CN114459732B - 一种滩涂水沙动力环境综合观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种滩涂水沙动力环境综合观测装置，包括：不锈钢透水结构框架、多普勒海流计、浊度仪和温深仪；不锈钢透水结构框架由4根不锈钢架、中间圆框架和底座圆框架焊接组成；其中，在不锈钢透水结构框架的顶部焊接圆环，所述圆环连接第一绳索，第一绳索连接多普勒海流计；第一C型环抱卡箍和第二C型环抱卡箍的一端分别焊接在不锈钢透水结构框架上，且位于中间圆框架和底座圆框架中间；第一C型环抱卡箍的另一端连接浊度仪，第二C型环抱卡箍的另一端连接温深仪。采用本发明的技术方案，实现无人值守的全天候海流、温度和浊度观测，基本实现无盲区滩涂海域数据获取，可在常规和极端海况条件下获取数据。

Description

一种滩涂水沙动力环境综合观测装置

技术领域

本发明属于环境观测技术领域，尤其涉及一种滩涂水沙动力环境综合观测装置。

背景技术

滩涂是沿海滩涂，由于潮汐的作用，滩涂有时被海水淹没，有时又露出海面。一般将沿海滩涂分为三部分：潮上带滩涂，指平均大潮高潮线以上的地带，该区域极少被海水淹没；潮间带滩涂，指平均大潮高潮线与平均低潮线之间，即潮间带之间的泥质、砂质和岩滩等沉积地带，该区域受涨落潮影响大，滩面被海水周期性的淹没或露出；潮下带滩涂，指平均低潮线以下的浅水区泥沙沉积地带，该区域极少露出滩面。

滩涂（或潮间带）水动力环境和泥沙等水文要素观测一直是海洋观测的难点，虽然与深远海底层水沙环境观测同属于边界层环境观测，但滩涂水沙动力环境复杂，尤其是潮差较大的海域，涨落潮导致滩涂边界层水沙动力环境多变。而且，滩涂海域是人类活动的密集区域，其水沙环境易受人类活动干扰，故滩涂海域或者一直是水沙动力环境观测的薄弱区域。然而，滩涂海域是人类开发利用海洋的主要活动区域，如港口码头、近岸养殖、滨海旅游、油气开发、城镇建设等大部分人类活动都集中在此区域。因此，滩涂区域的自然环境条件与人类活动密切相关，对滩涂水域的潮流运动和泥沙分布数据需求量增大，因此，滩涂区域的水沙动力环境观测需求日益增加。

常规的滩涂区域水沙动力环境调查常常采用有人值守船舶和无人船两种方式。

一、有人值守船舶观测。由于滩涂区域水深浅，落潮滩面会露出，高潮时水深会达到3m或者更浅（潮差较大的海域高潮时滩涂区域水深可能会更大），在观测滩涂区域水沙动力环境时一般搭载小型船舶，采用乘潮观测的方式：在高潮时观测，在落潮时观测船舶退至深水区，涨潮时再返回观测水域，如此反复直至完成观测（一般连续观测26小时，需要往返2次）。该种测量方法获取的数据量较小，观测数据还受限于船舶吃水深度，若采用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）观测时，海流计的换能器端吃水深度需要大于船舶龙骨吃水深度，设备的下放受限于采样人员人工操作和海况恶劣程度，不同人员和海况测量时，数据质量差异较大，采样质量难以保证。同时，由于水浅一般采用小型船舶，船舶马力较小，若滩涂海域面积较大，小型船舶的往返观测较为费时，若遇到大风浪避险能力较弱，人员安全保障能力差。

二、无人船观测。采用无人船观测不需要搭载人员，不存在人员安全问题，但存在以下风险。无人船观测时，需要母船在附近海域协助其定位，目前近岸无人船多不具备动力定位条件，一般由母船定位后采用锚固方式定位，由于无人船的船型较小，在涨潮和落潮时遇到海浪的冲击，容易发生船舶的倾覆，导致观测失败。此外，一般出于保护母船、无人船和观测设备安全的目的，在涨急和落急后需要退至水深相对深的区域，当退潮至母船吃水深度时，无人船需要和母船一同撤出观测海域。因此，无人船虽然可以解决观测人员安全的问题，但依旧存在观测数据量小的问题，且还存在无人船和观测设备安全风险问题。

其他观测装置（亚潮带区域近底泥沙及全水深流速流向观测装置，CN201420502749.1），该装置采用多普勒声学流速剖面仪（ADP）、多普勒点流速仪（ADV-Ocean）及光学后向散射浊度仪（OBS3+和OBS3A）和分层接沙杯综合观测近底层水域的潮流和泥沙，但由于ADP工作仍存在一定的工作盲区，分层接沙杯反复使用会对浊度数据获取产生较大的干扰，故并不能完全实现近底层潮流和泥沙的高精度观测。此外，该装置的搭载有高频ADP和ADV，两者同时工作，易产生同频采样干扰，不利于数据获取，且整套装置的制造成本较高，不利于广泛使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种滩涂水沙动力环境综合观测装置，获取数据的盲区很小，可获取流速、流向、温度和浊度等水文要素。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种滩涂水沙动力环境综合观测装置，包括：不锈钢透水结构框架、多普勒海流计、浊度仪和温深仪；不锈钢透水结构框架由4根不锈钢架、中间圆框架和底座圆框架焊接组成；

其中，在不锈钢透水结构框架的顶部焊接圆环，所述圆环连接第一绳索，第一绳索连接多普勒海流计；第一C型环抱卡箍和第二C型环抱卡箍的一端分别焊接在不锈钢透水结构框架上，且位于中间圆框架和底座圆框架中间；第一C型环抱卡箍的另一端连接浊度仪，第二C型环抱卡箍的另一端连接温深仪。

作为优选，所述中间圆框架上均匀焊接有4个不锈钢勾环，用于连接4根拉簧。

作为优选，拉簧连接不锈钢圆环外侧的勾环。

作为优选，所述圆环还用于连接第二绳索，第二绳索连接于浮体。

作为优选，闪光器捆绑在浮体上。

作为优选，通过第三C型环抱卡箍固定在多普勒海流计换能器上部，钢丝绳的两端通过锁扣分别固定在第三C型环抱卡箍两侧的螺丝上。

作为优选，还包括：弓型卸扣和第三绳索，弓型卸扣穿过钢丝绳，第三绳索的一端连接弓型卸扣，第三绳索的另一端连接配重铅块。

作为优选，底座圆框架上均匀焊接有4个不锈钢穿孔环，用于连接第四绳索，第四绳索连接铁锚。

作为优选，浮体采用新泡沫材质。

本发明具有以有益效果：

本发明装置采用无人值守方式，搭载的观测设备有声学多普勒海流计（Aquadopp–Current Meter，ACM，即小阔龙海流计，为单点无盲区海流计）、浊度仪（OBS）和温深仪（CTD），可观测滩涂海域近底层的流速、流向、浊度、温度和相对水深，由于采用无盲区海流计，其数据获取基本无盲区存在。海流数据的获取在距海底20cm以上，搭载的声学多普勒海流计无工作盲区，确保了边界层海流数据的获取可靠性，并同步获取悬沙数据，并可进行高度调节，可观测距海底20cm-50cm任意高度的流速、流向、浊度温度、深度数据。

本发明装置可高效、连续获取滩涂海域近底层的水文泥沙数据，均采用自容式设备，数据采集量大，实现无人值守的全天候观测，可在常规和极端海况条件下获取数据。

本发明装置底座宽大，依托锚链固定于滩涂上，重心稳定，采用不锈钢透水结构框架，可有效抵御海浪或海流的冲击，保障了装置安全性。

本发明装置不受低潮时露出滩面的影响（海流计和温深仪的压力探头感受不到水压时自动停止记录），无需在低潮时撤出观测装置，故与常规调查方法相比，数据获取量要多，减少人工干预工作量。

海流计位于装置的中心位置，外有框架保护，海流计得到了有效的保护，浊度计和温深仪位于不锈钢架内侧，也得到了有效保护。

本装置所获取的流速、流向、浊度和温度数据贴近于海床边界层，可为潮滩边界层水沙动力环境研究提供重要的数据支撑。

附图说明

图1为本发明滩涂水沙动力环境综合观测装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1：

如图1所示，本发明提供一种滩涂水沙动力环境综合观测装置，包括：不锈钢透水结构框架，由4根不锈钢架10（316不锈钢）、中间圆框架11和底座圆框架12焊接组成，其中，不锈钢架10的长度为3.4米，中间圆框架11的直径为1.31米，底座圆框架12的直径为2.25米。

在不锈钢透水结构框架的顶部焊接圆环1，用于连接第二绳索2，第二绳索2一端连接圆环1，第二绳索2另一端连接于浮体3，浮体3采用新泡沫材质。闪光器4捆绑在浮体3上。

不锈钢透水结构框架的中间圆框架11上均匀焊接有4个不锈钢勾环5，用于连接4根拉簧6。拉簧6一端连接在不锈钢勾环5上，拉簧6另一端连接在不锈钢圆环7外侧的勾环上。

第一绳索8一端连接在圆环1上，第一绳索8另一端连接在多普勒海流计（Aquadopp–Current Meter，ACM，即小阔龙海流计）13的顶部孔位（多普勒海流计13顶部自带孔位，用于连接其他设备）。多普勒海流计13的近尾部使用第三C型环抱卡箍18紧固在其换能器上部。

第一C型环抱卡箍14的一端焊接在不锈钢透水结构框架上（位于中间圆框架11和底座圆框架12中间），第一C型环抱卡箍14另一端通过螺丝帽来确保浊度仪（OBS）15固定牢靠。第二C型环抱卡箍16的一端焊接在不锈钢透水结构框架上（位于中间圆框架11和底座圆框架12中间），第二C型环抱卡箍16另一端通过螺丝帽来确保温深仪（CTD）17固定牢靠。

钢丝绳19通过钢丝绳锁扣分别固定于第三C型环抱卡箍18的螺丝帽位置。弓型卸扣20穿过钢丝绳19。第三绳索21的一端连接弓型卸扣20上，第三绳索21另一端连接配重铅块22。

底座圆框架12均匀焊接有4个不锈钢穿孔环24，用于连接第四绳索23。第四绳索23一端连接在不锈钢穿孔环24，第四绳索23另一端连接在铁锚25上。

本装置需要在观测前完成搭载设备（多普勒海流计13、浊度计15、温深仪17）的安装。首先，将多普勒海流计13、浊度计15和温深仪17的工作模式设置为感压工作模式（海流计13、浊度计15和温深仪17的压力探头感受到水压后开始记录数据），建议多普勒海流计13的最小工作压力设置为10毫巴或者10厘米水深，以避免记录无效流速和流向数据。浊度计15和温深仪17已在本装置上预留有安装位置，均位于不锈钢架10内侧，两个设备的安装没有特定位置要求，两个预留安装位置可任选一个位置安装。浊度计15和温深仪17安装前，需要分别拧松第一C型环抱卡箍14和第二C型环抱卡箍16一侧螺丝帽，并分别置入浊度计15和温深仪17后，拧紧对应的第一C型环抱卡箍14和第二C型环抱卡箍16一侧螺丝帽直至浊度计15和温深仪17固定牢固。使用第一绳索8连接多普勒海流计13的顶部孔位（孔位为小阔龙海流计自带），将不锈钢圆环7穿过第一绳索8至多普列海流计13的顶部和尾翼之间的位置。第一绳索8另一端连接于圆环1上，调节第一绳索8的长度，以满足多普勒海流计13的换能器端与海底距离至少20cm。将4根拉簧6分别连接在不锈钢圆环7和中间圆框架11上4个不锈钢钩环5，当多普勒海流计13遇到一侧强流或海浪冲击后，来流方向一侧拉簧6会被压缩，迎流方向一侧拉簧6则会拉伸，当强流减弱时确保不锈钢圆环7和多普勒海流计13恢复垂直。在安装配重铅块23后，可确保多普勒海流计13在海流和波浪的作用下始终保持垂直工作状态，同时不锈钢圆环7与多普勒海流计13顶部之间存在一定的间隙，以便多普勒海流计13旋转方向，使海流计的尾翼保持于来流方向平行。第三C型环抱卡箍18固定在多普勒海流计13的换能器上部，钢丝绳19的两端通过锁扣分别固定在第三C型环抱卡箍18两侧的螺丝上。弓型卸扣20穿过钢丝绳19，第三绳索21一端连接在弓型卸扣20上，一端连接在配重铅块22，调节第三绳索21长度，确保第三绳索21处于自然紧绷的垂直状态，多普勒海流计13可保持垂直。第四绳索23一端连接在底座圆框架12上的穿孔环，一端连接在铁锚25上，重复完成其余3个铁锚25的连接。闪光器4捆绑在浮体3上，通过第一绳索8将浮体3与圆环1连接好。

本装置可通过人工搬运和船载投放两种方式放置在滩涂上。人工搬运投放方式：在低潮时，由观测人员采用人工搬运至预定的滩涂滩面上，将4条锚链分别向4个方向拉紧后，将4个铁锚25固定在海床上，以确保本装置可以抵御海浪和海流的冲击而不倾覆。船载投放方式：在高平潮时（该时刻流速最小），由船舶装载本装置至预定位置海域，保持本装置垂直状态缓慢投放至海床上，确保在水中的工作姿态底座向下，与人工投放相比，铁锚25无法逐一人工固定，故采用更长的第四绳索23，待架体置入海床上后，将铁锚25逐一抛放至海中。回收过程与投放过程类似。人工搬运回收方式：待完成预定观测任务后，在低潮时，由回收人员步行至装置投放位置，逐一拔出铁锚25后，即可将本装置人工搬运回陆地。船载投放回收方式：待完成预定观测任务后，在高平潮时，通过浮体3上的闪光器4或者GPS定位技术到达装置投放海域，通过拖拽与浮体3连接的第一绳索，可将本装置吊离海床（人工拖拽、船用起锚机或者船用吊杆操作都可）。

本发明装置投放后，当多普勒海流计13、浊度计15和温深仪17的压力探头达到预设工作水深后，即开始记录观测数据。位于海流计顶部的C型环保卡箍的直径略大于海流计海流计主体的直径，卡箍与海流计主体之间保留有0.5cm的间隙，以确保海流计的尾翼随着涨落潮流调整方向，从而保证获取海流数据的准确度。

温深仪17同步记录相对水深和水温数据，由于温深仪17的固定位置略高于多普勒海流计13，故当温深仪17连续记录水深数据时，表示本装置中间圆框架11以下水域基本淹没在海水中，通过温深仪17的数据，整理出满足观测要求的数据时间段，可挑选出对应的海流计观测数据。

本装置投放前，可将闪光器4启动工作，设置其工作模式为感光工作模式，即在自然光亮度减弱至一定程度时，闪光器4开始工作，发出警示工作灯。若采用人工搬运方式投放，待水深淹没本装置底座时，闪光器4在浮体3的作用下，即漂浮在海面上，夜间在海岸边的值班人员可通过闪光器4发出的工作灯，掌握本装置的大体位置信息。若采用船载投放方式，本装置入水后，闪光器4即跟随浮体漂浮在海表面，海岸边或者船上的值班人员可通过闪光器4发出的工作灯，掌握本发明装置的大体位置信息。若是在夜间回收本装置，闪光器4发出的工作灯，也可以指示出位置信息，引导观测人员到达装置所在位置。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种滩涂水沙动力环境综合观测装置，其特征在于，包括：不锈钢透水结构框架、多普勒海流计、浊度仪、温深仪、4根拉簧、不锈钢圆环、弓型卸扣、第三绳索、钢丝绳；不锈钢透水结构框架由4根不锈钢架、中间圆框架和底座圆框架焊接组成；

其中，在所述不锈钢透水结构框架的顶部焊接圆环，所述圆环连接第一绳索的一端，所述第一绳索的另一端连接多普勒海流计的顶部孔位，多普勒海流计的近尾部使用第三C型环抱卡箍紧固在其换能器上部，钢丝绳的两端通过锁扣分别固定在所述第三C型环抱卡箍两侧的螺丝上；第一C型环抱卡箍和第二C型环抱卡箍的一端分别焊接在所述不锈钢透水结构框架上，且位于所述中间圆框架和所述底座圆框架中间；所述第一C型环抱卡箍的另一端连接浊度仪，所述第二C型环抱卡箍的另一端连接温深仪；所述中间圆框架上均匀焊接有4个不锈钢勾环，所述拉簧一端连接在不锈钢勾环上，所述拉簧另一端连接在不锈钢圆环外侧的勾环上；所述弓型卸扣穿过所述钢丝绳，所述第三绳索的一端连接所述弓型卸扣，所述第三绳索的另一端连接配重铅块；

使用第一绳索连接多普勒海流计的顶部孔位，将不锈钢圆环穿过第一绳索至多普勒海流计的顶部和尾翼之间的位置；不锈钢圆环与多普勒海流计顶部之间存在的间隙，以便多普勒海流计旋转方向，使海流计的尾翼保持于来流方向平行。

2.如权利要求1所述的滩涂水沙动力环境综合观测装置，其特征在于，所述圆环还用于连接第二绳索，所述第二绳索连接于浮体。

3.如权利要求2所述的滩涂水沙动力环境综合观测装置，其特征在于，闪光器捆绑在所述浮体上。

4.如权利要求3所述的滩涂水沙动力环境综合观测装置，其特征在于，所述底座圆框架上均匀焊接有4个不锈钢穿孔环，用于连接第四绳索，所述第四绳索连接铁锚。

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