多功能河川水文自動量測系統(tǒng)及河川河床高程量測方法
【專利摘要】本發(fā)明一種多功能河川水文自動量測系統(tǒng)，包含：一個支撐架，該支撐架位于橋面下，該支撐架包含一個立板連接于橋面下方，該立板下為一個平板；一個防水鐵箱，該防水鐵箱位于支撐架的平板上方，該防水鐵箱內(nèi)含：一個信號處理機(jī)、一個數(shù)據(jù)儲存設(shè)備和一個卷揚(yáng)機(jī)，該卷揚(yáng)機(jī)包含：一條鋼索、至少一條防水電線及至少一個滑輪，其中該鋼索延伸出防水鐵箱，用以吊放一個中空圓柱型重錘，該鋼索外繞防水電線，該防水電線則用于傳輸信號至信號處理機(jī)；一個水壓計，該水壓計位于中空圓柱形重錘的中空空間內(nèi)，用于量測水壓從而得到水壓計所在位置的水深。本發(fā)明能自行設(shè)定時間間距自動量測水力參數(shù)，無人員操作安全顧慮，量測準(zhǔn)確性高于人工方式。
【專利說明】多功能河川水文自動量測系統(tǒng)及河川河床高程量測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明關(guān)于ー種河川水文的量測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別指ー種河川多項水文參數(shù)的自動量測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在整個臺風(fēng)洪水過程中(以下簡稱為全洪程)量測水文參數(shù)，如:水位、水流流速、河床面高程、水流含砂濃度等，是河川洪水預(yù)警及其它構(gòu)造物如橋梁安全預(yù)警系統(tǒng)等的基礎(chǔ)。但是目前除水位外，其它水文參數(shù)量測多以人工方式進(jìn)行。
[0003]以量測河床面高程為例，傳統(tǒng)方法是以繩索或鋼索綁一重物，再由操作人員垂放入水中直至河底，由橋面高程扣除繩索長度即得河床面高程。但繩索或鋼索易隨風(fēng)晃動且不完全垂直河面，會有一弧度，因此放出的繩索長度會超過實際垂直距離。尤其在臺風(fēng)期間，受風(fēng)力及水流沖擊影響，繩索或鋼索的弧度更大，測量誤差也隨著増大。
[0004]在實際操作過程中，因臺風(fēng)期間風(fēng)雨交加，且洪水水流強(qiáng)勁，在考慮人員安全或者在橋梁封閉的情況下，難以全天候?qū)嵤┤斯び^測，導(dǎo)致錯失尖峰流量通過的時刻，對于洪水預(yù)警以及事后分析檢討幫助有限。
[0005]雖然目前河川管理単位正嘗試恢復(fù)推動全洪程觀測，但受限于人力及設(shè)備，單次人工觀測的時間通常為2小時以上(單次觀測通常要施作4至5條測線)，毎日能得到的數(shù)據(jù)組數(shù)有限；此外夜間、豪雨會導(dǎo)致視線不佳，對人員安全及觀測準(zhǔn)確性有莫大影響，因此亟需ー套自動化系統(tǒng)來取代人エ觀測方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的主要目的，是提供一種能同時間量測河川多項水文參數(shù)的自動系統(tǒng)，包含:一水位計，應(yīng)用電波或音波的發(fā)射及反射計算該水位計到水面的距離，再以水位計所在位置的高程扣除距離即得水面高程(即水位)；一表面流速計，應(yīng)用電波或音波以都普勒原理量測水面流速；一重錘探測器，由重錘、水壓計、泥砂濃度計、流速計構(gòu)成:水壓計，應(yīng)用水壓量測得到水深；泥砂濃度計，利用音波都普勒原理量測泥砂濃度；流速計，利用旋杯式或旋槳式或電阻式散熱速率原理量測各種水下深度的流速。泥砂濃度計、流速計與水壓計同時運(yùn)作可得到不同水深位置的泥砂濃度及流速。當(dāng)水壓計沉到河床面吋，量到的水深即為水面到河床面的距離，再由前面得到的水面高程(即水位)扣除距離即得河床面高程。由不同時刻得到的河床面高程相比較即得到河床沖刷(或淤積)深度。
[0007]本發(fā)明的一種多功能河川水文自動量測系統(tǒng)，包含:
一個支撐架，該支撐架位于橋面下，該支撐架包含ー個立板連接于橋面下方，該立板下為ー個平板；
ー個防水鐵箱，該防水鐵箱位于支撐架的平板上方，該防水鐵箱內(nèi)含:ー個信號處理機(jī)、一個數(shù)據(jù)儲存設(shè)備和ー個卷揚(yáng)機(jī)，該信號處理機(jī)及數(shù)據(jù)儲存設(shè)備可在設(shè)定時間內(nèi)，發(fā)出信號使各種量測儀器分別量測出水位、高度及水流表面流速；該卷揚(yáng)機(jī)包含:一條鋼索、至少一條防水電線及至少ー個滑輪，其中該鋼索延伸出防水鐵箱，用以吊放ー個中空圓柱型重錘，該鋼索外繞防水電線，該防水電線則用于傳輸信號至信號處理機(jī)；
ー個水壓計，該水壓計位于中空圓柱形重錘的中空空間內(nèi)，用于量測水壓從而得到水壓計所在位置的水深；
其中該中空圓柱形重錘位于鋼索的末端，該中空圓柱形重錘的中空空間內(nèi)含水壓計，用于將水壓計沉入水中并到達(dá)河床，當(dāng)該中空圓柱形重錘沉入水中，內(nèi)含的水壓計開始量測水壓，水壓經(jīng)公式轉(zhuǎn)換后即得水壓計所在位置的水深；當(dāng)該中空圓柱形重錘到達(dá)河床，水壓即不再變化，因此可由水壓是否達(dá)到固定值來判斷該中空圓柱形重錘是否到達(dá)河床。
[0008]優(yōu)選的，所述的多功能河川水文自動量測系統(tǒng)還包含:ー個泥沙濃度量測計，該泥沙濃度量測計位于鋼索的末端，中空圓柱形重錘內(nèi)部的上方。
[0009]優(yōu)選的，該泥沙濃度量測計為ー個超音波式泥沙濃度量測計。
[0010]優(yōu)選的，所述的多功能河川水文自動量測系統(tǒng)還包含ー個流速計，該流速計能配合水壓計的水深讀數(shù)而得到垂直剖面的水流流速分布。
[0011]優(yōu)選的，所述的多功能河川水文自動量測系統(tǒng)還包含:ー個表面流速計，該流速計位于支撐架的平板下方，該流速計為ー個雷達(dá)波式或影像追蹤式流速計，利用發(fā)出及反射的信號或影像比對來測得水流表面流速。
[0012]優(yōu)選的，所述的多功能河川水文自動量測系統(tǒng)還包含:ー個水位計，該水位計位于支撐架的平板下方，與支撐架的立板對齊；該水位計為ー個超音波或雷達(dá)波式水位計，能利用發(fā)出及反射的信號來測得水面高程。
[0013]優(yōu)選的，所述的多功能河川水文自動量測系統(tǒng)還包含:ー個通訊設(shè)備，該通訊設(shè)備為有線或無線的連接，用于將信號處理機(jī)及數(shù)據(jù)儲存設(shè)備連接到遠(yuǎn)程的控制端以使使用者進(jìn)行遠(yuǎn)程的遙控及數(shù)據(jù)傳送和分析。
[0014]優(yōu)選的，所述的多功能河川水文自動量測系統(tǒng)還包含:ー個尾翼，該尾翼與該中空圓柱形重錘相連接。
[0015]本發(fā)明的ー種河川河床高程量測方法，包含:
應(yīng)用位于橋面下方的水位計發(fā)射電波或音波，該電波或音波在水面上反射以計算出該水位計到水面的距離；
將水壓計沉入水底，應(yīng)用水壓量測水面到水壓計所在位置處的水深；
如果如水壓計所測得的水深不再改變時，則認(rèn)為水壓計已沉到河底；由此得到水面到河床的距離；
由水位計所在位置的高程，扣除水位計到水面的距離及水面到河床的距離，即得到河床的高程。
[0016]優(yōu)選的，所述的河川河床高程量測方法，應(yīng)用不同時間所測得的河床高程的差即知淤積的程度。
[0017]本發(fā)明能自行設(shè)定時間間距自動量測水力參數(shù)，無人員操作安全顧慮，量測準(zhǔn)確性高于人工方式，且不受天候、夜間視線不良或橋梁封閉的影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的完整設(shè)計的示意圖。[0019]圖2為本發(fā)明的防水鐵箱的細(xì)部組件示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明的簡化設(shè)計的示意圖。
[0021]【主要組件符號說明】
10支撐架11立板12平板
20防水鐵箱21信號處理機(jī)22數(shù)據(jù)儲存設(shè)備
23通訊設(shè)備24卷揚(yáng)機(jī)25鋼索
26防水電線27滑輪30水位計
40表面流速計50中空圓柱形重錘51尾翼
55水壓計60泥砂濃度量測計。
【具體實施方式】[0022]有關(guān)本發(fā)明創(chuàng)作為達(dá)目的所運(yùn)用的技術(shù)手段，故此謹(jǐn)再配合附圖1，2及3所示的實施例，詳細(xì)說明本發(fā)明的如下:
本發(fā)明主要是提出ー種河川多項水文參數(shù)的自動量測方法及系統(tǒng)，包含一水位計，應(yīng)用電波或音波的發(fā)射及反射得水位；一表面流速計，應(yīng)用電波或音波以都普勒(多普勒)原理量測水面流速；一重錘探測器，包括:重錘、水壓計、泥砂濃度計、流速計；水壓計，應(yīng)用水壓量測得到水深；泥砂濃度計，利用音波都普勒原理量測泥砂濃度；流速計，量測各種水下深度的流速。泥砂濃度計、流速計與水壓計同時運(yùn)作可得到不同水深位置的泥砂濃度及流速。當(dāng)水壓計沉到河床面時，量到的水深即為水面到河床面的距離，再由前面得到的水面高程(即水位)扣除距離即得河床面高程。由不同時刻得到的河床面高程相比較即得到河床沖刷(或淤積)深度。
[0023]本發(fā)明的多功能河川水文自動量測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包含:
一支撐架10，該支撐架10位于橋面下，該支撐架10包含一立板11連接橋面板下方，立板11下為一平板12，平板12上有一防水鐵箱20，平板12下方則安放一水位計30及流速計40。該支撐架10用以固定所有量測單元。
[0024]一防水鐵箱20，該防水鐵箱20位于支撐架10的平板12上方，內(nèi)含:信號處理器21、數(shù)據(jù)儲存設(shè)備22、通訊設(shè)備23、卷揚(yáng)機(jī)24、鋼索25、防水電線(傳輸信號)26及滑輪27。該防水鐵箱20內(nèi)的信號處理器21及數(shù)據(jù)儲存設(shè)備22可由一部輕便型計算機(jī)完成。而該防水鐵箱內(nèi)20的卷揚(yáng)器24連接ー鋼索25，該鋼索25延伸出防水鐵箱20，用以吊放中空圓柱型重錘50及超音波式泥砂濃度量測計60。
[0025]其中該鋼索25 —端連接該防水鐵20箱內(nèi)的卷揚(yáng)器24，另一端延伸出該防水鐵箱20并垂下用以吊放該中空圓柱形重錘50。該鋼索25外繞防水電線26，該電線26則用于傳輸泥沙濃度量測計60及水壓計55信號至信號處理器21。因為該鋼索25可以升降，所以可取得不同水深的水流含砂濃度。
[0026]一信號處理機(jī)21及數(shù)據(jù)儲存設(shè)備22，該信號處理機(jī)21及數(shù)據(jù)儲存設(shè)備22可在設(shè)定時間內(nèi)，發(fā)出信號使水位計30、表面流速計40分別量測出水位高度及水流表面流速。同時，信號處理器21發(fā)出信號啟動卷揚(yáng)機(jī)24，放出鋼索25、防水電線26、中空圓柱形重錘50、水壓計55及泥砂濃度量測計60。該信號處理機(jī)21可自行設(shè)定時間間距自動量測水文參數(shù)，并將數(shù)據(jù)儲存于數(shù)據(jù)儲存設(shè)備22中。且因為利用計算機(jī)控制量測，所以無人員操作安全的顧慮，量測準(zhǔn)確性高于人工方式，且不受天候、夜間視線不良或橋梁封閉的影響。
[0027]本發(fā)明中的通訊設(shè)備23可以是有線及無線的連接，用于將相關(guān)信號處理機(jī)及數(shù)據(jù)儲存設(shè)備連接到遠(yuǎn)程的控制端，所以使用者可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的遙控及數(shù)據(jù)傳送、分析等。人員無需在現(xiàn)場，甚至能以行動裝置如平板計算機(jī)等控制儀器進(jìn)行量測任務(wù)。
[0028]一水位計30，該水位計30位于支撐架10的平板12下方，與支撐架10的立板11對齊，該水位計30為ー超音波或雷達(dá)波式水位計，利用發(fā)出及反射的信號來測得水面高程。
[0029]一表面流速計40，該流速計40位于支撐架10的平板12下方，該流速計40為ー雷達(dá)波式或影像追蹤式流速計，利用發(fā)出及反射的信號或影像比對來測得水流表面流速。
[0030]該中空圓柱形重錘50位于鋼索25的末端，用于將水壓計55、泥砂濃度量測計60沉入水中并到達(dá)河床，該中空圓柱形重錘50的中空空間內(nèi)含水壓計55。當(dāng)該中空圓柱形重錘50沉入水中，內(nèi)含的水壓計55開始量測水壓，水壓經(jīng)公式轉(zhuǎn)換后即得水壓計55所在位置的水深。當(dāng)該中空圓柱形重錘50到達(dá)河床，水壓即不再變化，因此可由水壓是否達(dá)到固定值來判斷該中空圓柱形重錘50是否到達(dá)河床。
[0031]該水壓計55位于中空圓柱形重錘50的中空空間內(nèi)，用于量測水壓，利用公式轉(zhuǎn)換即可得到水壓計55所在位置的水深。
[0032]一泥沙濃度量測計60，該泥沙濃度量測計60位于鋼索25的末端，中空圓柱形重錘50的上方，為ー超音波式泥沙濃度量測計，另外可視需要加裝電阻式流速計。
[0033]一尾翼51，該尾翼與該中空圓柱形重錘50相連接，該尾翼51運(yùn)用流體力學(xué)原理具有穩(wěn)定作用，使相連接的該中空圓柱形重錘50指向能固定下來，在水流中不會任意旋轉(zhuǎn)，使得測量流速數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。
[0034]本發(fā)明中在該中空圓柱形重錘50處還可加裝電阻式散熱速率原理流速計，配合水壓計55的水深讀數(shù)，則能得到垂直剖面的水流流速分布，對計算平均流速、流量、輸砂量等，能得到更精確的結(jié)果。
[0035]因本系統(tǒng)采模塊化設(shè)計，可視當(dāng)?shù)貤l件取消部分模塊。例如某些橋梁已設(shè)有水位計30，故不必重復(fù)裝設(shè)水位計30。又例如受限于經(jīng)費(fèi)因素，可取消泥砂濃度量測計60等，如圖3所示。但本系統(tǒng)的水力參數(shù)計算方法及邏輯等，為本發(fā)明創(chuàng)新的主要部分，不應(yīng)受部分模塊被取消而受影響。
[0036]本發(fā)明利用計算機(jī)控制水文的量測，利用信號處理器設(shè)定在一定時間內(nèi)，啟動卷揚(yáng)機(jī)，放出鋼索、防水電線、泥砂濃度量測計、水壓計、中空圓柱形重錘，以及使水位計及表面流速計分別測出水位高程及水流表面流速。當(dāng)重錘沉入水中，內(nèi)含的水壓計開始量測水壓，水壓經(jīng)公式轉(zhuǎn)換后即得水壓計所在位置的水深。當(dāng)重錘到達(dá)河床，水壓即不再變化，因此可由水壓是否達(dá)到固定值來判斷重錘是否到達(dá)河床。由水壓固定值可決定當(dāng)時總水深(指河床面至自由水面的水深)。將水位計所量取的水位高程扣除總水深后，即可得當(dāng)時河床面高程，由前、后時間量測的河床面高程相減，即可得到當(dāng)時河床面沖(淤)深度。中空圓柱形重錘上方的泥砂濃度量測計沉入水中后，同時與水壓計開始量測泥砂濃度。借助水壓計與泥砂濃度量測計的數(shù)據(jù)時間比對，可得到不同水深(度)的泥砂濃度值。此對學(xué)術(shù)研究提供重要參考。
[0037]本發(fā)明的ー種河川河床高程飛量測方法，包含:
應(yīng)用位于橋面下方的水位計發(fā)射電波或音波，該電波或音波在水面上反射以計算出該水位計到水面的距離；
將水壓計沉入水底，應(yīng)用水壓量測水面到水壓計所在位置處的水深；
如果如水壓計所測得的水深不再改變時，則認(rèn)為水壓計已沉到河底；由此得到水面到河床的距離；
由水位計所在位置的高程，扣除水位計到水面的距離及水面到河床的距離，即得到河床的高程。
[0038]所述的河川河床高程量測方法中，可應(yīng)用不同時間所測得的河床高程的差即知淤積的程度。
[0039]本系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)為:
1.能自行設(shè)定時間間距自動量測水力參數(shù)。
[0040]2.無人員操作安全顧慮，量測準(zhǔn)確性高于人工方式，且不受天候、夜間視線不良或橋梁封閉的影響。
[0041]3.能實時獲得量測結(jié)果并回報，不需人工計算后再匯整回報。
[0042]4.能遠(yuǎn)程遙控，人員無須在現(xiàn)場，甚至能以行動裝置如平板計算機(jī)等控制儀器進(jìn)行量測任務(wù)。
[0043]5.因為能實時取得河床面高程，因此更能精確地利用「斷面流速法」量測流量。
[0044]6.能實時取得不同水深的水流含砂濃度，相較于目前僅能以人工方法取水樣后送實驗室分析，并且多僅能采集水面下20%水深處的含砂濃度而言，大幅改善方便性及時效性。
[0045]7.如加裝電阻式流速計，配合水壓計的水深讀數(shù)，則能得到垂直剖面的水流流速分布，對計算平均流速、流量、輸砂量等，能得到更精確的結(jié)果。
[0046]8.本系統(tǒng)的重錘探測器雖有鋼索連接至卷揚(yáng)機(jī)，但鋼索僅用于垂放重錘探測器，其長度不用于高程計算內(nèi)，因此即使風(fēng)吹及水流使鋼索成一弧度，也不影響高程計算，此為本系統(tǒng)與傳統(tǒng)河床面高程量測方式最顯著不同之處，且明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方式。
[0047]綜上所陳，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用來限定本發(fā)明實施的范圍。即凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆為本發(fā)明專利范圍所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種多功能河川水文自動量測系統(tǒng)，其特征在于，包含 一個支撐架，該支撐架位于橋面下，該支撐架包含ー個立板連接于橋面下方，該立板下為ー個平板； ー個防水鐵箱，該防水鐵箱位于支撐架的平板上方，該防水鐵箱內(nèi)含:ー個信號處理機(jī)、一個數(shù)據(jù)儲存設(shè)備和ー個卷揚(yáng)機(jī)，該信號處理機(jī)及數(shù)據(jù)儲存設(shè)備可在設(shè)定時間內(nèi)，發(fā)出信號使各種量測儀器分別量測出水位、高度及水流表面流速；該卷揚(yáng)機(jī)包含:一條鋼索、至少一條防水電線及至少ー個滑輪，其中該鋼索延伸出防水鐵箱，用以吊放ー個中空圓柱型重錘，該鋼索外繞防水電線，該防水電線則用于傳輸信號至信號處理機(jī)； ー個水壓計，該水壓計位于中空圓柱形重錘的中空空間內(nèi)，用于量測水壓從而得到水壓計所在位置的水深； 其中該中空圓柱形重錘位于鋼索的末端，該中空圓柱形重錘的中空空間內(nèi)含水壓計，用于將水壓計沉入水中并到達(dá)河床，當(dāng)該中空圓柱形重錘沉入水中，內(nèi)含的水壓計開始量測水壓，水壓經(jīng)公式轉(zhuǎn)換后即得水壓計所在位置的水深；當(dāng)該中空圓柱形重錘到達(dá)河床，水壓即不再變化，因此可由水壓是否達(dá)到固定值來判斷該中空圓柱形重錘是否到達(dá)河床。
2.如權(quán)利要求1所述的多功能河川水文自動量測系統(tǒng)，其特征在于，還包含:一個泥沙濃度量測計，該泥沙濃度量測計位于鋼索的末端，中空圓柱形重錘內(nèi)部的上方。
3.如權(quán)利要求2所述的多功能河川水文自動量測系統(tǒng)，其特征在于，該泥沙濃度量測計為ー個超音波式泥沙濃度量測計。
4.如權(quán)利要求1所述的多功能河川水文自動量測系統(tǒng)，其特征在于，還包含ー個流速計，該流速計能配合水壓計的水深讀數(shù)而得到垂直剖面的水流流速分布。
5.如權(quán)利要求1所述的多功能河川水文自動量測系統(tǒng)，其特征在于，還包含:` ー個表面流速計，該流速計位于支撐架的平板下方，該流速計為ー個雷達(dá)波式或影像追蹤式流速計，利用發(fā)出及反射的信號或影像比對來測得水流表面流速。
6.如權(quán)利要求1所述的多功能河川水文自動量測系統(tǒng)，其特征在于，還包含: ー個水位計，該水位計位于支撐架的平板下方，與支撐架的立板對齊；該水位計為ー個超音波或雷達(dá)波式水位計，能利用發(fā)出及反射的信號來測得水面高程。
7.如權(quán)利要求1所述的多功能河川水文自動量測系統(tǒng)，其特征在于，還包含: ー個通訊設(shè)備，該通訊設(shè)備為有線或無線的連接，用于將信號處理機(jī)及數(shù)據(jù)儲存設(shè)備連接到遠(yuǎn)程的控制端以使使用者進(jìn)行遠(yuǎn)程的遙控及數(shù)據(jù)傳送和分析。
8.如權(quán)利要求1所述的多功能河川水文自動量測系統(tǒng)，其特征在于，還包含: ー個尾翼，該尾翼與該中空圓柱形重錘相連接。
9.ー種河川河床高程量測方法，其特征在于，包含: 應(yīng)用位于橋面下方的水位計發(fā)射電波或音波，該電波或音波在水面上反射以計算出該水位計到水面的距離； 將水壓計沉入水底，應(yīng)用水壓量測水面到水壓計所在位置處的水深； 如果如水壓計所測得的水深不再改變時，則認(rèn)為水壓計已沉到河底；由此得到水面到河床的距離； 由水位計所在位置的高程，扣除水位計到水面的距離及水面到河床的距離，即得到河床的高程。
10.如權(quán)利要求9所述的河川河床高程量測方法，其特征在于，應(yīng)用不同時間所測得的河床高程的差即知淤積 的程度。
【文檔編號】G01C5/00GK103512560SQ201210202680
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月19日
【發(fā)明者】廖翊鈞 申請人:廖翊鈞