潮灘近底邊界層水沙觀測方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種潮灘近底邊界層水沙觀測方法，包括如下步驟：根據(jù)研究灘面的水動力條件、地質(zhì)條件確定相關(guān)參數(shù)；根據(jù)確定的相關(guān)參數(shù)，在所述研究地點處安裝觀測支架；在觀測支架完成安裝之后，安裝觀測儀器，并采集數(shù)據(jù)；采集數(shù)據(jù)完成之后，回收所述觀測儀器和所述觀測支架，并處理所采集的數(shù)據(jù)。本發(fā)明還提供一種潮灘近底邊界層水沙觀測系統(tǒng)。本發(fā)明提供的灘面近底邊界層水沙觀測方法及系統(tǒng)具有測量精度高且近底層分辨率高的優(yōu)點。
【專利說明】潮灘近底邊界層水沙觀測方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水沙觀測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種潮灘近底邊界層水沙觀測方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]海底邊界層是水流結(jié)構(gòu)明顯受到海底影響的水層，是水動力和細(xì)顆粒泥沙交換最為頻繁的部分，對水體的垂向混合、動能耗散方面有著特殊的意義，對于地貌演變具有至關(guān)重要的作用。邊界層厚度通常與水流周期成正比，對于常見的半日潮水域，潮灘上整個水層可視為底邊界層，在落潮后期甚至還會出現(xiàn)灘面水深遠(yuǎn)小于邊界層厚度的“極淺水”情況，邊界層流速分布與深水條件時差異很大，并在所有動力作用中占主導(dǎo)地位。近底邊界層內(nèi)水沙結(jié)構(gòu)，對于潮灘系統(tǒng)地貌塑造起著至關(guān)重要的作用，是地貌動力學(xué)研究中不可或缺的部分。
[0003]自上世紀(jì)中期開始，就有國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注近底邊界層，并初步展開了現(xiàn)場觀測。一般的聲學(xué)多普勒流速儀由于存在上下側(cè)盲區(qū)且垂向分層較粗，無法獲取近底、具有垂向高分辨率的流速數(shù)據(jù)；而用于實驗室的流速儀比較脆弱，一般不適于高含沙量、大流速的現(xiàn)場環(huán)境，且存在供電、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}。因此，由于觀測設(shè)備等的限制，近底邊界層流速剖面(尤其是近底IOcm以內(nèi))的獲取一直是現(xiàn)場觀測中的難點，在一定程度上阻礙了潮灘地貌動力學(xué)的發(fā)展。
[0004]本發(fā)明中設(shè)計的觀測系統(tǒng)，引進國外先進的流速、潮位、波浪、濁度監(jiān)測裝置，采用信號無線傳輸方式，實現(xiàn)近底邊界層流速、含沙量剖面的全自動、高精度、高分辨率觀測；對潮位和波浪數(shù)據(jù)實現(xiàn)自記。觀測系統(tǒng)采用組裝式支架結(jié)構(gòu)，可根據(jù)潮灘最大水深選配桿件，在潮灘低潮出露時段進行快速安裝，攜帶方便，智能化程度高，可應(yīng)用于潮灘近底邊界層的水動力泥沙現(xiàn)場觀測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于構(gòu)建一種可以實現(xiàn)潮灘近底邊界層水沙結(jié)構(gòu)全自動、高精度、高分辨率的觀測方法。
[0006]一方面，本發(fā)明提供一種灘面近底邊界層水沙觀測方法，包括如下步驟:根據(jù)研究灘面的水動力條件、地質(zhì)條件確定相關(guān)參數(shù)；根據(jù)確定的相關(guān)參數(shù)，在研究地點處安裝觀測支架，包括:安裝主桿，其包括:所述主桿由下部組件、中部組件和上部組件依次組接而成，先將主桿的下部組件設(shè)置于研究灘面的土體中，然后依次安裝主桿中部和上部組件，并且在各組件套接口處插入螺絲并擰緊，安裝橫桿，其包括:在所述主桿上設(shè)計高度處安裝全自動搖臂式橫桿，并將所述橫桿套接在所述主桿上，然后通過卡槽將所述橫桿卡接到所述主桿上的全螺紋桿芯處，安裝錨固裝置，其包括:以所述主桿為中心，在所述主桿周圍三個方向上，距離所述主桿預(yù)定距離處，將錨固鋼管向外側(cè)與研究灘面呈45°打入土體，并通過錨固鋼索兩端分別連接所述主桿和所述錨固鋼管上配置的扣環(huán)，調(diào)節(jié)所述錨固鋼索的長度并拉緊，安裝側(cè)桿，其包括:在所述主桿側(cè)邊相隔預(yù)定距離處，將兩根側(cè)桿設(shè)置于研究灘面的土體中約Im深度，采用尼龍繩將所述側(cè)桿與所述主桿連接并拉緊，其中:所述主桿和所述兩根側(cè)桿組成的平面垂直于水流主向；在觀測支架完成安裝之后，安裝觀測儀器，并采集數(shù)據(jù)；采集數(shù)據(jù)完成之后，回收所述觀測儀器和所述觀測支架，并處理所采集的數(shù)據(jù)。
[0007]另一方面，本發(fā)明還提供一種灘面近底邊界層水沙觀測系統(tǒng)，包括:主桿、兩根側(cè)桿、橫桿、豎桿、托架、錨固鋼管、錨固鋼索、小威龍剖面流速儀、一臺多普勒剖面流速儀、兩臺波潮儀和五臺光學(xué)濁度儀，其中:所述主桿，其包括下部組件、中部組件和上部組件，所述下部組件直接插入土體，所述中部組件的下端連接所述下部組件的上端且接口處套接并用螺絲卡鎖固定，所述上部組件的下端連接所述中部組件的上端且接口處套接并用螺絲卡鎖固定；所述上部組件，其頂部設(shè)置微型電動機和搭載架，所述電動機與所述主桿內(nèi)部的全螺紋桿芯連接，數(shù)據(jù)采集傳輸裝置安置在所述搭載架上；所述中部組件，其上套接帶有尾部平衡裝置的全自動搖臂式橫桿，所述全自動搖臂式橫桿通過所述主桿上的卡槽與所述全螺紋桿芯卡接；所述橫桿，其端部設(shè)置調(diào)試軸承并且套接豎桿，所述橫桿的底部設(shè)置有超聲波測距傳感器；所述豎桿，其尾部搭載小威龍剖面流速儀；所述錨固鋼管，其以所述主桿I為中心，以45°傾斜角打入土體，所述錨固鋼管的頂部扣環(huán)部位留在灘面以上；所述錨固鋼索，其兩端分別連接所述錨固鋼管和所述主桿的中部組件、上部組件上配置的扣環(huán)；所述第一側(cè)桿、所述第二側(cè)桿和所述托架與所述主桿保持在同一垂直于漲落潮流主向的平面內(nèi)且彼此隔開安全距離；第一波潮儀和第二波潮儀分別安裝于主桿和第二側(cè)桿的底部；第一濁度觀測儀、第二濁度觀測儀、第三濁度觀測儀分別安裝于第一及第二側(cè)桿的不同設(shè)計高度位置處；多普勒剖面流速儀，其以發(fā)射端朝上方式設(shè)置在所述托架上。
[0008]本發(fā)明提供的一種灘面近底邊界層水沙觀測方法及系統(tǒng)，觀測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)場安裝方便:以往常用于現(xiàn)場觀測的三腳架系統(tǒng)，笨重難于搬運，現(xiàn)場施工需要配備大型施工工具，并且在潮流作用下容易側(cè)翻，穩(wěn)定性差；同時，大型三腳架系統(tǒng)會對其周圍的水體產(chǎn)生較大的擾動，不適用于近底精細(xì)流速結(jié)構(gòu)的測量；而本發(fā)明設(shè)計的觀測系統(tǒng)因地制宜，采用幾根特制鋼管進行現(xiàn)場組裝，采用鋼索進行全方位錨固，極大地降低了操作難度，減少了支架本身對水流的干擾，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。同時，在現(xiàn)場測量中引進國外先進多普勒流速測量儀器——小威龍剖面流速儀，克服了一般野外用聲學(xué)多普勒剖面流速儀的近底盲區(qū)限制，捕捉到了近底IOcm以內(nèi)3cm范圍剖面流速，垂向分辨率高達1_，采樣頻率高達IOOHz。
[0009]本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的灘面近底邊界層水沙觀測方法的流程示意圖；
[0011]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的觀測系統(tǒng)的主視圖；
[0012]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的觀測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集傳輸裝置的局部放大示意圖；
[0013]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的觀測系統(tǒng)中的橫桿裝置的局部放大示意圖；[0014]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的觀測系統(tǒng)中的主桿及錨固裝置的俯視圖；
[0015]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的觀測系統(tǒng)中的橫桿裝置的側(cè)視圖；
[0016]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的觀測期間波高過程的示意圖；
[0017]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的觀測期間水深過程的示意圖；
[0018]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的觀測期間水深-流速-含沙量過程的示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0020]本【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進一步理解的是，本發(fā)明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當(dāng)我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關(guān)聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。
[0021]本【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0022]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的灘面近底邊界層水沙觀測方法的流程示意圖。如圖1所示，本發(fā)明提供一種灘面近底邊界層水沙觀測方法，包括如下步驟:步驟S1:根據(jù)研究灘面的水動力條件、地質(zhì)條件確定相關(guān)參數(shù)；步驟S2:根據(jù)確定的相關(guān)參數(shù)，在研究地點處安裝觀測支架，包括:子步驟S21:安裝主桿，其包括:所述主桿由下部組件、中部組件和上部組件依次組接而成，先將主桿的下部組件設(shè)置于研究灘面的土體中，然后依次安裝主桿中部和上部組件，并且在各組件套接口處插入螺絲并擰緊，子步驟S22:安裝橫桿，其包括:在所述主桿上設(shè)計高度處安裝全自動搖臂式橫桿，并將所述橫桿套接在所述主桿上，然后通過卡槽將所述橫桿卡接到所述主桿上的全螺紋桿芯處，子步驟S23:安裝錨固裝置，其包括:以所述主桿為中心，在所述主桿周圍三個方向上，距離所述主桿預(yù)定距離處，將錨固鋼管向外側(cè)與研究灘面呈45°打入土體，并通過錨固鋼索兩端分別連接所述主桿和所述錨固鋼管上配置的扣環(huán)，調(diào)節(jié)所述錨固鋼索的長度并拉緊，子步驟S24:安裝側(cè)桿，其包括:在所述主桿側(cè)邊相隔預(yù)定距離處，將兩根側(cè)桿設(shè)置于研究灘面的土體中約Im深度，采用尼龍繩將所述側(cè)桿與所述主桿連接并拉緊，其中:所述主桿和所述兩根側(cè)桿組成的平面垂直于水流主向；步驟S3:在觀測支架完成安裝之后，安裝觀測儀器，并采集數(shù)據(jù)；步驟S4:采集數(shù)據(jù)完成之后，回收所述觀測儀器和所述觀測支架，并處理所采集的數(shù)據(jù)。
[0023]進一步地，所述根據(jù)研究地點的水動力條件、地質(zhì)條件確定相關(guān)參數(shù)可以包括:將主桿的下部組件設(shè)置于研究灘面的土體中的深度D1、主桿在灘面以上的高度D2，主桿總高度H，H=D1+D2, D2=hmax+S，其中:hmax為測量期間研究灘面的最高潮位，δ為安全超高并根據(jù)研究灘面波高參數(shù)以保證頂部的數(shù)據(jù)采集傳輸盒于測量期間能出露于水面以上來確定，小威龍剖面流速儀距灘面的距離S由研究目標(biāo)確定，所述小威龍剖面流速儀能測量的是距底面S-7cm至S-4cm之間并且分辨率為Imm的流速剖面范圍。
[0024]進一步地，所述安裝觀測儀器可以包括:流速觀測儀器的安裝，其中:將小威龍剖面流速儀安裝到所述橫桿上并用卡箍固定；水平方向旋轉(zhuǎn)所述橫桿，使所述橫桿和所述主桿組成的平面垂直于水流主方向；通過設(shè)定電腦程序自動控制所述橫桿的高度，使所述小威龍剖面流速儀到達設(shè)定高度并通過無線方式與電腦保持實時通訊；將聲學(xué)多普勒剖面流速儀換能器朝上，并埋設(shè)到潮灘里，與事先打入土體中的托架用螺絲固定，使換能器表面與灘面基本持平，用于觀測全水深流速剖面。
[0025]進一步地，所述安裝觀測儀器可以包括:分層含沙量觀測儀器的安裝，其中:根據(jù)所述研究灘面的最高潮位，采用近底加密、全水深監(jiān)測的方法將光學(xué)濁度儀按不同高度安裝到側(cè)桿上，用于獲取全潮周期分層同步含沙量信息；所述研究灘面的近底采用小體積光學(xué)濁度儀觀測含沙量，并采用無線傳輸方式與電腦通訊，數(shù)傳電臺與發(fā)射裝置同樣集成在數(shù)據(jù)采集傳輸裝置中；所述研究灘面的上層含沙量觀測采用自容式光學(xué)濁度儀。
[0026]進一步地，所述安裝觀測儀器可以包括:水深觀測儀器的安裝，其中:將波潮儀安裝在所述主桿和側(cè)桿的下端。
[0027]進一步地，所述安裝觀測儀器可以包括:數(shù)據(jù)采集傳輸裝置的安裝，其中:觀測數(shù)據(jù)采用無線通訊的方式，用電腦進行實時傳輸，數(shù)傳電臺與發(fā)射裝置集成在數(shù)據(jù)采集傳輸裝置中，所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置設(shè)置于所述主桿的上部組件處。
[0028]進一步地，所述數(shù)據(jù)采集可以包括:通過無線傳輸?shù)膬x器采用對應(yīng)的電腦軟件對小威龍剖面流速儀、聲學(xué)多普勒剖面流速儀、光學(xué)濁度儀進行實時數(shù)據(jù)采集；在安裝前設(shè)置自容式光學(xué)濁度儀的參數(shù)，等待測量完成之后連接電腦從所述自容式光學(xué)濁度儀下載數(shù)據(jù)。
[0029]進一步地，所述處理數(shù)據(jù)可以包括:全水深分層流速數(shù)據(jù)由所述小威龍剖面流速儀和所述聲學(xué)多普勒剖面流速儀導(dǎo)出；通過電腦軟件對所述小威龍剖面流速儀和所述聲學(xué)多普勒剖面流速儀采集的數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理并組合，以獲得近底分辨率1_、全水深分辨率IOcm的完整流速剖面數(shù)據(jù)；含沙量數(shù)據(jù)由所述光學(xué)濁度儀提供；水深數(shù)據(jù)由波潮儀提供。
[0030]進一步地，所述含沙量數(shù)據(jù)由光學(xué)濁度儀提供可以包括:采集現(xiàn)場水樣對所述光學(xué)濁度儀進行標(biāo)定；通過分析得到儀器讀數(shù)與含沙量的相關(guān)關(guān)系。
[0031]本發(fā)明提供的觀測系統(tǒng)包括:主桿、橫桿、側(cè)桿、自動升降裝置、錨固裝置、數(shù)據(jù)采集無線傳輸裝置，以及流速、潮位、波浪、濁度觀測儀器，其中:主桿是整套觀測系統(tǒng)的主要承重部分，其底端打入灘面一定深度，根據(jù)灘面最大水深選擇桿件總高度；主桿上通過橫桿布置小威龍剖面流速儀，近底處布置波潮儀；橫桿與主桿上的自動升降裝置相連，可以通過遠(yuǎn)程遙控使橫桿上下移動，調(diào)節(jié)小威龍剖面流速儀距地高度；側(cè)桿用于布置濁度儀及波潮儀；錨固裝置用于全方位固定主桿，使其在水流作用下保持穩(wěn)固；數(shù)據(jù)采集無線傳輸裝置設(shè)置在主桿頂端，用于儀器的供電、數(shù)據(jù)采集及無線傳輸。該系統(tǒng)特征在于:主桿為特制鋼管，分節(jié)組裝，接口處套接并用螺絲卡鎖固定。頂部的分節(jié)鋼管帶有搭載架，用于固定數(shù)據(jù)采集及無線傳輸裝置。全自動搖臂式橫桿帶有尾部平衡裝置，套裝在主桿上，可遠(yuǎn)程遙控360°轉(zhuǎn)動和上下移動；橫桿端部帶有調(diào)試軸承及螺旋扣，用于安裝固定豎桿，豎桿亦可人工調(diào)節(jié)方向及一定范圍的高度。自動升降裝置由微型電動機、全螺紋桿芯、超聲波測距傳感器組成。全螺紋桿芯內(nèi)置于主桿中心，主桿兩側(cè)開有槽口，全自動搖臂式橫桿套接在主桿上并通過卡槽卡接到全螺紋桿芯上；超聲波測距傳感器安裝于橫桿底部，用于感知橫桿距底距離并反饋給計算機，通過電腦程序控制安裝在主桿頂部的電動機，帶動全螺紋桿芯的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)橫桿的智能化自動升降；側(cè)桿為兩根特制鋼管，用于分層安裝含沙量測量儀器與波潮儀，桿件上有固定裝置，與儀器配套契合。錨固裝置由三根特制鋼管及配套鋼索組成，設(shè)置在主桿周圍三個方向上，彼此之間夾角為120°。鋼管向外側(cè)與灘面呈45°打入土體，每根鋼管頂部設(shè)有扣環(huán)，用于鋼索的安裝；鋼索兩頭分別連接主桿頂部與錨固鋼管頂部扣環(huán)，中間設(shè)有調(diào)節(jié)扣可調(diào)節(jié)鋼索長度，使鋼索保持在拉緊狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集傳輸裝置由無線傳輸模塊、用于供電的電源模塊、防水保護盒及防曬保溫板構(gòu)成。其中無線傳輸模塊與儀器適配，由無線數(shù)傳電臺與信號發(fā)射器組成。防水保護盒由兩個尺寸相同的無蓋鐵盒對接而成，接口處采用密封圈閉合，用以防水。
[0032]為詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、特點及功效，現(xiàn)結(jié)合以下實施例并配合附圖進一步描述。實施時間為2013年8月8日至8月10日，地點為江蘇沿海中部川東港南側(cè)潮灘，坐標(biāo)為33° 03' 6.60" N，120° 54' 36.30" E。本實施例基本按照上文的方法進行測量，由于此次測量關(guān)注的重點為近底IOcm以內(nèi)流速剖面，故僅采用了手動調(diào)整橫桿的方式。同時，由于船停在觀測點位不遠(yuǎn)處(約70m)且船上可提供穩(wěn)定交流電源，故采用交流電源提供儀器用電，小威龍采用有線連接方式與電腦相連。
[0033]本發(fā)明還提供一種灘面近底邊界層水沙觀測系統(tǒng)，包括:主桿、兩根側(cè)桿、橫桿、豎桿、托架、錨固鋼管、錨固鋼索、小威龍剖面流速儀、一臺多普勒剖面流速儀、兩臺波潮儀和五臺濁度觀測儀，其中:所述主桿，其包括下部組件、中部組件和上部組件，所述下部組件直接插入土體，所述中部組件的下端連接所述下部組件的上端且接口處套接并用螺絲卡鎖固定，所述上部組件的下端連接所述中部組件的上端且接口處套接并用螺絲卡鎖固定；所述上部組件，其頂部設(shè)置微型電動機和搭載架，所述電動機與所述主桿內(nèi)部的全螺紋桿芯連接，數(shù)據(jù)采集傳輸裝置安置在所述搭載架上；所述中部組件，其上套接帶有尾部平衡裝置的全自動搖臂式橫桿，所述全自動搖臂式橫桿通過所述主桿上的卡槽與所述全螺紋桿芯卡接；所述橫桿，其端部設(shè)置調(diào)試軸承并且套接豎桿，所述橫桿的底部設(shè)置有超聲波測距傳感器；所述豎桿，其尾部搭載小威龍流速剖面儀；所述錨固鋼管，其以所述主桿I為中心，以45°傾斜角打入土體，所述錨固鋼管的頂部扣環(huán)部位留在灘面以上；所述錨固鋼索，其兩端分別連接所述錨固鋼管和所述主桿的中部組件、上部組件上配置的扣環(huán)；所述第一側(cè)桿、所述第二側(cè)桿和所述托架與所述主桿保持在同一垂直于漲落潮流主向的平面內(nèi)且彼此隔開安全距離；第一波潮儀和第二波潮儀分別安裝于第一側(cè)桿的不同高度位置處；第一濁度觀測儀、第二濁度觀測儀、第三濁度觀測儀分別安裝于第二側(cè)桿的不同高度位置處；多普勒流速剖面儀，其以發(fā)射端朝上方式設(shè)置在所述托架上。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的觀測系統(tǒng)的主視圖。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的觀測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集傳輸裝置的局部放大示意圖。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的觀測系統(tǒng)中的橫桿裝置的局部放大示意圖。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的觀測系統(tǒng)中的主桿及錨固裝置的俯視圖。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的觀測系統(tǒng)中的橫桿裝置的側(cè)視圖。[0034]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的觀測系統(tǒng)的主視圖。如圖2所示，該觀測系統(tǒng)可以包括如下部件:主桿I及組成部件1-1、1-2、1_3(分別為主桿從下而上的三節(jié))、螺絲
2、扣環(huán)3、鋼索4、調(diào)節(jié)扣5、錨固鋼管6、橫桿7、尾部平衡桿8、加固套鎖9、固定螺絲10、全螺紋桿芯11、調(diào)試軸承12、儀器豎桿13、第一濁度觀測儀器(型號:小威龍二代)14、卡箍15、微型電動機16、調(diào)節(jié)螺旋扣17、第一側(cè)桿18、第二側(cè)桿19、第一光學(xué)濁度儀(型號:0BS5+)20、第二光學(xué)濁度儀(型號:0BS3A)21、第三光學(xué)濁度儀(3臺，型號:0BS3+) 22、波潮儀(型號:TWR2050) 23、潮位儀(型號:RBRduo) 24、第一濁度觀測儀器(型號:RiverRay ADCP) 25、ADCP配套托架26、搭載架27、數(shù)據(jù)采集傳輸裝置28、密封圈29、防曬保溫板30、數(shù)據(jù)采集盒入口端31、數(shù)據(jù)采集盒出口端32、電源模塊33、變壓器34、OBS無線數(shù)傳電臺35、ADCP無線數(shù)傳電臺36、無線發(fā)射端37、超聲波測距傳感器38。
[0035]根據(jù)一【具體實施方式】，如圖2-圖6所示，具體實施步驟及連接結(jié)構(gòu)如下:擬定主桿I長6m，其中:組成部件1-1、1-2、1-3分長分別為2.5m、2m、1.5m，兩根側(cè)桿18、19均長
3.5m，錨固裝置的桿件6長1.5m ;將主桿1_1部分打入土體2m深；將錨固鋼索4 一端與中心桿件1-3、1-2頂部的扣環(huán)3連接；橫桿7與卡鎖9按順序套入1-2 ;1_3與1_2套接并旋緊螺絲2 ;此時兩根桿件上的扣環(huán)3位置應(yīng)上下對齊；將組裝好的1-2和1-3整體套接到1-1上，安裝并旋緊螺絲2 ；3根錨固鋼管6以中心桿件I為中心，均距之3.5m遠(yuǎn)，彼此之間呈120°角并與中心桿件的扣環(huán)3方向?qū)?yīng)，45°傾斜打入土體，只留扣環(huán)部位3在灘面以上；將錨固鋼索4另一端與扣環(huán)3連接，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)扣5，使錨固鋼索4拉緊；調(diào)節(jié)1-2節(jié)桿上橫桿7的位置，到達設(shè)定高度(Im左右)以后旋緊螺絲10，同時將套鎖9緊貼橫桿下方，用螺絲鎖緊；如圖4和圖6所示，將豎桿13插入橫桿端部的調(diào)試軸承12，大致固定豎桿位置；將小威龍二代14用卡箍15固定在豎桿下部的鐵板上；調(diào)節(jié)豎桿13高度，使小威龍換能器到達設(shè)定高度(距灘面IOcm)，旋緊螺旋扣17 ;2根側(cè)桿18、19的安裝位置距離主桿分別為2m和3m，使三根桿件大致在一垂直于水流主向的平面內(nèi)。側(cè)桿打入土體Im深，與用尼龍繩中心桿件拉緊固定；0BS與波潮儀的安裝，0BS3+22安裝在側(cè)桿I上，探頭距離灘面的距離分別為10cm、30cm和60cm。0BS5+20、0BS3A21及波潮儀23安裝在側(cè)桿2上，探頭距離底部距離分別為2m、ImUOcm ;另有潮位儀24安裝在主桿底部，探頭距底同樣為IOcm ;所有儀器均用卡箍15固定；在三個桿件同一平面內(nèi)，距第二根側(cè)桿3m處挖淺坑,將RiverRay ADCP的托架26打入土體，將RiverRay ADCP用螺絲與托架固定在一起，使換能器高于灘面IOcm左右，旋緊連接螺絲；連接線路，小威龍二代、ADCP及0BS3+的數(shù)據(jù)線及電源線全部由防水保護盒28的入口端31接入，數(shù)據(jù)采集傳輸盒28內(nèi)集成交流電源33及ADCP、0BS3+的無線數(shù)傳電臺35、36 ;出口端32接出無線發(fā)射器37置于盒子外側(cè)；小威龍二代IOOm數(shù)據(jù)傳輸線與船上的電腦相連，同時接入由船上提供的220V電壓的電纜；進行觀測，采集數(shù)據(jù)，除自容式儀器在安裝前已經(jīng)設(shè)置好參數(shù)自動采集并記錄數(shù)據(jù)以外，在船上用電腦對小威龍二代、ADCP, 0BS3+下達采集指令，所有儀器開始工作；監(jiān)控數(shù)據(jù)，如有問題可以及時采取相應(yīng)措施；儀器支架的調(diào)整與回收，一個漲落潮周期后，再次露灘的時候進行儀器支架的調(diào)整與回收工作。如果需要繼續(xù)測量，則檢查儀器支架、拉索有沒有松動的情況，所有連接部位是否牢靠，及時修復(fù)；如果測量已經(jīng)完成，則進行支架的回收；基本上按照安裝的反序進行操作，先斷開連線，回收觀測儀器；然后松開錨固裝置，最后回收桿件；處理數(shù)據(jù)，在觀測點位附近采集水樣對OBS進行標(biāo)定。其它儀器則采用相應(yīng)軟件導(dǎo)出數(shù)據(jù)進行后處理。此次在粉沙淤泥質(zhì)潮灘上實施觀測，取得了 3個潮周期的水深-流速-含沙量-波高數(shù)據(jù)，尤其是近底3-6cm水層的Imm高分辨率流速剖面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量很高。
[0036]如圖2-圖6所示，本發(fā)明提供的灘面近底邊界層水沙觀測系統(tǒng)，可以包括:主桿
1、側(cè)桿18、19以及ADCP托架26 ;其中，主桿I由三部分組件構(gòu)成1_1、1_2、1-3，下部組件1-1直接插入土體，中部組件1-2下端連接下部組件1-1上端，上部組件1-3下端連接中部組件1-2上端，接口處套接并用螺絲卡鎖2固定。上部組件1-3頂部設(shè)置微型電動機16及搭載架27。電動機16與主桿內(nèi)部的全螺紋桿芯11連接，數(shù)據(jù)采集傳輸裝置28安置在搭載架27上。帶有尾部平衡裝置8的全自動搖臂式橫桿7套接在主桿中部組件1-2上，并通過主桿I上的卡槽與全螺紋桿芯11卡接。橫桿7端部設(shè)置調(diào)試軸承12，與豎桿13套接，豎桿13尾部搭載三維流速剖面儀Vectrino Prof ilerl4。橫桿7底部設(shè)置超聲波測距傳感器38。錨固鋼管6以主桿I為中心，45°傾斜打入土體，其頂部扣環(huán)部位3留在灘面以上，錨固鋼索4兩端分別連接錨固鋼管6和主桿中部組件1-2、上部組件1-3頂端的扣環(huán)3。第一側(cè)桿18、第二側(cè)桿19及ADCP托架26與主桿I保持在同一垂直于漲落潮流主向的平面內(nèi)，彼此隔開安全距離。波潮儀23、24、濁度觀測儀20、21、22分別安裝于第一側(cè)桿18、第二側(cè)桿19不同高度。托架26托載發(fā)射端朝上的多普勒流速剖面儀ADCP25。
[0037]圖7、圖8、圖9中展示了測量期間的水深、波高以及第二個潮周期的水深、近底6cm層流速、流向、含沙量過程數(shù)據(jù)。其中近底6cm層流速、流向為Imin平均后的數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)為25Hz的高頻觀測數(shù)據(jù)。流速數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出非常好的連貫性以及趨勢性，尤其是落潮后期流速稍有回升，對極淺水邊界層的探究有非同尋常的意義。同時，與流速數(shù)據(jù)相對應(yīng)的分層含沙量數(shù)據(jù)，可以用以解釋一些極淺水邊界層的動力地貌現(xiàn)象，這些都是前人未曾成功取得的寶貴的現(xiàn)場資料。
[0038]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明采用上述技術(shù)方案具有以下優(yōu)勢:
[0039]1、智能化程度高:所有儀器均采用無線傳輸或自容的方式，避免了現(xiàn)場遠(yuǎn)距離布線工作的不便；觀測者只需在附近的觀測船上對電腦終端進行相關(guān)操作，發(fā)送指令，即可控制儀器的工作，并進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，保證了數(shù)據(jù)的有效性；同時，由于小威龍二代可以觀測近底層灘面沖淤過程，為了跟蹤近底層流速結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)實現(xiàn)了橫桿高度調(diào)節(jié)的全自動化。
[0040]2、測量精度高，近底層分辨率高，同步性好:可獲取包含近底層高分辨率流速結(jié)構(gòu)的全水深流速剖面，即近底IOcm以內(nèi)可獲得3cm范圍流速剖面，垂向分辨率高達1_，采樣頻率高達IOOHz ;結(jié)合分層布設(shè)的OBS及波潮儀，可獲取全潮周期水位-波高-流速-含沙量同步數(shù)據(jù)。
[0041]3、觀測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)場安裝方便:以往常用于現(xiàn)場觀測的三腳架系統(tǒng)，笨重難于搬運，現(xiàn)場施工需要配備大型施工工具，并且在潮流作用下容易側(cè)翻，穩(wěn)定性差；同時，大型三腳架系統(tǒng)會對其周圍的水體產(chǎn)生較大的擾動，不適用于近底精細(xì)流速結(jié)構(gòu)的測量；而本發(fā)明設(shè)計的觀測系統(tǒng)因地制宜，采用幾根特制鋼管進行現(xiàn)場組裝，采用鋼索進行全方位錨固，極大地降低了操作難度，減少了支架本身對水流的干擾，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。
[0042]4、該觀測系統(tǒng)適應(yīng)性強:根據(jù)不同的需求，替換部分監(jiān)測裝置即可進行潮灘上多種水文要素的觀測，是潮灘水文觀測的智能化平臺。
[0043]5、同時，在現(xiàn)場測量中引進國外先進多普勒流速測量儀器——小威龍剖面流速儀，克服了一般野外用聲學(xué)多普勒剖面流速儀的近底盲區(qū)限制，捕捉到了近底IOcm以內(nèi)3cm范圍剖面流速，垂向分辨率高達1mm，采樣頻率高達IOOHz。
[0044]本【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明中已經(jīng)討論過的各種操作、方法、流程中的步驟、措施、方案可以被交替、更改、組合或刪除。進一步地，具有本發(fā)明中已經(jīng)討論過的各種操作、方法、流程中的其他步驟、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、組合或刪除。進一步地，現(xiàn)有技術(shù)中的具有與本發(fā)明中公開的各種操作、方法、流程中的步驟、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、組合或刪除。
[0045]以上所述僅是本發(fā)明的部分實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種灘面近底邊界層水沙觀測方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟S1:根據(jù)研究灘面的水動力條件、地質(zhì)條件確定相關(guān)參數(shù)； 步驟S2:根據(jù)確定的相關(guān)參數(shù)，在所述研究地點處安裝觀測支架，包括: 子步驟S21:安裝主桿，其包括:所述主桿由下部組件、中部組件和上部組件依次組接而成，先將主桿的下部組件設(shè)置于研究灘面的土體中，然后依次安裝主桿中部和上部組件，并且在各組件套接口處插入螺絲并擰緊， 子步驟S22:安裝橫桿，其包括:在所述主桿上設(shè)計高度處安裝全自動搖臂式橫桿，并將所述橫桿套接在所述主桿上，然后通過卡槽將所述橫桿卡接到所述主桿上的全螺紋桿芯處， 子步驟S23:安裝錨固裝置，其包括:以所述主桿為中心，在所述主桿周圍三個方向上，距離所述主桿預(yù)定距離處，將錨固鋼管向外側(cè)與研究灘面呈45°打入土體，并通過錨固鋼索兩端分別連接所述主桿和所述錨固鋼管上配置的扣環(huán)，調(diào)節(jié)所述錨固鋼索的長度并拉緊， 子步驟S24:安裝側(cè)桿，其包括:在所述主桿側(cè)邊相隔預(yù)定距離處，將兩根側(cè)桿設(shè)置于研究灘面的土體中約Im深度，采用尼龍繩將所述側(cè)桿與所述主桿連接并拉緊，其中:所述主桿和所述兩根側(cè)桿組成的平面垂直于水流主向； 步驟S3:在觀測支架完成安裝之后，安裝觀測儀器，并采集數(shù)據(jù)； 步驟S4:采集數(shù)據(jù)完成之后，回收所述觀測儀器和所述觀測支架，并處理所采集的數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潮灘近底邊界層水沙觀測方法，其特征在于，所述安裝觀測儀器，進一步包括:流速觀測儀器的安裝，其中: 將小威龍剖面流速儀安裝到所述橫桿上并用卡箍固定； 水平方向旋轉(zhuǎn)所述橫桿，使所述橫桿和所述主桿組成的平面垂直于水流主方向； 通過設(shè)定電腦程序自動控制所述橫桿的高度，使所述小威龍剖面流速儀到達設(shè)定高度并通過無線方式與電腦保持實時通訊； 將聲學(xué)多普勒剖面流速儀換能器朝上，并埋設(shè)到潮灘里，與事先打入土體中的托架用螺絲固定，使換能器表面與灘面基本持平，用于觀測全水深流速剖面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潮灘近底邊界層水沙觀測方法，其特征在于，所述安裝觀測儀器，進一步包括:分層含沙量觀測儀器的安裝，其中: 根據(jù)所述研究灘面的最高潮位，采用近底加密、全水深監(jiān)測的方法將光學(xué)濁度儀按不同高度安裝到側(cè)桿上，用于獲取全潮周期分層同步含沙量信息； 所述研究灘面的近底采用小體積光學(xué)濁度儀觀測含沙量，并采用無線傳輸方式與電腦通訊，數(shù)傳電臺與發(fā)射裝置同樣集成在數(shù)據(jù)采集傳輸裝置中； 所述研究灘面的上層含沙量觀測采用自容式光學(xué)濁度儀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潮灘近底邊界層水沙觀測方法，其特征在于，所述安裝觀測儀器，進一步包括:水深觀測儀器的安裝，其中: 將波潮儀安裝在所述主桿和側(cè)桿的下端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潮灘近底邊界層水沙觀測方法，其特征在于，所述安裝觀測儀器，進一步包括:數(shù)據(jù)采集傳輸裝置的安裝，其中:觀測數(shù)據(jù)采用無線通訊的方式，用電腦進行實時傳輸，數(shù)傳電臺與發(fā)射裝置集成在數(shù)據(jù)采集傳輸裝置中，所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置設(shè)置于所述主桿的上部組件處。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潮灘近底邊界層水沙觀測方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集，進一步包括: 通過無線傳輸?shù)膬x器采用對應(yīng)的電腦軟件對小威龍剖面流速儀、聲學(xué)多普勒剖面流速儀、光學(xué)濁度儀進行實時數(shù)據(jù)采集； 在安裝前設(shè)置自容式光學(xué)濁度儀的參數(shù)，等待測量完成之后連接電腦從所述自容式光學(xué)濁度儀下載數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潮灘近底邊界層水沙觀測方法，其特征在于，所述處理數(shù)據(jù)，進一步包括: 全水深分層流速數(shù)據(jù)由所述小威龍剖面流速儀和所述聲學(xué)多普勒剖面流速儀導(dǎo)出；通過電腦軟件將所述小威龍剖面流速儀和所述聲學(xué)多普勒剖面流速儀采集的數(shù)據(jù)進行合成，以組成近底分辨率1_、全水深分辨率IOcm的完整流速剖面數(shù)據(jù)； 含沙量數(shù)據(jù)由所述光學(xué)濁度儀提供； 水深數(shù)據(jù)由波潮儀提供。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的潮灘近底邊界層水沙觀測方法，其特征在于，所述含沙量數(shù)據(jù)由光 學(xué)濁度儀提供，進一步包括: 采集現(xiàn)場水樣對所述光學(xué)濁度儀進行標(biāo)定； 通過分析得到儀器讀數(shù)與含沙量的相關(guān)關(guān)系。
9.一種灘面近底邊界層水沙觀測系統(tǒng)，其特征在于，包括:主桿、兩根側(cè)桿、橫桿、豎桿、托架、錨固鋼管、錨固鋼索、兩臺聲學(xué)多普勒剖面流速儀、兩臺波潮儀和五臺濁度觀測儀，其中: 所述主桿，其包括下部組件、中部組件和上部組件，所述下部組件直接插入土體，所述中部組件的下端連接所述下部組件的上端且接口處套接并用螺絲卡鎖固定，所述上部組件的下端連接所述中部組件的上端且接口處套接并用螺絲卡鎖固定； 所述上部組件，其頂部設(shè)置微型電動機和搭載架，所述電動機與所述主桿內(nèi)部的全螺紋桿芯連接，數(shù)據(jù)采集傳輸裝置安置在所述搭載架上； 所述中部組件，其上套接帶有尾部平衡裝置的全自動搖臂式橫桿，所述全自動搖臂式橫桿通過所述主桿上的卡槽與所述全螺紋桿芯卡接； 所述橫桿，其端部設(shè)置調(diào)試軸承并且套接豎桿，所述橫桿的底部設(shè)置有超聲波測距傳感器； 所述豎桿，其尾部搭載小威龍剖面流速儀； 所述錨固鋼管，其以所述主桿I為中心，以45°傾斜角打入土體，所述錨固鋼管的頂部扣環(huán)部位留在灘面以上； 所述錨固鋼索，其兩端分別連接所述錨固鋼管和所述主桿的中部組件、上部組件上配置的扣環(huán)； 所述第一側(cè)桿、所述第二側(cè)桿和所述托架與所述主桿保持在同一垂直于漲落潮流主向的平面內(nèi)且彼此隔開安全距離； 第一波潮儀和第二波潮儀分別安裝于第一側(cè)桿的不同高度位置處；第一濁度觀測儀、第二濁度觀測儀、第三濁度觀測儀分別安裝于第二側(cè)桿的不同高度位置處； 多普勒剖面流 速儀，其以發(fā)射端朝上方式設(shè)置在所述托架上。
【文檔編號】G01C13/00GK103776430SQ201410029922
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】龔政, 張長寬, 張茜, 顧長才, 蔡輝, 靳闖 申請人:河海大學(xué)