本發(fā)明公開了一種徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備及監(jiān)測方法，具體地說是一種野外徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備及監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

水土流失中的徑流含沙量是衡量水土流失的重要參數(shù)之一，也是水土保持監(jiān)測的主要內(nèi)容。根據(jù)測量原理的不同，泥沙測量方法可分為：直接測量方法和間接推導(dǎo)方法?；陂g接推導(dǎo)法設(shè)計(jì)的徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備往往受到諸多條件的限制，如電力條件、維護(hù)管理、成本等，這些徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備常常被應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室或管理水平較高的區(qū)域，在野外推廣應(yīng)用的難度較大。

基于直接測量方法設(shè)計(jì)的徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備則主要受制于測量精度與自動化水平，如當(dāng)前利用比重法設(shè)計(jì)的徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備大量運(yùn)用了小型徑流瓶或稱重瓶作為承載工具，其測量誤差較大，且十分容易淤積，不便于管理維護(hù)；同時大部分徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備需要攪拌或抽水設(shè)備，對電力供能提出了較高的要求，這些也都限制了其在偏遠(yuǎn)地區(qū)的應(yīng)用。

如專利201510121355.0基于兩個虹吸式進(jìn)水混勻，并利用小型稱重瓶進(jìn)行稱重，這種設(shè)備容易淤積，在維護(hù)管理上存在一定制約性；專利201410232617.6利用了馬達(dá)傳動，可以自動取樣并測定多層次徑流量和泥沙量，但測量泥沙量需要停止進(jìn)水，且測定泥沙自動化程度低，這限制了其在野外使用，專利201520151152.1利用了三次虹吸裝置后進(jìn)入稱重瓶體，并使用了懸臂梁式稱重傳感器稱重，使用葉輪計(jì)數(shù)計(jì)算流量，結(jié)構(gòu)受限于稱重瓶體的大小且無法減小水流沖量稱重傳感器的影響，存在一定的誤差，在無人值守時，可靠度有限。

綜上，目前為止，用于野外水土流失徑流泥沙自動監(jiān)測的設(shè)備設(shè)計(jì)存在以下技術(shù)問題：(1)野外環(huán)境惡劣、無人值守，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易維護(hù)、使用壽命短、自動化程度低、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性差；(2)需要電機(jī)或馬達(dá)，能耗高、供電困難、生產(chǎn)制造成本增加；(3)徑流由進(jìn)口通入筒體內(nèi)時分布不均，沖擊液面，導(dǎo)致水位信號和重量信號采集不準(zhǔn)確。(4)設(shè)備容易淤積泥沙，完成一個階段性監(jiān)測后泥沙的充分排空成為問題，從而使得下一次測量的準(zhǔn)確性下降。(5)由于無人值守，因此該設(shè)備必須適應(yīng)野外作業(yè)要求，滿足全程自動操作、分析和傳輸?shù)墓δ堋?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)問題，提供一種結(jié)構(gòu)極為簡單可靠、操作簡便、能耗低、自動化程度高、排沙效果好、準(zhǔn)確性高、生產(chǎn)和維護(hù)成本低的野外徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備。

本發(fā)明還提供一種使用上述設(shè)備對野外徑流泥沙自動監(jiān)測的方法。

本發(fā)明設(shè)備包括筒體，所述筒體頂部設(shè)與徑流進(jìn)水管連接的進(jìn)水閥、中部設(shè)有儲流室、底部側(cè)壁設(shè)出水閥，所述進(jìn)水閥下方設(shè)錐形導(dǎo)水板；所述儲流室底面為經(jīng)支撐結(jié)構(gòu)支撐在筒體底面的斜坡形儲水底板，所述斜坡形儲水底板的最低端與出水閥下端對應(yīng)；所述筒體側(cè)壁設(shè)有至少一個水位探針，且最低位置的水位探針高度與所述斜坡形儲水底板的最高端齊平；所述筒體底面設(shè)有稱重傳感器。

所述進(jìn)水閥與錐形導(dǎo)水板之間設(shè)有凹型溢水槽，

所述錐形導(dǎo)水板經(jīng)支撐過濾網(wǎng)固定在側(cè)壁上，且錐形導(dǎo)水板端部與側(cè)壁間具有0.4-0.6cm間隙。

所述斜坡形儲水底板的傾斜角度為30°～50°。

還包括有控制單元，所述控制單元包括單片機(jī)，所述單片機(jī)分別與進(jìn)水閥和出水閥的閥門控制器、水位探針、稱重傳感器和計(jì)時器連接。

還包括有與單片機(jī)連接的遠(yuǎn)距離無線通訊單元。

所述遠(yuǎn)距離無線通訊單元為北斗傳輸模塊，設(shè)備可將數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后傳輸，信號穩(wěn)定、適用于通訊條件惡劣的的野外條件。

還包括有供電單元，所述供電單元包括蓄電池、以及與所述蓄電池連接的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。

發(fā)明人對現(xiàn)有各種測量設(shè)備進(jìn)行了深入研究，改進(jìn)如下：(1)為了解決進(jìn)水沖擊大、分布不均的問題，在進(jìn)水閥下方設(shè)計(jì)了凹型溢水槽、錐形導(dǎo)水板和支撐過濾網(wǎng)，凹型溢水槽能夠削弱徑流直接沖擊力，并能將徑流中泥沙分散，徑流可隨凹型溢水槽溢出；錐形導(dǎo)水板用于承接由凹型溢水槽溢出的液體，將其沿錐面向周部均勻分散，使徑流沿側(cè)壁流入儲流室中，避免直接沖擊液面，提高測量的準(zhǔn)確性，優(yōu)選錐形導(dǎo)水板端部與筒壁間的間隙控制在0.4-0.6cm，過大會造成徑流不能沿壁留下，對水位探針有影響，過小會造成進(jìn)流緩慢，有大量泥沙時甚至?xí)氯?，影響測量準(zhǔn)確性；所述支撐過濾網(wǎng)可以防止樹葉石塊等隨徑流進(jìn)入儲液室，保證測量的準(zhǔn)確性；(2)創(chuàng)造性的在儲流室底面設(shè)計(jì)了斜坡形儲水底板，一方面斜坡形儲水底板具有導(dǎo)向作用，減少儲流室底部的液體存量，排水時，有利于將含泥沙的徑流引向排水閥，能實(shí)現(xiàn)快道排水，提高檢測效率；另一方面，斜坡形儲水底板不易淤積泥沙，排水時，儲流室內(nèi)液體可對板面進(jìn)行沖刷，為下一階段的準(zhǔn)確測量提供有力保障，設(shè)備不易損壞、減少維護(hù)成本。(3)設(shè)置至少一個水位探針，且使最低位置的水位探針高度與所述斜坡形儲水底板的最高端齊平，基于斜坡形儲水底板的存在，最低位置的水位探針的設(shè)計(jì)位置不可過低，如果低于斜坡形儲水底板的最高端，則可能受泥沙影響采集的準(zhǔn)確性，也不利于計(jì)算；并且，當(dāng)僅一個水位探針時，還會使儲流室內(nèi)的水位低于斜坡形儲水底板的最高端，導(dǎo)致無法對斜坡形儲水底板形成有效沖刷。(4)通過閥門控制器控制進(jìn)水閥和出水閥的開閉，所述閥門可以使用例如電磁閥等快速響應(yīng)的閥門。整個控制過程可通過單片機(jī)控制，真正意義上的實(shí)現(xiàn)無人看守的自動化。(5)利用單片機(jī)經(jīng)水位探針采集水位信號，經(jīng)稱重傳感器采集儲流室內(nèi)的重量信號，經(jīng)計(jì)時器記錄到達(dá)某一水位的時間，結(jié)合已知的其它數(shù)據(jù)，可在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)計(jì)算分析，得到目標(biāo)數(shù)據(jù)，并通過遠(yuǎn)距離無線通訊單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；(6)整個設(shè)備中不使用電機(jī)或馬達(dá)，自動化的同時，能耗控制極低、可采用蓄電池供電，進(jìn)一步的，還可連接風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池提供電能，滿足野外作業(yè)的各種要求，適應(yīng)野外作業(yè)的惡劣環(huán)境。

使用上述設(shè)備對野外水土流失徑流泥沙自動監(jiān)測方法，包括以下步驟：

(1)控制開啟進(jìn)水閥，徑流進(jìn)水管流入的徑流經(jīng)進(jìn)水閥流入筒體內(nèi)的儲流室，當(dāng)水位到達(dá)最低位置的水位探針時被該水位探計(jì)感應(yīng)，發(fā)送信號給單片機(jī)，控制計(jì)時器記錄時間t1，稱重傳感器采集重量M1；同時控制進(jìn)水閥關(guān)閉，出水閥開啟，將筒體內(nèi)的液體排出；

(2)在單片機(jī)中行進(jìn)下述數(shù)據(jù)處理：結(jié)合已知的最低位置的水位探針的高度即低水位h₁、筒體半徑r和水的密度ρ_水，代入公式計(jì)算：t₁階段徑流流量t₁階段體積泥沙率

(3)將計(jì)算結(jié)果和數(shù)據(jù)經(jīng)遠(yuǎn)距離無線通訊單元發(fā)送給遠(yuǎn)程接收端；

(4)排水結(jié)束后，稱重傳感器和計(jì)時器重新歸0，控制打開進(jìn)水閥，關(guān)閉出水閥，進(jìn)入下一個測量流程。

進(jìn)一步的，當(dāng)筒體內(nèi)設(shè)有n個不同垂直高度的水位探針時，則步驟(1)中，控制進(jìn)水閥持續(xù)進(jìn)水，水位依次被不同垂直高度的水位探針感應(yīng)，則計(jì)時器相應(yīng)記錄t₁、t₂……t_n,稱重傳感器采集重量M₁、M₂……M_n，直至最高的水位探針感應(yīng)到水位后，控制進(jìn)水閥關(guān)閉，出水閥開啟，將筒體內(nèi)的液體排出；

步驟(2)中，在單片機(jī)中行進(jìn)下述數(shù)據(jù)處理：結(jié)合已知的n個不同位置的水位探針的高度即水位h₁、h₂……h(huán)_n、筒體半徑r、筒體底面積πr²和水的密度ρ_水、，代入公式計(jì)算，得到階段徑流流量和泥沙率的平均值Q和S：

$Q=\frac{Q_1+Q_2+...+Q_n}{n}=(\frac{{\mathrm{\πr}}^2\·h_1/2}{t_1}+\frac{{\mathrm{\πr}}^2(h_2-h_1/2)}{t_1+t_2}+...+\frac{{\mathrm{\πr}}^2(h_n-h_1/2)}{t_1+tn})/n$

本發(fā)明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)極為簡單可靠、操作簡便、無電動馬達(dá)或電機(jī)、能耗低、自動化程度高、準(zhǔn)確性高、生產(chǎn)和維護(hù)成本低，使用壽命長、排沙效果好，實(shí)際使用時設(shè)備內(nèi)無泥沙淤積、長時間使用也能保持優(yōu)異的準(zhǔn)確性、特別適用于野外水土流失徑流泥沙自動監(jiān)測。本發(fā)明方法簡單、可靠、計(jì)算方法簡單、準(zhǔn)確性高，操作性強(qiáng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明設(shè)備控制原理圖。

圖3為含沙量測試值與標(biāo)準(zhǔn)值的對比分析圖。

圖4為徑流量測試值與標(biāo)準(zhǔn)值的對比分析。

其中，1.徑流進(jìn)水管；2.進(jìn)水電磁閥門；3.凹型溢水槽；4.電磁閥門控制器；5.支撐過濾網(wǎng)；6.錐形導(dǎo)水板；7.儲流室；8.計(jì)時器；9.上水位探針；10.下水位探針；11.出水電磁閥門；12.底座卡口；13.稱重傳感器；14.支撐桿；15.斜坡型儲水底板；16.筒體；17.間隙；18.蓄電池；19.單片機(jī)、20.北斗/GPRS數(shù)據(jù)傳送單元；21.底座；22.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明設(shè)備作進(jìn)一步解釋說明：

參見圖1，本發(fā)明設(shè)備包括用于筒體16、控制單元、遠(yuǎn)距離無線通訊單元和為設(shè)備供電的供電單元。

所述筒體16頂部設(shè)與徑流進(jìn)水管1連接的進(jìn)水閥(本實(shí)施例中為進(jìn)水電磁閥門2)、中部設(shè)有儲流室7、底部側(cè)壁設(shè)出水閥(本實(shí)施例中為出水電磁閥門11)，所述進(jìn)水電磁閥門2下方設(shè)凹型溢水槽3，所述凹型溢水槽3下方錐形導(dǎo)水板6(優(yōu)選為圓錐形)，所述錐形導(dǎo)水板6經(jīng)支撐過濾網(wǎng)5固定在側(cè)壁上，且錐形導(dǎo)水板6端部與側(cè)壁間具有0.4-0.6cm間隙17所述儲流室7底面為經(jīng)支撐結(jié)構(gòu)(本實(shí)施例為支撐桿14)支撐在筒體底面的斜坡形儲水底板15，所述斜坡形儲水底板15的傾斜角度a為30°～50°，其最低端與出水電磁閥門11下端對應(yīng)；所述筒體側(cè)壁設(shè)有至少一個水位探針(本實(shí)施例中設(shè)有上水位探針9和下水位探針10)，且最低位置的水位探針(下水位探針10)高度與所述斜坡形儲水底板15的最高端齊平；所述筒體16底面設(shè)有稱重傳感器13。

所述控制單元包括單片機(jī)19，所述單片機(jī)19分別與進(jìn)水電磁閥門2和出水電磁閥門11的電磁閥門控制器4、上水位探針9、下水位探針10、稱重傳感器13和計(jì)時器8連接。

所述遠(yuǎn)距離無線通訊單元為北斗數(shù)據(jù)傳送單元20，可將數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后傳輸，信號穩(wěn)定、適用于通訊條件惡劣的的野外條件。

所述供電單元包括蓄電池18、以及與所述蓄電池連接的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)22。

本實(shí)施例中，所述控制單元、遠(yuǎn)距離無線通訊單元和供電單元中的畜電池18均可集中安裝在筒體16底部下方的底座21內(nèi)，底座21經(jīng)底座卡口12固定。

監(jiān)測過程實(shí)施例1：

1)降雨時，單片機(jī)19經(jīng)電磁閥門控制器4控制進(jìn)水電磁閥門2開啟，出水電磁閥門11關(guān)閉，徑流經(jīng)徑流進(jìn)水管1流入凹型溢水槽中3，凹型溢水槽3能夠削弱徑流直接沖擊力，并能將徑流中泥沙分散，徑流隨凹型溢水槽3溢出后經(jīng)支撐過濾網(wǎng)5過濾再流到錐形導(dǎo)水板6上表面，徑流由錐形導(dǎo)水板6均勻分布后，經(jīng)間隙17沿筒體16的側(cè)壁流入儲流室7中，從而進(jìn)水避免直接沖擊液面，經(jīng)過時間t₁水位到達(dá)下水位探針10時，水位探針10發(fā)出信號給單片機(jī)，稱重傳感器13記錄并將信息傳入單片機(jī)19存儲為重量M₁，同時計(jì)時器8記錄時間t₁并將信息傳入單片機(jī)19，單片機(jī)采集獲得t1和M₁；同時控制進(jìn)水電磁閥門2關(guān)閉，出水電磁閥門11開啟，由于斜坡型儲水底板15的作用，可以很快的將儲流室7內(nèi)的液體排出，不會淤積泥沙，不影響下次稱重的準(zhǔn)確性；

2)在單片機(jī)19中行進(jìn)下述數(shù)據(jù)處理：結(jié)合已知的下水位探針10的高度即低水位h₁、筒體半徑r和水的密度ρ_水，代入公式計(jì)算：t₁階段徑流流量t₁階段體積泥沙率

(3)將計(jì)算結(jié)果和數(shù)據(jù)經(jīng)北斗數(shù)據(jù)傳送單元20發(fā)送給遠(yuǎn)程接收端；根據(jù)需要遠(yuǎn)程接收端也可發(fā)出控制信號經(jīng)北斗數(shù)據(jù)傳送單元20接收后傳送給單片機(jī)19執(zhí)行相應(yīng)的控制指令，如設(shè)備的開啟或關(guān)閉等。

(4)排水結(jié)束后，單片機(jī)19控制稱重傳感器13和計(jì)時器8重新歸0，控制打開進(jìn)水閥，關(guān)閉出水閥，進(jìn)入下一個測量流程。

監(jiān)測過程實(shí)施例2

步驟(1)與監(jiān)測過程實(shí)施例1相同，不同的是，當(dāng)水位到達(dá)下水位探針10后，保持持續(xù)進(jìn)水，待水位經(jīng)過時間t₂到達(dá)上水位探針9時，稱重傳感器13記錄并將信息傳入單片機(jī)19存儲為重量M₂，計(jì)時器8記錄時間t₂并將信息傳入單片機(jī)19存儲為t₂，單片機(jī)19經(jīng)與電磁閥門控制單元4控制進(jìn)水電磁閥門2關(guān)閉，出水電磁閥門11開啟，可以很快的將儲流室7內(nèi)的液體排出；

步驟(2)中，在單片機(jī)19中行進(jìn)下述數(shù)據(jù)處理：結(jié)合已知的下水位探針10的高度即低水位h₁、上水位探針的高度即高水位h₂、筒體半徑r和水的密度ρ_水，代入公式計(jì)算，得到階段徑流流量和泥沙率的平均值Q和S：

階段徑流流量

步驟(3)和步驟(4)同監(jiān)測過程實(shí)施例1。

進(jìn)一步的，根據(jù)需要，在筒體16上還可以設(shè)置兩個以上的水位探針(圖中未示出)，其監(jiān)測過程原理由實(shí)施例2，在單片機(jī)中行進(jìn)下述數(shù)據(jù)處理：結(jié)合已知的n個不同位置的水位探針的高度即水位h1、h2……h(huán)n、筒體半徑r、筒體底面積πr²和水的密度ρ_水、，代入公式計(jì)算，得到階段徑流流量和泥沙率的平均值Q和S：

$Q=\frac{Q_1+Q_2+\mathrm{...}+Q_n}{n}=(\frac{{\mathrm{\πr}}^2\·h_1/2}{t_1}+\frac{{\mathrm{\πr}}^2(h_2-h_1/2)}{t_1+t_2}+\mathrm{...}+\frac{{\mathrm{\πr}}^2(h_n-h_1/2)}{t_1+tn})/n$

為了驗(yàn)證本發(fā)明設(shè)備監(jiān)測的準(zhǔn)確性，發(fā)明人進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：

稱取m_ig泥土，加入V_iL水中，配制泥沙量S_i＝m_i/V_i泥水混合物，配制多組不同梯度S_i，用以測試對泥沙量的測定準(zhǔn)確性。利用定量控制流量計(jì)控制流量V_i，測試徑流量測定的準(zhǔn)確性。

控制S_i，不控制V_i進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讀取5次數(shù)據(jù)，求得泥沙量測定的平準(zhǔn)值和標(biāo)注差?？刂屏髁縑_i，不控制S_i進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讀取5次數(shù)據(jù)，求得徑流量測定的平準(zhǔn)值和標(biāo)注差。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4，如圖所示，泥沙量和徑流量的測試值與真實(shí)值均有十分明顯的相關(guān)關(guān)系，且泥沙量的測定值與真實(shí)值相對誤差在7.8％以內(nèi)，徑流量的測試值與真實(shí)值相對誤差在4.1％以內(nèi)，設(shè)備具有較好的測量精度。