强涌潮传播过程中潮头复氧能力测试方法

摘要

一种强涌潮传播过程中潮头复氧能力现场测试方法，用于涌潮河段水体复氧能力分析。其特征在于：包括掺气浓度测试设备、基础固定装置、溶解氧测试装置和测试步骤。掺气浓度测试设备包括电源、感应部件、信号放大采集系统、无线传输系统、支撑钢管、设备箱及岸边测站，基础固定装置包括钢管桩和螺纹锥头，溶解氧测试装置包括在线型溶解氧测试仪、探头、球型盛水盒。利用水体与气泡经过感应部件有无电压输出原理，提供了一种能够在相同环境下同时测量掺气浓度和复氧能力的测试方法；装置采用单桩基础与支撑钢管套接方案，不仅可以灵活调节测点布置高程，而且安装方便牢固，能够适应强涌潮恶劣水流条件。

权利要求

1.强涌潮传播过程中潮头复氧能力测试方法，其特征在于：包括掺气浓度测试设备、基础固定装置、溶解氧测试装置和测试步骤；

所述的掺气浓度测试设备包括电源、感应部件、信号放大采集系统、无线传输系统、支撑钢管、设备箱和岸边测站，所述的基础固定装置包括钢管桩和螺纹锥头，所述的溶解氧测试装置包括在线型溶解氧测试仪、探头、球型盛水盒；电源向感应部件、信号放大采集系统和无线传输系统供电，感应部件在潮流中有无气泡经过时输出不同电压信号，电压信号经过滤波放大后采集存储，岸边测站通过无线传输技术与采集系统进行信息交换；

所述的电源，采用电池串并联组成，电池提供电压为直流12V；

所述的感应部件，为细长的柱状带针尖结构，由三层材料组成，外层为不锈钢壁面，中心为铂丝，中间一层为绝缘材料，将外层不锈钢与铂丝隔离；感应部件直径不大于2mm，长度不大于50mm；感应部件针尖方向与钢管壁面外法向一致，安装位置与支撑钢管顶部距离大于涌潮高度的一半；

所述的感应部件的工作原理如下：

在涌潮到达测点之前，针尖处于空气中，不锈钢壁面与铂丝开路，测试电阻两端无电压输出；当涌潮经过，针尖置于水流中，不锈钢壁面与铂丝通路，测试电阻两端输出电压；

当涌潮水流中气泡经过针尖，针尖被水中气泡包裹，不锈钢壁面与铂丝开路，测试电阻两端无电压输出；

对出现电压值后的资料进行分析，取一段时长为T的测试电压信号，若电压信号中有n段零值，每段零值时长为ti，掺气浓度C按下式计算：所述的无线传输系统，将测试信号无线传输到岸边测站，500m以内无线传输采用局域网WIFI方式，远距离传输采用3G方式。

2.根据权利要求1所述的强涌潮传播过程中潮头复氧能力测试方法，其特征在于：所述的支撑钢管，用于固定感应部件，支撑顶部设备箱，钢管内布置走线，钢管直径介于50～

100mm，钢管长度超出涌潮时的水面；

所述的设备箱，布置于支撑钢管的顶部，高出涌潮水面，并进行防水防潮处理；

所述的钢管桩内径略大于支撑钢管外径，钢管桩上部与支撑钢管套接固定，钢管桩底部采用螺纹锥头。

3.根据权利要求1所述的强涌潮传播过程中潮头复氧能力测试方法，其特征在于：所述的溶解氧测试装置，球型盛水盒固定在支撑钢管内部，支撑钢管在固定球型盛水盒的位置，迎潮侧和背潮侧各开5～6mm直径圆孔，孔与盛水盒连通，在支撑钢管浸入水中后盛水盒中浸满水但是并不会流入钢管内侧；溶解氧探头穿过盛水盒壁浸入盛水盒下半部水，溶解氧探头与盛水盒壁之间通过橡胶垫密封，溶解氧测试装置共计两组，一组安装在掺气浓度测试设备的感应部件下5cm处，另外一组安装在潮前水深一半处。

4.根据权利要求1所述的强涌潮传播过程中潮头复氧能力测试方法，其特征在于：所述的测试步骤为：

1)利用岸边测站发出指令将采集系统设置为栈存储模式；

2)设置栈存储时间向前延伸不短于1分钟，采集频率不小于10Hz，采样长度设置为人工停止，触发信号为采集系统获得的第一个不是0V的电压信号；

3)记录数据包括溶解氧值和掺气浓度。

说明书

强涌潮传播过程中潮头复氧能力测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种涌潮中的复氧能力测试方法，尤其是强涌潮传播过程中测试潮头掺气浓度与复氧能力关系的现场测试方法，属于工程监测领域。

背景技术

[0002] 河流水体溶解氧的多少是衡量河流水质的重要指标之一。污水进入河流水体以后，由于有机污染物的氧化作用以及底泥的分解等会消耗溶解氧；同时空气中的氧也会不断溶入河流水体中以补充水中的溶解氧，后者称之为复氧。已有的研究表明，强涌潮河段的水体复氧能力较同一河流的其他河段要强得多。钱塘江河口是世界著名的强潮河口，潮头来临时，瞬间耸起一道三四米高的水墙直立于江面，现场可以观察到在潮头漩滚区，有大量的气泡产生；由于潮头传播速度快，小气泡在短时间很难浮上水面，延长了小气泡在水中的停留时间，大大提高水中溶解氧的效率。潮头的复氧能力可以通过涌潮传播过程中水体掺气浓度的变化来体现。

[0003] 到目前为止，水体掺气浓度检测常用方法主要有电导法、图像技术、同位素法等。电导式掺气仪通过检测一对电极间水流的电阻来确定掺气浓度，当采用水中一对电极时，测点定位于电极之间及附近区域，可以测量掺气浓度场，但邻近边界处误差大，当掺气浓度大于50％时水体将逐渐不连续，并成水滴状，电导式掺气仪测量误差大或不能测量；图像技术采用激光片光源照射流场，摄取图像，分析掺气浓度、流速及气泡尺寸，一般应用在流速不高，气泡稀疏的场合；同位素法是依据γ射线穿透物质时被减弱的原理进行的，在模型清水试验中时有采用，但当现场高速水流紊动剧烈，掺混大量泥沙，很难准确可靠获得掺气浓度。

[0004] 强涌潮河段潮强流急，水动力情况极为复杂。涌潮水流速度一般为6～8m/s，曾测到最大值达到12m/s，涌潮压力一般在20～30kPa，最大达70kPa，现有的掺气浓度测试方法都或多或少存在一定局限，且测量设备多用于室内模型试验，很难满足现场强涌潮如此苛刻的条件，另外，在强涌潮掺气浓度与复氧能力相关关系研究中，缺乏合理的同步测试方法。

[0005] 本发明针对强涌潮的水动力特性、河床土质条件以及现有掺气浓度与复氧能力关系测试方法的不足，设计出了一种强涌潮传播过程中潮头掺气浓度与复氧能力之间关系的现场测试方法，用于涌潮河段水体复氧能力的分析和研究。

发明内容

[0006] 本发明解决的技术问题就是提供能够获得强涌潮中掺气浓度与复氧能力之间关系的现场测试方法。

[0007] 所述的方法包括：掺气浓度测试设备、基础固定装置、溶解氧测试装置和测试步骤。

[0008] 所述的掺气浓度测试设备包括电源、感应部件、信号放大采集系统、无线传输系统、支撑钢管、设备箱和岸边测站。电源为感应部件、信号放大采集系统和无线传输系统供电，感应部件在潮流中有无气泡经过时输出不同电压信号，电压信号经过滤波放大后采集存储，岸边测站通过无线传输系统与采集系统进行信息交换。

[0009] 所述的电源，采用体积小重量轻的锂电池串并联组成，根据测试设备耗电功率及一次测试时间等要求配置相应电池容量，可以采用12～36V直流供电方式，也可以采用逆变器提供220V交流电。

[0010] 所述的感应部件，为细长的柱状带针尖结构，由三层材料组成，外层为不锈钢壁面，中心为铂丝，中间一层为绝缘材料，将外层不锈钢与铂丝隔离；由于强涌潮潮头旋滚区紊动剧烈，掺气气泡尺寸较小，因此，为准确测出水中掺气浓度，感应部件直径不宜大于2mm，为保证自身的刚度，长度不宜超出50mm；将四个感应部件等间距布置在支撑钢管一周，同步测量一周四点的掺气浓度，针尖方向与钢管壁面外法向一致，感应部件安装位置与支撑钢管顶部距离应大于涌潮高度的一半，安装位置的钢管壁面局部加强；不锈钢壁面和铂丝分别与电源的正负极相连，铂丝与电源负极之间设置一个4k欧姆的测试电阻。

[0011] 所述的感应部件的工作原理如下：

[0012] 在涌潮到达测点之前，针尖处于空气中，不锈钢壁面与铂丝开路，测试电阻两端无电压输出；当涌潮经过，针尖置于水流中，不锈钢壁面与铂丝通路，测试电阻两端输出电压；当涌潮水流中气泡经过针尖，针尖被水中气泡包裹，不锈钢壁面与铂丝开路，测试电阻两端无电压输出，因此，通过输出电压信号的变化，可以分析涌潮水流中气泡的含量。

[0013] 对出现电压值后的资料进行分析，取一段时长为T的测试电压信号，若全段表现为稳定的电压值，则测试高程的涌潮中没有掺气气泡，若电压信号中有n段零值，每段零值时长为ti，则表明涌潮中存在气泡，掺气浓度C可按下式计算：

[0014]

[0015] 按上式对测试数据进行移动平均处理，可获得涌潮传播过程中测点掺气浓度的变化过程。

[0016] 所述的信号放大采集系统，是对敏感部件输出的电压信号进行滤波放大，并对信号进行采集存储，采集系统应包括四个通道。

[0017] 所述的无线传输系统，将测试信号无线传输到岸边测站，避免有线传输的走线困难、易被涌潮损毁等问题，500m以内短距离无线传输采用局域网WIFI方式，远距离传输采用互联网WCDMA等3G通讯手段。

[0018] 所述的支撑钢管，用于固定感应部件，支撑顶部设备箱，钢管内布置走线，为钢管较好发挥支撑作用并且尽量减小对涌潮流场的干扰，钢管直径应介于50～100mm，钢管长度应超出涌潮时的水面。

[0019] 所述的设备箱，用于布置电源、信号放大采集系统和无线传输系统，布置于支撑钢管的顶部，并高出涌潮水面，设备箱需要防水防潮处理。

[0020] 所述岸边测站，用于与河中测试装置进行信号交换，在需要进行测试时，发出采集指令，采集系统对电压信号进行采集，岸边测站接收采集信号，进行实时处理分析。

[0021] 所述的电源、信号放大采集系统和无线传输系统，均须良好接地。

[0022] 所述的基础固定装置，用于固定掺气浓度测试设备，钢管桩内径略大于支撑钢管的外径，钢管桩上部与支撑钢管套接固定，可根据现场涌潮情况灵活调节感应部件的测试高程，使之处于潮头强旋滚区；钢管桩底部采用螺纹锥头，方便钢管桩旋入河床持力层，维持整套装置的稳定。

[0023] 所述的溶解氧测试装置包括在线型溶解氧测试仪、探头、球型盛水盒，球型盛水盒固定在支撑钢管内部，支撑钢管在固定球型盛水盒的位置，迎潮侧和背潮侧各开5～6mm直径圆孔，孔与盛水盒连通，在支撑钢管浸入水中后盛水盒中浸满水但是并不会流入钢管内侧；溶解氧探头穿过盛水盒壁浸入盛水盒下半部水，溶解氧探头与盛水盒壁之间通过橡胶垫密封。发明人经多次试验发现，只有以上的安装方式才会使得测得的溶解氧值与水中的溶解氧值一致，若开孔过大则由于气泡过多地涌入盛水盒，造成溶解氧探头部分在气泡中测得值过大，若开孔过小则由于气泡不能进入盛水盒测得的溶解氧值过低。

[0024] 所述的溶解氧测试装置共计两组，一组安装在掺气浓度测试设备的感应部件下5cm处，另外一组安装在潮前水深一半处。

[0025] 所述的测试步骤为：1)利用岸边测站发出指令将采集系统设置为栈存储模式；

[0026] 2)设置栈存储时间向前延伸不短于1分钟，采集频率不小于10Hz，采样长度设置为人工停止，触发信号为采集系统获得的第一个不是0V的电压信号；通过多次试验结果发明人发现当时间向前延伸小于1分钟时，由于掺气仪感应部件安装位置影响的信号滞时问题，会出现漏掉潮头值的情况，因此测试步骤向前延伸不小于1分钟，采集频率若小于10Hz会出现掺气数据明显不连续问题，因此设定为不小于10Hz；

[0027] 3)记录数据包括溶解氧值和掺气浓度。

[0028] 本发明有如下有益效果：

[0029] (1)提供一种简便直观现场测试强涌潮潮头掺气浓度的方法；

[0030] (2)提供了一种强涌潮潮头复氧能力的测试方法；

[0031] (3)提供了一种能够在相同环境下同时测量掺气浓度和复氧能力的测试方法；

[0032] (4)装置采用单桩基础与支撑钢管套接方案，不仅可以灵活调节测点布置高程，而且安装方便牢固，能够适应强涌潮恶劣水流条件。

附图说明

[0033] 图1为本发明装置的整体布置示意图；

[0034] 图2为本发明装置的感应部件纵剖面示意图；

[0035] 图3为本发明装置的感应部件横剖面示意图；

[0036] 图4为本发明装置溶解氧测试装置剖面示意图；

[0037] 图5为本发明测试系统框图；

[0038] 图6为本发明测得的溶解氧和掺气浓度时间关系图。

[0039] 实施例一

[0040] 一种强涌潮传播过程中潮头掺气浓度现场测试方法，包括掺气浓度测试设备和基础固定装置。所述测试设备包括电源1、感应部件2、不锈钢壁面21、铂丝22、绝缘材料23、测试电阻24、信号放大采集系统3、无线传输系统4、支撑钢管5、设备箱6、线路7及岸边测站8；所述基础固定装置包括钢管桩9和螺纹锥头10。

[0041] 一条河道水深2m，涌潮高度1m，测试涌潮潮头复氧能力。

[0042] 电源1为感应部件2、信号放大采集系统3和无线传输系统4供电，三个测试部件功率之和在100w以内，采用锂电池串并联组成电压为24V、电流为30A、功率为720W的直流电源，电源可以连续供电7h以上，足够一次现场涌潮掺气浓度测试所需的电能。

[0043] 感应部件2为细长的柱状带针尖结构，由三层材料组成，外层为不锈钢壁面21，中心为铂丝22，中间一层为绝缘材料23，将外层不锈钢与铂丝隔离，不锈钢壁面外径为2mm，感应部件长度取50mm，将四个相同的感应部件等间距(夹角90°)布置在支撑钢管5一周，同步测量一周四点的掺气浓度，针尖方向与支撑钢管5壁面外法向一致，感应部件安装位置与支撑钢管顶部距离取1m，在传感部件安装位置，支撑钢管5壁面局部加强。不锈钢壁面21和铂丝22分别与电源1的正负极相连，铂丝22与电源1负极之间设置一个测试电阻24。

[0044] 信号放大采集系统3是对感应部件2输出的电压信号进行滤波放大，并对信号进行采集存储，采集系统3应包括四个通道。无线传输系统4将测试信号无线传输到岸边测站8，由于岸边距离河中测点较近(小于500m)，采用局域网WIFI方式进行信号传输交换。岸边测站8，通过无线传输系统4与采集系统3进行信息交换。

[0045] 支撑钢管5用于固定感应部件2，支撑顶部设备箱6，支撑钢管5内布置线路7，钢管5外径取80mm，壁厚5mm，取钢管长度3.5m。设备箱6位于支撑钢管5顶部，箱内布置电源1、信号放大采集系统3和无线传输系统4。

[0046] 基础固定装置采用内径82mm、壁厚5mm的钢管桩9，钢管桩9上部与支撑钢管5套接固定，调节测点距离河床2.5m，使之处于潮头强旋滚区；钢管桩9底部采用螺纹锥头10构造，方便钢管桩旋入河床持力层，维持整套装置的稳定。

[0047] 在涌潮到达测点之前，岸边测站8发出指令，采集系统3开始采集信号，此时感应部件2处于空气中，不锈钢壁面21与铂丝22开路，电压信号为0V，当涌潮到达，感应部件2处于水中，不锈钢壁面21与铂丝22通路，输出2V的电压值，当涌潮水流中气泡经过针尖，针尖被水中气泡包裹，不锈钢壁面21与铂丝22开路，电压信号为0V，以其中一个感应部件为例，在出现电压信号后，取一段1s长的资料，统计得出0V电压时长总和为0.45s，则该段平均掺气浓度为：C＝0.45/1×100％＝45％，作为该段中间时刻的掺气浓度，涌潮传播过程掺气浓度变化按移动平均以此类推。

[0048] 所述的溶解氧测试装置包括在线型溶解氧测试仪、探头a1、球型盛水盒a2，球型盛水盒固定在支撑钢管5内部，支撑钢管5在固定球型盛水盒a2的位置，迎潮侧和背潮侧各开5～6mm直径圆孔，孔与盛水盒连通，在支撑钢管浸入水中后盛水盒中浸满水但是并不会流入钢管内侧；溶解氧探头a1穿过盛水盒a2壁浸入盛水盒a2下半部水，溶解氧探头a1与盛水盒a2壁之间通过橡胶垫密封。发明人经多次试验发现，只有以上的安装方式才会使得测得的溶解氧值与水中的溶解氧值一致，若开孔过大则由于气泡过多地涌入盛水盒，造成溶解氧探头部分在气泡中测得值过大，若开孔过小则由于气泡不能进入盛水盒测得的溶解氧值过低。

[0049] 所述的溶解氧测试装置共计两组，一组安装在掺气浓度测试设备的感应部件下5cm处，另外一组安装在潮前水深1m处。

[0050] 实施例二

[0051] 利用实施例一中的装置，采用以下步骤：

[0052] 1)利用岸边测站发出指令将采集系统设置为栈存储模式；

[0053] 2)设置栈存储向前延伸1分钟，采集频率＝10Hz，采样长度设置为人工停止，触发信号为采集系统获得的第一个不是0V的电压信号；

[0054] 3)记录数据包括溶解氧值和掺气浓度。

[0055] 最终得到图6的溶解氧掺气浓度关系图。