本發(fā)明涉及水文監(jiān)測，具體的，涉及一種水文全要素監(jiān)測浮標以及使用方法。
背景技術(shù)：
1、水文全要素包含：水位、流量、含沙量、泥沙顆粒，降雨，蒸發(fā)、水質(zhì)等，其中最關(guān)鍵的是“水流含”，即水體的水位、流量以及含沙量。
2、現(xiàn)有水位監(jiān)測方法：一是采用傳統(tǒng)水尺樁人工觀測；二是采用接觸式水位傳感器，比如浮子式水位儀，氣泡壓力式水位儀等；三是采用非接觸式水位儀，比如雷達式水位儀等。
3、水位監(jiān)測缺點：一是工作量較大。接觸式和非接觸式的水位儀均需要通過水尺樁讀取數(shù)據(jù)比測獲得準確的水位數(shù)值。水位數(shù)值＝水尺零點高程+水尺讀數(shù)。水尺零點高程仍需采用傳統(tǒng)的水準測量方法，通過已知控制點接測。二是接觸式水位儀雖然精度較高，但普遍故障率較高，維護成本高。三是非接觸式水位儀故障率相對較低，但精度偏低。四是現(xiàn)有水位儀需要在河岸附近開展大量的基建工作，成本較高。
4、現(xiàn)有流量監(jiān)測方法：一是采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀觀測，精度高；二是采用adcp走航施測，是現(xiàn)有流量監(jiān)測的主流方案，精度高，速度快，成果可靠；三是采用流量在線監(jiān)測的方法，有代表流速法、時差法等，是現(xiàn)有流量監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展發(fā)現(xiàn)，能夠?qū)崟r監(jiān)測河道流量，少數(shù)測站已采用。
5、流量監(jiān)測缺點：一是傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀，雖然精度高，但工作量巨大，現(xiàn)已逐步淘汰，主要用作流量監(jiān)測的比測；二是adcp走航施測，需要布置的測試較多，船載adcp，安全風險大、成本較高，而搭載無人船又風險較大，只在小河流適用；三是流量在線監(jiān)測方法，需要根據(jù)測站特性選擇，目前成果精度一般，需要采用adcp走航或者轉(zhuǎn)子流速儀比測后適用。
6、現(xiàn)有含沙量監(jiān)測方法：主要采用橫式采樣器取樣，并采用烘干稱重法計算含沙量。懸移質(zhì)含沙量的采樣、分析及計算均由人工操作，且從懸移質(zhì)水樣采集到含沙量成果出來一般都需要在一周以上；二是在線測沙儀一般具有直接測量和自記功能，可現(xiàn)場實時得到含沙量。根據(jù)測量原理，主要有光電測沙儀、超聲波測沙儀、同位素測沙儀和振動測沙儀等。
7、含沙量監(jiān)測缺點：一是橫式采樣器取樣安全性、時效性等較差；二是在線測沙儀精度差異較大，是目前主流的研究方向。
8、現(xiàn)有水位、流量、含沙量監(jiān)測都是單獨建設(shè)以及獨立監(jiān)測的，存在重復建設(shè)的問題，建設(shè)和監(jiān)測成本高，操作專業(yè)性強，復雜程度高。本發(fā)明在已有的監(jiān)測方法中，基于北斗gnss?rtk技術(shù)，設(shè)計一種可靠的一體化監(jiān)測浮標，簡化監(jiān)測方法，提高監(jiān)測精度，實現(xiàn)水文全要素監(jiān)測。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提出一種水文全要素監(jiān)測浮標以及使用方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中水位、流量、含沙量監(jiān)測都是單獨建設(shè)以及獨立監(jiān)測的，存在重復建設(shè)的問題，建設(shè)和監(jiān)測成本高，操作專業(yè)性強，復雜程度高的問題。
2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種水文全要素監(jiān)測浮標，包括：
3、船體型浮標主體，所述船體型浮標主體的整體長度為3m，所述船體型浮標主體的船頭內(nèi)設(shè)有艙室，且船尾底部設(shè)有廣角槽；
4、adcp，安裝于所述船體型浮標主體的廣角槽內(nèi)，并距離所述船體型浮標主體船頭的距離為1m，所述adcp的探頭位于水下0.3m±0.05m處，所述adcp的探頭在廣角槽內(nèi)具有110°探測廣角；
5、北斗gnss系統(tǒng)，包含gnss主機、gnss定位天線和gnss定向天線，所述gnss定位天線與adcp處于同一豎直軸線上，且距離所述船體型浮標主體船頭的距離為1m，所述gnss定位天線與gnss定向天線同處于1m高度位置；
6、在線測沙儀，安裝于所述船體型浮標主體的中心位置，距離所述船體型浮標主體船頭的距離為1.5m，所述在線測沙儀的探頭位于水下1.5m±0.1m處；
7、遙測終端rtu，分別與北斗gnss系統(tǒng)、adcp、以及在線測沙儀電連接；
8、十字形錨泊設(shè)施，用于將船體型浮標主體錨固于指定位置，所述十字形錨泊設(shè)施由四根呈十字形分布的錨鏈構(gòu)成，每個錨鏈之間的夾角為90°；
9、警報器，與所述gnss定向天線處于同一豎直軸線上；
10、太陽能供電系統(tǒng)，用于為北斗gnss系統(tǒng)、adcp、在線測沙儀、遙測終端rtu以及警報器提供電源，太陽能供電系統(tǒng)包含太陽能板與蓄電池組，所述蓄電池組安裝于艙室內(nèi)，所述太陽能板安裝于gnss定向天線的支撐架上。
11、優(yōu)選的，所述adcp探頭的波束角為20°。
12、優(yōu)選的，所述在線測沙儀與adcp的水平間距d滿足：d>(h.adcp-h.sand)*tanθ，其中θ＝20°，h.adcp＝0.3m，h.sand＝1.5m。
13、基于上述一種水文全要素監(jiān)測浮標，本發(fā)明還提出其使用方法，
14、包括水位監(jiān)測方法、流量監(jiān)測方法以及含沙量監(jiān)測方法，其中水位監(jiān)測方法包括以下步驟：
15、步驟一，通過所述gnss定位天線實時獲取北斗高程數(shù)據(jù)h.gps；
16、步驟二，計算水位值h＝h.gps-h.0，其中h.0為gnss天線至水面的固定校準值。
17、優(yōu)選的，所述水位監(jiān)測方法在有風環(huán)境下的監(jiān)測時，當船體型浮標主體1發(fā)生橫搖的情況下，h.gps采用所述gnss定位天線的算數(shù)平均值。
18、優(yōu)選的，所述水位監(jiān)測方法在有風環(huán)境下的監(jiān)測時，當船體型浮標主體發(fā)生縱搖的情況下，h.gps采用所述gnss定位天線與所述gnss定向天線的算數(shù)平均值，將所述gnss定位天線與所述gnss定向天線的gnss數(shù)據(jù)進行滑動平均濾波，濾波窗口為5分鐘×1500個數(shù)據(jù)點。
19、優(yōu)選的，所述流量監(jiān)測方法包括以下步驟：
20、步驟一，通過監(jiān)測的水位監(jiān)測值和大斷面形狀，計算出大斷面面積a，a＝f(h)，其中f(h)為大斷面面積與水位的動態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)；
21、步驟二，再根據(jù)adcp監(jiān)測的垂線平均流速v1或者多個監(jiān)測浮標adcp監(jiān)測的垂線平均流速v2，計算斷面平均流速v＝av1+bv2+…+c；
22、步驟三，最后計算斷面流量q＝v*a。
23、優(yōu)選的，所述流量監(jiān)測方法包括以下步驟：
24、步驟一，通過遙測終端rtu同步控制北斗gnss系統(tǒng)、adcp、在線測沙儀的數(shù)據(jù)采集，利用北斗gnss系統(tǒng)的秒脈沖信號實現(xiàn)多設(shè)備的高精度時間同步，消除異步觀測誤差；
25、步驟二，流量-含沙量耦合，結(jié)合adcp計算的流量q與在線測沙儀測得的含沙量s，通過輸沙率q×s一致性校驗動態(tài)修正測沙儀偏差；
26、步驟三，異常數(shù)據(jù)識別與修復，通過北斗gnss系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)檢測浮標位移或傾斜，如船體型浮標主體橫搖超過5°時觸發(fā)警報器預(yù)警，自動屏蔽異常時段的含沙量數(shù)據(jù)；
27、步驟四，結(jié)合adcp的流速分布特征，如垂線平均流速v的合理性，判斷測沙儀數(shù)據(jù)可信度，在數(shù)據(jù)可信時進行記錄。
28、本發(fā)明的有益效果為：
29、1、本發(fā)明采用多要素一體化集成設(shè)計，將adcp(流速監(jiān)測)、北斗gnss(水位與定位)、在線測沙儀(含沙量監(jiān)測)、太陽能供電系統(tǒng)等核心模塊集成于船體型浮標主體內(nèi)，形成一體化監(jiān)測平臺，減少重復建設(shè)成本，相對于傳統(tǒng)監(jiān)測需單獨部署水尺、流速儀、測沙站等設(shè)施，而本發(fā)明通過集成設(shè)計實現(xiàn)多參數(shù)同步監(jiān)測，降低硬件重復投入，且集中式管理減少了設(shè)備分散帶來的維護難度，適用于偏遠或復雜水域環(huán)境；
30、2、本發(fā)明采用高精度抗干擾監(jiān)測技術(shù)，通過gnss定位天線獲取高程數(shù)據(jù)，結(jié)合固定校準值計算水位，在有風浪時采用算數(shù)平均或滑動濾波算法消除縱搖/橫搖誤差，利用gnss定向天線輔助adcp流量計算，解決磁羅盤受干擾問題，提升流量精度，通過gnss數(shù)據(jù)實時監(jiān)測浮標姿態(tài)，橫搖超5°時觸發(fā)警報并屏蔽異常數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)可靠性；
31、3、本發(fā)明adcp與測沙儀協(xié)同優(yōu)化，通過將adcp探頭位于水下0.3m±0.05m，測沙儀探頭位于1.5m±0.1m，水平間距d滿足聲波干擾最小距離，避免相互干擾，通過輸沙率(q×s)一致性校驗動態(tài)修正測沙儀偏差，提高含沙量測量準確性；
32、4、本發(fā)明采用四根錨鏈呈十字分布(夾角90°)，提升浮標在復雜水流中的穩(wěn)定性，減少漂移和傾斜，針對風浪導致的浮標晃動，采用gnss雙天線數(shù)據(jù)融合(定位+定向)和滑動濾波算法，確保水位監(jiān)測精度；
33、5、本發(fā)明集成太陽能板與蓄電池組，提供可持續(xù)能源，適應(yīng)野外長期監(jiān)測需求，減少維護頻率，支持多設(shè)備數(shù)據(jù)同步采集與遠程傳輸，實現(xiàn)實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享；
34、6、本發(fā)明具備異常數(shù)據(jù)識別與修復，通過gnss姿態(tài)監(jiān)測和流速分布合理性判斷(如垂線平均流速v的閾值檢測)，自動屏蔽不可信數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，結(jié)合大斷面面積動態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)(a＝f(h))和流量-含沙量耦合模型，實現(xiàn)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整，適應(yīng)不同水文條件。