河口底邊界層座底支架穩定性實時監測技術

楊日魁，劉 歡，吳加學

(中山大學近岸海洋科學與技術研究中心，廣東 廣州510275)

河口底邊界層座底支架穩定性實時監測技術

楊日魁，劉 歡，吳加學

(中山大學近岸海洋科學與技術研究中心，廣東 廣州510275)

河口水文座底式觀測中，如何確保支架的穩定性是一個關鍵問題。現有的方法是通過回收數據推測測量過程中支架的狀況，缺乏觀測期間支架狀態的實時監測。利用聲學原理設計了一套簡單的實時通訊姿態監測儀,實驗結果表明，監測儀可將座底支架的姿態信息從河床底部實時傳送到測量船，提供支架姿態實時的時間序列信息，為獲取高質量的觀測數據提供了可靠的技術保障。

水文觀測；聲學通訊；三角架；姿態監測

河口底邊界層流是河口動力與泥沙輸移的基本與關鍵過程，也是河口海岸學領域具有挑戰的難題和熱點問題之一[1]。在現場觀測方面，近岸底邊界層研究真正取得突破是采用了裝載系列高分辨率觀測設備的座底式三腳架（或四腳架）系統[2]。三腳架系統因其不受環境水流擾動而具有良好的穩定性，目前已經成為近岸底邊界層與湍流研究的首選觀測手段[3-7]。在座底三角架（四角架）使用中，電纜拖拽會造成支架的晃動，以及一系列潛在的不安全因素，如電纜防水的密閉性，電纜與纜繩的纏繞等，因此現場觀測多采用自容式，而非實時的數據傳輸。

座底三腳架底邊界層流的觀測一直存在著以下難題：（1）投放時無法保證支架正立；（2）測量過程支架的姿態不為水流的沖刷或泥沙搬運變化所改變。經驗表明，支架投放觸底后約有30%的可能會傾倒；即使投放后支架平穩，在測量過程中支架發生傾斜或翻側的概率也是很高的，尤其在水流比較急、泥沙流動大的區域[8]。缺乏有效的姿態監測手段，無法了解測量期內座底自容設備的姿態情況，等到測量結束后才發現支架傾斜的事情時有發生。以2010年6月在珠江口崖門的觀測為例進行說明。圖1為座底支架上ADCP的一段測量數據，儀器姿態角的數據表明，支架在9:00發生了較大傾斜，從而導致儀器測量的壓力值從21.8 m跳升至22.6 m，流速值從0.6 m/s左右下降到-0.4 m/s左右。由圖1可以看出，如果觀測期間支架的狀態發生改變，安裝在支架上的聲學儀器設備其工作性能和測量數據的準確性往往會受到較大的影響，致使測量數據出現較大的偏差，甚至不可用。為此，有必要采取有效的措施進行實時監測，以保證測量數據的準確性。

圖1 三腳架系統中ADCP姿態與測量流速時間序列

1 確保支架穩定性的傳統方法

為了提高投放時支架直立的可能性，在座底觀測中一般會采用4種方法：

（1）床底地形探測

船只到達測量預設地點后，使用雙頻測深儀對附近的河床進行掃描，重點查看河床地貌和淤泥厚度。避免將支架投放在淤泥沉積比較深厚的、河床不平、大的巖石、挖沙造成的沙坑等地貌上。

圖2 坐底支架實物圖

（2）增大座底支架底部受力面積

防止支架傾斜的有效方法是加大支架與地面的接觸面積，通常做法是在支架底部安裝塑料板或木板（圖2）。

（3）降低支架重心

降低重心的有效方法是在支架的底部增加鉛魚，但負重越大，支架由于自身重量下陷的可能性也越高。由于近岸河口多為淤泥或細沙底質，因此需在穩定性和安全性之間取得平衡。

（4）水下拍攝

利用水下攝像機或照相機進行姿態的監測是一種有效的方法。支架投放過程中的不安全性決定了通過電纜連接水下照相設備以監測支架的姿態是不可取的。但可通過一次性投放回收攝影系統，脫機拍攝投放后支架的初始狀態并回收觀看錄像，以此判斷支架投放后是否平穩，其具體設計及操作步驟如下：

在支架上安裝水下照相機，相機拍攝的目標是一個透明密封盒，盒子里安裝了重力垂線，垂線指向的是由不同直徑組成的同心圓環。把密封盒子固定在支架上并配置了靈巧的機關，投放完成后通過機關將照相機回收上來，然后通過觀察照相機里拍攝到的視頻就可以確定支架的姿態。垂線停留在正中央則表示正立，停留在外圍不同環圈上則表示大概傾斜的角度（圖3）。

圖3 水下攝像裝置設計圖

這種方法雖然監測到了支架在投放后的初始狀態，但在測量過程因水流的沖擊、泥沙的搬運等造成支架傾斜等意外情況仍然是無法確定的，需要進一步設計方案對座底支架的姿態進行實時監測。

2 測量姿態監測系統設計

測量姿態監測系統由兩大部分組成：發射器和接收器。鑒于電磁波無法在水下傳輸，因此利用聲波進行水下信號傳輸。在設計系統時，我們重點放在以下兩個問題上：

（1）換能器的選擇。考慮到現場觀測的實際情況，發射器發射的波束角應足夠大，發射功率應較高，以便放置于船上的接收器能有效接收信號。因此在設計時，我們使用了3個換能器單元組合形成一個發射陣，解決波束角限制的問題，即使在支架出現比較大角度傾斜的情況下，也能保證發射器發射的聲波到達接收器。

（2）水密性。由于發射器隨支架一起沉入水底，須保證發射器能有效防水。經過反復的比較和試驗，我們選擇了一種可密封瓶，并于瓶口涂抹防水硅膠。經過試驗，在20多m水深處其密封性能仍然較好，能有效滿足水下作業的要求。

2.1 發射器

發射器由姿態傳感器、主機、聲納發射頭組成(圖4)。姿態傳感器共有4個傾斜角度信號輸出，在密封水瓶里預設4個不同高度的不銹鋼圓絲網作為接觸點，并注入常溫下的飽和鹽水，當瓶子傾斜到不同角度就會短接不同的鋼絲網，姿態傳感器就輸出相應的傾斜信號，通過水密插頭連接到主機盒里。主機也密封在另外一個盒子里，由一個單片機單元和外圍驅動組成，模擬信號經過處理后以高低電位的形式送入單片機的輸入口，經過調制編碼后升壓成100 V的脈沖輸出驅動發射頭。

圖4 發射器設計圖

2.2 接收器

接收器由接收主機和受聽器組成。接收主機主要由單片機構成，密封在瓶中，負責接收有效聲波信號，經過濾波等處理后從信號里解調出對應的姿態信號，并驅動對應通道的聲光提示（圖5）。聲納受聽器接收信號后，通過水密線輸入接收單元，根據事先定義好的編碼規則對接收到的聲信號進行調制解碼，解碼后的信號輸出到對應的信號通道驅動喇叭和警報指示燈，4個顏色指示燈對應姿態傳感器的4種傾斜信號。按照設計，在20 s內如果檢測到支架上發來的聲波信號，則工作指示燈就一直處于每2 s閃爍一次的正常通訊提示；否則長時間熄滅，表示與發射機的通訊失敗。

監測系統實際完成后如圖6所示。制作完成的監測系統分3個密封盒，滿足野外和水下作業的需要。

圖6 姿態監測系統

3 監測系統測試與應用

通過室內實驗證明監測系統運行可靠后，在2010年8月的野外測量中，配合座底支架投入實際使用。在測量現場將姿態傳感器穩定地垂直固定在支架的垂直杠上，其他的換能頭和主機盒子掛載在合適的位置（圖7）。

圖7 實物安裝圖

當支架觸底穩定后，接收器的藍色信號燈亮起，表明支架投放后發生傾斜。重新將支架稍微提高后再次投放，通過姿態監測儀調整投放，以保證投放后支架垂直座底。

在測量過程中，通過安裝在支架上的發射器不斷送回的信號，觀測人員就可以判斷支架的工作情況，一旦發現異常，可以在最短時間內解決和處理問題，為實時監測提供了有效的保障。

通過野外觀測的實際使用，總結監測系統的性能如下：

（1）準確性分析。監測系統基本上能準確反應支架的狀態。在8個全潮的觀測過程中，前7個全潮每次投放和回收的過程中，系統均能正確發送出支架的狀態信息。在最后一個全潮的觀測中，接收器通訊提示燈完全滅去，表示與發射器的通訊中斷。測量結束后回收監測系統，發現發射主機滲水，已經停止工作。

（2）通訊距離。根據目前配置和功率估計，水下通訊距離在100 m左右是可靠的。在測量過程恰好碰到一次大雨過程，風浪大、水流急，船只漂移比較遠，距離支架的入水點大約100 m左右。此時，接收器收到的信號出現不穩定。嘗試接收器方向搜索，當受聽器對準支架上的發射器時，信號恢復正常。由此表明，雖然采用了三個換能頭組成的發射陣，但船只偏移后由于受聽器的波束角狹窄導致了無法全向接收信號。因此應考慮采用多只受聽器組成一個全向受聽群，以增大接收范圍。

（3）低能耗。使用結果表明，實驗所使用的18節5號電池組成的12 V電池包供電，可以完成3個全潮的測量。

4 結論

應用聲學原理設計了一套簡單有效的水下姿態監測儀，并通過現場觀測試驗，檢驗了技術方法的可行性。該檢測儀能夠有效地監測水下座底三腳架姿態，為獲取底邊界層高質量觀測數據提供了技術保障。同時現場觀測試驗表明，需要在以下幾個方面進一步完善改進：

（1）為了提高精度、減小體積、避免腐蝕，使用電子羅盤模塊作為姿態傳感器具有明顯的優勢。

（2）為了方便進行數據方式分析，需要進行全程監測姿態數據保存。

（3）增加液晶屏幕顯示，方便測量工作人員的監測。

（4）在水密性工藝和材料選擇方面還需進一步的探索。

[1]Uncles R J.Estuarine physical processes research:Some recent studies and progress[J].Estuarine,Coastal and ShelfScience,2002,55:829-856.

[2]Cacchione D A,Sternberg R W,Ogston A S.Bottom instrumented tripods:History,applications,and impacts[J].Continental Shelf Research,2006,26:2319-2334.

[3]Ali A,Lemckert C J.A traversing system to measure bottom boundary layer hydraulic properties[J].Estuarine,Coastal and Shelf Science,2009,83:425-433.

[4]Mohrholz V,Prandke H Lass H U.Estimation of TKE dissipation rates in dense bottom plumes using a Pulse Coherent Acoustic Doppler Profiler(PC-ADP)-Structure function approach[J].Journal ofMarine Systems,2008,70:217-239.

[5]Liu GF,Zhu J R,WangYY,et al,Tripod measured residual currents and sediment flux:Impacts on the siltingof the Deepwater Navigation Channel in the ChangjiangEstuary[J].Estuarine,Coastal and ShelfScience,2010.

[6]徐俊杰,何青,王元葉.底邊界層水沙觀測系統和應用[J].海洋工程,2009,27(1):55-61.

[7]劉志宇,魏皓.黃海潮流底邊界層內湍動能耗散率與底應力的估計[J].自然科學進展,2007,17(3):362-369.

[8]Liu H,Wu CY,Xu WM,et al.Contrasts between estuarine and river systems in near-bed turbulent flows in the Zhujiang(Pearl River)Estuary,China[J].Estuarine,Coastal and ShelfScience,2009,83:591-601.

A Real-time Monitoring Technique for Tripod Stability in Estuarine Bottom Boundary Layers

YANG Ri-kui,LIU Huan,WU Jia-xue

(Research Center for Coastal Marine Science and Technology,Sun Yat-sen University,Guangzhou Guangdong 510275,China)

How to ensure the stability of the tripod is a critical issue in bottom boundary layer observations in coastal area.However,the existing methods lack the ability of real-time monitoring of the tripod state.A posture monitor was designed based on acoustic mechanism with real-time communications.The experimental results showed that the monitoring can effectively transfer the state signal from the bed to the vessel and can obtain time series of the tripod state during the whole survey.This simple and reliable technique provides the strong guarantee for the BBL observations in the shallow waters.

hydrological observation;acoustic communication;tripod;posture monitoring

P714+.1

B

1003-2029（2012）01-0045-04

2011-11-07

國家自然科學基金資助項目（40976053，41006050）

楊日魁（1972-），工程師，主要研究方向為海洋監測技術與數據處理。

吳加學（1968-），男，教授，研究方向為海洋動力沉積過程與沉積聲學。Email:wujiaxue@mail.sysu.edu.cn