[發明專利]強涌潮傳播過程中潮頭復氧能力測試方法

有效

• 申請號: 201410245638.1
• 申請日: 2014-06-04
• 公開（公告）號: CN104007142A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發明（設計）人: 潘冬子;潘存鴻;曾劍;黃君寶
• 申請（專利權）人: 浙江省水利河口研究院
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00
• 代理公司: 北京尚德技研知識產權代理事務所(普通合伙) 11378
• 代理人: 陳曉平;嚴勇剛

技術領域

本發明涉及一種涌潮中的復氧能力測試方法，尤其是強涌潮傳播過程中測試潮頭摻氣濃度與復氧能力關系的現場測試方法，屬于工程監測領域。

背景技術

河流水體溶解氧的多少是衡量河流水質的重要指標之一。污水進入河流水體以后，由于有機污染物的氧化作用以及底泥的分解等會消耗溶解氧；同時空氣中的氧也會不斷溶入河流水體中以補充水中的溶解氧，后者稱之為復氧。已有的研究表明，強涌潮河段的水體復氧能力較同一河流的其他河段要強得多。錢塘江河口是世界著名的強潮河口，潮頭來臨時，瞬間聳起一道三四米高的水墻直立于江面，現場可以觀察到在潮頭漩滾區，有大量的氣泡產生；由于潮頭傳播速度快，小氣泡在短時間很難浮上水面，延長了小氣泡在水中的停留時間，大大提高水中溶解氧的效率。潮頭的復氧能力可以通過涌潮傳播過程中水體摻氣濃度的變化來體現。

到目前為止，水體摻氣濃度檢測常用方法主要有電導法、圖像技術、同位素法等。電導式摻氣儀通過檢測一對電極間水流的電阻來確定摻氣濃度，當采用水中一對電極時，測點定位于電極之間及附近區域，可以測量摻氣濃度場，但鄰近邊界處誤差大，當摻氣濃度大于50％時水體將逐漸不連續，并成水滴狀，電導式摻氣儀測量誤差大或不能測量；圖像技術采用激光片光源照射流場，攝取圖像，分析摻氣濃度、流速及氣泡尺寸，一般應用在流速不高，氣泡稀疏的場合；同位素法是依據γ射線穿透物質時被減弱的原理進行的，在模型清水試驗中時有采用，但當現場高速水流紊動劇烈，摻混大量泥沙，很難準確可靠獲得摻氣濃度。

強涌潮河段潮強流急，水動力情況極為復雜。涌潮水流速度一般為6～8m/s，曾測到最大值達到12m/s，涌潮壓力一般在20～30kPa，最大達70kPa，現有的摻氣濃度測試方法都或多或少存在一定局限，且測量設備多用于室內模型試驗，很難滿足現場強涌潮如此苛刻的條件，另外，在強涌潮摻氣濃度與復氧能力相關關系研究中，缺乏合理的同步測試方法。

本發明針對強涌潮的水動力特性、河床土質條件以及現有摻氣濃度與復氧能力關系測試方法的不足，設計出了一種強涌潮傳播過程中潮頭摻氣濃度與復氧能力之間關系的現場測試方法，用于涌潮河段水體復氧能力的分析和研究。

發明內容

本發明解決的技術問題就是提供能夠獲得強涌潮中摻氣濃度與復氧能力之間關系的現場測試方法。

所述的方法包括：摻氣濃度測試設備、基礎固定裝置、溶解氧測試裝置和測試步驟。

所述的摻氣濃度測試設備包括電源、感應部件、信號放大采集系統、無線傳輸系統、支撐鋼管、設備箱和岸邊測站。電源為感應部件、信號放大采集系統和無線傳輸系統供電，感應部件在潮流中有無氣泡經過時輸出不同電壓信號，電壓信號經過濾波放大后采集存儲，岸邊測站通過無線傳輸系統與采集系統進行信息交換。

所述的電源，采用體積小重量輕的鋰電池串并聯組成，根據測試設備耗電功率及一次測試時間等要求配置相應電池容量，可以采用12～36V直流供電方式，也可以采用逆變器提供220V交流電。

所述的感應部件，為細長的柱狀帶針尖結構，由三層材料組成，外層為不銹鋼壁面，中心為鉑絲，中間一層為絕緣材料，將外層不銹鋼與鉑絲隔離；由于強涌潮潮頭旋滾區紊動劇烈，摻氣氣泡尺寸較小，因此，為準確測出水中摻氣濃度，感應部件直徑不宜大于2mm，為保證自身的剛度，長度不宜超出50mm；將四個感應部件等間距布置在支撐鋼管一周，同步測量一周四點的摻氣濃度，針尖方向與鋼管壁面外法向一致，感應部件安裝位置與支撐鋼管頂部距離應大于涌潮高度的一半，安裝位置的鋼管壁面局部加強；不銹鋼壁面和鉑絲分別與電源的正負極相連，鉑絲與電源負極之間設置一個4k歐姆的測試電阻。

所述的感應部件的工作原理如下：

在涌潮到達測點之前，針尖處于空氣中，不銹鋼壁面與鉑絲開路，測試電阻兩端無電壓輸出；當涌潮經過，針尖置于水流中，不銹鋼壁面與鉑絲通路，測試電阻兩端輸出電壓；當涌潮水流中氣泡經過針尖，針尖被水中氣泡包裹，不銹鋼壁面與鉑絲開路，測試電阻兩端無電壓輸出，因此，通過輸出電壓信號的變化，可以分析涌潮水流中氣泡的含量。

對出現電壓值后的資料進行分析，取一段時長為T的測試電壓信號，若全段表現為穩定的電壓值，則測試高程的涌潮中沒有摻氣氣泡，若電壓信號中有n段零值，每段零值時長為t_i，則表明涌潮中存在氣泡，摻氣濃度C可按下式計算：