一种潮滩健康多参数剖面实时同步监测装置及方法

技术领域

本发明涉及物理海洋技术领域，具体涉及一种潮滩健康多参数剖面实时同步监测装置及方法。

背景技术

潮滩即河口海岸地带发育的潮汐作用下周期性淹没与出露的沉积区域。按其物理组分，潮滩可分为砂质潮滩、淤泥质潮滩等。潮滩面临多变的海陆相互作用影响，潮汐、径流、波浪、季风等过程相互耦合，动力过程复杂；同时潮滩作为沉积物-水-气共同影响的特殊地带，是各种物理、化学梯度跨度最大的地方。潮滩具有稳定海堤、缓冲风暴潮侵袭、提供生物栖息地等功能。近年来，潮滩的过度开发与利用削弱了海岸带防灾减灾能力，生态系统退化严重，其所造成的环境生态问题日益凸显。这归根结底是对潮滩的认识不够。获取与分析潮滩高精度温度、盐度、波浪、悬沙浓度等数据，有助于科学指导河口海岸工程设计、防灾减灾与开发管理，具有一定的理论意义与工程意义。

相比于物模实验与数值模拟，原位监测能够取得最为可靠真实的数据，但是受自然条件约束较大。我国淤泥质潮滩发育较为广泛，底质通常含水量高、松软易沉陷，依靠人力在潮滩进行监测较为困难。此外，海水的强腐蚀性、植被对仪器布放的干扰等也是必须重视的问题。CTD(Conductivity Temperature Depth)是目前物理海洋测量中精度最高、使用最多、性能最稳定的温盐深测量仪器。当CTD应用于潮滩测量时，单台CTD只能自动获取单点温盐深时间序列数据，这给后续数据分析带来了许多局限性；增加仪器数量又会带来成本的提高。在相关已公布或授权的专利中，已公开的技术方案大多关注于适合潮滩环境仪器支架的安装，未涉及潮滩特殊环境的潮滩内部、水体、水面的多层环境数据获取的功能，对于潮滩稳定观测与高精度垂向定位观测的装置设计比较少。

故针对现有技术的不足，发明一种低成本、相对便携、适用性广的潮滩、水体、水面环境参数综合监测装置，实现潮滩、水体、水面上下垂向多层多参数的稳定、高精度定位测量与监测，为潮滩动力机制研究提供可靠的支持。

发明内容

为实现长时间潮滩多层温度、盐度、水深、悬沙浓度数据的测量，本发明提供了一种潮滩健康多参数剖面实时同步监测装置及方法，该装置考虑了潮滩波浪作用强，底质含水量高、易沉陷以及海水腐蚀性强的特点，可以获取潮滩垂向指定高度的物理海洋参数数据。结构简单可拆卸，方便运输与维护。

本发明的技术方案如下：

本发明首先提供了一种潮滩健康多参数剖面实时同步监测装置，其包括数据采集装置与潮滩防陷装置；

所述数据采集装置，包括数据采集盒与GPS定位球，用于实时同步获取潮滩、水体、水面(空气)数据剖面：

所述数据采集盒包括外部防水结构与内部数据采集系统，所述内部数据采集系统包括供电模块、传感器模块、单片机、数据存储模块；所述供电模块为传感器模块、单片机与数据存储模块提供电源；所述传感器模块用于获取相应物理海洋参数信号；所述单片机定时地接收并处理传感器模块获取的信号，并记录在数据存储模块中；所述数据存储模块可以被单片机驱动，用于在TF卡中以文本形式记录传感器数字信号，数据存储模块中存储的数据可实时读取；数据采集盒预置开放接口，可接入多参数传感器。

GPS定位球包括塑料外壳、防水垫片、电池仓和定位终端；塑料外壳与防水垫片用于隔绝海水，所述定位终端，借助电池仓中的干电池供电，用于定时地向远程计算机发送当前数据和地理位置信息。

所述潮滩防陷装置包括：用于潮滩安装稳定的防陷圈、脚管、脚垫、以及用于安装数据采集盒和GPS定位球的中轴；其中GPS定位球设置在中轴的顶部。

作为本发明的优选实施方案，所述数据采集盒的传感器模块包括但不限于温度传感器、电导率传感器、压力传感器、光学传感器；

所述传感器用于获取海水、潮滩剖面以及海面及空气的数字信号，设备预留开放接口，可接入其他多参数传感器。例如，对于海水，可用电导率传感器获取海水电导率数字信号，电导率值用于计算盐度数据；用压力传感器获取海水压力数字信号，压力值用于计算水深数据，高频水深数据用于计算波浪参数；用光学传感器采集海水浊度数据，经率定计算水体悬沙浓度值，用光学传感器同时采集潮滩冲刷深度数据。又例如对于潮滩内部，可通过传感器获取固定点固定深度的温度；对于空气，可通过传感器获取温度、风速等数据。

作为本发明的优选实施方案，所述数据采集盒分布式排列在中轴位于防陷圈之上的上部区段和位于防陷圈之下的下部区段，其中上部区段的数据采集盒部分浸入水体，部分监测空气中的数据，下部区段的数据采集盒浸入潮滩内部，所述数据采集盒获取沉积物-水-气剖面特定深度范围内的多参数数据。

作为本发明的优选实施方案，所述分布于水柱区段中的数据采集盒，包括可选高度的固定高度采集盒与浮动高度采集盒；可选高度的固定高度采集盒依据监测所需分布式固定于中轴的设定高度上；浮动高度采集盒位于固定高度采集盒的上方，其浮于水面上，与中轴可滑动连接，可沿中轴随水位上下浮动；

所述分布于潮滩中的数据采集盒，全部为可选高度的固定高度采集盒，固定于中轴上面。

作为本发明的优选实施方案，所述中轴和脚管均为可伸缩多节设计，节间连接处均设有长度锁紧结构；通过长度锁紧结构可调节中轴和脚管的长度；

所述中轴每节标注刻度；

所述脚管有多个，脚管顶部与角度锁紧结构可拆卸相连，通过角度锁紧结构可调节各脚管之间、以及脚管与中轴之间的角度，以适应不同的潮差范围、监测需求以及潮滩附近动力结构；所述角度锁紧结构设置在防陷圈的内圈；所述防陷圈与中轴可拆卸连接。

作为本发明的优选实施方案，所述角度锁紧结构外部为长方体，长方体上部与防陷圈内环相接，长方体下部设有圆形孔，角度锁紧结构内部设有为不锈钢圆球，直径大于圆形孔直径，不锈钢圆球下部与脚管可拆卸连接；长方体上设有锁紧螺丝，锁紧螺丝松弛时，圆球可自由转动，脚管角度随之变化；锁紧螺丝锁紧时，脚管角度被锁死。

本发明还提供了一种潮滩健康多参数剖面实时同步监测方法，其利用所述的潮滩健康多参数剖面监测装置，进行潮滩环境健康监测，包括如下步骤：

步骤①：准备工作

结合潮滩的环境特征，组装监测装置，包括确定并锁定装置脚管的角度、长度与所在中轴的位置，设置数据采集盒布置的数量与高度，调整防陷圈大小、位置、面积以防沉陷；针对目标潮滩，进行现场海试，校验装置稳定性以及数据采集传感器数据准确性；

步骤②：启动装置

将装置的数据采集传感器全部启动，之后进行装置的防水密封；传感器模块采集的数据以文本形式储存于TF卡中，可实时读取；

步骤③：安装装置

将装置布放至目标潮滩，并实时读取数据确保安装准确；组装的装置脚管及以下部分插入潮滩中，固定装置位置并减少波、流对于装置的作用力；若装置沉陷较严重，可调整防陷圈位置、大小及面积；

步骤④：测量阶段

数据测量，包括数据采集盒与GPS定位球的数据获取；装置可无人值守地长时间工作于潮滩上自动获取沉积物-水-气剖面参数并储存数据信息；通过温度传感器读取水体温度剖面、潮滩温度剖面；通过压力传感器读取水位高度，通过计算转换为波浪高度数据；通过电导率传感器读取水体盐度剖面数据；通过浊度传感器读取水体浊度剖面，以及潮滩冲淤深度数据；

GPS定位球的定位终端定时地向远程计算机发送当前位置信息；

步骤⑤：监测维护

阶段性维护装置，进行电池更换、数据盒中的传感器维护、防陷装置维护；继续重复进行数据监测。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明的有益效果：

(1)结构简单，安装、运输方便。现今常用的仪器架多为大型不锈钢结构，远距离运输时常需借助大型交通工具。而本发明采用可拆装、可伸缩的模块化设计，各部分体积相对较小，运输方便，经济性更好。

(2)适用于潮滩复杂环境。潮滩受水体、大气与底床的多重影响，环境复杂。针对潮滩底质含水量高、易沉陷的特点，本发明采用脚管与防陷圈结构，尽可能减少装置下陷对于监测结果的影响。中轴、脚管、防陷圈由无磁不锈钢与碳纤维制成，数据采集系统、GPS定位终端均不直接暴露在海水中，不易受海水腐蚀。此外，大型仪器架会对周围的水沙动力产生较大的干扰。本发明主轴呈长杆状，减少了装置本身对水流的干扰。

(3)能够实时同步监测潮滩环境健康，获取垂向高分辨率水体环境、水面(空气)与潮滩内部剖面数据。按需在垂向任意高度处布置数据采集盒，即可获取垂向多点温度、盐度、波浪、悬沙浓度、潮滩冲刷深度时间序列数据，数据同步性好。

(4)实时定位，便于追踪与回收。若监测期间遭遇极端天气或人类活动影响，装置遗失，本发明配备的GPS定位球可用于实时定位，便于追踪与回收本装置。

附图说明

图1为本发明潮滩健康多参数剖面实时同步监测装置的实际工作状态结构示意图。

图2为本发明装置拆解结构示意图。

图3为角度锁紧结构示意图。

图4为数据采集盒示意图。

图5为GPS定位球示意图。

其中，防陷圈1、中轴2、脚管3、角度锁紧结构4、长度锁紧结构5、数据采集盒6、GPS定位球7、脚垫8、角度锁紧结构的塑料外壳9、角度锁紧结构的不锈钢小球10、角度锁紧结构的固定螺丝11、数据采集盒的外部防水结构12、供电模块13、数据存储模块14、单片机15、传感器模块16、传感器探头17、GPS定位球的塑料外壳18、防水垫片19、GPS定位球的电池仓20、定位终端21。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如可以是两个，三个，四个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。

如图1和2所示，在本实施例中，潮滩健康多参数剖面实时同步监测装置包括数据采集装置与潮滩防陷装置；

所述数据采集装置，包括数据采集盒6与GPS定位球7，用于实时同步获取潮滩、水体、水面空气数据剖面：

所述数据采集盒6包括外部防水结构与内部数据采集系统，所述内部数据采集系统包括供电模块13、传感器模块16、单片机15、数据存储模块14；所述供电模块13为传感器模块16、单片机15与数据存储模块14提供电源；所述传感器模块16用于获取相应物理海洋参数信号；所述单片机15定时地接收并处理传感器模块16获取的信号，并记录在数据存储模块14中；所述数据存储模块14可以被单片机15驱动，用于在TF卡中以文本形式记录传感器数字信号，数据存储模块14中存储的数据可实时读取；数据采集盒6预置开放接口，可接入多参数传感器。

GPS定位球7包括塑料外壳、防水垫片19、电池仓和定位终端21；塑料外壳与防水垫片19用于隔绝海水，所述定位终端21，借助电池仓中的干电池供电，用于定时地向远程计算机发送当前数据和地理位置信息。

所述潮滩防陷装置包括：用于潮滩安装稳定的防陷圈1、脚管3、脚垫8、以及用于安装数据采集盒6和GPS定位球7的中轴2；其中GPS定位球7设置在中轴2的顶部。

在本发明的一个具体实施例中，所述数据采集盒的传感器模块包括但不限于温度传感器、电导率传感器、压力传感器、光学传感器；

所述传感器用于获取海水、潮滩剖面以及海面的数字信号，设备预留开放接口，可接入其他多参数传感器。例如，；所述电导率传感器用于获取海水电导率数字信号，电导率值用于计算盐度数据；所述压力传感器用于获取海水压力数字信号，压力值用于计算水深数据，高频水深数据用于计算波浪参数；所述光学传感器用于采集海水浊度数据，经率定计算水体悬沙浓度值，光学传感器同时采集潮滩冲刷深度数据。

在本发明的一个具体实施例中，所述数据采集盒分布式排列在中轴位于防陷圈之上的上部区段和位于防陷圈之下的下部区段，其中上部区段的数据采集盒部分浸入水体，部分监测空气中的数据，下部区段的数据采集盒浸入潮滩内部，所述数据采集盒获取沉积物-水-气剖面特定深度范围内的多参数数据。

在本发明的一个具体实施例中，所述分布于水柱区段中的数据采集盒，包括可选高度的固定高度采集盒与浮动高度采集盒；可选高度的固定高度采集盒依据监测所需分布式固定于中轴的设定高度上；浮动高度采集盒位于固定高度采集盒的上方，其浮于水面上，与中轴可滑动连接，可沿中轴随水位上下浮动；

所述分布于潮滩中的数据采集盒，全部为可选高度的固定高度采集盒，固定于中轴上面。

在本发明的一个具体实施例中，所述中轴和脚管均为可伸缩多节设计，节间连接处均设有长度锁紧结构；通过长度锁紧结构可调节中轴和脚管的长度；

所述中轴每节标注刻度；

所述脚管有多个，脚管顶部与角度锁紧结构可拆卸相连，通过角度锁紧结构可调节各脚管之间、以及脚管与中轴之间的角度，以适应不同的潮差范围、监测需求以及潮滩附近动力结构；所述角度锁紧结构设置在防陷圈的内圈；所述防陷圈与中轴可拆卸连接。

在本发明的一个具体实施例中，所述角度锁紧结构外部为长方体，长方体上部与防陷圈内环相接，长方体下部设有圆形孔，角度锁紧结构内部设有为不锈钢圆球，直径大于圆形孔直径，不锈钢圆球下部与脚管可拆卸连接；长方体上设有锁紧螺丝，锁紧螺丝松弛时，圆球可自由转动，脚管角度随之变化；锁紧螺丝锁紧时，脚管角度被锁死。

在本发明的一个具体实施例中，所述防陷圈可根据需求调整大小、面积以及其在中轴的位置；防陷圈与中轴、防陷圈与脚管、中轴与数据采集盒、中轴与GPS定位球均可分离。所述防陷圈采用无磁不锈钢制成，呈两层环状，内环有螺纹、孔洞等结构，用于中轴、脚管的固定，外环可用于极细颗粒潮滩监测时，可调整防陷圈位置、大小及面积，以防沉陷。

在本发明的一个具体实施例中，所述中轴采用碳纤维制成，呈长杆状，可通过长度锁紧结构进行多节伸缩，每节标注刻度。所述长度锁紧结构侧边有螺纹孔，通过配对的不锈钢螺丝与防陷圈内环固定。所述中轴下端呈尖钉状，便于扎入滩涂。所述监测装置中的连接件均由不锈钢制成。

在本发明的一个具体实施例中，所述脚管采用碳纤维制成，呈长杆状，可通过长度锁紧结构进行多节伸缩。所述脚管上端采用角度锁紧结构，可与防陷圈内环固定，用于角度调整。所述脚管下端呈尖钉状，便于扎入滩涂。所述脚垫里侧与中轴、脚管下端尖钉形状匹配，用于非作业时期安全保护。

如图2所示，为方便运输，本发明采用可拆装、可伸缩的模块化设计。

本发明潮滩健康多参数剖面实时同步监测方法，主要包括以下步骤：

步骤①，结合潮滩的各类环境特征，组装监测装置。

通过查阅资料或现场调查了解潮滩的深度、下陷程度、最高水位等特征，确定装置脚管的角度与长度及数据采集盒布置的高度等。

将脚管3伸缩至目标长度，锁紧脚管上的所有长度锁紧结构5。长度锁紧结构呈松弛状态时，脚管可伸缩；单个长度锁紧结构锁紧时，锁紧的节被锁死，其他节仍可伸缩。

将脚管通过角度锁紧结构4安装在防陷圈1的内环，调整角度并锁紧。角度锁紧结构的示意图如图3所示，外部为长方体9，长方体上部与防陷圈内环相接，长方体下部为圆形孔，孔直径小于长方体最短边。角度锁紧结构内部为不锈钢圆球10，直径大于孔直径，下部与脚管相接。锁紧螺丝11松弛时，圆球可自由转动，脚管角度随之变化；锁紧螺丝锁紧时，脚管角度被锁死。

将中轴2伸缩至目标长度，锁紧中轴上的所有长度锁紧结构，并通过不锈钢螺丝固定在防陷圈内环内部。

准备足够数量的数据采集盒6，检查数据采集盒内部的干电池电量与TF储存卡存储空间，借助主轴标识的刻度，通过喉箍结构分别将数据采集盒布置在中轴目标高度。

检查GPS定位球7内部的干电池电量，通过不锈钢螺丝布置在中轴顶端。

将装置在目标海域的潮滩进行现场海试，校验传感器。

步骤②，将装置布放至目标潮滩。

取下中轴与脚管上的脚垫8，将组装的装置脚管及以下部分插入潮滩中。若装置沉陷较严重，可调整防陷圈位置、面积及大小。

步骤③，数据采集盒与GPS定位球的数据获取。

数据采集盒的示意图如图4所示。数据采集盒包括外部防水结构12与内部数据采集系统。外部防水结构采用紧密螺纹防水。内部数据采集系统包括供电模块13、数据存储模块14、单片机15与传感器模块16。数据采集盒的工作流程如下。借助电池仓中干电池，供电模块为传感器模块、单片机与数据存储模块提供电源。固定于数据采集盒外侧的传感器探头17(包括但不限于温度传感器、电导率传感器、压力传感器、光学传感器)获取相应物理海洋参数信号。例如，可应用温度传感器用于获取海水温度数字信号，应用电导率传感器用于获取海水电导率数字信号，电导率值用于计算盐度数据，压力传感器用于获取海水压力数字信号，压力值用于计算水深数据，高频水深数据用于计算波浪参数，应用光学传感器用于采集海水浊度数据，经率定可以计算水体悬沙浓度值。

单片机定时地接收并处理传感器模块获取的信号，计算海水、潮滩的温度、盐度、水深、波浪、悬沙浓度、冲淤深度剖面值，并驱动数据存储模块，在TF卡中以文本形式记录传感器数字信号。

GPS定位球的示意图如图5所示。GPS定位球包括塑料外壳18、防水垫片19、电池仓20与定位终端21。塑料外壳与防水垫片用于隔绝海水。借助干电池供电，定位终端可定时地向远程计算机发送当前位置信息。

本步骤中，数据采集盒与GPS定位球的数据获取均为电能驱动下的自动化过程。装置可无人值守地长时间工作于潮滩上，监测者仅需通过远程计算机查看装置GPS位置是否出现重大偏移以判断数据获取是否正常。

步骤④，维护装置。定期对装置的电池、传感器、稳定性等进行维护。

步骤⑤，回收装置，处理数据。

根据GPS坐标于预定时间回收装置。可通过各数据采集盒中的TF储存卡查看并分析存储的数据信息。

潮滩上浪流作用下传统的装置容易发生侧翻，本发明将三脚架形脚管全部埋入沉积物中，仅露出长杆状中轴，增强固定效果的同时减少了浪流动力作用的面积；防陷圈的设计除了作为各个部件连接的一环外，还能增大装置与底床的接触面积。本发明可以同步、定点、定高获取潮滩内部设定深度、水体内部特定水深，以及水面的参数，适用于强潮(潮差大于5m仪器难搬运，流速强仪器易倾斜)泥滩(容易下陷、倾斜导致测量不准)的潮滩、水体、水面多参数同步获取。

以上所述详细说明了本发明的基本原理、主要特征与具体实施方式，应理解的是上述仅是本发明的一个实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。凡在本发明的原则范围内所做的任何等同替换或修饰等，均应包含在本发明的保护范围内。