全自動泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)

一、系統(tǒng)應用背景

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，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，勞動強度大，難以實時，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，針對河流泥沙的監(jiān)測積累了一些經(jīng)驗，取得了一些進展。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)可以實現(xiàn)了含沙量和輸沙率的實時在線監(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)督檢驗測試中心》水文儀器特性要求。

2.1系統(tǒng)特點：

v 可直接輸出測點泥沙含量值、水深、溫度值；

v 自動計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)，實現(xiàn)實時在線監(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)，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測。根據(jù)使用環(huán)境可以選配帶自清洗功能和保護裝置。

傳感器突出特點：

? 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技術(shù)（高量程）；

? 內(nèi)設自診功能，保證數(shù)據(jù)準確；

? 可選配清潔刷自動清洗功能，減少傳感器維護量；

? 數(shù)字化傳感器，抗力強；

? 泥沙同質(zhì)性標定與分析識別；

? 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（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算斷面平均含沙量，支持導入斷面流量數(shù)據(jù)，自動計算斷面輸沙率，對泥沙進行24小時連續(xù)在線監(jiān)測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的準確性、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)計分析：實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)可自動傳輸并存儲在中心數(shù)據(jù)庫，并可進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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）遠程控制：遠程修改參數(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器、現(xiàn)場控制服務器，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)來的各項有關(guān)信息，并能遠程下載數(shù)據(jù)和設置測站工作參數(shù)。在非測流時間，能人工控制增加測次。根據(jù)測站實測數(shù)據(jù)生成《河流流量測驗規(guī)范》（GB50179-2015）、《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）等現(xiàn)行水文規(guī)范、標準所需報表。

2、能實現(xiàn)在線測流功能，嚴格依據(jù)水文測驗規(guī)范及《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）等現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范、標準要求，建立各相關(guān)要素數(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：軟件管理上進行權(quán)限分級，不同權(quán)限的管理者對其進行不同程度的操作。

三、安裝設計現(xiàn)場照片）

JBNS-100型 安裝的目的是根據(jù)單點泥沙-斷沙率定關(guān)系計算出斷面平均含沙量，因此必須按規(guī)范布設在測驗河道斷面具有代表性的一點或具有代表性的垂線的多點上。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 在低水時仍然能實時測量，安裝深度應該低于水位。儀器將在固定位置測量河流含沙量，安裝時應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，保證支架的強度。

2、 浮標式安裝，浮體直徑1.0-2.0米不等，浮力500-800公斤，堅固的構(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）所有金屬的保護與防銹采用環(huán)氧樹脂涂料

3、 水密間隔保護：

1）密封防水電控室，保護數(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反射器；

d) 具有很強的固著能力的錨系統(tǒng)；

1）GPS定位系統(tǒng)

可通過程序設定浮標經(jīng)緯度范圍（定位精度在15米以下，實時監(jiān)測浮標的經(jīng)緯度），一旦浮標漂離規(guī)定范圍，GPS測定后立即向預設電話報警，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)定錘裝有鋅保護陽極，保護儀器設備不受電化學腐蝕。該套系統(tǒng)具有耐久、維護少、便于回收的優(yōu)點，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)

浮標體配置穩(wěn)定硾，穩(wěn)定整個浮標系統(tǒng)，在海洋中大風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)與人工測驗含沙量進行對比。

（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)。

應用JBNS-100型 在線數(shù)據(jù)與人工測驗含沙量比測，建立關(guān)系，實現(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，實現(xiàn)含沙量實時連續(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。泥沙傳感器做了大量實驗，會根據(jù)不同流域?qū)鞲衅鬟M行分大類來標定分析，并將逆投影成像技術(shù)計算方寫進傳感器軟件，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)量來標定和計算，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