一种便携式坡面径流泥沙监测设备及监测方法与流程

1.本发明属于坡面径流场径流泥沙含量的测定装置技术领域，涉及一种便携式坡面径流泥沙监测设备，本发明还涉及一种坡面径流泥沙监测方法。


背景技术：

2.全国共有各类水土保持监测点800多个，其中坡面径流场300多个，坡面径流观测场主要用于观测在降雨情况下，不同土壤、地形、土地利用和水土保持措施小区的水土流失状况，主要监测指标包括：1)降雨：降雨量、降雨强度；2)径流：径流量、径流系数等，通过自记水位计或手动观测；3)泥沙：含沙量、土壤侵蚀模数等，通过自动泥沙采样器或手动观测； 4)植被：植被覆盖度、作物产量等；5)土壤水分。其中径流、泥沙是最重要的观测指标，是水土保持试验中定量研究水土流失的重要内容，为水土保持监测提供科学的数据成果，同时为水土保持科学研究、水土保持防治技术、综合效益评价提供基础。
3.传统的监测方法，一般通过采样、过滤、静止、称重等各个环节操作步骤来制作的测定装置，一方面，每个环节都需要相关的装置或者设备，作为一套装置就需要把这些分部件进行组装为一体，装置的体积明显会大很多，操作起来也很复杂，目前监测点位置的特殊性(山坡或者特殊区域)，现场工作人员很难及时开展采样工作，雨发生的时段难以同步开展工作，导致时效性相对较差；另一方面，取样代表性不强，降雨过程形成的坡面径流是一种持续性的过程，采样是一个瞬时过程，难以保证采样过程更贴近实际情况等等，监测精度很难保证。且全国水土保持监测点开展观测主要以传统的人工观测为主，现有的监测设备相对比较落后，自动化程度较低。需要加快径流泥沙自动监测设施设备的研发和推广应用，来提升水土保持监测站点观测自动化和信息化程度，提高监测数据质量，为智慧水保建设提供重要的基础数据，也为模型开发提供算据信息。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种便携式坡面径流泥沙监测设备，解决了现有坡面径流泥沙含量监测设备精度不高，自动化程度较低的问题。
5.本发明的目的还在于提供一种便携式坡面径流泥沙监测方法。
6.本发明所采用的技术方案是，一种便携式坡面径流泥沙监测设备，包括主集水箱，以及位于主集水箱的副集水箱，主集水箱和副集水箱之间有过滤插板；主集水箱、副集水箱和过滤插板底部设置有测重部件，主集水箱和副集水箱的一侧还分别设置有观测井；主集水箱和副集水箱的顶部还分别设置有超声波传感器；主集水箱上还设置有控制器，控制器通过数据传输线分别连接电磁阀、超声波传感器和测重部件；
7.主集水箱的上部还连通有多通道管道，多通道管道上设置有多个分管路，每个分管路上均设置有电磁阀，每个分管路能够再接一个泥沙监测设备。
8.本发明的特点还在于，
9.主集水箱、过滤插板和副集水箱之间依次贯通，过滤插板上设置有若干个均匀的
过滤孔。主集水箱、过滤板、副集水箱贯穿软连接，类似与相邻两个地铁之间的车厢链接方式。
10.观测井分为观测井a和观测井b，观测井a位于主集水箱上，观测井b 位于副集水箱上，观测井a和观测井b上均设置有刻度。
11.超声波传感器包括超声波传感器a和超声波传感器b，超声波传感器a 位于主集水箱上，超声波传感器b位于副集水箱上；超声波传感器a和超声波传感器b分别与控制器电性相连。
12.过滤插板的上部还设置有提手，过滤插板活动插接在主集水箱和副集水箱之间。
13.测重部件包括底部压板a，底部压板上依次均匀内嵌有压力传感器a；底部压板上正对主集水箱和副集水箱的下部分别设置有底部压板b和底部压板c；底部压板b上设置有压力传感器b，底部压板c上设置有压力传感器c；压力传感器a、压力传感器b和压力传感器c分别与控制器电性相连。
14.控制器用于采集测重部件、超声波传感器以及电磁阀的数据，并根据数据计算径流泥沙累积量；控制器还电性连接有app显示设备，app显示设备用于显示泥沙监测数据以及最终的径流泥沙累积量。
15.本发明采用的第二种技术方案是，一种坡面径流泥沙监测方法，具体如下：
16.将监测设备安放在坡面卡口处或者汇水处，保证降雨时坡面水能够通过多通道管口流进主集水箱，使其能够稳定安放在固定的监测位置，在降雨来临前打开电源，当有水沙流入设备后，设备开始工作，采集的数据存储于控制器中，控制器通过信号转换模块并通过如下方式计算泥沙含量：
17.(1)水沙进入集水箱过程中径流泥沙含量
[0018][0019][0020]
单位体积含沙量：
[0021]
(2)一次降雨结束后径流泥沙累积量
[0022][0023]
(3)一次监测过程单位体积总泥沙含量
[0024]
ω
沙
＝g
沙
/(a
主
*h1+a
副
*h2)
[0025]
其中：a
主
为主集水箱底面的内部横截面积；
[0026]a副
为副集水箱底面的内部横截面积；
[0027]
ρ
混
为主集水箱底面内混合液体的密度；
[0028]
ρ
纯
为副集水箱底面内纯液体的密度；
[0029]f1-1
、f
1-2
、f
1-3
分别为测重部件上的3个压力传感器a获取的压力值；
[0030]
f2为测重部件上的压力传感器b获取的压力值；
[0031]
f3为测重部件上的压力传感器c获取的压力值；
[0032]
h1为超声波传感器a获取的主集水箱中混合液水头高度；
[0033]
h2为超声波传感器b获取的副集水箱中混合液水头高度；
[0034]g沙
为一次降雨过程后，累计产生的泥沙量；
[0035]
ω
沙
一次监测过程单位体积总泥沙含量。
[0036]
本发明的有益效果是：
[0037]
本发明一种便携式坡面径流泥沙监测设备，结构新颖独特，采用整体称重的思路以及智能化的传输设备完成了坡面径流泥沙的准确监测；整个监测过程实现了自动化，只要把本设备正确安装到坡面卡口处或者配合坡面集水箱使用，接通电源(蓄电池)就可以实现泥沙含量的自动化监测；该装置结构简单，低功耗，便于携带，安装成本低，也能够实现数据的无线传输，可以广泛的应用于不同坡面径流泥沙监测工作，其对目前监测点优化布局的发展提供了技术与数据基础。
附图说明
[0038]
图1是本发明一种便携式坡面径流泥沙监测设备的结构示意图。
[0039]
图2(a)是本发明压力传感器a的位置结构图。
[0040]
图2(b)是本发明压力传感器b的位置结构图。
[0041]
图2(c)是本发明压力传感器c的位置结构图。
[0042]
图3是本发明过滤插板的结构示意图。
[0043]
图中：1：主集水箱；2：副集水箱；3：过滤插板；4：多通道管道； 5-1：底部压板a；5-2：压力传感器a；6-1：底部压板b：6-2：压力传感器 b；7-1：底部压板c：7-2：压力传感器c；8：电磁阀；9.提手；10：超声波传感器a；11：超声波传感器b；12：控制器；13：数据传输线；14：观测井a；15：观测井b。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明，使本专业的技术人员能够按照本具体实施方式做出便携式坡面径流泥沙监测设备，而且能够用本发明的装置监测降雨过程中径流泥沙含量。其具体实施如下：
[0045]
本发明的一种便携式坡面径流泥沙监测设备，如图1所示，包括主集水箱1，以及位于主集水箱1的副集水箱2，主集水箱1和副集水箱2之间有过滤插板3；主集水箱1、副集水箱2和过滤插板3底部设置有测重部件，主集水箱1和副集水箱2的一侧还分别设置有观测井；主集水箱1和副集水箱2的顶部还分别设置有超声波传感器；主集水箱1的上部还连通有多通道管道4、每个分管路上均设置有电磁阀8；主集水箱1上还设置有控制器12，控制器12通过数据传输线13分别连接电磁阀、超声波传感器和测重部件；
[0046]
主集水箱1的上部还连通有多通道管道4，多通道管道4上设置有多个分管路，每个分管路上均设置有电磁阀8，每个分管路能够再接一个泥沙监测设备。当第一个泥沙监测设备被灌注满水时，其相应的电磁阀由控制器控制关闭，同时，与之相邻的分管路上电磁阀打开，水流进入另一泥沙监测设备。
[0047]
主集水箱1、过滤插板3和副集水箱2之间依次贯通，过滤插板3上设置有若干个均匀的过滤孔，过滤孔用于阻止泥沙通过，将泥沙全部阻隔在主集水箱1中。
[0048]
观测井分为观测井a14和观测井b15，观测井a14位于主集水箱1上，观测井b15位于副集水箱2上，观测井a14和观测井b15上均设置有刻度，方便肉眼观察集水箱集水状况。
[0049]
超声波传感器包括超声波传感器a10和超声波传感器b11，超声波传感器a10位于主集水箱1上，超声波传感器b11位于副集水箱2上；超声波传感器a10和超声波传感器b11分别与控制器12电性相连。超声波传感器 a10和超声波传感器b11可以监测主集水箱1和副集水箱2的水位高度及是否满水；当集水箱满水时，提示控制器关闭当前电磁阀，同时开启下一个电磁阀，启用另一泥沙监测设备。
[0050]
如图3所示，过滤插板3的上部还设置有提手9，过滤插板3活动插接在主集水箱1和副集水箱2之间。
[0051]
如图2(a)-图2(c)所示，测重部件包括底部压板a5-1，底部压板 5-1上依次均匀内嵌有3个压力传感器a5-2；底部压板5-1上正对主集水箱 1和副集水箱2的下部分别设置有底部压板b6-1和底部压板c7-1；底部压板b6-1上设置有压力传感器b6-2，底部压板c7-1上设置有压力传感器c7-2；压力传感器a5-2、压力传感器b6-2和压力传感器c7-2分别与控制器12电性相连。
[0052]
控制器12用于采集测重部件、超声波传感器以及电磁阀的数据，并根据数据计算径流泥沙累积量；控制器12还电性连接有app显示设备，app 显示设备用于显示泥沙监测数据以及最终的径流泥沙累积量。
[0053]
多通道管道4的分管路能够再能够连接其他泥沙监测设备。
[0054]
本发明在具体实施方式中所述的本主/副集水箱、多通道管道、过滤插板材质为不锈钢，其尺寸大小本专业的技术人员在设计、生产时可按照该径流坡面以及坡度大小来自行定做。
[0055]
与传统测流方式相比，本发明的监测设备结构简单，便携且容易安装。工作时，将本测流装置安放在坡面径流坡面卡口位置，然后调平、固定即可进行测量。本设备时效性以及测量精度能够支撑当前研究业务工作。
[0056]
该监测设备的结构新颖独特，采用整体称重的思路以及智能化的传输设备完成了坡面径流泥沙的准确监测；整个监测过程实现了自动化，只要把本设备正确安装到坡面卡口处或者配合坡面集水箱使用，接通电源(蓄电池)就可以实现泥沙含量的自动化监测；该装置结构简单，低功耗，便于携带，安装成本低，也能够实现数据的无线传输，可以广泛的应用于不同坡面径流泥沙监测工作，其对目前监测点优化布局的发展提供了技术与数据基础。
[0057]
本发明的一种便携式坡面径流泥沙监测方法，具体如下：
[0058]
将泥沙设备安放在坡面卡口处或者汇水处，保证降雨时坡面水能够通过多通道管口流进主集水箱，使其能够稳定安放在固定的监测位置，在降雨来临前打开电源，当有水沙流入设备后，设备开始工作，采集的数据存储于控制器中，控制器通过信号转换模块并通过如下方式计算泥沙含量：
[0059]
(1)水沙进入集水箱过程中径流泥沙含量
[0060]
[0061][0062]
单位体积含沙量：
[0063]
(2)一次降雨结束后径流泥沙累积量
[0064][0065]
(3)一次监测过程单位体积总泥沙含量
[0066]
ω
沙
＝g
沙
/(a
主
*h1+a
副
*h2)
[0067]
其中：a
主
为主集水箱底面的内部横截面积；
[0068]a副
为副集水箱底面的内部横截面积；
[0069]
ρ
混
为主集水箱底面内混合液体的密度；
[0070]
ρ
纯
为副集水箱底面内纯液体的密度；
[0071]f1-1
、f
1-2
、f
1-3
分别为测重部件上的3个压力传感器a获取的压力值；
[0072]
f2为测重部件上的压力传感器b获取的压力值；
[0073]
f3为测重部件上的压力传感器c获取的压力值；
[0074]
h1为超声波传感器a获取的主集水箱中混合液水头高度；
[0075]
h2为超声波传感器b获取的副集水箱中混合液水头高度；
[0076]g沙
为一次降雨过程后，累计产生的泥沙量；
[0077]
ω
沙
一次监测过程单位体积总泥沙含量。
[0078]
具体使用时，本设备操作简单易学，可适用于非专业人员操作，便于推广。将装置安放在坡面卡口处或者汇水处，保证降雨时坡面水能够通过多通道管口流进主集水箱，调整装置，使其能够稳定安放在固定的监测位置，本设备为低功耗采集+存储一体化，降雨来临前或者提前打开电源，在没有水沙一体进入装置，是完全不耗电的，当有水沙流入装置后，设备开始工作，采集的数据将存储于设备控制器，降雨结束后，只需要将存储数据导出即可。
[0079]
目前国内外的坡面径流泥沙监测设备比较单一，自动化设备应用程度低(设备操作复杂、精度低)，过程中监测以及过程后控制此种监测方法还未有新的装置提出，大多数由于结构复杂、测量精度不高、操作不便及使用环境的局限性等，使得它们的使用范围受到限制，难以大范围的推广使用。便携式坡面径流泥沙监测设备与方法结构简单，操作方便，成本较低，且测量精度高，能够在一定程度上解决传统测量方法存在的弊端，能够适应目前国家级监测点优化布局的需求，便携式、高精度、适用性强是其最大特点，因此具有广阔的应用前景。
[0080]
以上描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点，本行业的专业技术人员应该了解，本发明不受上述实施方式的限制，上述实施方式中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都将落入要求保护的本发明范围内，本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。