一种动态检测坡面径流泥沙含量的系统及检测方法与流程

本发明涉及测量坡面径流中泥沙含量检测的技术领域，特别是一种动态检测坡面径流泥沙含量的系统及检测方法。

背景技术：

在农田水利、森林生态、环保等部门的野外检测项目中，坡面径流含沙量是监测坡地水土流失状况的重要参数。由于受野外现场环境特殊性和复杂性限制，目前国内外对土壤侵蚀中径流小区的产流量、产沙量一直采用人工收集径流、人工测量的方法。该方法操作过程繁琐、费时费力，若取样的代表性不好还会影响测量精度，不能够快速、连续、实时动态测量坡面径流含沙量。

现有测量泥沙含量的手段很多，如γ射线法、电容法和烘干称量法。γ射线法是利用γ射线穿透物体后的衰减规律来测量泥沙含量的，在标定好被测对象的伽马射线吸收率参数后可以实现较高的测量精度，但γ射线穿透物体后衰减较快，确定吸收率参数很困难，使得对被测对象的要求以及测量精度都受到影响，且该类系统成本高，不易维护。电容法是利用泥沙含量与由液体及圆筒状极板组成的电容器的电容的对应关系来计算泥沙含量的，当圆筒状极板中的液体泥沙含量发生变化时相当于电介质发生改变，进而改变电容器的容量，这种方法适合做连续在线测量，但是受到液体导电率的影响，测量范围及测量精度局限性较大。上述测量方法都存在测量范围小、误差大、测量精度低等诸多问题。

而烘干称量法是人工野外采样，通过在室内对样液进行过滤、烘干、称重等操作，确定样液的泥沙含量。具体操作步骤为取一定体积的含沙径流水样，沉淀排水后放入烤箱中加热除去水分(105℃烘箱中烘24h以上)，冷却后称得泥沙质量。这种烘干称量法采用如下公式表示为：ρ_v＝W/V，其中ρ_v为径流泥沙含量(kg/m³)，W为烘干后称得的泥沙质量(kg)，V为水沙混合液体体积(m³)，若ρ_v＝0时，说明该径流为壤中流(相当于清水)，即水中含沙极少；若ρ_v>0时，说明该径流为表面径流(相当于混水)，即水中含有一定的泥沙。该烘干称量方法虽然能够通过不同的时间段采集径流样品以检测分析泥沙含量变化，但是存在测量过程繁琐、工作量大、周期长的缺陷。

技术实现要素：

本发明能够为土壤侵蚀动力过程的模拟研究、土壤侵蚀预报模型的建立提供基础资料、为监测和预报水土流失过程及水土流失治理决策提供科学依据，同时对研究土壤侵蚀动态过程非常重要，提供一种能够快速、连续、实时动态测量坡面径流含沙量、缩短检测周期、提高测量精度、简化操作的动态检测坡面径流泥沙含量的系统及检测方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种动态检测坡面径流泥沙含量的系统，它包括称重传感器、设置于称重传感器顶部的过流筒以及安装于过流筒顶部的筒盖，所述的筒盖上设置有贯穿筒盖的引流管，引流管上连接有截止阀，所述的过流筒的侧壁上设置有导管，导管的一端连接有位于过流筒内的环形水管，另一端连接有水泵，环形水管的柱面上且沿其柱面上分布有多个喷水孔，所述的过流筒的底部设置有弧形凹槽，弧形凹槽内旋转安装有螺旋杆，螺旋杆的一轴颈连接有电机，所述的过流筒的外底表面上设置有连通过弧形凹槽且与过流筒底表面呈夹角设置的斜管，斜管上连接有电磁阀，所述的过流筒内侧壁上、位于螺旋杆与环形水管之间设置有液位开关，所述的过流筒内底表面上设置有零液位传感器，该系统还包括计算机，所述的计算机与电磁阀、截止阀、称重传感器、水泵、电机、零液位传感器以及液位开关连接。

所述的斜管与过流筒底表面之间的夹角为45～60°。

所述的引流管垂直于筒盖设置。

所述的引流管的轴线与环形水管的轴线重合。

所述的零液位传感器位于螺旋杆的下方。

所述的系统动态检测坡面径流泥沙含量的方法，它包括以下步骤：

S1、初始状态下截止阀和电磁阀均处于关闭状态，过流筒内不含任何泥沙和水；利用称重传感器称取过流筒、过流筒内的部件、筒盖以及筒盖上的部件的总质量为W₁(kg)，称重传感器将重量信息传递给计算机存储；

S2、第一组坡面径流泥沙含量的检测，将待检测坡面径流连接到引流管上，打开截止阀，坡面径流经引流管进入过流筒内，坡面径流在过流筒内形成相对稳流状态且逐渐抬高液面，当液面上升到液位开关位置时，液位开关发出电信号给计算机，计算机控制截止阀立刻关闭，同时计算机接受到该电信号后触发称重传感器动作，称重传感器称取过流筒、过流筒内的部件、筒盖以及筒盖上的部件的总质量为W₂(kg)，称重传感器将重量信息传递给计算机存储，称完后计算机控制电磁阀打开，过流筒内的泥沙和水沿着斜管经电磁阀逐渐排出；经一段时间后，计算机控制电机启动，电机带动螺旋杆转动，螺旋杆加快将沉积于弧形凹槽内的泥沙及水输送到斜管内；经1～2min后，计算机控制水泵启动，水泵将外部清水经导管抽入环形水管内，高压清水沿各方向喷射出，以冲刷过流筒内表面和底表面的泥沙；经30～40s后，利用零液位传感器检测过流筒内是否有泥沙存在并实时将检测结果发送给计算机，若没有泥沙，则计算机控制水泵、电机、电磁阀关闭；

S3、第一组坡面径流泥沙含量ρ的计算，计算机根据公式：G＝W₂-W₁计算出被检测径流中泥沙及水的总质量G(kg)；

根据公式：计算出被检测坡面径流中泥沙含量ρ(kg/m³)，其中ρ_s为标准泥沙密度，ρ_s＝2.65x10³kg/m³，ρ_w为清水密度，ρ_w＝1.0x10³kg/m³；V(m³)为液位开关距弧形凹槽底面间的容积；

S4、第二组径流泥沙含量的计算，打开截止阀，随后重复步骤S1～S3，即可得到第二组径流泥沙含量；如此循环操作即可制作出径流泥沙含量ρ与时间t的关系图。

本发明具有以下优点：(1)本发明能够快速、连续、实时动态测量坡面径流含沙量、缩短检测周期、提高测量精度、简化操作。(2)本发明能够为土壤侵蚀动力过程的模拟研究、土壤侵蚀预报模型的建立提供基础资料、为监测和预报水土流失过程及水土流失治理决策提供科学依据，同时对研究土壤侵蚀动态过程非常重要。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为环形水管的俯视图；

图3为弧形凹槽与螺旋杆的安装示意图；

图中，1-称重传感器，2-过流筒，3-筒盖，4-引流管，5-截止阀，6-导管，7-环形水管，8-水泵，9-喷水孔，10-螺旋杆，11-电机，12-斜管，13-电磁阀，14-液位开关，15-零液位传感器，16-计算机，17-弧形凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1～3所示，一种动态检测坡面径流泥沙含量的系统，它包括称重传感器1、设置于称重传感器1顶部的过流筒2以及安装于过流筒2顶部的筒盖3，所述的筒盖3上设置有贯穿筒盖3的引流管4，引流管4垂直于筒盖3设置，引流管4上连接有截止阀5，所述的过流筒2的侧壁上设置有导管6，导管6的一端连接有位于过流筒2内的环形水管7，引流管4的轴线与环形水管7的轴线重合，另一端连接有水泵8，环形水管7的柱面上且沿其柱面上分布有多个喷水孔9，所述的过流筒2的底部设置有弧形凹槽17，弧形凹槽17内旋转安装有螺旋杆10，螺旋杆10的一轴颈连接有电机11，所述的过流筒2的外底表面上设置有连通过弧形凹槽17且与过流筒2底表面呈夹角设置的斜管12，斜管12与过流筒2底表面之间的夹角为45～60°，以加快泥沙和水在自重下加速流动，斜管12上连接有电磁阀13，斜管12上连接有电磁阀13。

所述的过流筒2内侧壁上、位于螺旋杆10与环形水管7之间设置有液位开关14，所述的过流筒2内底表面上设置有零液位传感器15，零液位传感器15位于螺旋杆10的下方，零液位传感器15用于检测过流筒2的底部是否还含有泥沙。如图1所示，该系统还包括计算机16，所述的计算机16与电磁阀13、截止阀5、称重传感器1、水泵8、电机11、零液位传感器15以及液位开关14连接。

如图1所示，所述的系统动态检测坡面径流泥沙含量的方法，它包括以下步骤：

S1、初始状态下截止阀5和电磁阀13均处于关闭状态，过流筒2内不含任何泥沙和水；利用称重传感器1称取过流筒2、过流筒2内的部件、筒盖3以及筒盖3上的部件的总质量为W₁(kg)，称重传感器1将重量信息传递给计算机16存储；

S2、第一组坡面径流泥沙含量的检测，将待检测坡面径流连接到引流管4上，打开截止阀5，坡面径流经引流管4进入过流筒2内，坡面径流在过流筒2内形成相对稳流状态且逐渐抬高液面，当液面上升到液位开关14位置时，液位开关14发出电信号给计算机16，计算机16控制截止阀5立刻关闭，同时计算机16接受到该电信号后触发称重传感器1动作，称重传感器1称取过流筒2、过流筒2内的部件、筒盖3以及筒盖3上的部件的总质量为W₂(kg)，称重传感器1将重量信息传递给计算机16存储，称完后计算机16控制电磁阀13打开，过流筒2内的泥沙和水沿着斜管12经电磁阀13逐渐排出；经一段时间后，计算机16控制电机11启动，电机11带动螺旋杆10转动，螺旋杆10加快将沉积于弧形凹槽17内的泥沙及水输送到斜管12内；经1～2min后，计算机16控制水泵8启动，水泵8将外部清水经导管6抽入环形水管6内，高压清水沿各方向喷射出，以冲刷过流筒2内表面和底表面的泥沙，其目的是为了提高第二组测量泥沙的精确性；经30～40s后，利用零液位传感器15检测过流筒2内是否有泥沙存在并实时将检测结果发送给计算机16，若没有泥沙，则计算机16控制水泵8、电机11、电磁阀13关闭，以为第二组检测做准备；

S3、第一组坡面径流泥沙含量ρ的计算，计算机16根据公式：G＝W₂-W₁计算出被检测径流中泥沙及水的总质量G(kg)；

根据公式：计算出被检测坡面径流中泥沙含量ρ(kg/m³)，其中ρ_s为标准泥沙密度，ρ_s＝2.65x10³(kg/m³)，ρ_w为清水密度，ρ_w＝1.0x10³kg/m³；V(m³)为液位开关14距弧形凹槽17底面间的容积；

S4、第二组径流泥沙含量的计算，打开截止阀5，随后重复步骤S1～S3，即可得到第二组径流泥沙含量；如此循环操作即可制作出径流泥沙含量ρ与时间t的关系图，为土壤侵蚀动力过程的模拟研究、土壤侵蚀预报模型的建立提供基础资料、为监测和预报水土流失过程及水土流失治理决策提供科学依据。

此外，该动态泥沙含量系统相比传统的烘干法检测，能够快速、连续、实时动态测量坡面径流含沙量，具有检测周期短、测量精度高的特点，同时实现了自动控制操作，无需人工值守，减轻操作者劳动量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。