一种潜流人工湿地水位探测仪及其探测方法与流程

本发明涉及人工湿地水位探测技术领域，尤其涉及一种潜流人工湿地水位探测仪及其探测方法。

背景技术：

潜流人工湿地具有投资与运行费用低、管理方便、景观美化、水生态存储等优势，目前，已被广泛应用于城市污水厂尾水、污染河水等水质深度净化领域，在再生水绿色再生、生态融合等方面具有突出的技术优势和广阔的应用前景。水位是水文机制的关键因子，水位高低及水位变化直接影响湿地植物及微生物的生存环境，进而影响湿地系统的运行效果，对潜流人工湿地系统功能发挥有着重要的影响。

潜流人工湿地系统中的水生植物生长发育需要维持一定的水位，水位过高或过低都不利于植物的生长。湿地运行过程中进水流量不合理、湿地基质堵塞会造成短流和表面漫流等现象，进而降低湿地系统的净化能力，并带来卫生安全隐患。湿地运行、管理与维护需根据暴雨、干旱、结冰期、堵塞等情况对水位进行合理的调节，避免水位过高或过低、进水端壅水和出水端淹没等现象。因此，对潜流湿地各阶段水位进行精确测定有助于掌握系统内部的水流状况，为其运行调控提供科学依据，也为湿地水位变化影响等相关研究的进行提供技术支持。

现有潜流湿地通常利用水位观测池或水位管实现水位测量，直接观测法存在准确度低、建设成本高和监测点位少的弊端。除了直接观测法，目前液位测量方法通常有压差法、浮子法、超声波法、磁法等，但由于潜流湿地内为浅层水体，且湿地床内充满填料，这些方法存在精确度低和操作复杂、适用性差等问题，不适合在潜流人工湿地水位探测中推广应用。近年来，有方法通过敏感器件阻值随液位的变化来判断水位，虽然其测量精确度高，但是其控制电路比较复杂，限制了其应用；水位探测探针可以利用水的导电性判断高低水位，此方法简单易行，然而单个探针仅能判断系统水位是否达到某一固定位置，此方法难以满足潜流湿地水位探测对精度的要求。随着人们对潜流人工湿地系统运行和管理的日益重视，湿地水位精确测定变得愈加有意义，它将为维持系统的生态稳定性、维护其可持续运行提供有力的技术保障，潜流人工湿地水位测定亟需建立一种精确简便的方法，利用电法对潜流人工湿地水位进行精确测定还未曾有过报道。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种潜流人工湿地水位探测仪及其探测方法，该系统及方法精确度高、操作简便，能够用于人工湿地浅层水体水位的精准测定。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种潜流人工湿地水位探测仪，包括：探测仪内芯、探测仪外管和电阻指示器；

所述探测仪内芯包括：内芯顶端电极棒和内芯底端电极片；所述内芯顶端电极棒和内芯底端电极片通过内部连接导线连接；

所述探测仪外管的顶端设有外管顶端电极片，所述电阻指示器分别连接内芯顶端电极棒和外管顶端电极片；

所述探测仪内芯上设有刻度，探测仪内芯上的零刻度线与探测仪外管顶端持平时，探测仪内芯与探测仪外管底端处于同一水平面。

进一步地，所述探测仪内芯为棱柱型。

进一步地，所述探测仪外管上均匀布置有外管缝，所述外管缝的最低端不低于探测仪内芯的最低端刻度位置处。。

进一步地，所述探测仪外管外表面设置有用于防治外管缝堵塞的凸起。

进一步地，所述探测仪外管底端为b型中心钻头形状。

进一步地，所述探测仪外管顶端对称设有开孔。

一种潜流人工湿地水位探测仪的水位探测方法，包括：

保持探测仪外管垂直状态插入潜流人工湿地水中，将内芯缓缓插入外管中；

探测仪电阻指示器数值发生显著变化或达到告警的临界值时，此时内芯底端电极片与湿地水面刚好接触，读取探测仪外管顶端对应的刻度线数值，即为所测位置的水位高度。

一种潜流人工湿地水位探测仪的基质堵塞探测方法，包括：

初始将探测仪外管垂直打入深度至与待测潜流人工湿地基质深度相近，打入后将外管旋转数圈，利用表面凸起的挤压作用防止外管缝内卡入填料；

不断调节探测仪外管高度，并利用探测仪内芯测量水位高度；直至正常运行下潜流人工湿地各监测点的初始水位测量值保持一致；

每隔设定时间测量一次各监测点的水位；

当某一区域的水位明显高于其他区域的水位时，说明该区域发生了基质堵塞。

一种潜流人工湿地水位探测仪的潜流人工湿地各层孔隙度测定方法，包括：

将探测仪外管插入潜流人工湿地系统内，调整探测仪内芯至设定高度，固定内芯位置；

将潜流人工湿地系统内水体排空后重新加入水体，至探测仪电阻指示器处于告警灯亮起的临界值，记录加入水体的体积；根据得到的水体的体积即可得到该高度层的孔隙率。

本发明的有益效果是：

本发明选择利用电阻法对潜流人工湿地水位进行测量，自然水体与空气导电性有着显著差异，进而可以精准确定水气交接位置；采用内芯、外管设置可以快速的对水位高度进行读数，可移动内芯很大程度的简化了装置的复杂性并提高了结果的精确度，测量结果准确可靠；不锈钢外管可在潜流人工湿地建设后期打入基质内，可设置任意多的监测点位，大大减少了湿地建设的复杂性；电阻指示器的报警功能实现了对水位界面位置的方便、准确、快速判断，此方法提供了一种精确的水位探测方法，操作简单，成本低廉。

附图说明

图1为本发明探测仪内芯示意图；

图2为本发明探测仪外管示意图；

图3为本发明潜流人工湿地水位探测示意图。

其中，1为探测仪内芯，2为内芯顶端电极棒，3为内部连接导线，4为内芯底端电极片，5为刻度线，6为探测仪外管，7为外管缝，8为外管底端钻头，9为表面凸起，10为外管顶端开孔，11为外管顶端电极片，12为探测仪电阻指示器，13为告警喇叭，14为告警灯，15为鳄鱼夹电极线，16为潜流人工湿地基质，17为湿地水面。

具体实施方式：

下面结合附图与实例对本发明做进一步说明：

一般认为：自然水体或污水中含有一定浓度的离子态物质，水体具有较好的导电性，而空气几乎没有导电能力，利用此特点可以实现潜流人工湿地水位的精确测定。本发明公开了一种潜流人工湿地水位探测仪，主要应用于潜流人工湿地水位的精确探测，如图1所示，包括：探测仪内芯1、探测仪外管6和探测仪电阻指示器12；探测仪内芯1顶端安置一处电极，探测仪外管6为另一电极，两电极连接电阻指示器12用于判断水气界面。

探测仪内芯1包含内芯顶端电极棒2、内部连接导线3、内芯底端电极片4和刻度线5；

探测仪内芯1主体材质为硬质绝缘塑料，如聚丙烯、聚苯硫醚棒、聚醚醚酮等，主体形状为棱柱型；探测仪内芯底端呈漏斗状，漏斗的上部开口连接内芯主体；这样的设计可减少探测仪内芯1上的液体残留，进而增加测量的准确度。

作为一种实施方式，探测仪内芯1主体材质为聚丙烯，内芯主体为三棱柱型，长600mm，底面等边三角形边长为20mm，底端30mm至20mm为三棱台型，三棱台底面等边三角形边长减小为8mm，底端20mm至底部为三棱柱型。

内芯顶端设有不锈钢电极棒2，电极棒直径为3-6mm，外伸长度为15-30mm；内部连接导线3连接顶端不锈钢电极棒2和底端不锈钢电极片4，导线为防水单芯线，线路完全被绝缘塑料主体包裹；内芯底端不锈钢电极片4为圆片型，直径为4-5mm，厚为1-2mm，电极片位于绝缘塑料主体中心；内芯上有刻度线5，量程为500-1100mm，最小刻度为毫米，零刻度线与探测仪外管6顶端持平时，探测仪内芯1与探测仪外管6底端处于同一水平。

作为一种实施方式，内芯顶端电极棒2直径为3mm，外伸长度为15mm；内部连接导线4完全被硬质绝缘塑料主体包裹；内芯底端电极片4直径为4mm，厚度为1mm；刻度线5量程为500mm。

如图2所示，探测仪外管6包含外管缝7，外管底端钻头8，表面凸起9，外管顶端开孔10，外管顶端电极片11；探测仪外管6材质为不锈钢，圆管型，长500-1100mm，外径为40mm，内径为30mm；

探测仪外管6设有外管缝7，外管缝7长100mm，宽4mm，外管切面上缝与缝之夹角角度为90°，垂向重叠长度为20mm，外管缝7分布均匀，外管缝的最低端不低于探测仪内芯的最低端刻度位置处。

外管底端钻头8为b型中心钻头型以利于外管顺利打入湿地基质，材质为钨钢，长50mm，小头直径15mm，柄径直径40mm；外管外表面设置有不锈钢凸起9以防治缝堵塞，长方体型，长度为500-1000mm，底面为正方形，边长为5mm；

外管顶端带有开孔10以便外管提取，开孔距离顶端40mm处，直径为15mm，两开孔位置对称；外管顶端接有不锈钢电极片11以便测量，电极片距顶端40mm，立方体型，外伸长度为10-20mm，高20-40mm，厚3-6mm。

如图3所示，探测仪电阻指示器12包含告警喇叭13和告警灯14；探测仪电阻指示器12量程为200kω，最小分辨率为100ω，内供电压为6v；采用阻抗测量芯片监测电阻值，将数据发送给单片机，并通过简单判断程序实现某个电阻范围内的告警，自定义告警范围为0-2kω，并可选告警喇叭和告警灯两种告警方式；测量时鳄鱼夹电极线正极连接外管顶端电极片，负极连接内芯顶端电极棒。

发明潜流人工湿地水位探测仪的探测方法为：保持外管垂直状态插入水中，将内芯缓缓插入外管中，至其位置处于探测仪电阻指示器数值显著变化或告警的临界值，此时内芯底端电极片与湿地水面刚好接触，读取探测仪外管顶端对应的刻度线数值，即为所测位置的水位高度。

实施例1：

潜流人工湿地各阶段水位变化判断基质堵塞。

以某小型潜流人工湿地为研究对象，湿地进水为污水处理厂出水，初始将探测仪外管6垂直打入深度至与潜流人工湿地基质16深度相近，打入后将外管旋转数圈，利用表面凸起9的挤压作用防止外管缝7内卡入填料，不断利用探测仪内芯1测量水位高度，并利用外加杠杆穿过外管顶端开孔10调节探测仪外管6高度，直至正常运行下潜流人工湿地各监测点的初始水位测量值保持一致，保持系统水流量不变，每隔半年测量一次各点的水位。

结果显示，探测仪内芯1底端与潜流人工湿地水面17接触时探测仪电阻指示器12数值发生显著降低，由超量程降为千欧数量级数值，并出现告警灯亮起，水位测量精确度为1mm，随着系统的运行，潜流人工湿地进水端水位逐渐升高，运行两年后进水端水位由初期的430mm升高至486mm，出水端水位无明显变化，说明进水区发生了明显的堵塞现象。

实施例2：

潜流人工湿地各层孔隙度测定。

探测仪参数如上述所示，以实验室规模潜流人工湿地为研究对象，潜流湿地长1500mm，宽300mm，高350mm，湿地种有黄花鸢尾，密度为150株/m3，进水类型为自来水，将探测仪外管6插入系统内，调整探测仪内芯1高度至110mm固定内芯位置，将湿地系统内水体排空后缓缓加入一定体积的自来水，至探测仪电阻指示器12处于告警灯亮起的临界值，记录加入的水体体积，将探测仪内芯1依次调至220mm和330mm处，重复上述操作。

结果显示，植物生长初期潜流人工湿地系统上层、中层和下层的空隙率分别为42.4％、44.0％和42.6％，而经过6个月的生长期，其孔隙率分为38.0％、43.4％和42.4％，说明植物根系生长占据了约10％的空隙体积。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。