一种确定喀斯特岩溶管道淤泥流速的装置和方法

本发明涉及农业水土技术领域，具体涉及一种确定喀斯特岩溶管道淤泥流速的装置和方法，本发明适宜于指导喀斯特岩溶区域岩溶管道淤泥的淤积深度及淤泥运移速度，且适合于喀斯特区水土地下漏失机理研究、土壤地下漏失量估算、洪涝灾害预警、水土保持措施布设方案制定等科研和民生服务领域。

背景技术：

喀斯特地上地下二元三维结构发育，土层浅薄且不连续、岩土结构复杂，喀斯特区水土流失不仅表现为地表过程，还表现为垂直维度的地下过程，这种水土流失过程的三维立体性极大地加剧了有关喀斯特坡面水文、土壤侵蚀等过程、机理研究的难度。非喀斯特地区用于确定土壤侵蚀量的观测研究的方法手段在喀斯特地区不适用，急需创建兼顾地上地下的喀斯特水土流失过程三维立体观测方法、设备和平台，从技术手段上实现喀斯特地上、地下水土流失过程的三维动态监测，加深对喀斯特区水土流失/漏失关键过程、驱动机制的认识。

研究表明，虽然喀斯特区地表土壤侵蚀过程极其微弱，但是在野外时常见到喀斯特坡麓地带土壤冲刷殆尽，石漠化问题突出，推测丢失的土壤大部分通过地下岩溶管道流失并沉积在地下空间。确定地下空间(如岩溶管道中)沉积的淤泥量和随着水流等运移的淤泥量是估算喀斯特区土壤侵蚀通量的关键环节，同时还在确定土壤侵蚀防治措施布设的关键位置有很重要的指示意义。另外，喀斯特地下岩溶管道作为洪水期间的主要排水通道，对地下主要岩溶管道淤泥运移情况和淤积情况的实时掌握能够在洪涝灾害提前预警、洼地内涝风险评估方面提供重要依据。然而，迄今为止尚无用于确定岩溶管道淤泥运移速度的装置和方法。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种确定喀斯特岩溶管道淤泥流速的装置和方法，该装置结构简单，易于制作，制作成本低，而且安装和回收方便。

该方法简单，能够实时动态监测岩溶管道内淤泥的流速，而且能监测淤泥的深度。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种确定喀斯特岩溶管道淤泥流速的装置，包括竖直管本体、水平管组件、密度调节机构、测量机构、滑移旋转机构、供电模块和数据采集器；

在有岩溶管道处的地表开设有安装孔，竖直管本体竖直设置，竖直管本体下端与岩溶管道底部接触，竖直管本体贯穿安装孔，竖直管本体固定于地面上；

水平管组件为对称结构，水平管组件包括水平管本体，水平管本体两端密封，水平管本体的两端部分别设有细沙腔，细沙腔内装有细沙，水平管本体内设有水腔，水腔位于两细沙腔之间，水腔和两细沙腔分别隔绝，水腔内装有水；

密度调节组件包括水泵和抽送水管，抽送水管的两端分别与水泵和水腔连通；

水平管本体通过滑移旋转机构与竖直管本体连接，水平管本体可沿着竖直管本体的轴向滑移，且水平管本体可在平行于竖直管本体的平面上旋转；

测量机构为对称结构，测量机构包括电机a、电机b、感应线圈a、感应线圈b、定滑轮、磁铁和线绳，线绳和定滑轮均有两个，电机a和电机b分别固定并密封于水平管本体的两端内或两端外，感应线圈a和感应线圈b分别固定并密封于水平管本体的两端部，且感应线圈a和感应线圈b的长度方向分别平行于水平管本体的轴向，感应线圈a和感应线圈b分别位于水腔的两侧，两定滑轮分别固定于水平管本体两端上，且两定滑轮均位于水平管本体外，两线绳的一端分别固定并缠绕在电机a和电机b的输出端上，两线绳分别绕过两定滑轮，两线绳的另一端分别与磁铁连接，磁铁位于水平管本体一侧；

水泵、电机a、电机b、感应线圈a和感应线圈b均通过导线与供电模块连接，数据采集器分别与电机a、电机b、感应线圈a和感应线圈b连接。

所述的滑移旋转机构为对称结构，滑移旋转机构包括固定座和连接轴承，竖直管本体沿其长度方向设有导向槽，固定座贯穿导向槽，且固定座可沿导向槽的长度方向滑移，连接轴承外圈与固定座连接，连接轴承内圈与水平管本体侧壁中央区域连接，且水平管本体可旋转。

所述的滑移旋转机构还导向轮组件，导向滑轮组件有多对，导向轮组件包括滑轮支架和导向滑轮轮，导向滑轮安装于滑轮支架上，各对滑轮支架与固定座正相对的两侧对称连接，各对导向滑轮的轮槽分别与导向槽竖直方向的两边沿滑动连接。

所述的固定座呈方形，导向滑轮组件有两对，四个滑轮支架分别与固定座的四个角连接，测量机构还包括刻度尺，刻度尺垂竖直设置，刻度尺的下部固定于固定座上，刻度尺的零刻度位于岩溶管道的上方。

所述的水平管本体侧壁中央区域设有连接口，连接口为双层接口，连接口由内层接口和外层接口构成，内层接口和外层接口之间为缝隙为走线通道，外层接口与水平管本体侧壁中央区域连接，连接轴承内圈套设于外层接口上，内层接口与水腔侧壁中央区域连接，抽送水管的一端位于水腔底部，抽送水管依次贯穿水腔侧壁、内层接口、连接轴承内圈和竖直管本体，抽送水管的另一端与水泵出口连接，与两电机和两感应线圈连接的导线均依次贯穿走线通道、连接轴承内圈和竖直管本体。

所述的水平管本体的两端外分别设有电机安装腔，电机安装腔呈球冠状，水平管本体的两端部分别设有线圈安装腔，位于水平管本体同一侧的线圈安装腔和细沙腔沿着水平管本体的径向分布，位于水平管本体同一侧的线圈安装腔、细沙腔和电机安装腔两两相互相邻，且水平管本体同一侧的线圈安装腔、细沙腔和电机安装腔两两分别隔绝，水腔与两线圈安装腔分别隔绝，电机a和电机b分别安装于两电机安装腔内，感应线圈a和感应线圈b分别安装于两线圈安装腔内。

所述的测量机构还包括固定板，固定板呈圆盘状，磁铁固定于固定板的边缘上，磁铁位于固定板靠近水平管本体的一侧。

所述的竖直管本体下端对称设有两微型距离传感器，两微型距离传感器感应探头的连线与水平管本体异面垂直。

一种确定喀斯特岩溶管道淤泥流速的方法，包括如下步骤：

1、将整个装置按照上述的要求组装好，并将竖直管本体进行固定；

2、启动电机a，电机a完全放线，数据采集器记录电机a完全放线旋转的圈数n1，关闭电机a，再次启动电机a，电机a收线，当磁铁移动至感应线圈a切割磁感线产生感应电流时，数据采集器接收电信号，并记录产生感应电流时至磁铁靠近水平管本体与电机a位于同一侧的端口时，电机a旋转的圈数n2，关闭电机a，再次启动电机a，电机a完全放线，数据采集器记录电机a完全放线旋转的圈数n3，将n1、n2、n3存储于数据采集器中，最后再次调整电机a和电机b，使磁铁分布于水平管本体径向的对称面上；或启动电机b，电机b完全放线，数据采集器记录电机b完全放线旋转的圈数n1，关闭电机b，再次启动电机b，电机b收线，当磁铁移动至感应线圈b切割磁感线产生感应电流时，数据采集器接收电信号，并记录产生感应电流时至磁铁靠近水平管本体与电机b位于同一侧的端口时，电机b旋转的圈数n2，关闭电机b，再次启动电机b，电机b完全放线，数据采集器记录电机b完全放线旋转的圈数n3，将n1、n2、n3存储于数据采集器中，最后再次调整电机a和电机b，使磁铁分布于水平管本体径向的对称面上；

3、在已探测有岩溶管道的地表开设安装孔，旋转水平管本体，使水平管本体平行于竖直管本体，用手同时握住水平管本体和竖直管本体，通过安装孔将竖直管本体和水平管本体插入岩溶管道，直至水平管本体位于岩溶管道内，竖直管本体下端与岩溶管道底部接触，同时使竖直管本体竖直放置，松开水平管本体，水平管本体在浮力和重力的作用下达到水平状态，再将竖直管本体固定于地表上；

4、开启水泵，通过抽送水管往水腔里注满水，此时水平管组件整体的密度介于水和淤泥的密度之间，水平管本体下沉至水和淤泥的界面处；

5、假设电机a和电机b沿着淤泥流动的方向依次布设，感应线圈a和感应线圈b沿着淤泥流动的方向依次布设，同时启动电机a和电机b，数据采集器控制电机a和电机b旋转n1圈完全放线，此时磁铁由固定状态变为自由状态，磁铁可随着淤泥自由移动，当磁铁移动至感应线圈b切割磁感线产生感应电流时，数据采集器接收到电信号；

6、启动电机a，电机a旋转并收紧与电机a连接的线绳，磁铁朝着淤泥流动的反方向移动，当磁铁移动至感应线圈a切割磁感线产生感应电流时，数据采集器接收到电信号，数据采集器控制电机a继续旋转n2圈后停止旋转m秒；

7、启动电机a，电机a旋转n3圈完全放开与电机a连接的线绳，磁铁随着淤泥移动，当磁铁移动至感应线圈a切割磁感线产生感应电流时开始，数据采集器接收电信号并记录产生最大感应电流的时刻t1，磁铁继续随着淤泥移动，当磁铁移动至感应线圈b切割磁感线产生感应电流时开始，数据采集器接收电信号并记录产生最大感应电流的时刻t1’，第一次测量所得的淤泥流速为：

v1＝d/(t1’-t1)

其中，v1为第一次测量所得的淤泥移运速度，d为感应线圈a和感应线圈b之间的距离；

8、当数据采集器没有接受到感应线圈b切割磁感线感应的电信号时，启动电机a重复步骤6-步骤7n-1次，n-1次测量得到淤泥移运的速度为v2、v3……vn，则淤泥移运的平均速度为：

v＝(v1+v2……vn)/n

9、若是需要测量水的流速，则在第n次测量淤泥移运速度完成后关闭电机a，启动水泵，抽出水腔中的水，直至水平管本体的密度小于水的密度，水平管本体上升至水面；

10、重复步骤步骤5-步骤8。

与现有技术相比，本发明的优点与有益效果在于：

本发明的装置结构简单，易于制作，制作成本低，安装和回收方便，自动化程度高，无需人工进行干预，稳定性好，本发明的方法基于本发明的装置，方法简单易操作，能实时动态监测岩溶管道内淤泥的流速，而且能够监测淤泥的深度。

附图说明

图1为确定喀斯特岩溶管道淤泥流速的装置的安装示意图。

图2为水平管组件和测量机构的装配图。

图3为竖直管本体与滑移旋转机构的装配图。

其中，1-岩溶管道、2-竖直管本体、3-水平管本体、4-细沙腔、5-水腔、6-水泵、7-抽送水管、8-电机a、9-电机b、10-感应线圈a、11-感应线圈b、12-定滑轮、13-磁铁、14-线绳、15-供电模块、16-固定座、17-连接轴承、18-导向槽、19-导向滑轮、20-刻度尺、21-内层接口、22-外层接口、23-电机安装腔、24-线圈安装腔、25-固定板、26-微型距离传感器、27-数据采集器、28-无线通讯模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的确定喀斯特岩溶管道淤泥流速的装置进行详细说明。

本实施例提供的确定喀斯特岩溶管道淤泥流速的装置包括竖直管本体2、水平管组件、密度调节机构、测量机构、滑移旋转机构、供电模块15、数据采集器27和无线通讯模块28。

本实施例中，竖直管本体2为圆形钢管，其长度1.2m，直径为4cm。在岩溶管道1的地表处开设有安装孔，竖直管本体2竖直设置，竖直管本体2下端与岩溶管道底部接触，竖直管本体2贯穿安装孔，竖直管本体2固定于地表上，为固定竖直管本体，可以用水泥封住安装孔，也可以用夹具夹柱竖直管本体，以方便回收。竖直管本体2沿其长度方向设有导向槽18。竖直管本体2下端对称设有两微型距离传感器26，两微型距离传感器感应探头的连线与水平管本体异面垂直。

测量机构为对称结构，测量机构包括电机a8、电机b9、感应线圈a10、感应线圈b11、定滑轮12、固定板25、磁铁13、线绳14和刻度尺20，线绳和定滑轮均有两个。

水平管组件为对称结构，水平管组件包括水平管本体3，本实施例中，水平管本体3为圆形钢管，其长度0.8m，直径为4cm。水平管本体3的两端部分别设有细沙腔4，水平管本体3两端部还设有线圈安装腔24，位于水平管本体3同一侧的线圈安装腔24和细沙腔4沿着水平管本体的径向分布。水平管本体3内设有水腔5，水腔5位于两细沙腔4之间。水平管本体3的两端外分别设有电机安装腔23，电机安装腔23呈球冠状。位于水平管本体3同一侧的线圈安装腔24、细沙腔4和电机安装腔23两两相互相邻，且水平管本体3同一侧的线圈安装腔24、细沙腔4和电机安装腔23两两相互隔绝。水腔5和两细沙腔4分别隔绝，水腔5与两线圈安装腔24分别隔绝。水腔5内装有水，两细沙腔4内分别装有细沙。电机a8和电机b9分别安装于两电机安装腔23内，感应线圈a10和感应线圈b11分别安装于两线圈安装腔24内，感应线圈a10和感应线圈b11的长度方向分别平行于水平管本体3的轴向。因岩溶管道内的淤泥流向未知，故需要在水平管本体两侧均设置电机和感应线圈。

两定滑轮12分别固定于水平管本体3两端上，且两定滑轮12均位于水平管本体3外。固定板25呈圆盘状，磁铁13固定于固定板25的边缘上。两线绳14的一端分别固定并缠绕在电机a8和电机b9的输出端上，两线绳14分别绕过两定滑轮12，两线绳14的另一端分别与磁铁13连接，磁铁13位于固定板25靠近水平管本体3的一侧，且磁铁13分布于水平管本体3径向的对称面上。

水平管本体3侧壁中央区域设有连接口，连接口为双层接口，连接口由内层接口21和外层接口22构成，内层接口21和外层接口22之间为缝隙为走线通道，外层接口22与水平管本体3侧壁中央区域连接，内层接口21与水腔5侧壁中央区域连接。

滑移旋转机构为对称结构，滑移旋转机构包括固定座16、连接轴承17和导向滑轮组。固定座16呈方形，固定座16贯穿导向槽18。如图3所示，连接轴承17外圈固定于固定座16外表面中央，连接轴承17内圈套设于外层接口22上，连接轴承17内圈可旋转。与电机a8、电机b9、感应线圈a10、感应线圈b11连接的导线均依次贯穿走线通道、连接轴承内圈和竖直管本体2后与供电模块电连接，这样可避免导线太多而导致的缠绕。

导向轮组件包括滑轮支架和导向滑轮19，导向滑轮19安装于滑轮支架上。如图3所示，导向滑轮组件有两对，各对滑轮支架对称分布于固定座正相对的两侧，四个滑轮支架分别与固定座的四个角连接，各对导向滑轮19的轮槽分别与导向槽18竖直方向的两边沿滑动连接。

密度调节组件包括水泵6和抽送水管7，抽送水管7的一端位于水腔5底部，抽送水管7位于水腔内的一端连接有气泡石，气泡石将抽送水管7的末端固定于水腔底部，避免抽送水管弯曲导致水腔内水无法抽排干净。抽送水管7依次贯穿水腔5侧壁、内层接口21、连接轴承17内圈和竖直管本体2，抽送水管7的另一端与水泵6出口连接。

刻度尺20垂竖直设置，刻度尺20的下部固定于固定座16上，刻度尺20的零刻度位于岩溶管道的上方。

无线通讯模块28与数据采集器27连接，无线通讯模块28可将数据采集器27接收的数据进行远距离传输。

若需要回收上述的装置时，可在水平管本体的一端上系一根线绳，回收时拉动水平管本体使之竖直。

下面结合上述的装置对本发明的确定喀斯特岩溶管道淤泥流速的方法进行详细说明。

实施例1

1、将整个装置按照上述的要求组装好，并将竖直管本体进行固定；

2、启动电机a，电机a完全放线，数据采集器记录电机a完全放线旋转的圈数n1，关闭电机a，再次启动电机a，电机a收线，当磁铁移动至感应线圈a切割磁感线产生感应电流时，数据采集器接收电信号，并记录产生感应电流时至磁铁靠近水平管本体与电机a位于同一侧的端口时(距离水平管本体端口处10cm)，电机a旋转的圈数n2，关闭电机a，再次启动电机a，电机a完全放线，数据采集器记录电机a完全放线旋转的圈数n3，将n1、n2、n3存储于数据采集器中，最后再次调整两个电机，使磁铁分布于水平管本体径向的对称面上；

3、在已探测有岩溶管道处的地表开设安装孔，先不要往水平管本体内装水，旋转水平管本体，使水平管本体平行于竖直管本体，用手同时握住水平管本体和竖直管本体，通过安装孔将竖直管本体和水平管本体插入岩溶管道，当水平管本体插入岩溶管道约一半长度时，观察两个微型距离传感器测定距岩溶管道内壁距离，同时旋转竖直管本体，当两个微型距离传感器与岩溶管道内壁距离最短时，此时与两微型距离传感器探头连线垂直的方向即为岩溶管道的走向，继续向下放置竖直管本体和水平管本体，并一直观察两个微型距离传感器与岩溶管道内壁距离，始终使两微型距离传感器与岩溶管道内壁距离最短，直至水平管本体位于岩溶管道内，竖直管本体和刻度尺下端均与岩溶管道底部接触，且刻度尺的零刻度与地表齐平，松开水平管本体，水平管本体在浮力和重力的作用下达到水平状态，再将安装孔处用水泥封住的方法来固定竖直管本体，若需要回收整个装置，可用夹具将竖直管本体进行固定，回收时将夹具打开即可；

4、开启水泵，通过抽送水管往水腔里注满水，此时水平管组件整体的密度介于水和淤泥的密度之间，水平管本体下沉至水和淤泥的界面处，待固定座稳定后，刻度尺上露出的刻度即为淤泥的深度；

5、假设电机a和电机b沿着淤泥流动的方向依次布设，感应线圈a和感应线圈b沿着淤泥流动的方向依次布设，同时启动电机a和电机b，数据采集器控制电机a和电机b旋转n1圈完全放线，此时磁铁由固定状态变为自由状态，磁铁可随着淤泥自由移动，当磁铁移动至感应线圈b切割磁感线产生感应电流时，数据采集器接收到电信号；

6、启动电机a，电机a旋转并收紧与电机a连接的线绳，磁铁朝着淤泥流动的反方向移动，当磁铁移动至感应线圈a切割磁感线产生感应电流时，数据采集器接收到电信号，数据采集器控制电机a继续旋转n2圈后停止旋转10秒，使磁铁稳定；

7、启动电机a，电机a旋转n3圈完全放开与电机a连接的线绳，磁铁随着淤泥移动(磁铁随淤泥移动约10cm，此时磁铁移动速度趋近于淤泥流速)，当磁铁移动至感应线圈a切割磁感线产生感应电流时开始，数据采集器接收电信号并记录产生最大感应电流的时刻t1，磁铁继续随着淤泥移动，当磁铁移动至感应线圈b切割磁感线产生感应电流时开始，数据采集器接收电信号并记录产生最大感应电流的时刻t1’，第一次测量所得的淤泥流速为：

v1＝d/(t1’-t1)

其中，v1为第一次测量所得的淤泥移运速度，d为感应线圈a和感应线圈b之间的距离；

8、当数据采集器长时间没有接受到感应线圈b切割磁感线感应的电信号时，启动电机a重复步骤6-步骤7n-1次，n-1次测量得到淤泥移运的速度为v2、v3……vn，则淤泥移运的平均速度为：

v＝(v1+v2……vn)/n

9、若是需要测量水的流速，则在第n次测量淤泥移运速度完成后关闭电机a，启动水泵，抽出水腔中的水，直至水平管本体的密度小于水的密度，水平管本体上升至水面处；

10、重复步骤步骤5-步骤8。