一种高寒冻土区包气带水土实时监测系统及其安装方法

1.本发明涉及水文地质监测技术领域，特别是涉及一种高寒冻土区包气带水土实时监测系统及其安装方法。


背景技术：

2.包气带水土监测一直是水文地质领域研究三水转化、获取渗透参数、观测凝结水循环等科学实验的重要监测项目，然而现有土壤水分监测探头相互独立，安装过程中需要开挖剖面侧插来完成，但在我国很多区域，存在包气带土壤冻结过于坚硬或监测深度较深等各种不满足监测探头侧插施工的技术难题。
3.由于青藏高原高寒、高海拔、多年冻土分布广泛的特点，同时监测工作多在无人区、荒漠区开展，施工难度大、生存条件苛刻，对于地质工作者和监测设备都有着极大的挑战。目前包气带水土监测设备布设多以人工开挖1-3m深坑进行探头侧插后再将土壤回填，但将该方法用于青藏高原多年冻土区，人工开挖费时费力、难以达到既定深度，选择挖掘机作业，成本高昂，冻土剖面扰动较大，且有些多年冻土区域、无人区、荒漠区难以满足挖掘机进场或者冻土硬度较大，难以达到埋设深度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高寒冻土区包气带水土实时监测系统及其安装方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过定位杆和定位钢丝能够达到所需的埋设深度，有效解决了包气带土壤冻结过于坚硬或监测深度较深等各种不满足监测探头侧插施工的技术难题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种高寒冻土区包气带水土实时监测系统，包括水平布置于监测孔顶部的定位杆，监测孔是由履带式xy-3x深孔取芯取样钻机钻探而成，其具有移动方便、对地形适应性好、成孔稳定等特点，其成孔孔径150mm，适合监测探头和定位钢丝进入；所述定位杆与设置于所述监测孔内的定位钢丝顶部固定连接，所述定位钢丝底部设有重量能够调节的配重锤；所述定位钢丝上依次梯度安装有多个监测探头，监测探头布置形式为上密下疏结构，多个监测探头垂向间距也可根据监测层位要求进行调整，监测探头可测量土壤体积含水率、土壤温度参数；多个所述监测探头分别连接到数据采集及传输机箱内，所述数据采集及传输机箱电连接有蓄电池，所述蓄电池电连接有太阳能板。
7.可选的，所述定位杆采用空心镀锌管，所述定位杆水平埋设于所述监测孔顶部的地表，且与地面齐平，所述定位钢丝顶部通过钢丝卡扣固定在所述定位杆中心位置处。
8.可选的，所述定位钢丝外包裹有耐腐蚀、防冻的橡胶层，所述定位钢丝上依次设置有多个卡扣及扎带，所述监测探头通过所述卡扣及扎带与所述定位钢丝固定连接。
9.可选的，所述数据采集及传输机箱内置有数据采集器、供电端子和多个接线柱，所述数据采集及传输机箱内还设有北斗传输/4g传输装置。
10.可选的，所述数据采集及传输机箱固定于立杆上，所述立杆底部通过水泥基础固定设置于监测孔一侧，所述太阳能板铰接于所述立杆顶部。
11.可选的，所述蓄电池采用密封包裹于地埋箱内的铅蓄电池，所述地埋箱埋设于所述水泥基础一侧。
12.可选的，多个所述监测探头的探头通讯线分别与所述数据采集器连接，所述监测探头和数据采集器的电源线分别与所述供电端子对应的接口连接；多个所述接线柱分别与数据采集器的总通讯线接口、供电端子总输出正负极、蓄电池正负极、太阳能板正负极以及北斗传输/4g传输装置的北斗/4g信号线连接。
13.本发明还提供一种高寒冻土区包气带水土实时监测系统的安装方法，包括如下步骤：
14.步骤一，按照监测深度要求选取定位钢丝，通过钢丝卡扣将定位钢丝顶端固定在定位杆中心位置；选取与定位钢丝同长度的钢卷尺，将有零刻度线一端固定在定位杆与定位钢丝交叉处；中间每间隔0.5m用轧带将定位钢丝和钢卷尺固定连接；
15.步骤二，根据拟设监测层位要求，将监测探头粘贴序号标签，之后由定位钢丝底端向顶端方向开始逐个安装，对照钢卷尺刻度，通过定位卡扣将监测探头与定位钢丝固定连接；
16.步骤三，采用橡胶层将监测探头、钢卷尺、定位钢丝、固定卡扣进行包裹，用电热烤灯进行烘烤，使其形成集成线缆；同时，将每个监测探头线缆超出定位杆部分橡胶层包裹，电热烤灯进行烘烤，使其形成集成线缆；监测探头的监测探针裸露在集成线缆外部；
17.步骤四，根据监测深度和监测探头数量选择配重锤，用钢丝卡扣将配重锤固定在定位钢丝末端；
18.步骤五，对应标签序号，将监测探头与数据采集器连接，同时将数据采集及传输机箱内部各接口对应连接；
19.步骤六，将各接线柱与继电器、低功耗测控终端、电源控制开关相连；
20.步骤七，预埋水泥基础，将立杆与水泥基础固定安装，将数据采集及传输机箱安装在立杆上，将北斗/4g天线固定在立杆顶端，将太阳能板安装在在立杆上部，将蓄电池装进地埋箱，然后将地埋箱埋在水泥基础旁边。
21.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
22.本发明通过定位杆和定位钢丝有效解决了包气带土壤冻结过于坚硬或监测深度较深等各种不满足监测探头侧插施工的技术难题，同时具备实时采集传输功能，是一种高效便捷的高寒冻土区包气带水土实时监测系统。该监测装置可将监测探头精确固定在拟设层位，且可满足自动连续工作，实时监测包气带土壤温湿度变化规律，提高了数据采集的精确性和完整性。本监测装置具有所需安装孔位小即可将监测探头精确定位的优势，从而突破了冻土区人工开挖难度大、挖掘机施工作业成本高昂的侧插技术方法。同时该装置具有远程实时传输、自动化程度高的特点，减少了人工定期到现场收集数据的人力物力成本。高精度、高频率、可远程控制的实时监测更加有利于收集高寒高海拔冻土区长序列监测数据。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明高寒冻土区包气带水土实时监测系统布置示意图；
25.图2为本发明数据采集及传输机箱示意图；
26.图3为本发明供电端子示意图；
27.图4为本发明定位杆、定位钢丝、配重锤以及监测探头布置连接示意图；
28.附图标记说明：1-监测孔，2-定位杆，3-定位钢丝，4-配重锤，5-监测探头，6-数据采集及传输机箱，7-蓄电池，8-太阳能板，9-电源控制开关，10-指示灯，11-低功耗测控终端，12-供电端子，13-立杆，14-水泥基础，15-继电器， 16-北斗/4g信号线。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.本发明的目的是提供一种高寒冻土区包气带水土实时监测系统及其安装方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过定位杆和定位钢丝能够达到所需的埋设深度，有效解决了包气带土壤冻结过于坚硬或监测深度较深等各种不满足监测探头侧插施工的技术难题。
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
32.近年来青藏高原暖湿化影响下引起了系列水资源与生态问题，冻土退化导致的冻土与植被问题急需开展针对性的监测工作。发明人2020年在青海长江源高寒高海拔可可西里无人区开展的试点实验时，原计划人工开挖冻土，采用侧插安装的方法和定期采集数据以达到监测目的。但实施过程中，冻土异常坚硬，人工开挖难度极大，且工作区平均海拔4600米以上，施工人员面临高寒缺氧环境，不但具有一定危险性，而且进度缓慢，最终未能达到预设要求。且现场无人区位置偏远，挖掘机不满足进场条件，无法施工。同时在数据收集方面，无人区环境苛刻，野兽出没，难以达到定期准时到场收集数据的目的。在此基础上，发明人经过研究与探索，形成了高寒冻土区包气带水土实时监测系统雏形，但初期监测系统未安装定位杆和定位钢丝等，安装过程中容易造成定位不准的情况，且监测探头采用的是pvc管与扎带固定，实际应用过程中出现了断裂、易位等难题。为解决以上问题，发明人针对高寒冻土区特殊条件状况以及后期工作经验，经过2021年和2022年的安装调试，相继在青海湟水河、黄河源地区建立了多套高寒冻土区水土监测系统，最终形成了本发明所述的高寒冻土区包气带水土实时监测系统。
33.具体的，如图1、图2、图3和图4所示，本发明提供的高寒冻土区包气带水土实时监测系统，包括水平布置于监测孔1顶部的定位杆2，定位杆2长度约50cm，直径2cm的空心镀锌管，具有耐腐蚀、硬度高、易固定特点，定位杆2水平埋设于监测孔1顶部的地表，且与地面齐平，监测孔1内垂设有定位钢丝3，定位钢丝3顶部通过钢丝卡扣固定在定位杆2中心位置处，
定位钢丝3底部设有配重锤4，配重锤4约2-5kg，其重量主要根据监测深度适当调整；定位钢丝3为直径0.5cm由耐腐蚀、防冻橡胶包裹，根据监测层位要求，在定位钢丝3相应位置安装卡扣及扎带，方便监测探头5固定，定位钢丝3 上均匀安装有多个监测探头5，多个监测探头5分别连接到一个数据采集及传输机箱6内，数据采集及传输机箱6电连接有蓄电池7，蓄电池7电连接有太阳能板8。数据采集及传输机箱6内还设有电源控制开关9和指示灯10，内置有内置低功耗测控终端11、电源控制器、供电端子12和多个接线柱，数据采集及传输机箱6内还设有北斗传输/4g传输装置，低功耗测控终端11包括数据采集器。
34.数据采集及传输机箱6固定于立杆13上，立杆13底部通过水泥基础14 固定设置于监测孔1一侧，太阳能板8铰接于立杆13顶部，立杆13顶部还设有北斗/4g信号线16。蓄电池7采用密封包裹于地埋箱内的铅蓄电池，可满足太阳能板8充电，由地埋箱密封包裹，电源线与太阳能板8和数据采集及传输机箱6相连，地埋箱埋设于水泥基础14一侧。
35.多个监测探头5的探头通讯线分别与数据采集器连接，供电端子12上有若干对接线口，可分别连接监测探头5电源正负极，且设有总电源正负极接线口，监测探头5和数据采集器的电源线分别与供电端子对应的接口连接；多个接线柱分别与数据采集器的总通讯线接口、供电端子总输出正负极、蓄电池正负极、太阳能板正负极以及北斗传输/4g传输装置的北斗/4g信号线连接。本发明通过监测探头测定土壤温湿度变化，测量数据通过传输线传输到数据采集与传输机箱的低耗测控终端内，低耗测控终端即数据采集器，其通过北斗通讯或4g通讯方式实现数据实时传送，实时监测。系统通过太阳能板与蓄电池配合供电，低耗测控终端可通过电源控制器实现根据数据采集频率设置同步控制供电，所述数据传输线和电源线均接在机箱内接线柱上。
36.本发明还提供一种高寒冻土区包气带水土实时监测系统的安装方法，包括如下步骤：
37.步骤一，按照监测深度要求选取长度适合的定位钢丝3，通过钢丝卡扣将定位钢丝3顶端固定在定位杆2中心位置。选取与定位钢丝3同长度的钢卷尺，将有零刻度线一端通过轧带固定在定位杆与定位钢丝3交叉处。中间每间隔 0.5m用轧带将定位钢丝3和钢卷尺固定在一起；
38.步骤二，根据拟设监测层位要求，将监测探头5粘贴序号标签，之后由定位钢丝3底端向顶端方向开始逐个安装，对照钢卷尺刻度，通过定位卡扣将监测探头5与定位钢丝3固定在一起，将监测探头5线缆沿着定位钢丝3向顶端捋顺，并间隔20cm用轧带固定。所有监测探头5依照上述步骤操作，将所有监测探头5固定在定位钢丝3上；
39.步骤三，除监测探针外，其余部位用高弹橡胶将监测探头5、钢卷尺、定位钢丝3、固定卡扣等进行包裹，用电热烤灯进行烘烤，使其形成紧密的集成线缆。同时，根据地面监测机箱距离，将每个监测探头线缆超出定位杆2部分预留充足，一般2-3m左右，用高弹橡胶包裹，电热烤灯进行烘烤，使其形成紧密的集成线缆；
40.步骤四，根据监测深度和监测探头5数量选择配重锤4，用钢丝卡扣将配重锤4固定在定位钢丝3末端；
41.步骤五，对应标签序号，将监测探头5与数据采集器连接。将每个探头线缆485通讯线正负极对应连接在数据采集器对应位置，将所有探头线缆的电源线正极、负极按序号对应连接到供电端子上。将采集器电源正负极接到对应供电端子上，之后将采集器放入机箱
内；
42.步骤六，将上述采集器485总通讯线接口正负极接在机箱的第一个接线柱正负极上，将供电端子总输出正负极与机箱内第二个接线柱正负极相连，将蓄电池正负极与机箱内第三个接线柱正负极相连，将太阳能板正负极与机箱内第四个接线柱正负极相连。将北斗/4g信号线与第五个接线柱相连正负极相连。
43.步骤七，将各接线柱与继电器15、低功耗测控终端11、电源控制开关9 相连；
44.步骤八，预埋水泥基础14，将立杆13与水泥基础14安装好，将机箱安装在立杆13上，将北斗/4g天线固定在立杆13顶端，将太阳能板8固定在立杆13上部，将蓄电池7装进地埋箱，用保温棉和塑料布包裹，埋在水泥基础 14旁边地表30cm以下位置。
45.本发明已安装的上述多个高寒冻土区包气带水土实时监测系统，运行稳定、传输良好，所监测的数据为青藏高原水循环调查监测工作提供了有力支撑。通过三年来的有效实践，创新的定位杆、定位钢丝、高弹橡胶包裹、数据采集传输集成、北斗/4g传输切换等关键问题的突破，更是将钻机开孔尺寸与监测线缆匹配调整，最终集成了可以监测任意深度、不同层位、不同梯度、定时采集、远程传输为一体的高寒冻土区包气带水土实时监测系统，并且组织业内专家与多个相关单位进行了现场交流沟通。该系统获得业内专家的赞誉，并且多个业内相关单位组织技术人员到场学习参观。该系统的建立与实施为高寒冻土区包气带水土监测提供了新思路、新方法，该系统也为发明人在后期青藏高原水土监测过程中提供创新基础，有助于形成更多的创新成果。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
47.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。