CN106198294B - 野外径流泥沙自动监测设备及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种野外径流泥沙自动监测设备及监测方法，包括包括筒体，所述筒体顶部设与径流进水管连接的进水阀、中部设有储流室、底部侧壁设出水阀，所述进水阀下方设锥形导水板；所述储流室底面为经支撑结构支撑在筒体底面的斜坡形储水底板，所述斜坡形储水底板的最低端与出水阀下端对应；所述筒体侧壁设有至少一个水位探针，且最低位置的水位探针高度与所述斜坡形储水底板的最高端齐平；所述筒体底面设有称重传感器。本发明还包括采用上述设备进行野外径流泥沙自动监测的方法，本发明结构极为简单可靠、操作简便、能耗低、自动化程度高、排沙效果好、准确性高、生产和维护成本低，本发明方法简单、可靠、计算方法简单、准确性高，操作性强。

Description

野外径流泥沙自动监测设备及监测方法

技术领域

本发明公开了一种径流泥沙自动监测设备及监测方法，具体地说是一种野外径流泥沙自动监测设备及监测方法。

背景技术

水土流失中的径流含沙量是衡量水土流失的重要参数之一，也是水土保持监测的主要内容。根据测量原理的不同，泥沙测量方法可分为：直接测量方法和间接推导方法。基于间接推导法设计的径流泥沙自动监测设备往往受到诸多条件的限制，如电力条件、维护管理、成本等，这些径流泥沙自动监测设备常常被应用于实验室或管理水平较高的区域，在野外推广应用的难度较大。

基于直接测量方法设计的径流泥沙自动监测设备则主要受制于测量精度与自动化水平，如当前利用比重法设计的径流泥沙自动监测设备大量运用了小型径流瓶或称重瓶作为承载工具，其测量误差较大，且十分容易淤积，不便于管理维护；同时大部分径流泥沙自动监测设备需要搅拌或抽水设备，对电力供能提出了较高的要求，这些也都限制了其在偏远地区的应用。

如专利201510121355.0基于两个虹吸式进水混匀，并利用小型称重瓶进行称重，这种设备容易淤积，在维护管理上存在一定制约性；专利201410232617.6利用了马达传动，可以自动取样并测定多层次径流量和泥沙量，但测量泥沙量需要停止进水，且测定泥沙自动化程度低，这限制了其在野外使用，专利201520151152.1利用了三次虹吸装置后进入称重瓶体，并使用了悬臂梁式称重传感器称重，使用叶轮计数计算流量，结构受限于称重瓶体的大小且无法减小水流冲量称重传感器的影响，存在一定的误差，在无人值守时，可靠度有限。

综上，目前为止，用于野外水土流失径流泥沙自动监测的设备设计存在以下技术问题：(1)野外环境恶劣、无人值守，设备结构复杂不易维护、使用寿命短、自动化程度低、准确性和稳定性差； (2)需要电机或马达，能耗高、供电困难、生产制造成本增加；(3) 径流由进口通入筒体内时分布不均，冲击液面，导致水位信号和重量信号采集不准确。(4)设备容易淤积泥沙，完成一个阶段性监测后泥沙的充分排空成为问题，从而使得下一次测量的准确性下降。 (5)由于无人值守，因此该设备必须适应野外作业要求，满足全程自动操作、分析和传输的功能。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构极为简单可靠、操作简便、能耗低、自动化程度高、排沙效果好、准确性高、生产和维护成本低的野外径流泥沙自动监测设备。

本发明还提供一种使用上述设备对野外径流泥沙自动监测的方法。

本发明设备包括筒体，所述筒体顶部设与径流进水管连接的进水阀、中部设有储流室、底部侧壁设出水阀，所述进水阀下方设锥形导水板；所述储流室底面为经支撑结构支撑在筒体底面的斜坡形储水底板，所述斜坡形储水底板的最低端与出水阀下端对应；所述筒体侧壁设有至少一个水位探针，且最低位置的水位探针高度与所述斜坡形储水底板的最高端齐平；所述筒体底面设有称重传感器。

所述进水阀与锥形导水板之间设有凹型溢水槽，

所述锥形导水板经支撑过滤网固定在侧壁上，且锥形导水板端部与侧壁间具有0.4-0.6cm间隙。

所述斜坡形储水底板的倾斜角度为30°～50°。

还包括有控制单元，所述控制单元包括单片机，所述单片机分别与进水阀和出水阀的阀门控制器、水位探针、称重传感器和计时器连接。

还包括有与单片机连接的远距离无线通讯单元。

所述远距离无线通讯单元为北斗传输模块，设备可将数据进行压缩后传输，信号稳定、适用于通讯条件恶劣的的野外条件。

还包括有供电单元，所述供电单元包括蓄电池、以及与所述蓄电池连接的风光互补发电***。

发明人对现有各种测量设备进行了深入研究，改进如下：(1) 为了解决进水冲击大、分布不均的问题，在进水阀下方设计了凹型溢水槽、锥形导水板和支撑过滤网，凹型溢水槽能够削弱径流直接冲击力，并能将径流中泥沙分散，径流可随凹型溢水槽溢出；锥形导水板用于承接由凹型溢水槽溢出的液体，将其沿锥面向周部均匀分散，使径流沿侧壁流入储流室中，避免直接冲击液面，提高测量的准确性，优选锥形导水板端部与筒壁间的间隙控制在0.4-0.6cm，过大会造成径流不能沿壁留下，对水位探针有影响，过小会造成进流缓慢，有大量泥沙时甚至会堵塞，影响测量准确性；所述支撑过滤网可以防止树叶石块等随径流进入储液室，保证测量的准确性； (2)创造性的在储流室底面设计了斜坡形储水底板，一方面斜坡形储水底板具有导向作用，减少储流室底部的液体存量，排水时，有利于将含泥沙的径流引向排水阀，能实现快道排水，提高检测效率；另一方面，斜坡形储水底板不易淤积泥沙，排水时，储流室内液体可对板面进行冲刷，为下一阶段的准确测量提供有力保障，设备不易损坏、减少维护成本。(3)设置至少一个水位探针，且使最低位置的水位探针高度与所述斜坡形储水底板的最高端齐平，基于斜坡形储水底板的存在，最低位置的水位探针的设计位置不可过低，如果低于斜坡形储水底板的最高端，则可能受泥沙影响采集的准确性，也不利于计算；并且，当仅一个水位探针时，还会使储流室内的水位低于斜坡形储水底板的最高端，导致无法对斜坡形储水底板形成有效冲刷。(4)通过阀门控制器控制进水阀和出水阀的开闭，所述阀门可以使用例如电磁阀等快速响应的阀门。整个控制过程可通过单片机控制，真正意义上的实现无人看守的自动化。(5)利用单片机经水位探针采集水位信号，经称重传感器采集储流室内的重量信号，经计时器记录到达某一水位的时间，结合已知的其它数据，可在单片机中实现计算分析，得到目标数据，并通过远距离无线通讯单元实现数据传输；(6)整个设备中不使用电机或马达，自动化的同时，能耗控制极低、可采用蓄电池供电，进一步的，还可连接风光互补发电***对蓄电池提供电能，满足野外作业的各种要求，适应野外作业的恶劣环境。

使用上述设备对野外水土流失径流泥沙自动监测方法，包括以下步骤：

(1)控制开启进水阀，径流进水管流入的径流经进水阀流入筒体内的储流室，当水位到达最低位置的水位探针时被该水位探计感应，发送信号给单片机，控制计时器记录时间t1，称重传感器采集重量M1；同时控制进水阀关闭，出水阀开启，将筒体内的液体排出；

(2)在单片机中行进下述数据处理：结合已知的最低位置的水位探针的高度即低水位h₁、筒体半径r和水的密度ρ_水，代入公式计算：t₁阶段径流流量t₁阶段体积泥沙率

(3)将计算结果和数据经远距离无线通讯单元发送给远程接收端；

(4)排水结束后，称重传感器和计时器重新归0，控制打开进水阀，关闭出水阀，进入下一个测量流程。

进一步的，当筒体内设有n个不同垂直高度的水位探针时，则步骤(1)中，控制进水阀持续进水，水位依次被不同垂直高度的水位探针感应，则计时器相应记录t₁、t₂……t_n,称重传感器采集重量M₁、 M₂……M_n，直至最高的水位探针感应到水位后，控制进水阀关闭，出水阀开启，将筒体内的液体排出；

步骤(2)中，在单片机中行进下述数据处理：结合已知的n个不同位置的水位探针的高度即水位h₁、h₂……h_n、筒体半径r、筒体底面积πr²和水的密度ρ_水，代入公式计算，得到阶段径流流量和泥沙率的平均值Q和S：

本发明设计结构极为简单可靠、操作简便、无电动马达或电机、能耗低、自动化程度高、准确性高、生产和维护成本低，使用寿命长、排沙效果好，实际使用时设备内无泥沙淤积、长时间使用也能保持优异的准确性、特别适用于野外水土流失径流泥沙自动监测。本发明方法简单、可靠、计算方法简单、准确性高，操作性强。

附图说明

图1为本发明设备结构示意图。

图2为本发明设备控制原理图。

图3为含沙量测试值与标准值的对比分析图。

图4为径流量测试值与标准值的对比分析。

其中，1.径流进水管；2.进水电磁阀门；3.凹型溢水槽；4.电磁阀门控制器；5.支撑过滤网；6.锥形导水板；7.储流室；8.计时器；9.上水位探针；10.下水位探针；11.出水电磁阀门；12.底座卡口；13.称重传感器；14.支撑杆；15.斜坡型储水底板；16.筒体；17. 间隙；18.蓄电池；19.单片机、20.北斗数据传送单元；21.底座；22. 风光互补发电***。

具体实施方式

下面结合附图对本发明设备作进一步解释说明：

参见图1，本发明设备包括用于筒体16、控制单元、远距离无线通讯单元和为设备供电的供电单元。

所述筒体16顶部设与径流进水管1连接的进水阀(本实施例中为进水电磁阀门2)、中部设有储流室7、底部侧壁设出水阀(本实施例中为出水电磁阀门11)，所述进水电磁阀门2下方设凹型溢水槽3，所述凹型溢水槽3下方锥形导水板6(优选为圆锥形)，所述锥形导水板6经支撑过滤网5固定在侧壁上，且锥形导水板6端部与侧壁间具有0.4-0.6cm间隙17所述储流室7底面为经支撑结构 (本实施例为支撑杆14)支撑在筒体底面的斜坡形储水底板15，所述斜坡形储水底板15的倾斜角度a为30°～50°，其最低端与出水电磁阀门11下端对应；所述筒体侧壁设有至少一个水位探针(本实施例中设有上水位探针9和下水位探针10)，且最低位置的水位探针(下水位探针10)高度与所述斜坡形储水底板15的最高端齐平；所述筒体16底面设有称重传感器13。

所述控制单元包括单片机19，所述单片机19分别与进水电磁阀门2和出水电磁阀门11的电磁阀门控制器4、上水位探针9、下水位探针10、称重传感器13和计时器8连接。

所述远距离无线通讯单元为北斗数据传送单元20，可将数据进行压缩后传输，信号稳定、适用于通讯条件恶劣的的野外条件。

所述供电单元包括蓄电池18、以及与所述蓄电池连接的风光互补发电***22。

本实施例中，所述控制单元、远距离无线通讯单元和供电单元中的畜电池18均可集中安装在筒体16底部下方的底座21内，底座 21经底座卡口12固定。

监测过程实施例1：

1)降雨时，单片机19经电磁阀门控制器4控制进水电磁阀门2 开启，出水电磁阀门11关闭，径流经径流进水管1流入凹型溢水槽中3，凹型溢水槽3能够削弱径流直接冲击力，并能将径流中泥沙分散，径流随凹型溢水槽3溢出后经支撑过滤网5过滤再流到锥形导水板6上表面，径流由锥形导水板6均匀分布后，经间隙17沿筒体16 的侧壁流入储流室7中，从而进水避免直接冲击液面，经过时间t₁水位到达下水位探针10时，水位探针10发出信号给单片机，称重传感器13记录并将信息传入单片机19存储为重量M₁，同时计时器8记录时间t₁并将信息传入单片机19，单片机采集获得t1和M₁；同时控制进水电磁阀门2关闭，出水电磁阀门11开启，由于斜坡型储水底板15的作用，可以很快的将储流室7内的液体排出，不会淤积泥沙，不影响下次称重的准确性；

2)在单片机19中行进下述数据处理：结合已知的下水位探针10 的高度即低水位h₁、筒体半径r和水的密度ρ_水，代入公式计算：t₁阶段径流流量t₁阶段体积泥沙率

(3)将计算结果和数据经北斗数据传送单元20发送给远程接收端；根据需要远程接收端也可发出控制信号经北斗数据传送单元 20接收后传送给单片机19执行相应的控制指令，如设备的开启或关闭等。

(4)排水结束后，单片机19控制称重传感器13和计时器8重新归0，控制打开进水阀，关闭出水阀，进入下一个测量流程。

监测过程实施例2

步骤(1)与监测过程实施例1相同，不同的是，当水位到达下水位探针10后，保持持续进水，待水位经过时间t₂到达上水位探针 9时，称重传感器13记录并将信息传入单片机19存储为重量M₂，计时器8记录时间t₂并将信息传入单片机19存储为t₂，单片机19经与电磁阀门控制单元4控制进水电磁阀门2关闭，出水电磁阀门11开启，可以很快的将储流室7内的液体排出；

步骤(2)中，在单片机19中行进下述数据处理：结合已知的下水位探针10的高度即低水位h₁、上水位探针的高度即高水位h₂、筒体半径r和水的密度ρ_水，代入公式计算，得到阶段径流流量和泥沙率的平均值Q和S：

阶段径流流量

步骤(3)和步骤(4)同监测过程实施例1。

进一步的，根据需要，在筒体16上还可以设置两个以上的水位探针(图中未示出)，其监测过程原理由实施例2，在单片机中行进下述数据处理：结合已知的n个不同位置的水位探针的高度即水位 h1、h2……hn、筒体半径r、筒体底面积πr²和水的密度ρ_水，代入公式计算，得到阶段径流流量和泥沙率的平均值Q和S：

为了验证本发明设备监测的准确性，发明人进行了如下实验：

称取m_ig泥土，加入V_iL水中，配制泥沙量S_i＝m_i/V_i泥水混合物，配制多组不同梯度S_i，用以测试对泥沙量的测定准确性。利用定量控制流量计控制流量V_i，测试径流量测定的准确性。

控制S_i，不控制V_i进行实验，读取5次数据，求得泥沙量测定的平准值和标注差。控制流量V_i，不控制S_i进行实验，读取5次数据，求得径流量测定的平准值和标注差。

实验结果见图3和图4，如图所示，泥沙量和径流量的测试值与真实值均有十分明显的相关关系，且泥沙量的测定值与真实值相对误差在7.8％以内，径流量的测试值与真实值相对误差在4.1％以内，设备具有较好的测量精度。

Claims (8)

1.一种野外径流泥沙自动监测设备，包括筒体，其特征在于，所述筒体顶部设与径流进水管连接的进水阀、中部设有储流室、底部侧壁设出水阀，所述进水阀下方设锥形导水板，所述进水阀与锥形导水板之间设有凹型溢水槽；所述储流室底面为经支撑结构支撑在筒体底面的倾斜角度为30°～50°的斜坡形储水底板，所述斜坡形储水底板的最低端与出水阀下端对应；所述筒体侧壁设有至少一个水位探针，且最低位置的水位探针高度与所述斜坡形储水底板的最高端齐平；所述筒体底面设有称重传感器。

2.如权利要求1所述的野外径流泥沙自动监测设备，其特征在于，所述锥形导水板经支撑过滤网固定在侧壁上，且锥形导水板端部与侧壁间具有0.4-0.6cm间隙。

3.如权利要求1或2所述的野外径流泥沙自动监测设备，其特征在于，还包括有控制单元，所述控制单元包括单片机，所述单片机分别与进水阀和出水阀的阀门控制器、水位探针、称重传感器和计时器连接。

4.如权利要求3所述的野外径流泥沙自动监测设备，其特征在于，还包括有与单片机连接的远距离无线通讯单元。

5.如权利要求4所述的野外径流泥沙自动监测设备，其特征在于，所述远距离无线通讯单元为北斗数据传送单元。

6.如权利要求1所述的野外径流泥沙自动监测设备，其特征在于，还包括有供电单元，所述供电单元包括蓄电池、以及与所述蓄电池连接的风光互补发电***。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述设备对野外径流泥沙自动监测方法，其特征在于，

包括以下步骤：

(1)控制开启进水阀，径流进水管流入的径流经进水阀流入筒体的储流室内，当水位到达最低位置的水位探针时被该水位探计感应，发送信号给单片机，控制计时器记录时间t1，称重传感器采集重量M1；同时控制进水阀关闭，出水阀开启，将筒体内的液体排出；

(2)在单片机中进行 下述数据处理：结合已知的最低位置的水位探针的高度即低水位h₁、筒体半径r和水的密度ρ_水，代入公式计算：t₁阶段径流流量t₁阶段体积泥沙率

(3)将计算结果和数据经远距离无线通讯单元发送给远程接收端；

(4)排水结束后，称重传感器和计时器重新归0，控制打开进水阀，关闭出水阀，进入下一个测量流程。

8.如权利要求7所述的野外径流泥沙自动监测方法，其特征在于,当筒体内设有n个不同垂直高度的水位探针时，则步骤(1)中，控制进水阀持续进水，水位依次被不同垂直高度的水位探针感应，则计时器相应记录t₁、t₂……t_n,称重传感器采集重量M₁、M₂……M_n，直至最高的水位探针感应到水位后，控制进水阀关闭，出水阀开启，将筒体内的液体排出；

步骤(2)中，在单片机中进行 下述数据处理：结合已知的n个不同位置的水位探针的高度即水位h₁、h₂……h_n、筒体半径r和水的密度ρ_水，代入公式计算，得到阶段径流流量和泥沙率的平均值Q和S：

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