[發明專利]潮灘近底邊界層水沙觀測方法及系統

有效

• 申請號: 201410029922.5
• 申請日: 2014-01-23
• 公開（公告）號: CN103776430A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 龔政;張長寬;張茜;顧長才;蔡輝;靳闖
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01C13/00
• 分類號: G01C13/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵;劉謙

技術領域

本發明涉及水沙觀測技術領域，尤其涉及一種潮灘近底邊界層水沙觀測方法及系統。

背景技術

海底邊界層是水流結構明顯受到海底影響的水層，是水動力和細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灘面水深遠小于邊界層厚度的“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地位。近底邊界層內水沙結構，對于潮灘系統地貌塑造起著至關重要的作用，是地貌動力學研究中不可或缺的部分。

自上世紀中期開始，就有國內外學者關注近底邊界層，并初步展開了現場觀測。一般的聲學多普勒流速儀由于存在上下側盲區且垂向分層較粗，無法獲取近底、具有垂向高分辨率的流速數據；而用于實驗室的流速儀比較脆弱，一般不適于高含沙量、大流速的現場環境，且存在供電、數據傳輸等問題。因此，由于觀測設備等的限制，近底邊界層流速剖面（尤其是近底10cm以內）的獲取一直是現場觀測中的難點，在一定程度上阻礙了潮灘地貌動力學的發展。

本發明中設計的觀測系統，引進國外先進的流速、潮位、波浪、濁度監測裝置，采用信號無線傳輸方式，實現近底邊界層流速、含沙量剖面的全自動、高精度、高分辨率觀測；對潮位和波浪數據實現自記。觀測系統采用組裝式支架結構，可根據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，可應用于潮灘近底邊界層的水動力泥沙現場觀測。

發明內容

本發明的目的在于構建一種可以實現潮灘近底邊界層水沙結構全自動、高精度、高分辨率的觀測方法。

一方面，本發明提供一種灘面近底邊界層水沙觀測方法，包括如下步驟：根據研究灘面的水動力條件、地質條件確定相關參數；根據確定的相關參數，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，距離所述主桿預定距離處，將錨固鋼管向外側與研究灘面呈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，調節所述錨固鋼索的長度并拉緊，安裝側桿，其包括：在所述主桿側邊相隔預定距離處，將兩根側桿設置于研究灘面的土體中約1m深度，采用尼龍繩將所述側桿與所述主桿連接并拉緊，其中：所述主桿和所述兩根側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，并采集數據；采集數據完成之后，回收所述觀測儀器和所述觀測支架，并處理所采集的數據。

另一方面，本發明還提供一種灘面近底邊界層水沙觀測系統，包括：主桿、兩根側桿、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，其頂部設置微型電動機和搭載架，所述電動機與所述主桿內部的全螺紋桿芯連接，數據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，其端部設置調試軸承并且套接豎桿，所述橫桿的底部設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1為中心，以45°傾斜角打入土體，所述錨固鋼管的頂部扣環部位留在灘面以上；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；所述第一側桿、所述第二側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桿的不同設計高度位置處；多普勒剖面流速儀，其以發射端朝上方式設置在所述托架上。