一种监测河岸带潜流交换速率的装置及其监测方法与流程

本发明属于水利工程监测装置技术领域，涉及一种监测河岸带潜流交换速率的装置，本发明还涉及采用上述装置进行河岸带潜流交换速率的监测方法。

背景技术：

河岸带作为水生生境与陆生生境的过渡区域，具有独特的植被、地质、地形地貌和水文特性，并受地表水和地下水水位变化的影响。地表水通过河岸带沉积层与地下水发生水热交换的区域称为河岸带潜流层。温度作为能量的直观载体，是能够反映潜流交换过程时空变化的表征因子，其易于观测、无污染，作为天然示踪剂具有一定的优势。因而，观测河岸温度场的时空分布，这些差异能够作为地河岸带潜流交换的活动表征，能够计算河岸带潜流交换速率。

近年来，国内外学者对潜流交换的研究计划和研究热点逐渐延伸到河岸带潜流层，随着温度场与流场耦合机理研究的深入，对河岸带潜流交换流速及水量的计算已经从传统的水文学及水动力学方法发展到温度示踪法。但是，国内对温度示踪在河岸带潜流层研究中的应用仍处于起步阶段，相关研究成果仍然较少，没有较为明确的监测河岸带潜流速率的装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种监测河岸带潜流交换速率的装置，采用温度传感器测定不同位置的温度，压力传感器测水位，通过智能数据采集器可实现水位、水温的实时监测，减去现场收集数据的麻烦。

本发明的另一目的是提供采用上述装置进行河岸带潜流交换速率的监测方法。

本发明所采用的技术方案是，一种监测河岸带潜流交换速率的装置，包括有ppr管监测井，ppr管监测井底端设置有与ppr管监测井固定连接为一体的底部圆锥，ppr管监测井侧壁上均匀开设有多个位于一列的交换孔，ppr管监测井顶端固定连接有数据采集器装置，数据采集器装置下方还固定连接有位于ppr管监测井内的下端圆柱管体，下端圆柱管体的外壁下端设置有压力传感器，下端圆柱管体外壁上且位于压力传感器上方还均匀设置有多个温度传感器，压力传感器和温度传感器分别通过数据线连接数据采集器装置。

本发明第一种技术方案的特征还在于，

压力传感器和温度传感器与数据采集器装置的数据线包裹在下端圆柱管体内部。

数据采集器装置包括有设置在ppr管监测井顶端的顶部圆柱壳体，下端圆柱管体固定在顶部圆柱壳体底部，顶部圆柱壳体内设置有依次通过导线连接的智能数据采集器、遥控接收开关和蓄电池，顶部圆柱壳体的侧壁上设置有防水充电插孔，防水充电插孔通过导线连接蓄电池，防水充电插孔上插接有太阳能电池板。

顶部圆柱壳体内设置有圆柱盒，智能数据采集器、遥控接收开关和蓄电池均设置于圆柱盒内部。

智能数据采集器包括有储存卡以及与储存卡通过导线连接的无线通信模块，无线通信模块通过无线连接的方式连接有云端服务器，云端服务器通过无线连接的方式连接有用户终端。

ppr管监测井顶端的固定设置有连接件，下端圆柱管体固定在连接件底部，顶部圆柱壳体固定在连接件顶部。

还包括与遥控接收开关通过无线连接的遥控发射器。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种监测河岸带潜流交换速率的方法，采用上述一种监测河岸带潜流交换速率的装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1，在选定的河岸断面根据一种监测河岸带潜流交换速率的装置的监测深度以及ppr管监测井的直径打监测孔；

步骤2，将一种监测河岸带潜流交换速率的装置埋设监测孔中；

步骤3，通过遥控发射器开启遥控接收开关，整体装置通电开始工作，用户通过用户终端使用互联网登录服务器，远程下载水压力数据和水温数据；

步骤4，根据下载的水温数据用vflux和matlab计算河岸带的潜流交换速率，根据水压力数据计算水位数据，根据水位数据判断河岸带潜流交换是饱和带或非饱和带。

本发明第二种技术方案的特征还在于，

步骤1具体为：首先在河岸选定合适的断面，然后在选定的河岸断面选定需要监测的位置点，并用水准仪确定其高程，再根据选定的位置点的高程竖直打监测孔；

步骤2具体为：将一种监测河岸带潜流交换速率的装置放入滤网套中，然后将滤网套顶部通过细铁丝固定，然后将装入滤网套的一种监测河岸带潜流交换速率的装置放入监测孔，保持装置竖直，再在装置和监测孔之间的空隙用细沙填实。

步骤3具体为：将装置放入监测孔后，地下水慢慢经交换孔入渗到ppr管监测井内，然后通过遥控发射器开启遥控接收开关，整体装置通电开始工作，蓄电池开始为智能数据采集器、温度传感器和压力传感器供电；温度传感器和压力传感器开始记录地下水水温和水位变化，然后将数据实时传输给智能数据采集器，智能数据采集器内的储存卡储存温度传感器和压力传感器记录的数据并传递给无线通讯模块，然后无线通讯模块通过gps网络将数据上传到云端服务器，待装置工作一段时间后，用户通过用户终端使用互联网登录服务器，远程下载水压力数据和水温数据；

步骤4具体为：用户通过安装vflux程序到软件matlab中，对监测温度数据进行归一化，并导入到vflux程序当中，运行vfluxformat，以创建格式化的数据结构，运行vflux，求解河岸带潜流交换速率；

根据压力传感器记录的是ppr管监测井的水压力数据，通过液体压强公式计算得出水位，水位以上为非饱和带，以下为饱和带。

本发明的有益效果是：本发明采用温度传感器测定不同位置的温度，压力传感器测水位，通过智能数据采集器可实现水位、水温的实时监测，减去现场收集数据的麻烦，根据温度和压力传感器记录的数据，用vflux和matlab计算河岸带潜流交换速率，解决了传统方法需要数值模拟所需资料参数多、花费时间长的缺点。

附图说明

图1是本发明一种监测河岸带潜流交换速率的装置的结构示意图；

图2是本发明一种监测河岸带潜流交换速率的装置中ppr管监测井的结构示意图；

图3是本发明一种监测河岸带潜流交换速率的装置中压力传感器和温度传感器在下端圆柱管体上的分布图；

图4是本发明一种监测河岸带潜流交换速率的装置中压力传感器和温度传感器与智能数据采集器的连接关系图；

图5是本发明一种监测河岸带潜流交换速率的装置中顶部圆柱壳体的结构示意图；

图6是本发明一种监测河岸带潜流交换速率的装置中顶部圆柱壳体的内部部件连接图；

图7是本发明一种监测河岸带潜流交换速率的装置中智能数据采集器的内部连接图；

图8是河岸带温度监测模型示意图；

图9是实测温度时序处理结果图；

图10是captainarspec功能自回归频谱频域的时间序列图；

图11是实际和拟合频谱图；

图12是测点温度时序资料dhr滤波分析结果图；

图13是温度与时间对于原始数据和过滤数据的关系及振幅和相位与时间的关系图；

图14是vflux中4种解析模型所求出的河岸带潜流交换速率图。

图中，1.ppr管监测井，2.底部圆锥，3.交换孔，4.下端圆柱管体，5.压力传感器，6.温度传感器，7.顶部圆柱壳体，8.智能数据采集器，9.遥控接收开关，10.蓄电池，11.防水充电插孔，12.太阳能电池板，13.圆柱盒，14.储存卡，15.无线通信模块，16.云端服务器，17.用户终端，18.连接件，19.遥控发射器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种监测河岸带潜流交换速率的装置，其结构如图1-图2所示，包括有ppr管监测井1，ppr管监测井1底端设置有与ppr管监测井1固定连接为一体的底部圆锥2，ppr管监测井1侧壁上均匀开设有多个位于一列的交换孔3，ppr管监测井1顶端固定连接有数据采集器装置，数据采集器装置下方还固定连接有位于ppr管监测井1内的下端圆柱管体4，下端圆柱管体4的外壁下端设置有压力传感器5，下端圆柱管体4外壁上且位于压力传感器5上方还均匀设置有多个温度传感器6，压力传感器5和温度传感器6分别通过数据线连接数据采集器装置。

压力传感器5和温度传感器6与数据采集器装置的数据线包裹在下端圆柱管体4内部。

数据采集器装置包括有设置在ppr管监测井1顶端的顶部圆柱壳体7，下端圆柱管体4固定在顶部圆柱壳体7底部，顶部圆柱壳体7内设置有依次通过导线连接的智能数据采集器8、遥控接收开关9和蓄电池10，顶部圆柱壳体7的侧壁上设置有防水充电插孔11，防水充电插孔11通过导线连接蓄电池10，防水充电插孔11上插接有太阳能电池板12。

顶部圆柱壳体7内设置有圆柱盒13，智能数据采集器8、遥控接收开关9和蓄电池10均设置于圆柱盒13内部。

智能数据采集器8包括有储存卡14以及与储存卡14通过导线连接的无线通信模块15，无线通信模块15通过无线连接的方式连接有云端服务器16，云端服务器16通过无线连接的方式连接有用户终端17。

ppr管监测井1顶端的固定设置有连接件18，下端圆柱管体4固定在连接件18底部，顶部圆柱壳体7固定在连接件18顶部。

还包括与遥控接收开关9通过无线连接的遥控发射器19。

本发明一种监测河岸带潜流交换速率的方法，采用上述一种监测河岸带潜流交换速率的装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1，在选定的河岸断面根据一种监测河岸带潜流交换速率的装置的监测深度以及ppr管监测井1的直径打监测孔；具体为：首先在河岸选定合适的断面，然后在选定的河岸断面选定需要监测的位置点，并用水准仪确定其高程，再根据选定的位置点的高程竖直打监测孔；

步骤2，将一种监测河岸带潜流交换速率的装置埋设监测孔中；具体为：将一种监测河岸带潜流交换速率的装置放入滤网套中，然后将滤网套顶部通过细铁丝固定，然后将装入滤网套的一种监测河岸带潜流交换速率的装置放入监测孔，保持装置竖直，再在装置和监测孔之间的空隙用细沙填实；

步骤3，通过遥控发射器19开启遥控接收开关9，整体装置通电开始工作，用户通过用户终端17使用互联网登录服务器，远程下载水位和水温数据；具体为：将装置放入监测孔后，地下水慢慢经交换孔3入渗到ppr管监测井1内，然后通过遥控发射器19开启遥控接收开关9，整体装置通电开始工作，蓄电池10开始为智能数据采集器8、温度传感器6和压力传感器5供电；温度传感器6和压力传感器5开始记录地下水水位和水温变化，然后将数据实时传输给智能数据采集器8，智能数据采集器8内的储存卡14储存温度传感器6和压力传感器5记录的数据并传递给无线通讯模块15，然后无线通讯模块15通过gps网络将数据上传到云端服务器16，待装置工作一段时间后，用户通过用户终端17使用互联网登录服务器，远程下载水压力数据和水温数据；

步骤4，根据下载水温数据用vflux和matlab计算河岸带的潜流交换速率；具体为：用户通过安装vflux程序到软件matlab中，对监测温度数据进行归一化，并导入到vflux程序当中，运行vfluxformat，以创建格式化的数据结构，运行vflux，求解河岸带潜流交换速率；

根据下载压力传感器5记录的是ppr管监测井1的水压力数据，通过液体压强公式计算得出水位，由水位区分河岸带潜流交换饱和带和非饱和带，水位以上为非饱和带，以下为饱和带。

本发明的温度传感器每隔50cm间距布置，用以监测地下水水温，压力传感器布置在底端，用以监测地下水位，温度传感器和压力传感器分别通过数据线和智能数据采集器连接。

智能数据采集器8内置储存卡14可以实时储存温度传感器6和压力传感器5记录的水位和水温数据，智能数据采集器8内装有一个windowsmobile操作系统，内置无线通讯模块15，可以利用gsm网络将数据传到云端服务器16，在有电脑和互联网的地方，用户通过互联网登陆服务器，即可实现远程下载数据，实现水位、水温的实时监测。

遥控发射器把控制电信号编码，然后调制电磁波，转换成无线信号发送出去；遥控接收开关：收到载有信息的无线电波信号，然后放大、解码，得到原先的控制电信号，将电信号再进行功率放大用来驱动装置；

实施例：

一种监测河岸带潜流交换速率的装置，整体长度可由试验方案确定，本实施例以2.4m为例；

因装置需要长时间埋于地下，故ppr管监测井1选择无毒、质轻、耐压、耐腐蚀的ppr管作为监测井，长224cm，内径7cm，外径8cm，ppr管监测井1底部设计成平滑的底部圆锥2，圆锥高度10cm，在ppr管监测井1侧壁上每隔15cm间距打直径为1cm的交换孔3，为避免交换孔的堵塞，将整体装置放于长2.3m直径8cm的滤网套中，以便地下水可经过交换孔入渗到ppr管监测井1中，实现与外界地下水流通畅交换；

下端圆柱管体4直径2cm高220cm圆柱管体用以包裹压力传感器5、温度传感器6和智能数据采集器8连接的数据线，且下端圆柱管体4连接在连接件18底部一侧，压力传感器5、温度传感器6布置在下端圆柱管体4外壁上与ppr管监测井1距离大的另一侧，能最大程度的减小ppr管监测井1的尺寸；连接件18为外部直径为7cm、高度为4cm的圆柱体，顶部圆柱壳体7的外部直径为10cm，高度为6cm；

压力传感器5布置在下端圆柱管体4下端距其底部10cm处，通过230cm数据线1将压力传感器8和智能数据采集器8连接；温度传感器每隔50cm布置，最底端温度传感器6位于压力传感器5往上10cm处，通过220cm数据线和智能数据采集器8连接；最底端温度传感器6再往上50cm、100cm、150cm处均设置有温度传感器，分别通过通过170cm数据线、120cm数据线和70cm数据线和智能数据采集器8连接；

下端圆柱管体4以及圆柱盒13采用abs材料密封成型，可以对数据线以及智能数据采集器8、遥控接收开关9和蓄电池10进行防水；

采用本实施例的尺寸，进行河岸带潜流交换速率监测时，则需要打直径9cm深度2.2m的监测孔，装置的埋设深度为2.2m。

ppr管中地下水与测试点外围渗透性介质之间的热量平衡过程受ppr管导热情况和滤网的渗透性影响，这种短暂的热平衡过程对温度时序资料的测试结果有一定的影响，ppr管干扰对由振幅比计算地下水流速不会产生影响，而会给由相位滞后计算地下水流速带来误差。

日周期温度波动振幅较大，采用日周期温度变化为信号建立模型，根据温度传感器记录的温度数据计算河岸带的潜流交换速率，根据压力传感器记录的是ppr管监测井的水压力，通过液体压强公式计算得出水位，由水位区分河岸带潜流交换饱和带和非饱和带。

根据水位数据区分河岸带潜流交换的饱和带和非饱和带。采用vflux和matlab计算程序计算河岸带潜流交换速率，具体实例如下：

下面结合附图和具体实施方式对本计算方法进行详细说明

取实际工程河岸带土壤的特性参数，如表1所示，运用基于温度时序资料的河岸带潜流交换速率求解方法，计算2012年3月26至2012年11月4日河岸带潜流层中1.70m(浅部)和2.75m(深部)深测点之间的流速，以保证数值模拟的结果能够对实际工程具有指导意义，河岸带模型如图8所示。

表1河岸带土壤的特性参数

则步骤4具体为：

步骤4.1，在网站上下载vflux程序，网址“http://hydrology.syr.edu/

vflux”；将vflux工具箱文件夹(“vflux”)复制到matlab搜索路径中的文件夹中，例如：windows环境中的“mydocuments\matlab”。或者，通过在matlab命令提示符处键入addpath('c：\examplefolder\vflux')，可以将vflux文件夹的位置添加到搜索路径中。安装matlabsignalprocessingtoolbox，并且将captaintoolbox文件夹(“captain”)添加到matlab搜索路径中。

步骤4.2，将温度时序的时间序列处理为以下格式“年/月/日”，并将其放在excel文件的第一列当中，将多级温度传感器测得不同深度位置的测点的时序温度数据按照由浅至深的原则，依次放置在excel文件第二列，第三列···，并保存为.xls格式，图9所示，运行matlab，点击“导入数据”，选择处理好的excel文件，定义要导入的matlab变量的类型为“矩阵”，将所选数据导入到matlab工作区，对matlab工作区的数据重命名为“aa”。

步骤4.3，在matlab命令栏输入代码“site12＝vfluxformat(aa(:,1),aa(:,2:3),[1.702.75])”，键入回车键；其中“site12”是格式化数据结构的名称；“aa(:,1)”是采样时间的列；“aa(:,2:3)”是温度序列的矩阵；“[1.702.75]”是每个传感器的深度位置的行向量，以米为单位，其中每列表示一个传感器；

步骤4.4，数据结构创建后，对结构运行vflux以重新采样，在matlab命令栏输入代码“site12＝vflux(site12,0,[12],1,0.41,0.01,0.000239,0.262,1)”；

其中：“0”是用于降低采样率的正整数因子，例如，如果原始采样率为72采样/天，并且期望的降低采样率为12采样/天，则rfactor＝72/12＝6。为了消除假过滤失真，建议每个基本周期减少大约12个采样的采样率(见下面的pf)。如果rfactor＝1，则不执行重采样。如果rfactor＝0，那么vflux2将计算一个合适的rfactor，以便降低的采样率接近每个基本周期12个采样(作为pf的输入)；

“[12]”是正整数的标量或向量，其中每个元素都是滑动传感器间距。“windows”，以传感器间距为单位，用于识别流速计算中的传感器对)。vflux将计算所有传感器对之间的流速，这些通过“windows”传感器间距的数量分开。例如，如果配置文件中有5个传感器，并且windows＝1，则vflux将计算传感器1和2，2，3和4以及4和5之间的流速(“windows”是一个传感器间距)。如果windows＝[12]，则vflux将计算上述对之间的流速，以及传感器1和3，2和4以及3和5之间的流速(这里的“windows”是两个间距)。通过在windows向量中包含3，传感器对1和4以及2和5也将包含在内。如果windows＝4，那么通量只能在传感器1和5之间计算；

“1”是以天为单位过滤和用于通量计算的基本温度信号的周期；“0.41”沉积物的总孔隙度，即孔隙空间的体积除以总体积(典型值为0.28)；“0.01”为热弥散度，单位为m；“0.00239”为热传导系数，单位为cal/(s·cm·℃)；“0.262”为沉积物的体积热容，单位为cal/(cm3·℃)；“1”为水的体积热容，单位为cal/(cm3·℃)。

按matlab命令提示，按任意键，执行时，vflux将为每个温度系列(每个传感器)生成三个诊断图，每个温度系列后都会暂停。首先，显示captainarspec功能的自回归频谱，显示频域的时间序列，如图10所示。

按matlab命令提示，按任意键，出现dhropt(dhr优化)函数试图模拟自回归谱的前几个峰，并显示实际和拟合频谱图，如图11所示；按matlab命令提示，按任意键，vflux显示过滤结果图，显示实际的时间序列数据(“时间序列”)和由dhr，如图12所示，标识的时间序列；

输入1开始计算后程序，并按enter键确认；

vflux完成流速计算后，可以运行后期绘图程序，在vflux运行结束时，程序询问用户是否要绘制结果。如果选择“否”，则vflux结束。如果选择“是”，则程序会显示温度与时间的关系图(对于原始数据集和过滤数据集)，以及振幅和相位与时间的关系图，如图13所示。

按matlab命令提示，按enter，得到vflux中预先定义的4种解析模型所求出的河岸带潜流交换速率，如图14所示。