CN106959141B - 一种下垫面产流与降雨关系的监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种下垫面产流与降雨关系的监测系统和方法，包括：产流监测单元和降雨量监测单元，产流监测单元设有围住被测下垫面部分表面的绝水围栏，绝水围栏与被测下垫面之间用止水材料封闭，绝水围栏一侧设有产流收集装置，产流收集装置与产流量水仪连接；降雨监测单元设有与绝水围栏水平投影面积完全一致的集水槽，集水槽设有雨量收集器，雨量收集器与雨量量水仪连接，产流量水仪和雨量量水仪通过数据采集装置与数据处理装置连接。本发明通过原型实验量测降雨量和产流量，实现了计算下垫面降雨产流系数的原型测定，并且同步监测降雨量实现了产流量与降雨量的对应关系，同时充分考虑了降雨产流量与产流面积的对应关系。

Description

一种下垫面产流与降雨关系的监测系统和方法

技术领域

本发明涉及一种下垫面产流与降雨关系的监测系统和方法，是一种水文监测系统和方法，是一种适用于水循环领域对下垫面降雨产流的监测系统和方法。

背景技术

降雨产流是水文循环过程的关键环节，也是流域、城市产流洪水预报的核心任务。特别是在城市区域，下垫面非常复杂，以硬化地面或硬化屋顶为主，原有的入渗监测设备无法适用。近年来，在城镇化和气候变化双重作用下，城市洪涝灾害频发。为缓解城市内涝灾害，我国从2015年起在全国范围内开始海绵城市试点城市建设，年产流总量控制率是海绵城市的刚性指标，雨量产流系数是计算年产流总量控制率的关键参数。但是目前相关规范中给出的雨量产流系数没有与降雨特征形成对应关系，一种下垫面只有一个产流系数值，一套与降雨特征对应的雨量产流系数是准确计算降雨产流的核心参数。

现有的地面产流监测设备（见“一种城市硬化路面地表产流测量仪”公开号：CN105043480 A）能够监测城市实际路面地表产流量过程，但是测量仪结构复杂，最重要问题的在集水槽，它是均质平铺的所需要模仿的硬化路面材质，不是直接在原型硬化路面收集产流。一种降雨产流采集器，公开号：CN 104596798 A, 是一种方便、简单、便携的雨水产流采集器，由于装置要挂在雨水口进行收集，在降雨量大的情况下产流量超过收集桶容积会导致雨水溢出，同时收集的产流量与产流面积不能准确对应。

综上所述，现有发明存在如下问题：（1）路面产流监测设备未能完全实现原型监测，（2）存在降雨产流与面积不匹配问题，无法准确计算产流系数，（3）降雨产流量监测没有与降雨量没有形成对应关系。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提出了一种下垫面产流与降雨关系的监测系统和方法。所述的系统精确的对比降雨和下垫面产流，用于下垫面降雨产流特征的原型监测。

本发明的目的是这样实现的：一种下垫面产流与降雨关系监测系统，包括：产流监测单元和降雨量监测单元，所述的产流监测单元设有围住被测下垫面部分表面的绝水围栏，所述的绝水围栏与被测下垫面之间用止水材料封闭，所述的围栏一侧设有产流收集装置，所述的产流收集装置与产流量水仪连接；所述的降雨监测单元设有与绝水围栏水平投影面积完全一致的集水槽，所述的集水槽设有雨量收集器，所述的雨量收集器与雨量量水仪连接，所述的产流量水仪和雨量量水仪通过数据采集装置与数据处理装置连接。

进一步的，所述的产流收集装置安装在绝水围栏一侧的漏斗。

进一步的，所述的雨量收集器是集水坑和水泵。

进一步的，所述的产流量水仪和雨量量水仪是翻转式间歇量水器。

进一步的，所述的产流量水仪的翻转式间歇量水器翻转次数N ₁，与雨量量水仪的翻转式间歇量水器翻转次数N ₂，之比为对应的降雨条件下被测区域降雨产流系数Ψ：

Ψ= N ₁/ N ₂。

进一步的，所述的数据处理装置是能够与互联网连接的并具有数据存储和数据运算的电子装置。

一种使用上述系统的下垫面产流与降雨关系监测方法，所述方法的步骤如下：

选择实验区域的步骤：用于根据实验要求，选择地面上空没有植被遮挡的开阔区域，同时要求实验期间不受外界环境干扰；

监测系统安装的步骤：将绝水围栏安装到实验区域，通常围成正方形或者矩形形状，用止水材料填充绝水围栏与实验地面之间缝隙，汇流器出口接有导水管，导水管出口下方安装间歇量水器，同样的，集水槽安放在绝水围栏区域旁边，水泵安装在集水坑处，导水管安装在水泵出水口，导水管末端下方安置间歇量水器；

现场量测的步骤：降雨发生后，产流监测单元中绝水围栏区域内产生产流，经翻转式间歇量水器计量翻转的次数，得到产流的水量；降雨量监测单元中集水槽收集雨水，翻转式间歇量水器计量翻转的次数，得到雨量的水量；将产流的水量数据和雨量的水量数据作为监测数据输出，同时将产流监测单元和降雨量测单元对应的间歇量水器的翻转次数作为数据输出。

本发明产生的有益效果是：本发明通过原型实验量测降雨量和产流量，实现了计算下垫面降雨产流系数的原型测定，并且同步监测降雨量实现了产流量与降雨量的对应关系，同时充分考虑了降雨产流量与产流面积的对应关系，填补了不同降雨特征条件下在不同下垫面的降雨产流系列系数的空缺。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述系统的示意图；

图2是本发明的实施例二所述的产流收集装置的示意图；

图3是本发明的实施例三所述的雨量收集装置的示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种下垫面产流与降雨关系的监测系统，如图1所述。本实施例包括：产流监测单元1和降雨量监测单元2，所述的产流监测单元设有围住被测下垫面部分表面101的绝水围栏102，所述的绝水围栏与被测下垫面之间用止水材料103封闭，所述的围栏一侧设有产流收集装置104，所述的产流收集装置与产流量水仪105连接；所述的降雨监测单元设有与绝水围栏水平投影面积完全一致的集水槽201，所述的集水槽设有雨量收集器202，所述的雨量收集器与雨量量水仪203连接，所述的产流量水仪和雨量量水仪通过数据采集装置3与数据处理装置4连接。

本实施例主要由两部分组成，收集下垫面产流量的产流监测单元，收集雨量的降雨量监测单元。这两部分，在降雨过程中都要暴露在雨中，以便收集产流和雨量，产流和雨量的差别在于，产流是下垫面在雨量饱和之后所产生的水量，这一水量的多少与降雨量和下垫面的入渗能力有关。而雨量则仅与降雨有关。为精确的比较两者的关系，本实施例设置了两个水平截面面积完全一致的绝水围栏和集水槽。降雨时将绝水围栏和集水槽暴露在雨中，以同样的面积收集雨水，形成精确的比较。

绝水围栏与集水槽的区别在于，绝水围栏的底部是被测下垫面，集水槽的底部是与集水槽槽边紧密连接的槽底，或者说绝水围栏中的雨水可以向下渗透到下垫面中，而集水槽中的雨水不能有任何渗透，通过比较两个同样面积所流出的水量，就可以找到产流与雨量之间的差异，从而确定被测下垫面产流系数。

所述的绝水围栏可以采用各种不透水的材料制造，如：塑料板、铁（钢）板等金属板。绝水围栏围出的区域（水平截面的形状）可以是各种形状，正方形、矩形、圆形等都可以。下垫面可以是硬化地面，也可以是非硬化地面，但一定要平整，避免有低洼积水现象。所选监测硬化地面要干净、干燥。绝水围栏与下垫面之间所填充的止水材料，则要根据下垫面和止水围栏的材料决定，比如下垫面为硬化泥土地面，则采用止水胶将绝水围栏与地面粘在一起，起到粘接和防水的作用。止水材料的关键在于止水效果，决定了绝水围栏内部积水与外部产流雨水不连通。

产流收集装置的作用是将绝水围栏中产流收集起来，输送到量水仪中，以便计量。产流收集装置可以有多种形式，如采用的漏斗形状的收集装置，安装在绝水围栏的一侧，或者采用倾斜的侧面将水集中到一个出口处，便于将产流导出。

产流量水仪可以使用各种形式的量水仪，如流量仪、翻转式间歇量水器等，具有电信号输出能力。翻转式间歇量水器是一种充满水后自动翻转的量水仪器，通过记录翻转次数来记录水量。

集水槽可以采用与绝水围栏相同的材料，也可以采用不同的材料，关键在于，集水槽的水平截面的面积一定要与围栏的水平截面面积相等。集水槽的水平投影（水平截面形状）可以与绝水围栏的水平投影形状相同，也可以不同，只要两者的水平投影面积相同即可。因为，在实际监测过程中，往往集水槽的形状是固定的，即集水槽是反复应用的，而围栏在多数情况下也可以反复应用在不同的下垫面监测上，但有些特殊的情况下，受到监测现场地形地物的影响，围栏不能与集水槽的形状完全一致，也可以使用其他形状的围栏形状，只要围栏的投影面积与集水槽的投影面积相同即可。

雨量收集器也可以选择多种形式，如采用在集水槽底部设置倾斜面和集水管的方式，也可以在集水槽内设有集水坑，通过安装在集水坑处的水泵将收集的降雨吸起，经由导水管流入间歇量水器。

雨量量水仪可以采用与产流量水仪类似的量水仪，如：流量仪、翻转式间歇量水器等。

产流量水仪和雨量量水仪所产生的产流和雨量数据的电信号，通过数据采集装置处理输出至数据处理装置中。数据采集装置可以采用标准的数据采集器，也可以使用专门设计的数据接口。数据处理装置可以是通用PC，或者工控计算机等具有上网能力的电子数字处理系统。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于产流收集装置的细化。本实施例所述的产流收集装置安装在绝水围栏一侧的漏斗。

本实施例所述漏斗是一个侧倒的漏斗，从扩口到缩口形成汇水器1041，入导水管1042，导水管将水送入量水器，如图2所示。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于雨量收集器的细化。本实施例所述的雨量收集器是集水坑2021和水泵2022，如图3所示。

本实施例在集水槽中设置集水坑，使集水槽中的雨水集中流道集水坑中，然后通过水泵将集水坑中的雨水抽出，输送至雨量量水仪中。集水坑的集水效果十分关键，决定了水泵能否正常工作，必须有能力将集水槽中的雨水尽量收集，一般可以呈底部封闭的漏斗形，漏斗的底部平坦，设置水泵的抽水管进口。

水泵可以安装水位感应器，探测水坑中的水量，以实现自动开启和关闭水泵的功能。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于产流量水仪和雨量量水仪的细化。本实施例所述的产流量水仪和雨量量水仪是翻转式间歇量水器。

翻转式间歇量水器是一种充满水后自动翻转的量水仪器，通过记录翻转次数来记录水量。翻转式间歇量水器装有自动计数器，通过计量翻转倒水次数来计量水量。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于产流量水仪和雨量量水仪的细化。本实施例所述的产流量水仪的翻转式间歇量水器翻转次数N ₁，与雨量量水仪的翻转式间歇量水器翻转次数N ₂，之比为对应的降雨条件下被测区域降雨产流系数Ψ：

Ψ= N ₁/ N ₂。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于数据处理装置的细化。本实施例所述的数据处理装置是能够与互联网连接的并具有数据存储和数据运算的电子装置。

所述的具有数据存储和数据运算的电子装置可以是手机或者计算机，手机或者计算机能够实现数据的远程传输，便于分析和应用，因此，如果数据采集装置连接互联网，通过无线通讯网络、卫星等，可以将数据传输至远端的手机和计算机上，实现无人管理的自动工作站。这对于计量雨量和下垫面产流量这种野外工作，自动工作站可以大大降低科研人员的工作强度，降低运行成本。

实施例七：

一种使用上述实施例六所述系统的下垫面产流与降雨关系的监测方法。所述方法的具体步骤如下：

选择实验区域的步骤：用于根据实验要求，选择地面上空没有植被遮挡的开阔区域，同时要求实验期间不受外界环境干扰。这种环境通常在野外，需要精心选择，对下垫面要求是干燥、平整，与周围环境尽量一致，以达到接近现实的效果。

监测系统设备安装的步骤：将绝水围栏安装到实验区域，通常围成正方形或者矩形形状，用止水材料填充绝水围栏与实验地面之间缝隙，汇流器出口接有导水管，导水管出口下方安装翻转式间歇量水器，同样的，集水槽安放在绝水围栏区域旁边，水泵安装在集水坑处，导水管安装在水泵出水口，导水管末端下方安置间歇量水器。

现场量测的步骤：降雨发生后，产流监测单元中绝水围栏区域内产生产流，经翻转式间歇量水器计量翻转的次数，得到产流的水量；降雨量监测单元中集水槽收集雨水，翻转式间歇量水器计量翻转的次数，得到雨量的水量；将产流的水量数据和降雨量数据作为监测数据输出，同时将产流监测单元和降雨量测单元对应的间歇量水器的翻转次数作为数据输出。

降雨发生时，绝水围栏内产生的产流通过汇流器汇集，经由导水管流入间翻转式歇量水器，翻转式间歇量水器充满水以后自动翻转，然后恢复水平位置继续接水，如此重复翻转进行量水，翻转次数通过计数器实现。所述降雨量监测设备包括集水槽、水泵、导水管、间歇量水器。集水槽用来收集降雨。水泵通过集水坑将收集的雨水吸起，通过导流管流入到间歇量水器。

产流监测单元和降雨量监测单元中的翻转式间歇量水器在装满水后自动翻转，相应的计数器计数一次，计数累加，便得出产流量和雨量的数据。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如绝水围栏和水槽的形式、量水器的形式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种下垫面产流与降雨关系监测的方法，所述方法所使用的系统，包括：产流监测单元和降雨量监测单元，所述的产流监测单元设有围住被测下垫面部分表面的绝水围栏，所述的绝水围栏与被测下垫面之间用止水材料封闭，所述的围栏一侧设有产流收集装置，所述的产流收集装置与产流量水仪连接；所述的降雨监测单元设有与绝水围栏水平投影面积完全一致的集水槽，所述的集水槽设有雨量收集器，所述的雨量收集器与雨量量水仪连接，所述的产流量水仪和雨量量水仪通过数据采集装置与数据处理装置连接，所述的产流收集装置安装在绝水围栏一侧的漏斗，所述的雨量收集器是集水坑和水泵，所述的产流量水仪和雨量量水仪是翻转式间歇量水器，所述的产流量水仪的翻转式间歇量水器翻转次数N ₁，与雨量量水仪的翻转式间歇量水器翻转次数N ₂，之比为对应的降雨条件下被测区域降雨产流系数Ψ：Ψ= N ₁/ N ₂，所述的数据处理装置是能够与互联网连接的并具有数据存储和数据运算的电子装置，

其特征在于，所述方法的步骤如下：

选择实验区域的步骤：用于根据实验要求，选择地面上空没有植被遮挡的开阔区域，同时要求实验期间不受外界环境干扰；

监测系统安装的步骤：将绝水围栏安装到实验区域，通常围成正方形或者矩形形状，用止水材料填充绝水围栏与实验地面之间缝隙，汇流器出口接有导水管，导水管出口下方安装间歇量水器，同样的，集水槽安放在绝水围栏区域旁边，水泵安装在集水坑处，导水管安装在水泵出水口，导水管末端下方安置间歇量水器；

现场量测的步骤：降雨发生后，产流监测单元中绝水围栏区域内产生产流，经翻转式间歇量水器计量翻转的次数，得到产流的水量；降雨量监测单元中集水槽收集雨水，翻转式间歇量水器计量翻转的次数，得到雨量的水量；将产流的水量数据和雨量的水量数据作为监测数据输出，同时将产流监测单元和降雨量测单元对应的间歇量水器的翻转次数作为数据输出。