一种水土保持监测小区径流泥沙连续取样测量装置的制作方法

本实用新型涉及一种水土保持监测小区径流泥沙连续取样测量装置，是一种水文实验装置方法，是一种应用于水土保持监测小区径流的装置。

背景技术：

建立水土保持监测小区，开展指定地点水土流失监测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主要手段。标准监测小区的水平投影尺寸一般为长20m宽5m，在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。即在小区的出水口位置布设承接池或承接桶，在承接池外侧统一水平高度设多个相同的出水口，然后接取其中一个出水口的径流泥沙。待一次径流泥沙过程结束后，采用人工测量的方式获取单个出水口的径流量和泥沙量，然后乘以出水口个数并加上承接池内的水量和泥沙，即为本次降雨过程的产流量和侵蚀产沙量。

上述方式在应用中存在着如下问题：（1）水土保持监测小区为避免人工干扰，一般建设在偏远和交通不便的位置，完成一次监测后，难以清理泥沙为下一次侵蚀产沙过程监测做准备。（2）只能进行总的产水、产沙监测，难以实现产水、产沙过程监测，为了获取水沙过程，需要专人值守，然而由于降雨和产流的不确定性，往往难以获得产流产沙过程监测机会，并获取数据。（3）获取的径流、泥沙数据往往不准确，参考作用有限。主要是因为受降雨强度变化，以及监测小区出水口位置、承接池位置等的影响，监测小区出流过程大小变化时承接池内的水位条件、泥沙沉积条件等均会发生变化，造成出水口的出流过程和含沙量过程存在较大差异，使得降雨产流过程越长则单个出水口的径流量和泥沙量的代表性越差。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本实用新型提出了一种水土保持监测小区径流泥沙连续取样测量装置。所述的装置能够实现自动化高精度测量、自动连续取样、自动化清理和维护，实现自动化的监测。

本实用新型的目的是这样实现的：一种水土保持监测小区径流泥沙连续取样测量装置，包括：安装在四面有百叶窗顶部有集水盘的箱体中的取样子装置、测量子装置、控制子装置、电源子装置，清理子装置以及降雨传感器；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；所述的取样子装置还设有与小区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装置电连接，所述的控制子装置与带动环形取样履带运行的电机连接，所述的控制子装置中设有计算雨水充盈一个取样桶时间的计时器和一场降雨充盈取样桶次数的计次器；所述的测量子装置包括：环形取样履带下落机构和设置在一个取样筒停止位上的轨道，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，所述的取样筒上设有二维码，所述的控制子装置中设有二维码读取器。

进一步的，所述的取样筒为上部为倒圆台，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，所述的取样筒的圆台部分设有与轨道相配合的凹弧形卡固槽。

进一步的，所述的电源子装置包括，蓄电池，所述的蓄电池与太阳能电池板连接。

进一步的，所述的清理子装置包括：设置在一个取样筒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：设置在所述箱体顶部的集水盘，所述的集水盘与带有过滤器的储水箱管道连接，所述的储水箱与冲洗泵管道连接，所述的冲洗泵与能够自动伸缩的喷头连接，所述集水盘中设有纵横排列的隔板。

进一步的，所述的控制子装置中设有数据采集和存储器，并通过网络与远程控制中心连接。

本实用新型产生的有益效果是：本实用新型通过设置一整套自动循环使用的取样桶，取样桶通过环形取样履带不断的对小区产生的径流进行取样，并记录取样次数，同时通过测量子装置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，实现对小区径流泥沙过程的完全自动化取样和精确计量，大大减少了科研人员野外工作量，节约了人力和使用成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型的实施例一所述装置的结构示意图；

图2是本实用新型的实施例一所述取样子装置的结构示意图；

图3是本实用新型的实施例一所述测量子装置的结构示意图；

图4是本实用新型实施例三所述的取样桶结构示意图；

图5是本实用新型实施例五所述的电源子装置结构示意图；

图6是本实用新型实施例六所述的清洗子装置结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种水土保持监测小区径流泥沙连续取样测量装置，如图1、2、3所示。本实施例包括：安装在四面有百叶窗701顶部有集水盘702的箱体7中的取样子装置1、测量子装置2、控制子装置4、电源子装置6，清理子装置5，以及降雨传感器3，如图1所示。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。所述的取样子装置还设有与小区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装置电连接，所述的控制子装置与带动取样环形取样履带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），所述的控制子装置中设有计算雨水充盈一个取样桶时间的计时器和一场降雨充盈取样桶次数的计次器；所述的测量子装置包括：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105，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，所述的控制子装置中设有二维码读取器，如图3所示。

本实施例所述的水土保持监测小区（简称：小区）是一种在多个并排设置在野外的倾斜槽体，槽体通常用水泥或其他不透水的材料构筑，其中填埋了实验用的土壤，形成带有坡面的土壤实验区。小区主要检测雨水对土壤坡面的作用。小区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，得到坡面径流和侵蚀泥沙过程的数据。

本实施例是一个适应野外工作的环境独立自动化系统，无需人员值守，就可以连续工作数十天或数月，甚至一年以上。这个独立系统具有保护设备安全稳定运行的箱体，自给自足的电源系统，以及自己的供水清理系统。所述的箱体将大部分的设备包容在其中。由于整个系统带有多种电子设备和自动化设备，为防止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。箱体内可以通过箱体上的百叶窗与外部空气联通，并通过一定的隔绝手段，使箱体内保持清洁干净的工作环境。

由于是野外作业的电子和机械结合的设备，需要设置电源。所述的电源子装置可以是与市电连接的变压电源系统，也可以是利用自然力，如果太阳能、风能、地热能、水流等自然力能力转换的电能，利用蓄电池存储电能，在降雨检测时使用。

本实施例所述的取样子装置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，环形履带取样不断的间歇运动，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装置，控制子装置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。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。

测量子装置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。

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3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。

取样桶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，在测量子装置中，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，使用复测水位计对取样桶中水位再做一次精确的测量。

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计。

测量子装置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。

清洗子装置的作用是将已经经过称重测量后的取样桶排出其中的水和泥沙，作为下一轮取样使用。当取样桶随环形取样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。清洗子装置包括储水箱、水泵、导水管、由电机带动伸缩的喷头。清洗用的水源，可以是收集的降雨。通过在箱体顶部设置集水盘收集雨水，过滤后存储在储水箱中作为水源。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，清洗子装置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。

控制子装置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。控制子装置可以通过网络与控制中心连接，为节省能源，可以设置降雨传感器，在没有降雨的情况下，控制子装置处于休眠状态，当降雨出现时，降雨传感器唤醒向控制子装置发出降雨开始的信息，开启控制子装置。

控制子装置除了控制环形取样履带和环形存储履带的运行外，还要记录和存储降雨开始时间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等各项数据。控制子装置还要控制超声换能器对取样桶内水样进行超声震动，还要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。控制子装置还要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。

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105相配合的凹弧形卡固槽1025，如图3。

凹弧形卡箍槽的作用是与轨道配合，轨道嵌在凹槽中，使取样桶能够沿轨道滑动。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3中箭头方向），使环形履带与取样桶结合与分离。当需要称重或清洗等需要与环形履带分离的动作时，环形履带下落，使环形履带上的卡钩与取样桶上的卡固环脱离，取样桶滑入轨道中，轨道与取样桶上的凹槽嵌合，进行称重或清洗等工作。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于电源子装置的细化。本实施例所述的电源子装置包括，蓄电池，所述的蓄电池与太阳能电池板601连接，如图5所示。

本实施例使用太阳能作为主要的能源来源。通过太阳能电池，吸收太阳能转换为电能储存在蓄电池中。太阳能电池通常安装在高杆顶端，以便接受更多的阳光，也可以安装在建筑物或构造物的顶端，如房屋的屋面，塔型构筑物的顶端等。蓄电池可以与太阳能电池安装在一起，以可以安装在箱体内部，以得到较好的保护。

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装置的细化。本实施例所述清洗子装置包括：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501，所述的冲洗泵与能够自动伸缩的喷头502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，水源可以收集降雨作为水源，将降雨经过滤后存储在储水箱中备用，冲洗是通过水泵加压，由喷头喷出。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：

本实施例是实施例上述实施例的改进，是上述实施例关于控制子装置的细化。本实施例所述的控制子装置中设有数据采集和存储器，并通过网络与远程控制中心连接。

控制子装置所述的数据采集器和存储器，可以是专门的采集存储电路，也可以附带在微处理器中的程序或随带的存储区中。

远程控制中心可以是类似BS/CS类型的系统，或者是数据共享系统。

实施例八：

本实施例是一种使用上述实施例所述装置的水土保持监测小区径流泥沙连续取样测量方法，所述的方法的步骤如下：

（一）参数设置的步骤：将取样测量装置安装室外小区坡面的下游，设置取样桶水位高度、观测频率各项参数。由于是自动化系统，在安装是需要根据周围环境进行安装，避免过于潮湿，地势过低而被淹没，风力不能过大影响取样和测量。

（二）储存电能的步骤：在有阳光天候，太阳能电池板收集太阳能，转换为电能后存储在蓄电池中，这时控制子装置处于用电量极少的休眠状态。由于是完全独立的系统，最好使用自给自足的电源系统，如通过太阳能取得能源，或通过风力取得能源，存储在蓄电池中。

（三）唤醒的步骤：降雨开始时，所述的降雨传感器唤醒控制子装置，控制子装置被唤醒后与远程管理中心建立联系；同时，集水盘开始收集雨水，过滤后存储在储水箱中备用。

为节约能源，在没有降雨的情况下，整个装置应当处于休眠状态，除降雨传感器之外，其他设备都停止工作，特别是需要连续耗电的控制子装置，因此，当降雨出现时唤醒传感器发出信号，将控制子装置唤醒，控制子装置唤醒后，开始对整个装置进行控制，开始工作，同时与远程管理中心建立网络联系，通知远程管理中心降雨开始，即将进入取样和测量工作。

（四）取样和测量雨量的步骤：小区产生径流时，初测水位计以至少50次/秒的频率计量取样桶中的水位，控制子装置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，控制子装置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，控制子装置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，并将这些数据发送是远程管理系统中。

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。

在取样和测量过程中，控制子装置不断的记录测量数据，并将这些数据储存，同时将数据发送至远程管理中心，也可以在降雨后将数据汇总后传输至远程管理中心，以节约网络资源。

（五）精确计量的步骤：取样筒取水后，在下一个停止位进行精确测定：首先控制子装置的二维码读取器读取取样筒上带有该取样筒重量的二维码，同时环形取样履带下降，使取样筒落在轨道上，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，并粉碎水样带来的大块泥土，震动之后，称重传感器对取样筒称重，去除取样筒重量后得到精确的取样重量，控制子装置记录和存储复测的取样桶水深和精确的取样重量，并发送至远程管理中心。

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。

（六）清洗的步骤：取样筒沿环形取样履带进入清洗区，打开取样筒底部活门，放出取样筒中的水和泥沙，可开合震动环夹住取样筒并震动，开启冲洗泵抽取存储的雨水，喷头伸出对取样筒进行清洗，清洗后取样筒随环形取样履带继续前行，准备下一次取样。

储水箱中的水位也是一个十分重要的参数，如果储水箱中没有存水，其清洗无法完成，取样工作也无法完成，因此，如果储水箱中没有储水，控制子装置应当停止取样。

（七）停止的步骤：降雨结束后，降雨传感器发出降雨停止的信号，控制子装置进入待机，如果继续下雨则再次进入工作状态，如果几个小时没有降雨，则进入休眠状态，如果有阳光出现，则进入充电状态。

当降雨停止时，由于径流是有滞后的，控制子装置并不停止工作，只是当初测水位计，检测到取样桶中的水位无法到达设定的水位时，控制子装置暂停工作，等待是否继续降雨，如果等待时间较长，则控制子装置再次进入休眠状态。

最后应说明的是，以上仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案（比如与小区的形式和与本装置的连接、取样桶的形式、取样过程、装置的总体构成等）进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。