一种不同尺度地表径流过程自动监测整编系统的制作方法

本实用新型涉及一种监测系统平台，属于水土保持领域，具体为一种不同尺度地表径流过程自动监测整编系统。

背景技术：

径流是大气降水形成的，并通过流域内不同路径进入河流、湖泊或海洋的水流。

过去的地表径流监测装置存在以下缺陷，传统地表径流的收集统计装置相当少，特别是针对于野外的大型实验坡地，需要修建巨型的集流桶以供收集；地表径流是持续不断流出的，无法保证能完整的收集全部的地表径流。传统地表径流的收集统计装置目前都无法采集到过程数据，也无法得出降雨和产流特征值，无法实现远程无线传输技术，只能通过现场下载，再进行传输，效率较低需耗人力，且只能单一测量小尺度径流小区级别的地表径流情况。没有一种不同尺度地表径流过程自动监测整编系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种不同尺度地表径流过程自动监测整编系统，该自动监测采集系统无需大的集流池即可采集，能够测量地表径流过程数据，得出降雨特征值，且实现远程无线传输技术。

本实用新型的技术方案是：一种不同尺度地表径流过程自动监测整编系统，包括坡面尺度(小尺度)地表径流过程自动监测系统、流域尺度(大尺度)地表径流过程自动监测系统和数据传输与接收计算装置；其特征在于：坡面尺度地表径流过程自动监测系统由试验小区、坡面地表径流收集装置、坡面地表径流水位自动监测装置组成；流域尺度地表径流过程自动监测系统由流域卡口站、域地表径流水位自动监测装置；其中试验小区连接坡面地表径流收集装置，坡面地表径流收集装置连接坡面地表径流水位自动监测装置；在流域卡口站上布设流域地表径流水位自动监测装置；坡面尺度地表径流过程自动监测系统、流域尺度地表径流过程自动监测系统分别与数据传输与接收计算装置连接。

进一步的，所述试验小区包括围埂、挡土墙和地下的底板，围埂、挡土墙和地下的底板将试验小区的土壤围挡起来，试验小区的左右二端、顶端设置围埂，下端设置挡土墙，底板位于试验小区土壤最底层；其中试验小区下端的挡土墙顶端设置有地表径流集流槽。

进一步的，所述坡面地表径流收集装置主要由导流管、集流桶组成，其中集流桶分为地表径流集流桶a、地表径流集流桶b、地表径流集流桶c，地表径流集流桶a、地表径流集流桶b、地表径流集流桶c纵向并排设置；导流管下端口设置在高出地表径流集流桶a底部30cm的位置；a、b集流桶带有分流口。

进一步的，所述流域卡口站由观测房、测流堰组成，流域有一个总排水沟：流域卡口站位于总排水沟出口位置。

进一步的，所述观测房建在总排水沟测流堰旁，长4m，宽3.5m，高2.5m，墙体为砖砌结构，顶部平整；观测房主要用于放置流域地表径流水位自动监测装置。

进一步的，所述测流堰设置于总排水沟上，长度为9m，分三段，上游段长4.7m，中段三角形剖面堰长2.8m，堰高0.4m，上下游坡比分别为1:2、1:5，下游段长1.5m；两侧墙体高度2m，长9m，采用梯形剖面的浆砌石结构，上宽0.5m，下宽0.7m；矩形堰沟道上下宽度均为4m，墙面和槽底均采用砂浆抹面，底部和墙面光滑平整。

进一步的，所述坡面地表径流水位自动监测装置和流域地表径流水位自动监测装置结构一致；具体为自动监测装置由雷达水位计、雨量计、数据采集器、供电装置组成；雷达水位计和雨量计分别连接数据采集器；雷达水位计、雨量计、数据采集器分别与供电装置连接。

进一步的，所述坡面地表径流水位自动监测装置的雷达水位计设置在地表径流集流桶a、地表径流集流桶b、地表径流集流桶c桶盖圆孔的正上方20cm，雷达水位计上方加设了遮雨盖；

所述雨量计布安装于试验小区旁，通过支架设置，采用jd-05型翻斗式雨量计，支架顶端设有避雷针；

所述数据采集器采用csicr1000数据采集器，支持模拟信号和数字信号，不同的地表径流集流桶a、地表径流集流桶b、地表径流集流桶c的雷达水位计通过数据信号线分别与数据采集器的1、2、3号信号端口连接；数据采集器的可以识别出不同端口的信号数据，从而区分不同桶中的水位。

进一步的，所述流域地表径流水位自动监测装置的雷达水位计设置在卡口站测流堰堰口上方2m，沟道宽度方向的中心位置，与观测房等高；通过发射—反射-接收电磁波原理，不接触的测量出测流堰中的水位；

所述雨量计布安装于卡口站观测房房顶，采用jd-05型翻斗式雨量计，在雨量计旁设置高于雨量计的避雷针；

所述数据采集器采用csicr1000数据采集器，支持模拟信号和数字信号，雷达水位计通过数据信号线分别与数据采集器的信号端口连接；数据采集器将采集到的数据可以储存在储存卡内。

进一步的，所述数据传输与接收计算装置包括数据传输设备dtu、数据接收自动计算装置。

数据传输设备dtu与数据采集器相连接，将数据采集器传输过来的数据无线发送到数据接收自动计算装置中。

本实用新型的有益效果是：1、一般收集和测量地表径流与壤中流需要采用巨型的集流桶，本装置极大的节约成本和空间；2、能够解决目前无法采集过程数据的困难；具有结构简单，全程自动化，实时监测，可编程，野外可用等特点，能够准确实时监测地表径流过程；3、不需要现场下载，能够实现远程传输；4、数据自动整理和计算。

附图说明

图1为本实用新型的整编系统结构示意图一。

图2为本实用新型的整编系统结构示意图二。

图3为本实用新型的整编系统的流域尺度结构细节图。

图4为本实用新型的整编系统的坡面地表径流收集装置结构示意图。

图5为本实用新型的整编系统的坡面地表径流水位自动监测装置结构示意图。

图6为本实用新型的整编系统的分流小区结构示意图。

图7为本实用新型的整编系统的围埂结构示意图一。

图8为本实用新型的整编系统的围埂结构示意图二。

图9为本实用新型的整编系统的集流槽结构示意图。

图10为本实用新型的整编系统的总排水沟结构示意图。

图11为本实用新型的整编系统的总排水沟结构示意图二。

图12为本实用新型的整编系统的流域卡口站结构示意图。

在图中，试验小区1，坡面地表径流收集装置2，坡面地表径流水位自动监测装置3，流域卡口站4，流域地表径流水位自动监测装置5，围埂6，挡土墙7，地下的底板8，土壤9，地表径流集流槽10，地表径流集流桶a为11、地表径流集流桶b为12、地表径流集流桶c为13，分流口14，观测房15、测流堰16，总排水沟17，上游段18，中段三角形剖面堰19，下游段20，雷达水位计21、雨量计22、数据采集器23、数据传输设备dtu24、数据接收自动计算装置25、供电装置26，雷达水位计遮雨盖27,圆口28,支架29,避雷针30,隔离带31，汇流口32，导流管33，桶盖34，钢圈35。

具体实施方式

如图1-5所示，本实用新型采用如下技术方案：如图1-5所示，本实用新型采用如下技术方案：一种不同尺度地表径流过程自动监测整编系统，包括坡面尺度(小尺度)地表径流过程自动监测系统、流域尺度(大尺度)地表径流过程自动监测系统和数据传输与接收计算装置；其特征在于：坡面尺度地表径流过程自动监测系统由试验小区1、坡面地表径流收集装置2、坡面地表径流水位自动监测装置3；流域尺度地表径流过程自动监测系统由流域卡口站4、流域地表径流水位自动监测装置5。

其中试验小区1连接坡面地表径流收集装置2，坡面地表径流收集装置2连接坡面地表径流水位自动监测装置3；在流域卡口站4上布设流域地表径流水位自动监测装置5。

进一步的，所述试验小区1包括围埂6、挡土墙7和地下的底板8，围埂6、挡土墙7和地下的底板8将试验小区的土壤9围挡起来，试验小区1的左右二端、顶端设置围埂6，下端设置挡土墙7，底板8位于试验小区土壤9最底层。

其中试验小区1下端的挡土墙7顶端设置有地表径流集流槽10。

进一步的，其中试验小区1和试验小区1之间、试验小区1与外部之间设置隔离带31，试验小区为斜坡；在不同的试验小区之间设置了1.5m宽的假俭草组成的隔离带31。假俭草匍匐生长，较低矮不影响试验小区内降雨径流，又耐旱耐淹耐贫瘠。低矮的草坪增加了间隙的地表覆盖度，使之地表径流减少，溅蚀的水滴减少，草丛又远低于不锈钢钢板，大大减少了溅蚀水滴对试验小区的影响，此外还能作为日常的观测通道。

进一步的，所述围埂6采用混凝土制成，围埂内壁涂上一层防水材料，围埂最顶部倾斜结构。围埂顶部10cm作成坡比为1:1的倾斜结构，内高外低，使滴落到围埂上的雨水流向外部，减少了径流监测的误差。

进一步的，所述挡土墙7采用混凝土制成的，现浇一次成型的，内层做防水处理，保证无缝防渗，稳定性好，不容易开裂。挡土墙7平衡了整个试验小区，形成了收集断面。

进一步的，所述地表径流集流槽10内底部贴光面瓷砖或涂刷光滑涂料，确保底部光滑，地表径流集流槽底部中设置两边高中间凹的结构，坡比为百分之三，在地表径流集流槽内底部中间的最低点设置了汇流口32，确保地表径流集流槽内带泥沙的地表径流全部从汇流口流出；汇流口32连接导流管33，导流管33连接地表径流集流池。

进一步的，所述坡面地表径流收集装置2主要由导流管33、集流桶组成，其中集流桶分为地表径流集流桶a(11)、地表径流集流桶b(12)、地表径流集流桶c(13)，地表径流集流桶a(11)、地表径流集流桶b(12)、地表径流集流桶c(13)纵向并排设置；导流管33下端口设置在高出地表径流集流桶a(11)底部30cm的位置；地表径流集流桶a、地表径流集流桶b集流桶带有分流口14。地表径流集流桶a的底座高于地表径流集流桶b，地表径流集流桶b底座高于地表径流集流桶c。

其中导流管33的口径为50mm；地表径流集流桶a在50cm高的位置设置了5或7个分流口14，每个分流口均为50mm口径，高度均一，其中一个分流口通过导流管连接下一个地表径流集流桶b，其余分流口均分在其两侧；地表径流集流桶a与分流管之间采用焊接，无缝贴合，减少流量的损失，其中地表径流集流桶a的分流管与地表径流集流桶b的方形口对接，方形口边长为10cm，保证地表径流集流桶a的分流管导出的径流全部进入地表径流集流桶b中；地表径流集流桶b在45cm高的位置设置了5或7个分流口，每个分流口均为50mm口径，高度均一，其中一个分流口通过导流管连接下一个地表径流集流桶c，其余分流口均分在其两侧；b分流管较a分流管位置较低，保证当地表径流集流桶a蓄满后地表径流集流桶b能及时将水导入地表径流集流桶c中，消除误差。

所述地表径流集流桶是不锈钢制成的圆桶，圆桶上设有桶盖34，桶盖上端位置设有一个圆口28，圆口周围围上一层钢圈35；圆桶不渗水，底面光滑平整，地表径流集流桶底面光滑平整有利于容量的标定，有利于雷达水位计的测量；桶盖防止了降雨进入桶中，对地表径流产生误差；圆桶盖34上设置的圆口，与雷达水位计对准，方便雷达水位计的测量，圆口周围的钢圈35是防止雨水滴落到桶盖上，从圆口溅入圆桶中，雷达水位计上加设遮雨盖27。所述地表径流集流桶内放有10mm的底水，地表径流集流桶底面可能不平整，加入底水，水面是平整的，减小测量误差；还能减少水面波的影响，增加了底面的反射效果，使雷达水位计的测量效果更好。

进一步的，所述坡面地表径流水位自动监测装置3的雷达水位计21设置在地表径流集流桶a(11)、地表径流集流桶b(12)、地表径流集流桶c(13)桶盖圆口28的正上方20cm，雷达水位计21上方加设了遮雨盖27；一是为了保护雷达水位计，二是为了防止降雨通过圆孔滴入圆桶中，产生误差。雷达水位计通过发射—反射-接收电磁波原理，不接触的测量出地表径流集流桶中的水位；能够在一秒内进行三次测量，取平均值为最终测量值，有利于规避水面波动起伏所带来的误差，使数据更加准确可靠；采用gdrd56型26ghz脉冲型雷达水位计。

所述雨量计22布安装于试验小区1旁，通过支架29设置，采用jd-05型翻斗式雨量计，支架29顶端设有避雷针30。

所述数据采集器23采用csicr1000数据采集器，支持模拟信号和数字信号，不同的地表径流集流桶a、地表径流集流桶b、地表径流集流桶c的雷达水位计通过数据信号线分别与数据采集器的1、2、3号信号端口连接；数据采集器的可以识别出不同端口的信号数据，从而区分不同桶中的水位。数据采集器可编辑采集频率，例如设置为5分钟计一次数值，即每隔5分钟间采集一个数据，通过对采集频率的控制能够满足不同时间间隔过程数据的需求；数据采集器将采集到的数据可以储存在储存卡内。

进一步的，所述流域卡口站4由观测房15、测流堰16组成，流域有一个总排水沟17：流域卡口站4位于总排水沟17出口位置。

进一步的，所述观测房15建在总排水沟17旁，长4m，宽3.5m，高2.5m，墙体为砖砌结构，顶部平整；观测房15主要用于放置流域地表径流水位自动监测装置5。房顶放置雨量计，另在房顶设有固定支架管，导向沟道宽的中心，在固定支架管的尾端设置雷达水位计，支架管内含有数据线和供电线向下与观测房室内放置数据采集器、数据传输设备dtu、供电装置连接。

进一步的，所述测流堰16设置于总排水沟17上，长度为9m，分三段，上游段21长4.7m，中段三角形剖面堰22长2.8m，堰高0.4m，上下游坡比分别为1:2、1:5，下游段23长1.5m；两侧墙体高度2m，长9m，采用梯形剖面的浆砌石结构，上宽0.5m，下宽0.7m；矩形堰沟道上下宽度均为4m，墙面和槽底均采用砂浆抹面，底部和墙面光滑平整。

进一步的，所述坡面地表径流水位自动监测装置3和流域地表径流水位自动监测装置5结构一致；具体为自动监测装置由雷达水位计21、雨量计22、数据采集器23、供电装置26组成。

所述数据传输与接收计算装置数据传输设备dtu24和数据接收计算装置25。

雷达水位计21和雨量计22分别连接数据采集器23，数据采集器23连接数据传输设备dtu24，数据传输设备dtu27无线连接数据接收计算装置25；雷达水位计21、雨量计22、数据采集器23、数据传输设备dtu24分别与供电装置26连接。

进一步的，所述流域地表径流水位自动监测装置5的雷达水位计21设置在卡口站测流堰16堰口上方2m，沟道宽度方向的中心位置，与观测房15等高；通过发射—反射-接收电磁波原理，不接触的测量出测流堰16中的水位；能够在一秒内进行三次测量，并得出其平均值，有利于规避水面波动起伏所带来的误差，使数据更加准确可靠；采用gdrd56型26ghz脉冲型雷达水位计。

所述雨量计22布安装于卡口站观测房15房顶，采用jd-05型翻斗式雨量计25，在雨量计旁设置高于雨量计的避雷针30。

所述数据采集器23采用csicr1000数据采集器，支持模拟信号和数字信号，雷达水位计通过数据信号线分别与数据采集器的信号端口连接；数据采集器将采集到的数据可以储存在储存卡内。数据采集器可编辑采集频率，例如设置为5分钟计一次数值，即每隔5分钟采集一个数据，通过对采集频率的控制能够满足不同时间间隔过程数据的需求。

其中数据传输设备dtu24与数据采集器23相连接，将数据采集器23传输过来的数据无线发送到数据接收计算装置25中。数据传输设备dtu24与数据采集器23的连接具体为：dtu的通讯接口一般为rs232，可以使用rs232线将dtu的串口与cr1000的rs232口相连。数据传输具体为：(1)将数据接收计算装置28的固定ip地址或域名，以及相应的通讯端口，设置到dtu中；(2)dtu使用sim卡数据流量，通过移动运营商提供的gprs/cdma/3g/4g等网络接入internet，访问预先设置好的ip地址和端口，从而实现将数据上传到数据接收计算装置中。数据接收计算装置28：即用来接收数据的计算机，需要具有公网固定ip，同时局域网内要开放相应的通讯端口，并映射到该计算机，该计算机就可以接收到dtu上传的数据。

数据接收计算装置接收到雨量计读数pi(i时刻雨量计读数)、坡面地表径流地表径流集流桶a水位hai(i时刻读数a桶水位)、地表径流集流桶b水位hbi(i时刻读数b桶水位)、地表径流集流桶c水位hci(i时刻读数c桶水位)、流域卡口的水位hi(i时刻流域卡口的水位值)后，按照已经设置好的计算公式进行计算，具体计算公式如下：

降雨量计算：降雨量p＝降雨结束后雨量计读数p2-降雨开始时雨量计读数p1坡面地表径流计算：qi＝hai×sa+k×(k×hbi×sb+hci×sc)

qi——i时刻地表径流量；

hai、hbi、hci——分别为地表集流桶a、b、c桶的水位值；

sa、sb、sc——a、b、c地表集流桶a、b、c桶的底面积；

k——分流孔数量。

流域地表径流计算：wi＝2.2536b×hi^1.5

b—堰宽为4m，m；

hi—i时刻流域卡口的水位值,m。