包括等高且对称布置在明渠或河道两侧堤岸的墩座（31），所述墩座（31）内侧端面的相同位置固定连接有锚杆（32），所述锚杆（32）端部连接有水平布置的悬索（33），所述参考浮体（1）和移动浮体（2）均安装在悬索（33）的外侧，所述参考浮体（1）和移动浮体（2）具有相同的结构，且参考浮体（1）和移动浮体（2）在上部和下部的相同位置处均安装有通信模块（4）、转角传感器（5）和两组呈上下分布的监测传感器模块（6），所述参考浮体（1）和移动浮体（2）通过通信模块（4）进行无线电测距；水流流速监测装置的使用步骤如下：
步骤一，将参考浮体（1）和移动浮体（2）浸入水流中，并向配重部（9）中添加配重物，使两组监测传感器模块（6）均位于水位线以下，两组监测传感器模块（6）分别检测同一垂线上不同深度水深的流速，并通过通信模块（4）以无线电方式将所测水流速度信号值发送至基站（35）处，基站（35）将测量数据通过3G/4G信号方式发送至工作人员处，工作人员通过获得的同一垂线上不同深度水深的流速值数据，依据现有的流速计算模型计算出垂线平均流速，实现实时在线测流的功能；
步骤二，参考浮体（1）与移动浮体（2）之间通过通信模块（4）采用基于时间差的无线电测距方法进行测距，计算出参考浮体（1）与移动浮体（2）之间的距离，并确定移动浮体（2）的具体位置，获取水流对于河道中漂浮物的推动作用的原始数据，结合安装在移动浮体（2）的上的两组监测传感器模块（6）所测得的流速值，获取河道横断面不同位置的流速与水流侧向冲击之间关系的原始数据，为研究河道横断面不同位置的处流速与水流冲击的关系和预测河流的河床演化、河道中溶质的输移情况提供了理论数据基础。
2.根据权利要求1所述的一种水文地质勘测用水流流速监测装置，其特征在于：所述参考浮体（1）和移动浮体（2）均由转动部（7）、主体部（8）、配重部（9）和尾部（10）构成，所述主体部（8）为空心结构，所述尾部（10）与配重部（9）之间转动连接，且尾部（10）为鱼尾状设置，所述通信模块（4）和转角传感器（5）均安装在转动部（7）的内部，所述监测传感器模块（6）分别安装在主体部（8）的下端和配重部（9）的下端。
3.根据权利要求1所述的一种水文地质勘测用水流流速监测装置，其特征在于：所述参考浮体（1）安装在悬索（33）的中间位置处，且参考浮体（1）的转动部（7）通过轴承与悬索（33）转动连接。
4.根据权利要求1所述的一种水文地质勘测用水流流速监测装置，其特征在于：所述移动浮体（2）的转动部（7）内部安装有直线轴承（11），所述直线轴承（11）内部连接有滑轨（12），所述滑轨（12）内部与悬索（33）固定连接，且滑轨（12）对称分布在参考浮体（1）的两侧。
5.根据权利要求1所述的一种水文地质勘测用水流流速监测装置，其特征在于：所述的辅助机构还包括固定在墩座（31）上端的太阳能板（34）和位于右侧墩座（31）上端的基站（35），所述基站（35）与通信模块（4）之间通过无线电无线通信。
6.根据权利要求2所述的一种水文地质勘测用水流流速监测装置，其特征在于：所述主体部（8）的截面为圆弧状设置，且主体部（8）整体为板状或圆柱状。
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