全自動泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)

一、系統(tǒng)應(yīng)用背景

河流懸移質(zhì)泥沙含量（含沙量）是重要的水文參數(shù)之一，河流含沙量監(jiān)測對于水利水電工程建設(shè)，水資源開發(fā)利用，水土流失治理，工農(nóng)業(yè)取水用水，水文預(yù)報等意義重大。目前水文上測量河流含沙量的主要方法是：人工取樣，使用烘干法測量含沙量。該方法從樣品的采集到分析，均需要大量人力，物力和時間的投入，而且測量周期長，操作過程繁瑣，勞動強(qiáng)度大，難以實(shí)時，在線監(jiān)測河流含沙量的變化。

近年來隨著新產(chǎn)品新技術(shù)的不斷引進(jìn)，針對河流泥沙的監(jiān)測積累了一些經(jīng)驗(yàn)，取得了一些進(jìn)展。目前，由我司研發(fā)的JBNS-100型 全自動泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)已正式投入使用，本套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)了含沙量和輸沙率的實(shí)時在線監(jiān)測。

二、全自動泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)簡介

JBNS-100型 泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由泥沙傳感器、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)（含RTU）、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理軟件和安裝支架等組成。

傳感器滿足《水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心》水文儀器特性要求。

2.1系統(tǒng)特點(diǎn)：

v 可直接輸出測點(diǎn)泥沙含量值、水深、溫度值；

v 自動計(jì)算斷面平均含沙量與輸沙率，24小時連續(xù)在線監(jiān)測；

v 支持整合多個斷面泥沙傳感器數(shù)據(jù)；

v 建立泥沙與水位、流量等相關(guān)的關(guān)系線；

v 直接生成水文規(guī)范報表，可直接參與資料整編。

2.2測量原理

本套系統(tǒng)所使用的傳感器基于組合紅外吸收散射光線法，通過逆投影成像技術(shù)，可以連續(xù)精確測定水體中的懸移質(zhì)泥沙含量。按照紅外散射光線技術(shù)不受色度影響測定懸移質(zhì)泥沙含量，可直接輸出泥沙含量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線監(jiān)測。

2.3  JBNS-100型 泥沙在線監(jiān)測儀

JBNS-100型 測沙傳感器基于組合紅外吸收散射光線法，通過逆投影成像技術(shù)可以連續(xù)精確測定水體中的懸浮泥沙含量。按照紅外散射光線技術(shù)不受色度影響測定泥沙含量濃度值，即可直接輸出泥沙含量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線監(jiān)測。根據(jù)使用環(huán)境可以選配帶自清洗功能和保護(hù)裝置。

傳感器突出特點(diǎn)：

? 傳感器采用多光束紅外散射光逆投影成像技術(shù)結(jié)合TES91算法；音叉震動與電磁感應(yīng)技術(shù)（高量程）；

? 內(nèi)設(shè)自診功能，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；

? 可選配清潔刷自動清洗功能，減少傳感器維護(hù)量；

? 數(shù)字化傳感器，抗力強(qiáng)；

? 泥沙同質(zhì)性標(biāo)定與分析識別；

? 低量程范圍：0-45 kg/m3/120kg/m3，高量程范圍：5kg-2500kg/m3，可定制型號和量程，滿足不同測驗(yàn)環(huán)境要求。

表1 JBNS-100型 泥沙傳感器規(guī)格

2.4數(shù)據(jù)采集與分析主機(jī)（含RTU功能）

系統(tǒng)主要功能如下：

（1）能自動采集及處理測沙傳感器監(jiān)測到的泥沙數(shù)據(jù)，并根據(jù)泥沙-斷沙率定公式自動計(jì)算斷面平均含沙量，支持導(dǎo)入斷面流量數(shù)據(jù)，自動計(jì)算斷面輸沙率，對泥沙進(jìn)行24小時連續(xù)在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、完整性、及時性和可靠性；

（2）可同時接收多個水文站（或監(jiān)測斷面）的泥沙含量數(shù)據(jù)，每個水文站（或監(jiān)測斷面）可同時支持多個JBNS-100型 傳感器；

（3）統(tǒng)計(jì)分析：實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)可自動傳輸并存儲在中心數(shù)據(jù)庫，并可進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可生成逐日平均懸移質(zhì)輸沙率表和逐日平均含沙量表等符合《水文資料整編規(guī)范》的多種報表，與Excel無縫對接；

（4）遠(yuǎn)程控制：遠(yuǎn)程修改參數(shù)，異常數(shù)據(jù)報警等，同時可根據(jù)用戶要求定制功能。

數(shù)據(jù)處理主機(jī)參數(shù)如下：

2.5供電系統(tǒng)

供電模塊通過太陽能電池板和蓄電池的供電方式，配備充電控制器，可用交流電對電池進(jìn)行充電。蓄電池100AH，100W太陽能板供電。

2.6數(shù)據(jù)管理軟件

自動化接收處理軟件可安裝于中心站服務(wù)器、現(xiàn)場控制服務(wù)器，軟件系統(tǒng)采用架構(gòu)為C/S和B/S兩種模式，能接收測站發(fā)來的各項(xiàng)有關(guān)信息，并能遠(yuǎn)程下載數(shù)據(jù)和設(shè)置測站工作參數(shù)。在非測流時間，能人工控制增加測次。根據(jù)測站實(shí)測數(shù)據(jù)生成《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-2015）、《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）等現(xiàn)行水文規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)所需報表。

2、能實(shí)現(xiàn)在線測流功能，嚴(yán)格依據(jù)水文測驗(yàn)規(guī)范及《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）等現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求，建立各相關(guān)要素?cái)?shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，并提供數(shù)據(jù)庫訪問權(quán)限及訪問技術(shù)支持。

3、管理要求：軟件管理上進(jìn)行權(quán)限分級，不同權(quán)限的管理者對其進(jìn)行不同程度的操作。

三、安裝設(shè)計(jì)現(xiàn)場照片）

JBNS-100型 安裝的目的是根據(jù)單點(diǎn)泥沙-斷沙率定關(guān)系計(jì)算出斷面平均含沙量，因此必須按規(guī)范布設(shè)在測驗(yàn)河道斷面具有代表性的一點(diǎn)或具有代表性的垂線的多點(diǎn)上。JBNS-100型 為側(cè)視測量，安裝時需將儀器橫立式固定（傳感器面向下游），為使JBNS-100型 在低水時仍然能實(shí)時測量，安裝深度應(yīng)該低于水位。儀器將在固定位置測量河流含沙量，安裝時應(yīng)該考慮漂浮物對儀器的造成的影響。

1、 固定式安裝，采用不銹鋼支架制作，根據(jù)現(xiàn)場情況定做支架，保證支架的強(qiáng)度。

2、 浮標(biāo)式安裝，浮體直徑1.0-2.0米不等，浮力500-800公斤，堅(jiān)固的構(gòu)造：

1）高分子聚合材料浮體

2）熱浸鍍鋅鋼板和鋁合金框架

3）所有金屬的保護(hù)與防銹采用環(huán)氧樹脂涂料

3、 水密間隔保護(hù)：

1）密封防水電控室，保護(hù)數(shù)據(jù)采集控制器與電池系統(tǒng)

2）密封O形環(huán)

3）不銹鋼艙口蓋

4、 全面的配置：

a) 太陽能電池板；

b) 水密天線

c) 防撞擊警示燈和雷達(dá)反射器；

d) 具有很強(qiáng)的固著能力的錨系統(tǒng)；

1）GPS定位系統(tǒng)

可通過程序設(shè)定浮標(biāo)經(jīng)緯度范圍（定位精度在15米以下，實(shí)時監(jiān)測浮標(biāo)的經(jīng)緯度），一旦浮標(biāo)漂離規(guī)定范圍，GPS測定后立即向預(yù)設(shè)電話報警，及時追回，有效的防止偷盜、錨纜斷裂等意外事件。接收衛(wèi)星信號，定位浮標(biāo)的位置，同時，位置數(shù)據(jù)也會被數(shù)采器采集，與監(jiān)測數(shù)據(jù)一起發(fā)送至數(shù)據(jù)服務(wù)中心。通過位置數(shù)據(jù)，可以使監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合地圖來顯示，使結(jié)果顯示更加形象具體。

2）系留系統(tǒng)

配套固定及回收系統(tǒng)，并可根據(jù)水下不同的情況選擇不同形式的錨和不同的拋錨方式，以雙錨雙纜錨泊系留系統(tǒng)為例，每個菱形錨重達(dá)百公斤，具有的固著力并便于回收，雙鏈為鋼纜和尼龍繩。穩(wěn)定錘裝有鋅保護(hù)陽極，保護(hù)儀器設(shè)備不受電化學(xué)腐蝕。該套系統(tǒng)具有耐久、維護(hù)少、便于回收的優(yōu)點(diǎn)，并且能極大的提高安全度，不易被偷盜。如下圖示：

3）系留穩(wěn)定系統(tǒng)

浮標(biāo)體配置穩(wěn)定硾，穩(wěn)定整個浮標(biāo)系統(tǒng)，在海洋中大風(fēng)大浪也不易傾斜翻到。即使被大浪打翻也能迅速回正，豎直儀器。

4）金屬太陽能板等支撐架

采用鍍鋅鋼支撐架。

四、數(shù)據(jù)處理

（1）比測

我們需要將測得的泥沙數(shù)據(jù)與人工測驗(yàn)含沙量進(jìn)行對比。

（2）分析數(shù)據(jù)，確定系數(shù)

在得到一定的率定數(shù)據(jù)后（通常需要經(jīng)歷高、中、低含沙量），我們可以通過EXCE軟件求出關(guān)系曲線和關(guān)系式。然后，我們只需要把關(guān)系式輸入到在線自動監(jiān)測平臺中，即可得到24小時不間斷的斷面懸移泥沙含量數(shù)據(jù)。

應(yīng)用JBNS-100型 在線數(shù)據(jù)與人工測驗(yàn)含沙量比測，建立關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了含沙量監(jiān)測的技術(shù)轉(zhuǎn)化，變?nèi)斯けO(jiān)測為在線自動監(jiān)測，解放生產(chǎn)力，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)含沙量實(shí)時連續(xù)在線自動監(jiān)測，在線自動監(jiān)測數(shù)據(jù)采集間隔可調(diào)，傳遞快捷，數(shù)據(jù)便以電腦儲存整編。

五、JBNS-100型 泥沙在線監(jiān)測儀的優(yōu)勢

1、在泥沙自動測量中最重要的是懸移質(zhì)（懸浮顆粒物）的同質(zhì)性，泥沙可以分為很多種，如：青沙、黃沙、棕沙等，它們的質(zhì)量不同、顏色不同，對光的反射率也不同，所以如果采用同一種方式去測同質(zhì)性不同的泥沙，得出的結(jié)果可能相差甚遠(yuǎn)。泥沙傳感器做了大量實(shí)驗(yàn)，會根據(jù)不同流域?qū)鞲衅鬟M(jìn)行分大類來標(biāo)定分析，并將逆投影成像技術(shù)計(jì)算方寫進(jìn)傳感器軟件，這樣得出最終結(jié)果的誤差會減小甚多。

2、JBNS-100型 泥沙傳感器可以根據(jù)泥沙含量的多少設(shè)置自動單次清洗次數(shù)和清洗時間間隔。

3、JBNS-100型 泥沙傳感器是直接根據(jù)質(zhì)量來標(biāo)定和計(jì)算，所以可以直接輸出質(zhì)量單位（mg/L或Kg/m3）。在測量泥沙含量時無需通過濁度（NTU）來換算成重量單位（mg/L或Kg/m3），測量結(jié)果更直觀，無需換算。

六、系統(tǒng)配置清單