一种室内土槽试验径流泥沙连续取样测量保存系统和方法与流程

本发明涉及一种室内土槽试验径流泥沙连续取样测量保存系统和方法，是一种水文实验的系统和方法，是一种用于泥土坡面的水沙自动测量的系统和方法。

背景技术：

水土流失过程观测实验是开展水土保持研究、水土流失治理，以及生产建设项目水土流失防治等研究、设计工作中获取参数的重要实验手段。实验通常是在人工降雨区域中设置一个倾斜的土槽，土槽中填埋土壤，这些土壤来自于被研究区域，土槽的下游中间部位设出水口。其径流泥沙过程监测主要采用等量分流原理进行基于次降雨过程的监测。即在土槽的出水口位置布设取样桶，通过人工间隔一定时间取一次水样并记录取样时间，计算水量和径流泥沙过程。这种传统取样方式采取人工取样，这需要大量的人工和反复重复的动作，实验操作、计时等会出现较大误差，但在实际中，人工换桶往往不能十分准确的把握接水的准确性。尽管可以采用多个土槽同时实验的方式，同时取多个水样，再进行平均处理，以减小实验的误差，但这样做就会增加实验的成本。如何提高实验的精度，并且将科研人员从繁复的取样工作中解放出来，提高工作效率，是一个需要解决的问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种室内土槽试验径流泥沙连续取样测量保存系统和方法。所述的系统和方法通过自动化取样和测量，实现了无需人力干涉的取样和测量，提高测量精度并节省了人力。

本发明的目的是这样实现的：一种室内土槽试验径流泥沙连续取样测量保存系统，包括：取样子系统、测量子系统、样品存储子系统、控制子系统、清理子系统；所述的取样子系统包括：多个环绕在根据取水状况而间歇转动的环形取样履带周围的取样桶，所述的取样桶通过自动解锁机构与环形取样履带连接；所述的取样子系统还设有与土槽径流出水口管道连接的取样口，所述的取样口对准一个取样桶的上口并设有初测水位计，所述的初测水位计与控制子系统电连接，所述的控制子系统与带动环形取样履带运行的电机连接，所述的控制子系统中设有计算取样桶取样时间的计时器和一场降雨取样次数的计次器；所述的样品存储子系统为设有蛇形轨道的样品存储区，所述的蛇形轨道起点设在一个取样桶的停止位上，所述的蛇形轨道起点设有环形存储履带。

进一步的，所述的取样桶为上部为倒圆台，下部为圆柱形，底部设有活门，圆柱部分设有至少两个卡固环。

进一步的，所述的取样桶的圆台部分设有与轨道相配合的凹弧形卡固槽。

进一步的，所述的测量子系统包括：环形取样履带下落机构和设置在环形取样履带一侧的轨道，所述的轨道上设有复测水位计、超声波振动器和称重传感器，所述的取样桶上设有二维码，所述的控制子系统中设有二维码读取器。

进一步的，所述的清理子系统包括：设置在一个取样桶停止位上的可开合震动环和自动冲洗器。

进一步的，所述的自动清洗器包括：与供水管道连接的冲洗泵管，所述的冲洗泵与能够自动伸缩的喷头连接。

一种使用上述系统的室内土槽试验径流泥沙连续取样保存测量的方法，所述的方法的步骤如下：

启动自动控制子系统的步骤：开启人工降雨时，同时开启自动控制子系统；

取样的步骤：土槽产生径流时，径流经过取样口流入第一个取样桶，初测水位计以至少50次/秒的频率计量取样桶中的水位，控制子系统开始记录出水口产流时间计时，当取样桶中的水位达到设定值时，控制子系统停止计时并驱动环形取样履带转动，使下一个取样桶进入取样口下方，进入下一轮取样，如此循环往复，控制子系统不断的记录取样桶的取样次数和出水口产流时间，作为计量径流量、含沙量的依据；

精确计量的步骤：取样桶取水后，在下一个停止位进行精确测定：首先控制子系统的二维码读取器读取取样桶上带有该取样桶重量的二维码，同时环形取样履带整体下降，使取样桶落在轨道上，轨道上的超声波振动器对取样水进行超声波震动，以排除水中的空气，并粉碎水样中可能存在的大块泥土，震动之后，复测水位计测定取样桶内水深；称重传感器对取样桶称重，去除取样桶重量后得到精确的取样重量；

选择存储水样的步骤：对经过精确计量后的取样桶，根据观测需求依据设定间隔或者随机抽取取样桶送入存储器存储；

清洗的步骤：没有被选中存储的取样桶沿环形取样履带进入清洗区，打开取样桶底部活门，放出取样桶中的水和泥沙，可开合震动环夹住取样桶并震动，开启冲洗泵，喷头伸出对取样桶进行清洗，清洗后取样桶随环形取样履带继续前行，准备下一次取样；

实验结束的步骤：关闭人工降雨后，控制子系统收到降雨停止的信号，控制子系统根据径流状况适时停止运行，进入待机，如果继续进行实验则再次进入工作状态，如果停止实验则进入关闭状态。

本发明产生的有益效果是：本发明通过设置循环使用的取样桶，取样桶通过环形取样履带不断的对土槽中所产生的径流进行取样，并记录取样次数，同时通过测量子系统对各个取样进行精确的测量，实现完全无人化的自动取样和自动测量，经过对取样次数的精确计量以及对每个取样桶中的水和泥沙的精确称重，实现对土槽中径流泥沙过程的完全自动化取样和精确计量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例一所述取样子系统的结构示意图；

图3是本发明的实施例一所述的蛇形轨道的结构示意图；

图4是本发明实施例二所述的取样桶的结构示意图；

图5是本发明实施例三所述的带凹弧的取样桶结构示意图；

图6是本发明实施例五所述的清洗子系统结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种室内土槽试验径流泥沙连续取样测量保存系统，如图1所示。本实施例包括：取样子系统1、测量子系统2、样品存储子系统3、控制子系统4、清洗子系统5，见图1。所述的取样子系统包括：多个环绕在根据取水状况而间歇转动的环形取样履带周围的取样桶，所述的取样桶通过自动解锁机构与环形取样履带连接；所述的取样子系统还设有与土槽径流出水口管道连接的取样口101，所述的取样口对准一个取样桶102的上口并设有初测水位计103，所述的初测水位计与控制子系统电连接，所述的控制子系统与带动环形取样履带104运行的电机连接（如图2所示，由于做图的限制图2中只画出了一个取样桶，实际中应当有多个取样桶围绕在环形取样履带周围），所述的控制子系统中设有取样桶取样时间的计时器和一场降雨取样次数的计次器；所述的样品存储子系统为设有蛇形轨道301（如图3所示）的样品存储区302，所述的蛇形轨道起点设在一个取样桶的停止位上，所述的蛇形轨道起点设有存储环形取样履带303。

本实施例所述的土槽是一种倾斜的槽体，槽体中填埋了实验用的土壤，形成带有坡面的土壤实验区。倾斜槽体的上端设置产生水流的机构，以使水流从坡顶流下来，形成水流对坡面土壤的模拟冲刷。也可以不设置产生水流的机构，而是使用人工降雨的方式，产生径流，模拟雨水对土壤坡面的作用。槽体的下端设置接收径流的结构，将所有在坡面上的雨水都要收集在一起，通过管道输出。本实施例则是将这些收集的雨水，包括坡面产生的径流和直接降下的雨水，一起计量，得到坡面径流的数据。

本实施例所述的取样子系统是一套接水和计量径流量的机构，这套机构的主体是一条环形取样履带，有多个取样桶，各个取样桶当上口密集并排排列，一个接一个，以便能够将取样口流出的水流完全收集，尽量不洒出取样桶之外。

环形取样履带由步进电机带动旋转，能够产生间歇的运动，当一个取样桶被径流装满后，步进电机带动环形取样履带运动一段，将另一个取样桶放在出水下方，继续收集取样，环形取样履带不断的间歇运动，带动一个个取样桶不断的在出水口下面接水，形成计量水量和泥沙的功能。

环形取样履带上设有卡钩，卡钩与取样桶上的卡固环结合，形成环形取样履带与取样桶的连接机构。取样桶需要与环形取样履带脱离时，可以采用环形取样履带下降，取样桶被托起，卡钩与卡固环脱离，取样桶和环形取样履带脱离。

取样口上可以设置初测水位计，计量取样桶中水位的高度，达到一定的高度后，初测水位计即通知控制子系统，控制子系统则控制环形取样履带运动，使正在接水的取样桶移开，换一个空取样桶继续接水。水位传感器可以采用超声波传感器，或其他能够输出电信号的水位测量传感器。

取样桶的形状为倒圆台形和圆柱体结合。圆台上端直径d1，下端直径d2，下端接h2高度的圆柱形，圆台体部分高度h3。上端1/5位置设内凹弧形卡固槽，下端设铰链与底连接和密封，并实现在传动过程中自动与环形取样履带的卡固和底部密封。步进电机经传动齿轮驱动环形取样履带做圆周运动。环形取样履带每隔50cm设取样桶卡固槽，环形取样履带直段1m长，弧段为直径1m的半圆。超声初测水位计用于监测取样桶内水面高度，由控制系统高频率读取水位数据，达到设定水位，立即控制步进电机驱动环形取样履带结束取样。同时准备下一次的取样。

取样桶也可以是其他形状，如圆柱形，或多边棱柱形等。

测量子系统的作用是将取样桶中的样品进行精确的测量，测量的项目包括：样品的重量取样桶中的精确水位等。

其中样品的重量应当去掉取样桶本身的重量，这就需要在取样之间精确的测量取样桶的重量，由于取样桶是反复使用的，每次使用后内部很难清洗的十分干净，因此每次使用后的重量可能都不太一样，因此，在取样之前，应当对空取样桶进行称重，取样后，对带有样品的取样桶称重后，就要减去取样前空取样桶的重量。这就需要对各个取样桶进行识别，识别的方式可以在各个取样桶上设置二维码，或其他标志的方式进行识别。

关于水位的测量：在取样桶取样时，有初测水位计对取样桶中的水位进行监测，一旦达到要求的水位，则停止取样，这是初测水位。设置初测水位的目的是为了适应不同出流流量，保证取样的有效性：避免小流量时的取样量不足和大流量时取样超量。初测水位的功能其主要是控制取样桶中的水位，不能漫过取样桶的高度，也不能取样量太少，否则就无法精确的测定径流和泥沙量。但初测水位是不精确的，因为，在初测的过程是在取样中进行的，也就是水流正在进入取样桶，当水位计计算水位时，水位不断变化，当水位计察觉到达预定水位时，还有一定的反应时间，才能是取样桶离开取样位置，换下一个取样桶取样。这段反应时间由于各种原因会有一些差距，这些差距就造成了各个取样桶的水位并不完全一致的问题。另一个影响取样桶中水位差异的是：在样品中不仅仅是水还有泥沙和土块。各个取样桶中的泥沙和土块影响水位，造成了各个取样桶中的水位取样条件的差异。因此，在精确测量水位之前最好使用超声波震动的方式，将震碎，并将泥沙均匀化，这样去除了各个取样桶中的水位取样差异，可以精确的计量水位和重量之间的关系，确定取样的各个参数。

因此，在测量子系统中，需要设置取样桶标志，如二维码，同时要设置精确的称重设施，以及复测水位计。

所述的初测水位计和复测水位计均可以采用超声波水位计，或其他类似能够产生电子数据信号的水位传感器。

测量子系统设置在取样桶的一个称为测量区的停止位上：进入测量区后，导轨下凹、外展，方案1：下部15cm与超声震动环卡固，进行超声震动5秒，松开卡固环；方案2：超声震动器进入取样桶内震动5秒；然后进入称重区，称重区的导轨下凹、外展，使取样桶落在称重平台上，称重平台下设重量传感器，记录水样+取样桶重量，利用复测水位计测量并记录取样桶内水样高度。测量完毕，称重台前移将取样桶送入导轨。

样品存储子系统的作用是存储一些在取样过程中随机抽取的取样桶作为样品存储下来，以便进行进一步的分析。样品存储子系统利用取样桶上部的内凹弧形卡固槽和导轨进行紧密排列和传动。取样前在准备区呈蛇形紧密排列，取样后在储存区蛇形紧密排列。蛇形排布是增加轨道的多个转弯，在相对小的空间内尽量存储更多的取样桶。

清洗子系统的作用是将已经经过称重测量后不打算存储的取样桶排出其中的水和泥沙，作为下一轮取样使用。当取样桶随环形履带达到清洗位置的时候，打开取样桶底盖，并进行其内壁下2/3部位的一次往复清洗。清洗子系统包括储水箱、水泵、导水管、由电机带动伸缩的喷头。水泵可以连接人工降雨设备的储水箱，作为水源，利用水泵增加水压，使喷头喷射水流清洗取样桶下2/3区域。在电机的带动下循环往复几次，将取样桶清洗干净，完毕后称重待用。为清洗干净，清洗子系统可以设置超声波振动器，带动清洗中的取样桶震动，将取样桶中的泥沙和水完全清除。

控制子系统是具有数据处理和数据储存功能的电子设备，可以是普通pc电脑，或者是工控计算机，或是嵌入式系统等。控制子系统可以与人工降雨设备电连接，降雨设备没有开启的时候，也就是没有人工降雨的情况下，控制子系统处于休眠状态，当人工降雨设备开始降雨时，向控制子系统发出降雨开始的信息，开启控制子系统。也可以使控制子系统连接一个降雨传感器，在人工降雨开始后，降雨传感器获得了降雨的信息，而启动控制子系统。

控制子系统除了控制环形取样履带和环形存储履带的运行外，还要记录降雨开始时间t1、降雨强度i、降雨量p，监测小区出水口出流时间t2，取样桶接取水样开始时间t3、结束时间t4。控制超声换能器对取样桶内水样进行超声震动。记录复测水位计测定的取样桶内水深h1。记录取样桶+水样重量m总。控制打开取样桶底板，排空取样桶。控制加压泵和微型清洗喷头往复清洗取样桶。记录取样桶重量m桶。根据公式计算清水量、泥沙量、含沙量。根据设定值控制步进电机实现自动间隔取样或根据降雨强度加密取样。

由于整个系统带有多种电子设备和自动化设备，为防止人工降雨中将电子设备打湿而发生故障，可以设置防雨箱体。防雨箱体材质为塑料或不锈钢，并在四个侧面中部设百叶窗结构通风窗。箱体一侧上部设自动控制装置的防雨控制面板。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于取样桶的细化。本实施例所述的取样桶的上部为倒圆台1021，下部为圆柱形1022，底部设有活门1023，圆柱部分设有至少两个卡固环1024，如图4所示。

取样桶可以采用不锈钢或高强度塑料制作。活门可以采用电磁开关控制打开和关闭。卡固环的作用与环形取样履带的卡钩1041配合，卡钩钩在卡固环上，环形取样履带就可以带动取样桶运行。卡箍环可以设置2-4个，多设置卡箍环，可以使环形取样履带与取样桶结合得更加稳固，但卡箍环过多也会使系统过于复杂，容易产生故障。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于取样桶的细化。本实施例所述的取样桶的圆台部分设有与轨道相配合的凹弧形卡固槽1025，如图5。

凹弧形卡箍槽的作用是与轨道105配合，轨道嵌在凹槽中，使取样槽能够沿轨道滑动。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于测量子系统的细化。本实施例所述的测量子系统包括：环形取样履带下落机构1042和设置在环形取样履带一侧的轨道，所述的轨道上设有复测水位计107、超声波振动器和称重传感器106，所述的取样桶上设有二维码，所述的控制子系统中设有二维码读取器，如图5所示。

环形取样履带下落机构能够使环形取样履带上下移动（如图5中箭头方向），使环形取样履带与取样桶结合与分离。

当环形取样履带抬起的时候，卡钩钩住取样桶上的卡固环，使环形取样履带能够带动取样桶移动，当环形取样履带落下时，取样桶与轨道结合，轨道上的称重传感器、复测水位计和超声波振动器对取样桶进行超声波震动和称重，在称重之前还要对取样桶进行二维扫码，以取得该取样桶的精确重量等信息。超声波震动后水中的泥沙和泥块被震碎和均匀，往往会改变水位，因此，本实施例在规定上还设置了复测水位计，使用复测水位计对取样桶中的水位进行再次精确的测量。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于清洗子系统的细化。本实施例所述清洗子系统包括：设置在一个取样桶停止位上的可开合震动环107和自动冲洗器，如图6所示。

可开合震动环的作用是：当取样桶的活门打开的时候，取样桶中的水和泥沙流出取样桶，为了清理干净，可开合震动环合上（图6中箭头方向），卡住取样桶，并开始震动，将粘在取样桶中的水和泥沙震动落下，配合自动清洗器将取样桶清洗干净。

实施例六：

本实施例是实施例上述实施例的改进，是上述实施例关于自动清洗器的细化。本实施例所述的自动清洗器包括：与供水管道连接的冲洗泵1081，所述的冲洗泵与能够自动伸缩的喷头1082连接，如图6所示。

自动清洗器的作用是通过加压的水柱将取样桶中的泥沙清理干净，水柱的压力由水泵提供，水源可以从人工降雨设备所使用的水源中提取，通过水泵加压后，有喷头喷出。喷头安装在能够自动伸缩的管子上，使喷头可以伸缩旋转，对取样桶内壁的上下左右进行全面的冲洗。

实施例七：

本实施例是一种使用上述系统的室内土槽试验径流泥沙连续取样测量保存的方法，所述的方法的步骤如下：

（一）启动自动控制子系统的步骤：开启人工降雨时，同时开启自动控制子系统。

由于人工降雨设备的降雨即能够模拟自然降雨开始时的逐步增加降雨量，也可以直接开启至实验要求的降雨量，因此，开启降雨的取样和测量系统将应当直接进入取样和测量的工作状态，以便应对人工降雨设备的任何降雨开启状态。

（二）取样的步骤：土槽产生径流时，径流经过取样口流入第一个取样桶，初测水位计以至少50次/秒的频率计量取样桶中的水位，控制子系统开始记录出水口产流时间计时，当取样桶中的水位达到设定值时，控制子系统停止计时并驱动环形取样履带转动，使下一个取样桶进入取样口下方，进入下一轮取样，如此循环往复，控制子系统不断的记录取样桶的取样次数和出水口产流时间，作为计量径流量、含沙量的依据。

取样的过程必须十分的精确，因此，在取样的时候通过水位计测量取样桶中的水位，一旦达到了要求的高度，离开启动取样环形取样履带，更换取水的取样桶。由于取样桶中的水和泥沙量将在下面精确计量，因此，只要计量取样桶更换的次数，就可以精确的计算出径流量。

设定值是预先设置的一个水位值，正常水位值比取样桶的高度略低，这样就会使取样后取样桶中的水位略低于取样桶的上缘，样品就可以十分稳定的保留掉了取样桶中，不会因为取样桶的移动而晃出取样桶中。但这个水位值也不能太低，太低则影响取样效率，一般在80-90%的取样桶高度为宜。

（三）精确计量的步骤：取样桶取水后，在下一个停止位进行精确测定：首先控制子系统的二维码读取器读取取样桶上带有该取样桶重量的二维码，同时取样环形取样履带整体下降，使取样桶落在轨道上，轨道上的超声波振动器对取样水进行超声波震动，以排除水中的空气，并粉碎水样中可能存在的大块泥土，震动之后，复测水位计测定取样桶内水深；称重传感器对取样桶称重，去除取样桶重量后得到精确的取样重量。

为精确的称量取样桶中的水和泥沙重量，首先需要将取样桶本身的重量去除，取样桶本身中重量事先在清洗取样桶后即进行称重，这样可以保证，即使取样桶中还有剩余的泥沙没有清理干净，其重量也不会影响洗一次的测量精度。当取样环形取样履带落下时，环形取样履带上的卡钩不在承担取样桶的重量，取样桶的全部重量落在了轨道上，轨道上的振动器开始震动，将水中的大块泥沙震碎，使水和泥沙均匀混合，这时在进行称重，就可以十分精确的得到水和泥沙的重量。称重后对取样桶中的水位进行精确的复测，由于超声波震动，将水中的大块泥土粉碎，使泥沙和水混合均匀，或者说将各个取样桶中水位测量条件一致化，这样更有利于精确的计算样品的各个参数。

取样桶中水和泥沙重量的计算公式：

根据取样桶内水深h1计算取得的水和泥沙样总体积：

h1≤h2时：v总=3.14×h2×（d2/2）²

h1＞h2时：v总=3.14×h2×（d2/2）²+1/3π(h1－h2)(（d1）²+（d2）²+d1×d2)/4

根据取样桶+水样质量m总和m桶计算取得的水和泥沙样总质量m样：

m样=m总－m桶

根据公式计算含沙量：

s沙=γ沙/v总×(m样－γ水×v总)/(γ沙－γ水)

其中：s沙为含沙量，γ沙为取样桶中的泥沙总体积，γ沙和γ水分别为泥沙和水的容重。

（四）选择存储水样的步骤：对经过精确计量后的取样桶，根据观测需求依据设定间隔或者随机抽取取样桶送入存储器存储。

取样桶经过精确的称重后，可以根据实验需要设定一定间隔抽取一些取样桶，作为标本，放入存储器中存储，以便在之后的分析中使用。由于存储器容量有限，一般可以选择环形取样履带转一周抽取一个或几个取样桶。也可以随机的抽取一些取样桶，连带其中的水和泥沙一起储存，以便降雨后进行进一步的分析。

（五）清洗的步骤：没有被选中存储的取样桶沿环形取样履带进入清洗区，打开取样桶底部活门，放出取样桶中的水和泥沙，可开合震动环夹住取样桶并震动，开启冲洗泵，喷头伸出对取样桶进行清洗，清洗后取样桶随环形取样履带继续前行，准备下一次取样。

抽取一些样品储存后，其他不需要的水和泥沙就倒掉，并清理取样桶中的泥沙，以便下一次取样。

（六）实验结束的步骤：关闭人工降雨后，控制子系统收到降雨停止的信号，控制子系统根据径流状况适时停止运行，进入待机，如果继续进行实验则再次进入工作状态，如果停止实验则进入关闭状态。

当人工降雨设备关闭时，同时控制子系统也获得了降雨停止的信息，由于径流是有滞后的，因此，测量系统不能离开关闭，而是应当再延续工作一段时间，直到径流完全停止。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如与人工降雨设备的连接、取样桶的形式、取样过程、系统的总体构成等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。