CN102401674A - 坡面小区水土流失自动测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坡面小区水土流失自动测量系统，包括：相互连接的径流流量测量子系统和数据采集存储子系统，还包括：径流泥沙传感器，与数据采集存储子系统连接，径流流量测量子系统，用于测量待测液体的流量数据，并将流量数据发送至数据采集存储子系统；径流泥沙传感器，用于测量待测液体的泥沙浓度数据，并将泥沙浓度数据发送至数据采集存储子模块；数据采集存储子系统，用于接收并存储流量数据及泥沙浓度数据。本发明通过径流泥沙传感器和径流流量测量子系统分别自动获取泥沙浓度数据和流量数据，使得本发明能够自动测量坡面径流小区的水土流失，并通过全新的径流泥沙传感器和径流流量测量子系统提高测量的精度。

Description

坡面小区水土流失自动测量系统

技术领域

本发明涉及水土保持技术领域，特别涉及一种坡面小区水土流失自动测量系统。

背景技术

受野外现场环境的特殊性和复杂性的限制，目前，国内外坡面径流小区的水土流失难以实现自动测量，并且由于现有的测量系统在实际使用中均存在一定的问题，使得测量的数据会出现缺失或不准确。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何自动测量坡面径流小区的水土流失，并进一步提高测量的精度。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种坡面小区水土流失自动测量系统，包括：相互连接的径流流量测量子系统和数据采集存储子系统，还包括：径流泥沙传感器，与所述数据采集存储子系统连接，

所述径流流量测量子系统，用于测量待测液体的流量数据，并将所述流量数据发送至所述数据采集存储子系统；

所述径流泥沙传感器，用于测量所述待测液体的泥沙浓度数据，并将所述泥沙浓度数据发送至所述数据采集存储子模块；

所述数据采集存储子系统，用于接收并存储所述流量数据及泥沙浓度数据。

其中，还包括：上位机，与所述数据采集存储子系统连接，用于根据所述流量数据及泥沙浓度数据计算水土流失。

(三)有益效果

本发明通过径流泥沙传感器和径流流量测量子系统分别自动获取泥沙浓度数据和流量数据，使得本发明能够自动测量坡面径流小区的水土流失，并通过全新的径流泥沙传感器和径流流量测量子系统提高测量的精度。

附图说明

图1是按照本发明一种实施方式的坡面小区水土流失自动测量系统的原理框图；

图2是按照本发明一种实施方式的的坡面小区水土流失自动测量系统中的径流泥沙传感器的电路框图；

图3是图2所示的径流泥沙传感器的具体结构示意图；

图4是按照本发明一种实施方式的的坡面小区水土流失自动测量系统中的径流流量测量子系统的局部结构示意图；

图5是按照本发明一种实施方式的的坡面小区水土流失自动测量系统中的径流流量测量子系统的俯视图；

图6是回归分析的结果曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是按照本发明一种实施方式的坡面小区水土流失自动测量系统的原理框图，包括：相互连接的径流流量测量子系统和数据采集存储子系统，还包括：径流泥沙传感器，与所述数据采集存储子系统连接，

所述径流流量测量子系统，用于测量待测液体的流量数据，并将所述流量数据发送至所述数据采集存储子系统；

所述径流泥沙传感器，用于测量所述待测液体的泥沙浓度数据，并将所述泥沙浓度数据发送至所述数据采集存储子模块；

所述数据采集存储子系统，用于接收并存储所述流量数据及泥沙浓度数据。

优选地，所述坡面小区水土流失自动测量系统还包括：上位机，与所述数据采集存储子系统连接，用于根据所述流量数据及泥沙浓度数据计算水土流失。

图2是按照本发明一种实施方式的的坡面小区水土流失自动测量系统中的径流泥沙传感器的电路框图，包括：微处理单元1、近红外管发射阵列组2、近红外管接收阵列组3、预处理单元4、以及电源信号接口5，所述微处理单元1分别与所述预处理单元4、以及近红外管发射阵列组2、电源信号接口5连接，所述预处理单元4与所述近红外管接收阵列组3连接；

所述微处理单元1，用于控制所述近红外管发射阵列组2开始发射或停止发射近红外光，接收所述预处理单元4发送的数字信号，并将该数字信号转发至所述电源信号接口5；

所述近红外管发射阵列组2，用于发射近红外光；

所述近红外管接收阵列组3，用于接收所述近红外管发射阵列组2所发出的近红外光，并将响应信号发送至所述预处理单元4；

所述预处理单元4，用于将所述响应信号依次进行信号放大、滤波和模拟/数字转换，并将转换得到的数字信号发送至所述微处理单元1。

所述径流泥沙传感器可在市电和太阳能电池(含备电)支持下工作。正常情况下，所述径流泥沙传感器处于休眠状态。在有降雨或径流产生时，所述径流泥沙传感器开始工作。

考虑光的透射能量强度及光谱实现工艺，采用850nm波长的近红外管发射阵列及近红外管接收阵列来透射泥沙，为使测量截面上入射光强均匀、测量面积大，优选地，所述近红外管发射阵列组2为3*3排列的9个近红外管发射阵列，所述近红外管接收阵列组3为3*3排列的9个近红外管接收阵列。

由于测量截面积太大、径流流量较小时不能覆盖测量截面，从而导致测量不准，但在透射厚度太大时，透射衰减很大，透射衰减强度测量困难。针对上述问题，本实施方式中，提高了入射近红外光强度，为此，采用大功率瞬时发光法，减少长期野外监测功耗，极大地提供入射近红外光强度。850nm波长的近红外管发射阵列采用1/1000秒工作法，每个采样测量工作秒中，只有1毫秒发光管瞬时工作，发光功率最大可以达到20瓦。这样，既减少功耗，又提高了入射光强度以及测量量程，优选地，所述径流泥沙传感器还包括：功率放大单元7，设置在所述微处理单元1与所述红外发射管组2之间，用于提高所述近红外管发射阵列组2所发射近红外光的光强。

为使所述径流泥沙传感器便于携带，优选地，如图3所示，所述径流泥沙传感器还包括：手柄8，所述微处理单元1、预处理单元4、以及功率放大单元7设置于所述手柄8中，所述近红外管发射阵列组2和近红外管接收阵列组3设置于所述手柄8一端，且彼此相对，所述电源信号接口5设置于所述手柄8另一端。

径流泥沙传感器是基于近红外光在介质中传播会受到介质的反射、散射和吸收。由于介质不同红外线的衰减作用程度有所不同，将红外线透过介质后的强弱程度转换成电信号，再将电信号通过校正计算得出与光强的计算公式。红外线的衰减取决于红外线路径上物质的结构和厚度。当光束透过固定厚度的含沙水，水中的泥沙颗粒使光被吸收和散射。光的衰减和水流中的含沙量有关。光和泥沙颗粒之间的相互作用还取决于泥沙颗粒大小和光的波长。当泥沙粒径大于光的波长时，含沙量与光强度的关系，符合Bear定律：

I＝I₀exp(-α₀cl)

其中，I和I₀是透射光强度和入射光强度(单位时间的光子)；l是光束通过的长度(m)；c是溶质中物质的质量浓度(kg/m³)；α₀是消光系数(cm²/kg)，与物质性质有关。

Bear定律只是适用于理想状态。泥沙的颗粒大小和化学成分在含沙水中的时空变化都会影响含沙量与光强之间的关系。然而，如果泥沙含量与透射光光强有相关性，就可以对它进行校准。

下面的关系成立：

I＝I₀e-^μL

其中，I和I₀是透射光强度和入射光强度(单位时间的光子)；l是光束通过的长度(m)；μ是光强衰减系数(1/cm)。上式可以表示为：

I＝I₀e^-μL

其中，μ＝μ_mρ，μ_m是目标衰减系数(cm²/g)；ρ是溶质中物质的质量浓度(g/cm³)。

径流含沙水是由两种物质组成，即液态水和泥沙颗粒。当光束穿透水和泥沙混合物，他们的综合影响，给出如下：

$I=I_0{e}^{-({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{mw}}{\mathrm{\ρ}}_w+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ms}}{\mathrm{\ρ}}_s)}L$

其中，μ_mw和μ_ms是分别对水和泥沙的衰减系数(cm²/g)；ρ_w和ρ_s是单位体积混合物中水和泥沙的质量浓度(g/cm³)。

根据上述讨论，泥沙浓度，颗粒大小以及泥沙颗粒的化学成分都会存在时空变化。因此，如果泥沙浓度与透射光强度具有良好的相关性，那么含沙量就可以直接从透射光强度得出。

由于所述径流泥沙浓度传感器的近红外发射阵列组与近红外管接收阵列组之间的距离不同，会导致近红外光的透射射能力不同。为获得更大的测量范围，优选地，本实施方式中，所述自动测量系统使用了四个径流泥沙浓度传感器，四个径流泥沙浓度传感器的近红外发射阵列组与近红外管接收阵列组之间的距离分别为5cm，3cm，1cm，0.5cm，并依次标记为C1，C2，C3，C4，根据多组不同已知泥沙浓度的样品来确定数字信号与泥沙浓度之间的换算关系，经试验获得以下公式：

径流泥沙浓度传感器C1的数字信号与泥沙浓度之间的换算公式为：

y＝0.0202x³+0.4275x²-25.091x+238.27

径流泥沙浓度传感器C2的数字信号与泥沙浓度之间的换算公式为：

y＝0.0065x³-1.0888x²+53.798x-619.12

径流泥沙浓度传感器C3的数字信号与泥沙浓度之间的换算公式为：

y＝0.025x³-1.4149x²+13.743x+198.28

径流泥沙浓度传感器C4的数字信号与泥沙浓度之间的换算公式为：

y＝2e-0.6x³-0.0031x²+0.5716x+244.44

其中，y为所述径流泥沙浓度传感器的数字信号，x为泥沙浓度(kg/m3)，e为常数，其取值与自然对数的底相同。

本实施方式的泥沙浓度测量装置设置的C1，C2，C3，C4四个径流泥沙浓度传感器的测量范围不同，可以分别覆盖不同泥沙浓度的范围，使得测量范围可覆盖从0.05kg/m³到480kg/m³。

图4是按照本发明一种实施方式的的坡面小区水土流失自动测量系统中的径流流量测量子系统的局部结构示意图；图5是按照本发明一种实施方式的的坡面小区水土流失自动测量系统中的径流流量测量子系统的俯视图；如图4、5所示，所述系统包括箱体100和浮子水位计200。

所述箱体100为上端开口的中空长方体，其长宽高尺寸为50厘米×50厘米×30厘米。该箱体100包括进水口101和出水口102。所述进水口101与所述箱体100的右侧壁固定连接，其通过外部导流管或者导流槽与小区径流集水口连通，用于将水引入所述箱体100中。所述出水口102设置在所述箱体100的左侧壁上，所述出水口102的形状为顶角朝下的等腰三角形，顶角为30°，并且所述出水口102的最低点距离所述箱体100的底部距离为1.6m。

所述浮子水位计200包括滑轮201、浮子202、铅垂203和壳体204。

所述壳体204的左侧封板与所述箱体100的前侧壁连接，所述壳体204的后侧封板与所述箱体100的右侧壁连接，所述壳体204的右侧封板与所述箱体100的右侧壁上沿连接，所述壳体204的上封板连接所述左侧封板、后侧封板和右侧封板。所述壳体204的左侧封板的下部设有开口，导通所述箱体100和壳体204，这样所述箱体100和壳体204的水位始终持平。同时壳体204减弱了箱体100内水流波动对水位测量的影像，提高了测量精度。

所述滑轮201的圆盘通过所述壳体204与所述箱体100的右侧壁固定连接，并且所述圆盘的最低点高于所述箱体100的侧壁上沿，以保证在水位与所述箱体100的侧壁持平情况下，浮子水位计200仍可以准确测量箱体100内的水位。

所述滑轮201的绳索的两端分别连接所述浮子202和铅垂203，当所述箱体100内注入水时，所述浮子202随着水位升降而升降，以实时测量所述箱体100内水位值。

所述数据采集器300通过数据线连接所述滑轮201，用于读取和记录所述水位值，并根据所述水位值计算得到流经所述箱体100的水流值。

根据《堰槽测流规范》推荐，当堰口角(即三角形出水口的顶角)在π/9-5π/9(20°-100°)之间时，由标准三角堰的水位计算过堰流量的公式为：

$Q=C_D\frac{8}{15}\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\θ}}{2}\sqrt{2g}{h}_e^{5/2}---\left(1\right)$

其中，Q为过堰流量，单位为立方米/小时；C_D为流量系数；h_e为有效水位，单位为米；h_e＝h+K_h，K_h为考虑粘滞力和表面张力综合影响的校正值，单位为米，h为实测水头(即水面距离出水口102最低点的距离)，单位为米；θ为堰口角π/6(即30°)，

表示的正切函数值；g为重力加速度，9.82米/秒²。

对于标准三角堰，《堰槽测流规范》提供了图表，可以查询流量系数C_D和水位矫正系数K_h。本发明实施例所述系统没有采用堰槽设计的统一标准，而是根据小区径流的测流条件和自动观测设备安装要求具体设计。因此，流量系数C_D和h_e的幂值必须通过标定实验确定。根据《堰槽测流规范》，当堰口角(即三角形出水口102的顶角)为30°时，水位矫正系数K_h的取值在2.3×10^-6米左右，这与实际观测的水位差别比较大，在该系统的流量模型中可以忽略。因此，建立流量Q与水位h的关系公式模型如下：

Q＝bh^a  (2)

其中a，b为常系数。

为了标定本发明实施例所述系统，即确定流量Q与水位h的关系，研究组在中国农业大学流体力学实验室设计进行了一组水槽实验。实验水槽配备有标准量水堰，该标准量水堰的水槽末端通过简易导流装置将水流导入本发明实施例所述系统的进水口101，试验时将流量由小到大变化，通过与浮子水位计200连接的数据采集器300读取箱体100内部的水位。同时，通过所述标准量水堰测量实际流量，作为流量参考对照值。

根据水槽实验的结果，将标准量水堰观测到的流量Q和本发明系统观测读取的水位h带入公式(2)，进行回归分析，得到常系数a的取值为1.9，常系数b的取值为0.002。因此标定后的公式(2)如下：

Q＝0.002h^1.9    (2)

图6是回归分析的结果曲线图，如图3所示，从图中95％置信区间的上下边界(图3中两条虚线)可以看出：本发明系统的水位(即实测水头)与流量呈现非常好的相关关系，相关确定系数为0.98。从图5还可以看出：大部分观测点在95％的置信区间以内，特别是当流量小于5立方米/小时时，置信区间的范围很小；当流量大于5立方米/小时时，模型的不确定性随流量增大而增大。这是因为在流量模型推导过程中，假设水位矫正系数为0，即忽略了行进流速。因此，在流量较小时，水流流速较小，模型假设引起的误差较小；当流速随着流量增大而增大后，忽略行进流速引起的水位误差增大。但总体而言，流量简化模型在10立方米/小时以内都就有稳定的预测结果。目前国际上广泛采用的都是20米×5米的标准小区径流，在100毫米/小时的雨强条件下，不考虑植被截留和土壤入渗，可以产生的最大径流为2400毫升/秒即为8.64立方米/小时。因此，该发明实施例所述系统在野外径流小区应用时，完全可以用于计算流量，其精度可以满足工程实际的要求。

该发明实施例所述系统对超过8.64立方米/小时的流量也有稳定可靠的观测结果。我们拟将测量的流量扩大到15立方米/小时，相当于标准小区200毫米/小时净降雨的产流。对更大的非标准径流小区或暴雨强度较大的地区，同样可以采用该观测系统，只是当小区面积更大时，系统的尺寸可能要更大一些。同时需要另外标定流量模型或对公式(2)所述流量模型做一定的修正。

本实施方式的坡面小区水土流失自动测量系统的工作原理为：将所述径流泥沙传感器的近红外管发射阵列组2和近红外管接收阵列组3置于所述径流流量测量子系统箱体的进水口处，以使所述数据采集存储子系统获得泥沙浓度数据，所述数据采集存储子系统获得所述浮子水位计的流量数据，所述上位机根据所述流量数据及泥沙浓度数据计算水土流失。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (2)

1.一种坡面小区水土流失自动测量系统，其特征在于，包括：相互连接的径流流量测量子系统和数据采集存储子系统，还包括：径流泥沙传感器，与所述数据采集存储子系统连接，

所述径流流量测量子系统，用于测量待测液体的流量数据，并将所述流量数据发送至所述数据采集存储子系统；

所述径流泥沙传感器，用于测量所述待测液体的泥沙浓度数据，并将所述泥沙浓度数据发送至所述数据采集存储子模块；

所述数据采集存储子系统，用于接收并存储所述流量数据及泥沙浓度数据。

2.如权利要求1所述的坡面小区水土流失自动测量系统，其特征在于，还包括：上位机，与所述数据采集存储子系统连接，用于根据所述流量数据及泥沙浓度数据计算水土流失。

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