CN105181923B - 一种洞穴滴水的水文水化学自动监测以及取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种洞穴滴水的水文水化学自动监测以及取样装置，包括供电模块、水化学监测记录模块、滴率测定模块和自动取样模块；所述供电模块向所述水化学监测记录模块、所述滴率测定模块和所述自动取样模块提供电能；所述水化学监测记录模块用于收集并监测洞穴滴水的pH值、温度、电导率等数据，并且将监测到的数据记录储存起来；所述滴率测定模块用于监测计算洞穴滴水的速率或流量；所述自动取样模块用于对洞穴滴水自动定时取样或者连续取样。本发明提供的一种洞穴滴水水文水化学的自动监测以及取样装置，为岩溶表层带的监测研究提供了新的方法；同时，能显著降低劳动强度，减少频繁往返研究点所需的人力、财力、物力，特别适用于在偏远且交通不便地区的研究点。

Description

一种洞穴滴水的水文水化学自动监测以及取样装置

技术领域

本发明涉及岩溶动力系统的研究领域，具体涉及一种洞穴滴水的水文水化学自动监测以及取样装置。

背景技术

洞穴滴水在古环境重建和岩溶表层带研究中占有重要地位，监测滴水的水化学成分、同位素组成等对研究岩溶表层带(饱气带)与环境的响应(如气温、降雨)至关重要。

形成洞穴的基岩由于岩性、构造的差异，往往形成裂隙和管道。降雨经过土壤入渗后进入下部的基岩后，沿着裂隙或管道，形成洞穴滴水点。不同来源的滴水具有不同的水文水化学特征和同位素组成：裂隙滴水点由于其主要来源于土壤孔隙和基岩裂隙，水岩相互作用时间长，滴速(滴水速率)较慢，变化较小，流量稳定，水化学成分一般过饱和，滴水进入洞穴后，一般迅速脱气，在地面上的滴水点往往形成石笋；而管道型滴水点主要来源于基岩中的溶蚀管道，汇水比较集中，水岩相互作用过程短，受降雨影响大，滴速变化大，流量不稳定，雨季最大流量比平均流量大10倍以上，形成快速流，而枯季时甚至断流。

限于研究手段，传统对洞穴滴水的研究，采用定期人工取样、现场测试水化学参数和计时测量滴水速率的方法。这种方法的主要缺陷在于人工劳动强度大、费时费力，对于比较偏远的研究点来说，由于交通的限制，过密的监测间隔不太容易实现，能够获得的监测数据有限。

由于岩溶洞穴系统对环境的敏感性和滴水的特殊性，过少的数据其代表性也不是太好，因而迫切需要一种能够高分辨率监测记录滴水水化学参数，并根据需要自动进行取样的装置。

发明内容

综上所述，为解决现有的技术问题，本发明提供一种洞穴滴水的自动监测以及取样装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种洞穴滴水的自动监测以及取样装置，包括供电模块、水化学监测记录模块、滴率测定模块、自动取样模块和数据记录器；

所述供电模块通过导线分别连接所述水化学监测记录模块、所述滴率测定模块、所述自动取样模块和所述数据记录器，其用于将太阳能转换成电能储蓄起来，并向所述水化学监测记录模块、所述滴率测定模块、所述自动取样模块和所述数据记录器提供电能；

所述水化学监测记录模块处于洞穴内，其用于收集并监测洞穴滴水的pH值、温度、电导率数据，并且将监测到的数据输送给所述数据记录器记录储存起来；

所述滴率测定模块处于所述水化学监测记录模块的下方，并且所述水化学监测记录模块通过软管Ⅰ连接所述滴率测定模块，所述滴率测定模块用于产生监测洞穴滴水的速率或流量的信号，并且将监测信号输送给所述数据记录器计算成洞穴滴水的速率或流量；

所述自动取样模块通过软管Ⅱ连接所述滴率测定模块，其用于对洞穴滴水自动定时取样或者连续取样。

进一步，所述供电模块包括太阳能电池板、蓄电池和太阳能控制器，所述太阳能电池板处于洞穴外，利用光电效应将太阳光能转化成电能为所述蓄电池充电，所述蓄电池向所述水化学监测记录模块、所述滴率测定模块和所述自动取样模块提供电能，所述太阳能控制器控制所述太阳能电池板向所述蓄电池充电以及所述蓄电池的电能输出。

进一步，所述水化学监测记录模块包括用于收集洞穴滴水的滴水收集器，所述滴水收集器通过支架处于洞穴内，在所述滴水收集器的上部开口处设有收集漏斗，在所述收集漏斗内放置有小球，所述收集漏斗底部的漏口通过软管Ⅲ连接到所述滴水收集器的底部，在所述滴水收集器内底部还设有分别监测洞穴滴水的pH值、温度和电导率的监测探头，所述监测探头分别通过数据线连接所述数据采集器，并将监测数据输送给所述数据采集器记录储存起来。

进一步，在所述滴水收集器内的底部设有倒置的漏斗，所述监测探头处于所述滴水收集器的内壁与所述漏斗之间，所述软管Ⅰ的一端从所述漏斗的尖端伸入所述滴水收集器内。

进一步，所述滴率测定模块包括滴率测定容器和翻斗，所述软管Ⅰ的另外一端延伸到所述滴率测定容器内，所述翻斗通过转轴安装在所述滴率测定容器内对应所述软管Ⅰ的位置处，在所述滴率测定容器内设有干簧管，所述翻斗上设有与所述干簧管相对应的磁钢，所述滴水收集器内收集的洞穴滴水通过所述软管Ⅰ滴落到所述翻斗积累后，可以使所述翻斗发生翻转，所述翻斗发生翻转的同时所述磁钢穿过所述干簧管产生开关脉冲信号，所述数据采集器将单位时间的所述脉冲信号数换算成洞穴滴水的速率或流量。

进一步，所述自动取样模块包括上圆盘、取样器、步进电机和控制板，所述取样器内部中空并且开口向上，所述上圆盘处于所述取样器上部的开口处，所述步进电机通过转轴可以带动所述上圆盘在所述取样器上部的开口处转动，所述控制板控制所述步进电机的运行；

在所述取样器内的底面上均匀设有若干个固定取样瓶的固定孔，在所述上圆盘上设有与所述固定孔相对应的取样孔，所述软管Ⅱ的一端处于所述滴率测定容器的内部，所述软管Ⅱ的另外一端固定在所述取样孔内。

进一步，所述上圆盘可以将所述取样器上部的开口密封起来。

进一步，在所述软管Ⅱ上还设有通过所述控制面板控制的三通电磁阀。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种洞穴滴水的自动监测以及取样装置，能高分辨率地连续自动监测洞穴滴水的水化学变化过程，获取长时间尺度的数据，分析其机理以及连续自动取样，为岩溶表层带的监测研究提供了新的方法；同时，能显著降低劳动强度，减少频繁往返研究点所需的人力、财力、物力，使研究者能关注于数据的分析，特别适用于在偏远且交通不便地区的研究点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为供电模块的结构示意图；

图3为水化学监测记录模块的结构示意图；

图4为滴率测定模块的结构示意图；

图5为滴率测定模块翻斗翻转的结构示意图；

图6为自动取样模块的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、供电模块，2、水化学监测记录模块，3、滴率测定模块，4、自动取样模块，5、软管Ⅰ，6、软管Ⅱ，7、太阳能电池板，8、蓄电池，9、太阳能控制器，10、滴水收集器，11、数据采集器，12、收集漏斗，13、小球，14、监测探头，15、漏斗，16、滴率测定容器，17、翻斗，18、转轴，19、干簧管，20、磁钢，21、上圆盘，22、取样器，23、步进电机，24、控制板，25、转轴，26、取样瓶，27、固定孔,28、电磁阀，29、固定支架,30、取样孔，31、软管Ⅲ。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种洞穴滴水的自动监测以及取样装置，包括供电模块1、水化学监测记录模块2、滴率测定模块3、自动取样模块4和数据记录器11。

如图2所示，所述供电模块1包括太阳能电池板7、蓄电池8和太阳能控制器9，所述太阳能电池板7处于洞穴外利用光电效应将太阳光能转化成电能为所述蓄电池8充电，所述蓄电池8向所述水化学监测记录模块2、所述滴率测定模块3、所述自动取样模块4和所述数据记录器11提供电能，所述太阳能控制器9控制所述太阳能电池板7向所述蓄电池8充电以及所述蓄电池8的电能输出，防止电池过充和过放。所述供电模块1通过导线分别连接所述水化学监测记录模块2、所述滴率测定模块3、所述自动取样模块4和所述数据记录器11，其用于将太阳能转换成电能储蓄起来，并向所述水化学监测记录模块2、所述滴率测定模块3、所述自动取样模块4和所述数据记录器11提供电能。通过供电模块1向其他模块提供电能，可以长时间的保证其他模块的正常运行。

所述水化学监测记录模块2处于洞穴内，其用于收集并监测洞穴滴水的pH值、温度、电导率数据，并且将监测到的数据记录储存起来。如图3所示，所述水化学监测记录模块2包括用于收集洞穴滴水的滴水收集器10，所述滴水收集器10通过支架29处于洞穴内，在所述滴水收集器10的上部开口处设有收集漏斗12，在所述收集漏斗12内放置有小球13，在所述滴水收集器10内还设有分别监测洞穴滴水的pH值、温度和电导率的监测探头14，根据实际监测的需要还可扩充其他监测探头。在所述滴水收集器10的底部设有倒置的漏斗15，所述监测探头14处于所述滴水收集器10的内壁与所述漏斗15之间。滴水必须浸没监测探头14到一定深度，监测探头14才能监测到相关数据。在滴水收集器10内的底部设置一个倒置的漏斗15，能使滴水收集器10内的高度上升，因而同样高度所需滴水的体积减小，缩短滴水在滴水收集器10内积累达到监测所需深度所需的时间，提高了监测精度和分辨率，也避免滴水长时间置留水化学性质发生变化，保证监测的准确性。另外，所述收集漏斗12底部的漏口通过软管Ⅲ31连接到所述滴水收集器10的底部。收集漏斗12底部的漏口通过软管Ⅲ31连接到滴水收集器10的底部的优点在于：使监测探头14监测到的水化学指标能代表真正新鲜滴水的性质，防止新鲜滴水进入滴水收集器10后马上从软管Ⅰ5排出滴水收集器10。新鲜滴水沿软管Ⅲ31进入滴水收集器10底部后将“驱赶”上部的“老水”，让“老水”先从软管Ⅰ5的上部溢出而进入到下一监测环节。所述监测探头14分别通过数据线连接所述数据采集器11，并将监测数据输送给所述数据采集器11记录储存起来。通过数据采集器11可设置采样时间间隔，连续监测记录滴水的pH值、温度、电导率、pCO₂等参数，可长时间记录存储数据。洞穴内的滴水通过收集漏斗12进入滴水收集器10内，在收集漏斗12内放置小球13的作用是为了滴水在收集漏斗12内没有到达一定量的时候密封收集漏斗12的出口，从而密封住滴水采集器10，避免滴水采集器10内收集的滴水与周围空气接触发生脱气，影响监测数据的准确性。

所述滴率测定模块3处于所述水化学监测记录模块2的下方，并且所述水化学监测记录模块2通过软管Ⅰ5连接所述滴率测定模块3，所述滴率测定模块3用于产生监测洞穴滴水的速率或流量的信号，并且将监测信号输送给所述数据记录器11计算成洞穴滴水的速率或流量。如图4所示，所述滴率测定模块3包括滴率测定容器16和翻斗17，所述滴率测定容器16连接在所述滴水收集器10的底部，所述软管Ⅰ5的一端处于所述滴水收集器10内、所述漏斗15的上方，所述软管Ⅰ5的另外一端穿过所述滴水收集器10后延伸到所述滴率测定容器16内。滴水采集器10内收集的滴水超过软管Ⅰ5的端部在收集容器10内的高度的时候，滴水便可以通过软管Ⅰ5流出。所述翻斗17通过转轴18安装在所述滴率测定容器16内对应所述软管Ⅰ5的位置处，在所述滴率测定容器16内设有干簧管19，所述翻斗17上设有与所述干簧管19相对应的磁钢20，滴水收集器10内收集的洞穴滴水通过软管Ⅰ5滴落到翻斗17达到一定量后，可以使翻斗17发生翻转，翻斗17发生翻转的同时干磁钢20穿过干簧管19产生脉冲信号信号，所述数据采集器11将单位时间的所述脉冲信号数换算成洞穴滴水的速率或流量，便可得到洞穴滴水的速率或流量。

所述自动取样模块4通过软管Ⅱ6连接所述滴率测定模块3，其用于对洞穴滴水定时取样或者连续取样。如图5所示，所述自动取样模块4包括上圆盘21、取样器22、步进电机23和控制板24，所述取样器22内部中空并且开口向上，所述上圆盘21处于所述取样器22上部的开口处，所述步进电机23通过转轴25可以带动所述上圆盘21在所述取样器22上部的开口处转动，所述控制板24控制所述步进电机23的运行。在所述取样器22内的底面上均匀设有若干个固定取样瓶26的固定孔27，在所述上圆盘21上设有与所述固定孔27相对应的取样孔30，所述软管Ⅱ6的一端处于所述滴率测定容器16的内部，所述软管Ⅱ6的另外一端固定在所述取样孔30内。通过控制板24设置步进电机23的运行参数，步进电机23根据上述设定带动上圆盘21于取样器22上部的开口处转动，每一次转动后取样孔30对应一个取样瓶26，完成一个取样瓶26取样后步进电机再次带动上圆盘21转动，实现连续多个取样瓶26的取样。上圆盘21可以将取样器22上部的开口密封起来，避免完成取样的取样瓶26内的滴水与周围环境的大气接触发生脱气。在软管Ⅱ6上还设有通过控制面板24控制的三通电磁阀28，当不需要取样的时候，通过控制面板14控制电磁阀28，使软管Ⅱ6内的滴水直接排到外面即可。

综上所述，本发明提供的一种洞穴滴水的自动监测以及取样装置，能高分辨率地连续自动监测洞穴滴水的水化学变化过程，获取长时间尺度的数据，分析其机理以及连续自动取样，为岩溶表层带的监测研究提供了新的方法；同时，能显著降低劳动强度，减少频繁往返研究点所需的人力、财力、物力，使研究者能关注于数据的分析，特别适用于在偏远且交通不便地区的研究点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种洞穴滴水的水文水化学自动监测以及取样装置，其特征在于，包括供电模块(1)、水化学监测记录模块(2)、滴率测定模块(3)、自动取样模块(4)和数据记录器(11)；

所述供电模块(1)通过导线分别连接所述水化学监测记录模块(2)、所述滴率测定模块(3)、所述自动取样模块(4)和所述数据记录器(11)，其用于将太阳能转换成电能储蓄起来，并向所述水化学监测记录模块(2)、所述滴率测定模块(3)、所述自动取样模块(4)和所述数据记录器(11)提供电能；

所述水化学监测记录模块(2)处于洞穴内，其用于收集并监测洞穴滴水的pH值、温度和电导率，并且将监测到的数据输送给所述数据记录器(11)记录储存起来；

所述滴率测定模块(3)处于所述水化学监测记录模块(2)的下方，并且所述水化学监测记录模块(2)通过软管Ⅰ(5)连接所述滴率测定模块(3)，所述滴率测定模块(3)用于产生监测洞穴滴水的速率或流量的信号，并且将监测信号输送给所述数据记录器(11)计算成洞穴滴水的速率或流量；

所述自动取样模块(4)通过软管Ⅱ(6)连接所述滴率测定模块(3)，其用于对洞穴滴水自动定时取样或者连续取样；

所述水化学监测记录模块(2)包括用于收集洞穴滴水的滴水收集器(10)，所述滴水收集器(10)通过固定支架(29)处于洞穴内，在所述滴水收集器(10)的上部开口处设有收集漏斗(12)，在所述收集漏斗(12)内放置有小球(13)，所述收集漏斗(12)底部的漏口通过软管Ⅲ(31)连接到所述滴水收集器(10)的底部，在所述滴水收集器(10)内还设有分别监测洞穴滴水的pH值、温度和电导率的监测探头(14)，所述监测探头(14)分别通过数据线连接所述数据记录器(11)，并将监测数据输送给所述数据记录器(11)记录储存起来；

在所述滴水收集器(10)内的底部设有倒置的漏斗(15)，所述监测探头(14)处于所述滴水收集器(10)的内壁与所述漏斗(15)之间，所述软管Ⅰ(5)的一端从所述漏斗(15)的尖端伸入所述滴水收集器(10)内。

2.根据权利要求1所述的一种洞穴滴水的水文水化学自动监测以及取样装置，其特征在于，所述供电模块(1)包括太阳能电池板(7)、蓄电池(8)和太阳能控制器(9)，所述太阳能电池板(7)处于洞穴外，利用光电效应将太阳光能转化成电能为所述蓄电池(8)充电，所述蓄电池(8)向所述水化学监测记录模块(2)、所述滴率测定模块(3)和所述自动取样模块(4)提供电能，所述太阳能控制器(9)控制所述太阳能电池板(7)向所述蓄电池(8)充电以及所述蓄电池(8)的电能输出。

3.根据权利要求1所述的一种洞穴滴水的水文水化学自动监测以及取样装置，其特征在于，所述滴率测定模块(3)包括滴率测定容器(16)和翻斗(17)，所述软管Ⅰ(5)的另外一端延伸到所述滴率测定容器(16)内，所述翻斗(17)通过转轴(18)安装在所述滴率测定容器(16)内对应所述软管Ⅰ(5)的位置处，在所述滴率测定容器(16)内设有干簧管(19)，所述翻斗(17)上设有与所述干簧管(19)相对应的磁钢(20)，所述滴水收集器(10)内收集的洞穴滴水通过所述软管Ⅰ(5)滴落到所述翻斗(17)积累后，可以使所述翻斗(17)发生翻转，所述翻斗(17)发生翻转的同时所述磁钢(20)穿过所述干簧管(19)的位置产生开关脉冲信号，所述数据记录器(11)将单位时间内的所述脉冲信号数换算成洞穴滴水的速率或流量。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种洞穴滴水的水文水化学自动监测以及取样装置，其特征在于，所述自动取样模块(4)包括上圆盘(21)、取样器(22)、步进电机(23)和控制板(24)，所述取样器(22)内部中空并且开口向上，所述上圆盘(21)处于所述取样器(22)上部的开口处，所述步进电机(23)通过转轴(25)可以带动所述上圆盘(21)在所述取样器(22)上部的开口处转动，所述控制板(24)控制所述步进电机(23)的运行；

在所述取样器(22)内的底面上均匀设有若干个固定取样瓶(26)的固定孔(27)，在所述上圆盘(21)上设有与所述固定孔(27)相对应的取样孔(30)，所述软管Ⅱ(6)的一端连接所述滴率测定模块(3)，所述软管Ⅱ(6)的另外一端固定在所述取样孔(30)内。

5.根据权利要求4所述的一种洞穴滴水的水文水化学自动监测以及取样装置，其特征在于，所述上圆盘(21)可以将所述取样器(22)上部的开口密封起来。

6.根据权利要求4所述的一种洞穴滴水的水文水化学自动监测以及取样装置，其特征在于，在所述软管Ⅱ(6)上还设有通过所述控制板(24)控制的三通电磁阀(28)。