河床地形实时在线监测系统开发及其应用

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(1.广东水利电力职业技术学院 水利工程系，广州 510635；2.河海大学 水利水电学院，南京 210098)

河床地形实时在线监测系统开发及其应用

晏成明1，陈红2，吴严君2，张军1

(1.广东水利电力职业技术学院 水利工程系，广州 510635；2.河海大学 水利水电学院，南京 210098)

2017,34(12):130-132，154

实时地形数据有利于河床演变分析和工程评估。基于超声波、4G无线传输、网络数据库等技术，研发了河床地形实时在线监测系统。为消除温度、盐度等因素对测量结果的影响，设计了超声波声速校核装置:利用固定校核面反射超声波信号，通过计时器获取超声波发射和反射信号时间间隔，从而反演超声波声速，实现对声速的实时校正。系统应用到姚江大闸下游河床地形监测，监测时段内河床地形淤积了0.041 m，对应时段内GPS-RTK测量结果为河床地形淤积了0.050 m，2种方法测量结果基本一致。实践应用结果表明本系统监测数据可靠，能用于地形实时监测中。

河床地形；实时在线监测； 4G无线技术；Winsock；声速校核

1 研究背景

河床地形数据是河流开发、航道整治、河床演变分析的基础资料，可用于航道回淤、水沙运动规律等研究。陈辉等[1]应用地形数据评估了长江沉排护岸工程运行状况；刘杰等[2]通过对地形资料的分析，获取了长江口九段沙近期演变及北槽航道回淤情况；黄建成等[3]根据地形资料研究了三峡工程地下电站引水区泥沙冲淤变化，获取了泥沙淤积量，为排沙方案的制定提供技术支持。显然，地形数据对于水沙运动规律研究及水利工程设计、建设及后期评估非常重要。

河床地形测量主要分为典型断面和河段地形测量，典型断面主要采用走航式Acoustic Doppler Current Profilers(简称ADCP)测量，河段地形主要采用测深仪和GPS-RTK组合方式进行测量。ADCP和GPS-RTK测量方法均无法实现实时在线监测，只能定期测量。受水流流态及运行成本限制，定期测量时间间隔一般较大，无法及时评估河床演变，妨碍了对水沙运动规律及工程影响的准确分析。因此，迫切需要一种河床地形实时监测技术。

超声波测量技术具有测量精度高、测量范围大等优点，已广泛应用于水下地形测量。然而，因水温、盐度、压力对超声波传播速度存在影响，虽然已有研究者[4-6]建立了相应校核计算模型，通过理论计算修正超声波传播速度，但现场环境极其复杂，理论计算的超声波传播速度与实际情况存在一定偏差。对于长期实时在线观测的超声波测试系统，应建立一种新的声速实时校核方法。

2 系统设计

2.1 系统结构

图1 系统结构

系统结构如图1所示，包括超声波测量探头、无线传输模块、服务器、手机移动终端和电脑终端等设备。超声波探头频率为200 kHz，测量范围为0.4～200 m，其中声学传感器和数字收发电路集成一体，采用RS485进行数据通信。超声波测量探头收到采集命令后，启动测量，测量数据经RS485传输至无线模块，无线传输模块利用4G移动网络将数据传输到Internet网络服务器，经分析校核存入数据库。电脑或手机等终端设备通过浏览器访问数据库读取相应地形数据。

图2 声速校核装置

2.2 声速校核

目前河床地形测量主

要采用超声波技术，其测量原理如图2所示。超声波探头P1发射超声波，到达河床床面发生反射，经时间t后探头P1再次接收超声波反射信号。已知超声波传播速度V，则超声波探头至河床界面的距离H1为

H1=Vt/2 。

(1)

超声波在水中传播速度V受水温等因素影响，虽然已有研究者建立传播速度与温度之间关系[6-7],然而，实际中超声波传播速度还受到盐度、压力等多种因素影响，仅依靠理论公式难以精确获取声速。因而，设计了超声波传播速度校核装置(如图2所示)，在安装承台上设立固定校核面，其中超声波校核探头P0至固定校核面的距离为H0，通过监测电路获取探头P0发射至接收超声波反射信号的时间为t0，则声速V0为

V0=2H0/t0。

(2)

将V0代入式(1)，即可准确获取H1。

3 系统开发

系统采用Visual Basic语言开发，数据库为SQL Server。服务器一直处于监听状态，超声波探头测量数据经4G无线网络传输至服务器，服务器利用Winsock接收数据，并存入SQL Server数据库。

3.1 网络监听

Winsock_listen.LocalPort=1000

Winsock_listen.Listen

监听模块启动前应先设置网络号，应与4G无线模块网络号一致，再开启Winsock监听功能。

3.2 数据接收

当Winsock监听到网络端口连接请求时，触发Listener_ConnectionRequest(ByVal requestID As Long)函数，系统自动寻找空闲Socket建立相应连接。相应的代码为

Sock(SockIndex).Accept (requestNum)

连接建立后，网络端口收到数据将触发Sock_DataArrival(Index As Integer, ByVal bytesTotal As Long)函数，其以字符串格式读取端口数据，赋值给变量m_information。代码为

Sock(Index).GetData m_information, vbString

3.3 数据存储

运用ODBC方式连接SQL Server数据库[8]，将数据源名称设置为“Demdata_DB”，则与数据库的连接代码为：

Set Datasorc=Server.CreateObject(“ADODB.Connection”)

Datasorc.open “dsn=Demdata_DB”

Set Dem_rs=Server.CreateObject(“ADODB.Recordset”)

contstr=“select * from DEMdata”

Dem_rs.open contstr,Datasorc,1,3

地形数据表名称为DEMdata ，包含时间、实测地形、温度、超声波校核速度等字段。

4 实践应用

姚江自源头在三江口与奉化江汇流形成甬江，全长107.4 km，流域面积(东排面积)1 479.2 km2。姚江原为感潮河段，1959年在距离河口3.3 km处修建了姚江大闸，潮流受闸控作用无法上溯，仅闸下3.3 km河段为感潮区间，导致潮波变形严重，破坏了原有水沙平衡，闸下游发生严重淤积[9]。姚江大闸下游建闸前平均水深为6.2 m，建闸后水深减小至4 m[10-11]，严重影响通航。另外，姚江大闸建成后8 a内，河床淤积了368 万m3，大闸排水能力由设计流量725 m3/s减小到450 m3/s[9]，严重削弱了河道行洪能力。

2010年恢复性清淤完成，对姚江三江口、解放桥下、宁波图书馆及宁波大剧院断面进行了地形监测，断面面积分别为543.7，849.4，811.0，1 024.2 m2；2013年再次对相应断面进行了地形测量，对应面积分别为519.6，510.0，486.1，834 m2。数据表明姚江大闸下游过流断面面积大幅减小，河床回淤严重。为维持姚江通航和行洪能力，每年航运、水利等部门均需要对姚江河道进行清淤。然而，姚江河床冲淤变化受到甬江潮位、含沙量、径流等多种因素影响，回淤量在时间上极为不平衡，只有通过在线监测分析评估河床地形实时变化情况，才能制定科学合理的姚江大闸调度及清淤方案。因此，将本系统应用到姚江大闸下游河床地形监测。

选取解放桥下游100 m、离右岸100 m处安装监测系统，自2013年6月15日对河道地形进行了实时监测，采样时间间隔为1 h，连续测量了32 d，河床高程变化如图3所示。

图3 河床高程变化Fig．3 Changesofriverbedelevation

图3(a)为2013年6月24日逐时河床高程变化，河床高程在24 h内有冲有淤。查询姚江大闸放水过程，6月24日9：00—11:00和13:00—22:00，姚江大闸均有泄流。因而，24日河床总体上呈现微冲，由于姚江大闸上下游水位变化不大，冲刷效果不明显，其冲淤趋势符合实际规律。

图3(b)为2013年6月15日—7月16日逐日河床高程变化，河床总体上呈缓慢淤积态势，局部时段姚江大闸泄流，流速有所增加，河床表现冲刷状态。6月15日—7月16日河床总体上呈淤积趋势，淤积厚度为0.041 m。对比6月10日、7月28日的GPS-RTK监测数据，其数据表明该点在此期间淤积了0.050 m，与本套监测系统测量数据基本一致。实践应用结果表明本系统监测数据可靠，能用于地形实时监测中。

5 结 语

为获取河床地形变化实时概况，基于超声波测深技术研发了河床地形实时监测系统：①设计了系统结构，搭建了地形测量、数据传输和数据存储功能模块；②构建了超声波传播速度实时矫正装置，实现了声速的实时校核，提高了河床地形测量精度；③基于Winsock控件开发了数据采集模块，经网络监听、网络连接等过程，完成了河床地形数据的实时采集和存储；④将监测系统应用于姚江解放桥下游河床地形实时监测，测量数据与GPS-RTK监测数据基本一致，表明本系统监测数据可靠。

当前监测系统仅为单点测量，难以反映河床整体变化趋势，需要进一步增加监测点；同时，由于监测系统的安装对航道产生了一定影响，下一步应优化安装方式，减小对航运的影响。

[1] 陈 辉，吴 杰，赵 钢，等.多波束测深系统在长江沉排护岸工程运行状况监测中的应用[J].长江科学院院报，2009,26(7):14-16.

[2] 刘 杰，赵德招，程海峰.长江口九段沙近期演变及其对北槽航道回淤的影响[J].长江科学院院报，2010,27(7):1-5.

[3] 黄建成，金中武，陈义武.三峡工程地下电站引水区泥沙冲淤变化研究[J].长江科学院院报，2012, 29(10):16-20.

[4] 潘天放.高精度超声波液位计的研究[J].南京：南京理工大学，2010.

[5] 张振生.基于温度补偿的超声波测距系统的研究[J].天津：天津大学，2011.

[6] 张攀峰,王玉萍,张 健,等.带有温度补偿的超声波测距仪的设计计算机测量与控制[J].计算机测量与控制，2012,20(6):1717-1719.

[7] 赵玉刚,王桂荣,郭淑珍,等. SQL Server数据库系统应用设计[M]. 北京:清华大学出版社,2012 .

[8] 柳 玲，徐 玲，王志平，等.数据库技术及应用实验与课程设计教程[M].北京：清华大学出版社，2012.

[9] 严文武.宁波三江河道水沙特性及冲淤变化规律[J].水利水运工程学报，2011，(4):143-148.

[10] 袁美琦.甬江河道淤积问题的分析[J].水道港口，1982，(2): 11-14.

[11] 沈承烈.甬江的冲淤规律及其影响因素[J].杭州大学学报，1983， 10(4) : 534-544.

Development and Application of a Real-timeMonitoring System for River Terrain

YAN Cheng-ming1, CHEN Hong2, WU Yan-jun2, ZHANG Jun1

(1.Department of Water Conservancy, Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering, Guangzhou 510635, China; 2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Real-time topographic data are useful for river bed evolution analysis and engineering assessment. In this article, a real-time online monitoring system for riverbed terrain is developed based on ultrasonic technology, 4G wireless transmission and network database. An ultrasonic sound speed calibration device is presented to eliminate the influence of temperature and salinity on measurement results. The sound speed is obtained by inversion and is calibrated in real time according to the time intervals of ultrasonic transmission and reflection signal acquired by timer. The system is applied to the terrain monitoring in the downstream of Yaojiang Gate. In monitoring period, the river bed silted by 0.041 m, while the GPS-RTK observation result is 0.050 m, consistent with each other in general. Practice has shown that the presented system is reliable and feasible in real-time monitoring of river terrain.

riverbed terrain; real-time online monitoring; 4G wireless technology; Winsock; sound speed calibration

2016-09-18；

2016-11-08

国家自然科学基金项目(51309083)；广东水利科技创新项目(2016-03)；重大科学仪器设备开发专项(2011YQ070055)

晏成明(1976-)，女，湖南华容人，副教授，博士，主要从事水利工程技术、河道整治等研究工作，(电话)020-87993743(电子信箱)1006680625@qq.com。

陈 红(1981-)，男，重庆人，高级工程师，博士，主要从事现代流体测试、河流模拟、水利信息化等研究工作，(电话)025-58099169(电子信箱)496443687@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160960

TV14

A

1001-5485(2017)12-0130-03

Winsock控件，用于监听和响应网络数据交互请求，Winsock控件数量应多于网络连接数量。监听模块代码如下：

(编辑：罗 娟)