CN117990061A - 一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋工程地质技术领域，提供了一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置及其监测方法。包括锚、自然电位电极阵列、连接段、总控装置以及上浮系统；所述锚、自然电位电极阵列以及上浮装置由下而上依次连接，锚将装置固定在海床，总控装置配置无线传输模块，自然电位电极阵列获取各位置实时自然电位值判定海底沙波高度进而获取海底沙波迁移情况，最后通过总控装置下达命令使控制开关打开，通过水下声学及卫星通讯完成设备回收。通过本发明的技术方案，与其他海底沙波监测装置相比，克服了后者监测时间短且不连续的缺陷，可对海底沙波运移实时监测并结合已有模型精准预测,能够实时监测并精准预测海底沙波迁移。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程地质技术领域，具体而言，特别涉及一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置及其监测方法。
背景技术
海底沙波是海床面的砂质沉积物为适应水流剪切而使海床面发生的规则变化，海底沙波普遍存在且严重危害海底工程。海底沙波在波浪、潮流以及内波的作用下会发生迁移，海底沙波的迁移可能会对海底工程设施造成巨大危害。因此，实时监测并精准预测判断海底沙波迁移情况对海洋工程建设具有十分重要的意义。
海底沙波模型模拟以及预测的准确性都需要实测的现场数据来证实。现有海底沙波迁移的主要观测手段有多波束测深、水下摄影以及沙波坡面自动测量仪等，相较于其他测量方法多波束测深重复测量是最直观反应海底沙波迁移的方法，但其测量时间短且不连续故不能完全准确判定迁移的实际距离，难以对海底沙波的迁移进行实时监测，直接在海底沙波面进行监测装置会因沙波迁移而被埋葬。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置及其监测方法。通过锚将装置固定在海底，自然电位电极阵列获得数据并实时传输，实现海底沙波迁移实时监测。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置，包括自下至上依次连接的锚、自然电位电极阵列、连接段以及上浮系统，其中，自然电位电极阵列包括支持杆，支持杆为空心有机玻璃材质外部采用橡胶套包裹，支持杆的外壁左右两侧上等距设置有若干个方形Ag/AgCl固态电极，且各方形Ag/AgCl固态电极相互不连接，所述上浮装置包括中心浮球以及以中心浮球为中心在其周围等距离排列的四个外围浮球，中心浮球内部放置总控装置，中心浮球的顶部安装有通讯天线以及吊点，所述总控装置包括采集舱、放置在采集舱内部自然电位采集仪和数据存储传输设备以及通讯控制系统，自然电位采集仪的输入端通过水密电缆连接方形Ag/AgCl固态电极，自然电位采集仪的输出端通过线路连接数据存储传输设备以及通讯控制系统；所述连接段包括橡胶气管和水密电缆，水密电缆连接方形Ag/AgCl固态电极和自然电位采集仪。
作为优选方案，锚的材质为铁，并在其外涂一层1mm防腐涂料。
进一步地，锚包括锚体，锚体顶部为尖头设计，锚体两侧固定安装有两个固定锚爪。
作为优选方案，方形Ag/AgCl固态电极沿支持杆垂直等间距排列。
作为优选方案，锚与自然电位电极阵列连接处通过可收缩连接环连接，并通过控制开关控制。
作为优选方案，中心浮球内部还放置水声通讯装置。
一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置的监测方法，具体包括以下步骤：
S1、在船甲板上对监测装置进行组装，设置自然电位采集仪数据采集参数，设置结束，装置开始布放；
S2、采用无揽布放方式，该监测装置的吊点连接脱钩器，脱钩器连接船载地质缆的吊环，待装置完全入水后，静置待自然电位采集仪传输回的数据值稳定，以最上端的两个方形Ag/AgCl固态电极为参比电极记录各方形Ag/AgCl固态电极相对参比电极对应的电势差由下至上依次为W1-0、W2-0…Wn-0以及Z1-0、Z2-0....Zn-0(n∈1，2，3…)；
S3、通过人为拉动脱钩器释放监测装置，此时监测装置以完全自由落体的方式触底，通过锚固定在海床，留在海底工作；
S4、完成固定后，以不同介质电位差不同为基础，从下至上依次采集自然电位阵列每个测量点的自然电位值；
S5、基于自然电位值W1、W2…Wn以及Z1、Z2....Zn(n∈1，2，3…)实时判别沙波高度Ht；
S6、根据获得不同时刻沙波高度Ht，获取沙波高度发生变化的时间m，进而根据m获取一定时间内沙波的迁移距离Xi；
S7、检查数据采集过程是否正常，若数据采集正常，船可离开工作站点，装置进行现场原位监测；
S8、通过数据存储传输设备以及通讯控制系统将原始采集数据实时发送至平台，进行分析预测沙波迁移情况；
S9、监测结束后进行回收，通过中心浮球内的总控装置下达命令给锚与自然电位阵列处的控制开关使开关打开进而可收缩连接环收缩，自然电位阵列与锚断开连接，上浮系统带着自然电位阵列上浮，锚留在海底，上浮系统自然上浮至出水，根据卫星获取浮球位置。
S10、船到达浮球定位位置，将装置吊点与科考船相连，将监测装置拉至甲板，完成整个工作过程。
作为优选方案，步骤S2中各方形Ag/AgCl固态电极在海水中相对于参比电极电势差获得的方法为：
其中，Wn-0为自然电位电极阵列左侧方形Ag/AgCl固态电极相对于参比电极电势差值，Vn1-0为自然电位电极阵列左侧方形Ag/AgCl固态电极电位值，Vj1为自然电位电极阵列左侧顶部参比电极电位值，f为自然电位采集仪放大倍数，Zn-0为自然电位电极阵列右侧方形Ag/AgCl固态电极相对于参比电极电势差值，Vn2-0为自然电位电极阵列右侧方形Ag/AgCl固态电极电位值，Vj2为自然电位电极阵列右侧顶部参比电极电位值。
作为优选方案，步骤S5具体包括以下步骤：根据测量Wn、Zn自然电位值判断沙波高度Ht
其中，Wn、Zn为监测装置工作状态下任意测量位置电势差，Vn1、Vn2为监测装置工作状态下任意测量电极电位值；
根据获得Wn、Zn判定突变值Wy1，Zy2
，/>
确定y1,y2值，进一步可获得
其中，Ht1为自然电位阵列左端海底沙波高度，Ht2为自然电位阵列右端海底沙波高度，y1，y2为沉积物和海水交接位置，d为垂直方向上每两个电极间距。
进一步地，步骤S6中，海底沙波在一定时间内迁移距离Xi采用如下方法获得：
式中，m为一定时间，X为确定自然电位电极阵列最左端到最右端距离，P为高度从Ht1变为Ht2所用时间。
本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：
1.本发明采用的是一种锚固型装置可使监测装置稳定固定在测量位置不会因海底沙波的迁移导致设备被埋藏。
2. 本发明与其他海底沙波监测装置相比，克服了后者监测时间短且不连续的缺陷，可对海底沙波运移实时监测并结合已有模型精准预测。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明锚固型原位监测装置结构示意图；
图2是本发明锚固型原位监测装置主视图；
图3是本发明锚固型原位监测全过程示意图，其中（a）为装置开始布放的示意图，（b）为装置入水后的过程，（c）为装置贯入到海床沉积物中原位观测工作状态，（d）为装置通过声通信号回收示意图；
图4是本发明锚固型原位监测装置实时监测海底沙波迁移流程示意图；
图5是室内试验测试固定自然电位电极阵列改变沉积物高度试验结果图，
其中，图1中附图标记与部件之间的对应关系为：
1、吊点，2、通讯天线，3、中心浮球，4、连接段，5、方形Ag/AgCl电极，6、支持杆，7、锚，8、锚体，9、锚爪，10、控制开关，11、可收缩连接环，12、通讯控制系统，13、自然电位采集仪，14、采集舱。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面结合图1至图5对本发明的实施例的锚固型海底沙波迁移原位监测装置及其监测方法进行具体说明。
如图1、图2所示，本发明提出了一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置，包括自下至上依次连接的锚7、自然电位电极阵列、连接段4以及上浮系统，锚7的材质为铁，并在其外涂一层1mm防腐涂料。锚7包括锚体8，锚体8顶部为尖头设计，锚体顶部为尖头设计可更好插入海床，锚体8两侧固定安装有两个固定锚爪9，锚为防腐蚀材料以及两个锚爪可长期固定在海床。自然电位电极阵列包括支持杆6，支持杆6为空心有机玻璃材质外部采用橡胶套包裹，可垂直于海床并能长期在海水及沉积物中。支持杆6的外壁左右两侧上等距设置有若干个方形Ag/AgCl固态电极5，且各方形Ag/AgCl固态电极5相互不连接，方形Ag/AgCl固态电极5沿支持杆6垂直等间距排列。上浮装置包括中心浮球3以及以中心浮球3为中心在其周围等距离排列的四个外围浮球15，中心浮球3内部放置总控装置，中心浮球3的顶部安装有通讯天线2以及吊点1，中心浮球3内部还放置水声通讯装置并通过通讯天线及吊点可完成设备布放回收以及实时数据收集。总控装置包括采集舱14、放置在采集舱14内部自然电位采集仪13和数据存储传输设备以及通讯控制系统12，自然电位采集仪13的输入端通过水密电缆连接方形Ag/AgCl固态电极5，自然电位采集仪13的输出端通过线路连接数据存储传输设备以及通讯控制系统12；所述连接段4包括橡胶气管和水密电缆，水密电缆连接方形Ag/AgCl固态电极5和自然电位采集仪13，采集舱内的自然电位采集仪13工作采集仪以及备用采集仪自带数据处理及存储功能，自然电位数据采集仪分为自容式即根据监测需求设置采集频率及时间和实时传输式即远程下达指令。锚7与自然电位电极阵列连接处通过可收缩连接环11连接，并通过控制开关10控制。
一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置的监测方法，其特征在于,具体包括以下步骤：
结合图3和图4对发明监测方法进行具体说明：
S1、实验室人员在船甲板上对监测装置进行组装，设置自然电位采集仪13数据采集参数，设置结束，装置开始布放；
S2、采用无揽布放方式，该监测装置的吊点1连接脱钩器，脱钩器连接船载地质缆的吊环，待装置完全入水后，静置待自然电位采集仪13传输回的数据值稳定，以最上端的两个方形Ag/AgCl固态电极5为参比电极记录各方形Ag/AgCl固态电极5相对参比电极对应的电势差由下至上依次为W1-0、W2-0…Wn-0以及Z1-0、Z2-0....Zn-0(n∈1，2，3…)；
各方形Ag/AgCl固态电极5在海水中相对于参比电极电势差获得的方法为：
其中，Wn-0为自然电位电极阵列左侧方形Ag/AgCl固态电极5相对于参比电极电势差值，Vn1-0为自然电位电极阵列左侧方形Ag/AgCl固态电极5电位值，Vj1为自然电位电极阵列左侧顶部参比电极电位值，f为自然电位采集仪放大倍数（根据实际测试情况进行设置：1，8，20），Zn-0为自然电位电极阵列右侧方形Ag/AgCl固态电极5相对于参比电极电势差值，Vn2-0为自然电位电极阵列右侧方形Ag/AgCl固态电极5电位值，Vj2为自然电位电极阵列右侧顶部参比电极电位值。
S3、通过人为拉动脱钩器释放监测装置，此时监测装置以完全自由落体的方式触底，通过锚7固定在海床，留在海底工作；
S4、完成固定后，以不同介质电位差不同为基础，从下至上依次采集自然电位阵列每个测量点的自然电位值；
S5、基于自然电位值W1、W2…Wn以及Z1、Z2....Zn(n∈1，2，3…)实时判别沙波高度Ht(t为北京时间)；根据测量Wn、Zn自然电位值判断沙波高度Ht(t为北京时间,相对于自然电位最底端电极高度)
其中，Wn、Zn为监测装置工作状态下任意测量位置电势差，Vn1、Vn2为监测装置工作状态下任意测量电极电位值；
根据获得Wn、Zn判定突变值Wy1，Zy2
，/>
确定y1,y2值，进一步可获得
其中，Ht1为自然电位阵列左端海底沙波高度，Ht2为自然电位阵列右端海底沙波高度，y1，y2为沉积物和海水交接位置，d为垂直方向上每两个电极间距。
S6、根据获得不同时刻沙波高度Ht，获取沙波高度发生变化的时间m，进而根据m获取一定时间内沙波的迁移距离Xi；海底沙波在一定时间内迁移距离Xi采用如下方法获得：
式中，m为一定时间，X为确定自然电位电极阵列最左端到最右端距离，P为高度从Ht1变为Ht2所用时间（假设沙波运移方向为自然电位电极阵列左端到右端）。
S7、实验室人员检查数据采集过程是否正常，若数据采集正常，科考船可离开工作站点，装置进行现场原位监测；
S8、通过数据存储传输设备以及通讯控制系统12将原始采集数据实时发送至平台，进行分析预测沙波迁移情况；
S9、监测结束后进行回收，通过中心浮球3内的总控装置下达命令给锚7与自然电位阵列处的控制开关10使开关打开进而可收缩连接环11收缩，自然电位阵列与锚7断开连接，上浮系统带着自然电位阵列上浮，锚7留在海底，上浮系统自然上浮至出水，根据卫星获取浮球位置。
S10、科考船到达浮球定位位置，将装置吊点1与科考船相连，实验室人员将监测装置拉至甲板，完成整个工作过程。
在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置，包括自下至上依次连接的锚（7）、自然电位电极阵列、连接段（4）以及上浮系统，其特征在于，所述自然电位电极阵列包括支持杆（6），支持杆（6）为空心有机玻璃材质外部采用橡胶套包裹，支持杆（6）的外壁左右两侧上等距设置有若干个方形Ag/AgCl固态电极（5），且各方形Ag/AgCl固态电极（5）相互不连接，所述上浮系统包括中心浮球（3）以及以中心浮球（3）为中心在其周围等距离排列的四个外围浮球（15），中心浮球（3）内部放置总控装置，中心浮球（3）的顶部安装有通讯天线（2）以及吊点（1），所述总控装置包括采集舱（14）、放置在采集舱（14）内部自然电位采集仪（13）和数据存储传输设备以及通讯控制系统（12），自然电位采集仪（13）的输入端通过水密电缆连接方形Ag/AgCl固态电极（5），自然电位采集仪（13）的输出端通过线路连接数据存储传输设备以及通讯控制系统（12）；所述连接段（4）包括橡胶气管和水密电缆，水密电缆连接方形Ag/AgCl固态电极（5）和自然电位采集仪（13）。
2.根据权利要求1所述的一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置，其特征在于，所述锚（7）的材质为铁，并在其外涂一层1mm防腐涂料。
3.根据权利要求2所述的一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置，其特征在于， 所述锚（7）包括锚体（8），锚体（8）顶部为尖头设计，锚体（8）两侧固定安装有两个固定锚爪（9）。
4.根据权利要求1所述的一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置，其特征在于， 所述方形Ag/AgCl固态电极（5）沿支持杆（6）垂直等间距排列。
5.根据权利要求1所述的一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置，其特征在于， 所述锚（7）与自然电位电极阵列连接处通过可收缩连接环（11）连接，并通过控制开关（10）控制。
6.根据权利要求1所述的一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置，其特征在于， 所述中心浮球（3）内部还放置水声通讯装置。
7.如权利要求1所述的一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置的监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、在船甲板上对监测装置进行组装，设置自然电位采集仪（13）数据采集参数，设置结束，装置开始布放；
S2、采用无揽布放方式，该监测装置的吊点（1）连接脱钩器，脱钩器连接船载地质缆的吊环，待装置完全入水后，静置待自然电位采集仪（13）传输回的数据值稳定，以最上端的两个方形Ag/AgCl固态电极（5）为参比电极记录各方形Ag/AgCl固态电极（5）相对参比电极对应的电势差由下至上依次为W1-0、W2-0…Wn-0以及Z1-0、Z2-0...Zn-0(n∈1，2，3…)；
S3、通过人为拉动脱钩器释放监测装置，此时监测装置以完全自由落体的方式触底，通过锚（7）固定在海床，留在海底工作；
S4、完成固定后，以不同介质电位差不同为基础，从下至上依次采集自然电位阵列每个测量点的自然电位值；
S5、基于自然电位值W1、W2…Wn以及Z1、Z2....Zn(n∈1，2，3…)实时判别沙波高度Ht；
S6、根据获得不同时刻沙波高度Ht，获取沙波高度发生变化的时间m，进而根据m获取时间内沙波的迁移距离Xi；
S7、检查数据采集过程是否正常，若数据采集正常，船可离开工作站点，装置进行现场原位监测；
S8、通过数据存储传输设备以及通讯控制系统（12）将原始采集数据实时发送至平台，进行分析预测沙波迁移情况；
S9、监测结束后进行回收，通过中心浮球（3）内的总控装置下达命令给锚（7）与自然电位阵列处的控制开关（10）使开关打开进而可收缩连接环（11）收缩，自然电位阵列与锚（7）断开连接，上浮系统带着自然电位阵列上浮，锚（7）留在海底，上浮系统自然上浮至出水，根据卫星获取浮球位置；
S10、船到达浮球定位位置，将装置吊点（1）与科考船相连，将监测装置拉至甲板，完成整个工作过程。
8.根据权利要求7所述的一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置的监测方法，其特征在于，所述步骤S2中各方形Ag/AgCl固态电极（5）在海水中相对于参比电极电势差获得的方法为：
，
其中，Wn-0为自然电位电极阵列左侧方形Ag/AgCl固态电极（5）相对于参比电极电势差值，Vn1-0为自然电位电极阵列左侧方形Ag/AgCl固态电极（5）电位值，Vj1为自然电位电极阵列左侧顶部参比电极电位值，f为自然电位采集仪放大倍数，Zn-0为自然电位电极阵列右侧方形Ag/AgCl固态电极（5）相对于参比电极电势差值，Vn2-0为自然电位电极阵列右侧方形Ag/AgCl固态电极（5）电位值，Vj2为自然电位电极阵列右侧顶部参比电极电位值。
9.根据权利要求7所述的一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置的监测方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：根据测量Wn、Zn自然电位值判断沙波高度Ht
，
其中，Wn、Zn为监测装置工作状态下任意测量位置电势差，Vn1、Vn2为监测装置工作状态下任意测量电极电位值；
根据获得Wn、Zn判定突变值Wy1，Zy2
，/>，
确定y1，y2值，进一步可获得
，
其中，Ht1为自然电位阵列左端海底沙波高度，Ht2为自然电位阵列右端海底沙波高度，y1，y2为沉积物和海水交接位置，d为垂直方向上每两个电极间距。
10.根据权利要求7所述的一种锚固型海底沙波迁移原位监测装置的监测方法，其特征在于，所述步骤S6中，海底沙波在时间内迁移距离Xi采用如下方法获得：
，
式中，m为一定时间，X为确定自然电位电极阵列最左端到最右端距离，P为高度从Ht1变为Ht2所用时间。
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