CN107450443B - 一种坡耕地径流水动态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坡耕地径流水动态监测系统，包括径流水动态监测启动装置、径流水自动收集装置和数据处理装置。本发明的动态监测系统能够实时自动灵敏、精确、长期定位监测坡耕地径流小区内的径流水，实现对包括农田、山地、梯田、尾矿、荒山等多种地形区域径流水的自动收集和监测，为水土保持、面源污染防控、养分流失治理等多学科科研提供可靠的数据和样品来源。

Description

一种坡耕地径流水动态监测系统

技术领域

本发明涉及一种农林耕地径流水的监测系统，特别涉及一种坡耕地径流水的动态监测系统，属于农业生态学和环境科学研究领域。

背景技术

坡耕地是我国基本农田的重要组成部分，而水土流失、面源污染、农林地养分流失、污染物和养分在土壤中的迁移是目前我国生态、环境、农林业所面临的严峻问题，其中径流是导致这些问题的引发者和主要载体，因此，对径流的研究和监测有着十分重要的意义。

坡面径流的自动收集和监测是目前野外测量的难点问题，对于无压、低水头、小流量、高泥沙的坡面水文过程自动监测技术进展也十分缓慢。目前，野外试验坡面径流流量观测记录主要采用集水池和水位计法或集水池和流量计法进行观测计量。集水池法，即在径流出口处修建一个径流池(有些带有分流装置)，将径流水收集在水池中，然后计算集水池中的水量，根据计算得到的集水池中水量以及统计的积水时间，获取径流相关参数，例如，获取统计时间内的径流总量、径流量、径流量分布曲线等。流量计法是在径流小区出口建设径流收集渠道，并安置流量计实现对径流小区产流过程的监测。翻斗式流量计是野外径流观测中主要使用的流量计之一，但是现有技术翻斗式流量计的调节装置为单点支撑结构，当野外径流观测中出现径流量大且持续时间长时，其翻斗翻转时会出现较大幅度的震颤与偏转，从而会导致记录感应器错误记录数据。

传统径流水收集罐一般采用翻斗式水量计量方式，由于翻斗体积的限制，最小计量精度只能达到5ML左右(常用翻斗一般为5-50ML，翻斗越大计量精度越小)，且如有泥沙及杂物污染，则监测精度大大降低。

而且现有的计量方法存在明显的缺陷，例如，现有收集罐罐盖仅具有遮挡、封闭功能，而不具有水位监测和数据收集功能的缺陷；即使具有测量功能，其也只能测量径流的总量或者平均径流量，不能获取径流的动态过程，不能获取径流量、与时间的实时关系曲线，从而使得获取的径流相关参数实时性较差；进一步地，当径流量大时，集水池容易发生溢出，影响径流的测量精度。

本发明采用超声波实时监测装置进行径流水量探测，水位监测精度可达到0.1mm，监测精度大大提高，同时监测设备不受泥沙和杂物污染干扰，为独立系统，同样可以提高数据监测精度。

发明内容

本发明的目的是针对现有坡耕地径流水动态监测存在的技术缺陷，提供一种坡耕地径流水动态监测系统，本发明的动态监测系统对坡耕地的降雨、降雨量、降雨产生的径流水量进行自动收集和实时监测，降雨量及径流水量数据采集与数据的远程传输可以同步进行；而且本发明的径流水动态监测系统能够对微量、不连续的径流水进行灵敏、精确、长期定位自动监测和无污染取样，实现对包括农田、山地、梯田、尾矿、荒山等多种地形区域径流水的自动收集和监测，从而为水土保持、面源污染防控、养分流失治理等多学科科研提供可靠的数据和样品来源。

为实现本发明的目的，本发明一方面提供一种坡耕地径流水动态监测系统，包括径流水动态监测启动装置、径流水自动收集装置和数据处理装置。

其中，所述数据处理装置分别与所述的径流水动态监测启动装置、所述径流水自动收集装置相连接，降雨时驱动所述径流水自动收集装置测量罐内径流水量，并对径流水自动收集装置内的径流水量进行收集、监测。

特别是，所述径流水动态监测启动装置为雨量计，其中所述雨量计以有线或无线方式与所述数据处理装置相连接，在降雨时驱动数据处理系统从睡眠状态转变至工作状态，进行降雨量和径流水水量的监控。

尤其是，所述雨量计以有线方式与所述数据处理装置相连接。

特别是，所述雨量计选择翻斗式雨量计、虹吸式雨量计、称重式雨量计，优选为翻斗式雨量计。

本发明计量降雨量的雨量计与数据采集器相连接，可以驱动数据采集器工作，使数据采集器记录降雨量。

其中，所述数据处理装置包括数据采集器、无线通讯模块、数据处理服务器，其中，数据采集器将采集的数据通过无线通讯模块发送至数据服务器，供保存、处理、使用.。

特别是，所述数据采集器通过有线或无线方式与所述无线通讯模块相连接，优选以有线方式与无线通讯模块相连接。数据采集器采集的数据通过无线数据模块传输至数据服务器。

尤其是，所述数据采集器支持因特网、无线电、CDMA/GPRS、卫星、局域网、电脑直连等多种方式通讯。

特别是，所述数据采集器具有模拟信号测定端口、脉冲计数信号测定端口、电压激发转换端口、数字测定端口等多个端口。

尤其是，所述数据采集器采用的CR1000数据采集器(美国Campbell数据采集器)。

其中，所述无线通讯模块为2G、3G或4G模块。

特别是，所述无线通讯模块选择GPRS4.0。

①当GPRS无线通讯模块内置的SIM卡接入手机网络后，GPRS开始尝试连接数据服务器(固定IP)，当服务器端监测到有GPRS模块连接时，保存这个连接等待传输数据使用。

②当服务器设定的接收数据的时间间隔到来时，服务器通过保存的GPRS连接发送获取数据指令，GPRS接收到指令后通过串口转发给采集器。

③采集器接收到服务器通过GPRS模块发送过来的指令后，通过串口将数据发送给GPRS模块，再由GPRS将数据无损的转发到服务器存储。

特别是，所述数据处理服务器接收和储存监测系统采集径流小区产生径流水量和实时降雨量数据，通常为计算机或服务器。

尤其是，数据处理服务器与所述无线通讯模块以无线方式连接。

数据处理服务器接收、储存、处理降雨量、径流水量等数据。无降雨时，整个系统处于休眠状态，降雨时同步启动。

降雨时，自动雨量计计量降雨量，通过数据信号线驱动数据采集器由休眠转入工作状态，记录降雨量，同时通过数据信号线驱动径流水自动收集装置的探测组件发射超声波(同样探测组件只有计量的功能，而不具有记录数据的功能)计量径流水量，探测组件接收回波信号，通过数据信号线传输到数据采集器，数据采集器把接收到的降雨量和径流水量数据通过无线传输模块远程传输到数据处理服务器，供数据处理服务器储存、处理、使用。

其中，所述径流水自动收集装置包括径流水收集罐、密封所述径流水收集罐的罐盖和设置在罐盖中央的罐内水量探测组件。

特别是，所述数据采集器以有线或无线方式与径流水自动收集装置的水量探测组件相连接，驱动收集装置对收集的径流水水量进行探测并采集收集装置探测的径流水量。

驱动超声波探测器启动计量径流水量并接收传输径流水量到数据采集器。

特别是，所述径流水收集罐为圆柱体形；所述罐盖包括呈圆形的罐盖本体和沿着罐盖本体边缘向下延伸设置的罐盖外沿，其中罐盖外沿与罐盖本体固定连接，沿着罐盖本体的外周紧密贴合成一体；所述罐盖本体的中心位置设置有用于安装探测组件的插孔。

尤其是，所述圆柱体形收集罐罐体的上部设有进水口、溢水口；底部设有出水口；进水口上安装有与径流监测小区集水槽出口相连接的进水管，将径流水引入所述收集罐内；溢水口上安装有溢水管，将罐内超过溢水口所在水面位置以上的径流水导出收集罐；出水口与出水管相连接，用于导出收集罐内采集的径流水。

特别是，出水口与出水管相连接，并且在出水管顶端设置有手动开关阀门，用于采集径流水样品。

特别是，所述进水口与溢水口距离所述径流水收集罐罐底的高度不同，溢水口高度低于进水口高度。

进水口高于溢水口，进水管探入径流水收集罐的一端略低于连接径流小区的一端，以保证径流水在重力作用下自动流入径流水收集罐内。通常进水口略低于罐顶，溢水口水平面设置在距监测组件下端探测底面所在水平面1‐2cm处，以防止由于单次降雨量超过最大设计容量，而造成的探测器被水淹没而失灵，一般径流水收集罐最大设计容量应根据应用地实际降雨量进行估测，要求最少应可容纳20年一遇最大降雨量。

尤其是，所述进水口与溢水口彼此分离，通常溢水口设置在与进水口相对的另一侧。

特别是，所述罐盖本体由固定部、可开合部两部分组成，其中固定部的面积小于可开合部的面积。

尤其是，所述固定部与可开合部的面积之比为1:2。

其中，所述固定部固定安装在收集罐罐体的顶部，可开合部能够从罐体顶部被自由掀起或放下后盖合在罐体顶部。

特别是，所述监测组件插孔设置在所述可开合部一侧。

尤其是，所述插孔大小与监测组件的超声波探测器的尺寸相匹配。

特别是，在所述罐盖本体的可开合部距离罐盖本体中心一定距离的位置设置用于掀开或放下罐盖本体可开合部的把手。

尤其是，所述把手的中心与插孔中心的连线位于罐盖的直径上，垂直于罐盖固定部与可开合部的组合部位形成的密封棱。

其中，所述罐盖的固定部和可开合部的结合部位为沿着罐盖弦线延伸的凸棱状的密封棱，密封棱由固定部凸棱和扣合在其上部且能被掀起的可开合部凸棱组成，其中固定部凸棱的横截面整体呈“∧”形，可开合部凸棱的横截面整体呈“∧”形。

特别是，所述可开合部凸棱的形状、大小与所述固定部凸棱的形状、大小相适应，当可开合部凸棱扣合在固定部凸棱上，形成沿着罐盖的弦线延伸的密封棱。

其中，固定部和可开合部固定连接。

特别是，固定部和可开合部转动连接。

尤其是，在固定部靠近固定部凸棱的一侧的上表面固定安装有至少1个支撑座；在可开合部凸棱的外侧(即朝向或靠近固定部的一侧)固定安装有至少1个连接件，所述连接件与所述支撑座转动连接。

特别是，所述在固定部靠近固定部凸棱的一侧的上表面固定安装1‐3个，优选为2个支撑座；在所述在可开合部凸棱的外侧固定安装1‐3个，优选为2个连接件。

尤其是，所述连接件选择连接杆、连接片，或本领域中现有已知的任何其他形式的连接装置。

特别是，所述连接件和支撑座通过转动件销轴转动连接；或通过螺母、螺杆的转动连接组件转动连接，或采用本领域中现有已知的转动连接方式连接。

特别是，垂直于密封棱的罐盖直径的中央设置监测组件插孔且在距离插孔一定距离的位置设置罐盖把手。

所述灌溉把手远离灌溉中心，靠近灌溉边缘，且位于可开合部一侧，用于掀起或放下罐盖可开合部。

其中，罐盖外沿包括固定设置在固定部下沿的固定部外沿和固定设置在可开合部下沿的可开合部外沿，可开合部盖合时，固定部外沿和可开合部外沿拼合在一起，紧密扣合在收集罐罐体上沿，封闭收集罐。

其中，所述探测组件包括超声波探测器、垂直调节件、水平调节件、导线和保护罩，其中所述保护罩固定在所述罐盖本体的中心位置，并且所述超声波探测器、垂直调节件、水平调节件设置在所述保护罩内部；所述超声波探测器固定于径流水收集罐的中心线上；所述水平调节件水平调节件与保护罩内壁螺栓连接且于罐盖平面相垂直；所述垂直调节件与水平调节件固定连接且与水平调节件相垂直。

特别是，所述超声波探测器选择圆柱状的、具有测定水位或距离功能的超声波探测器。

尤其是，所述超声波探测器选择螺丝状超声波探测器。

特别是，所述超声波探测器穿过罐盖的探测器插孔设置于径流水收集罐的中心线上，即超声波探测器的中心线与径流水收集罐的中心线重合。

特别是，所述导线(即电缆或数据线)与超声波探测器的上端连接，并穿出保护罩，与外端数据收集和记录系统连接，实现为超声波探测器供电及数据发出‐接收回路的连通，以完成径流水数据的实时监测

超声波探测器通过向罐体底面按照设定的频率发射超声波，超声波碰触到罐底或罐内径流水水面发生反射，反射后的超声波被探测器接收并转换成电磁信号，通过数据传输线传回数据采集器，形成一次距离数据，记录为一次水位高度数据，两次距离数据差即为罐体内径流水位高度变化值，由于罐体底面积一定，且罐体为正圆柱体，即可计算出径流水实时变化体积。超声波探测器以设定频率(例如1秒/次～1天/次)动态记录径流水量(超声波探测器的动态记录频率根据实际需要可人工设定)。数据采集器通过无线通讯模块发射无线信号，远程传输降雨和小区径流液量到室内服务器，记录保存，构建降雨与径流液量间关系。

其中，所述数据采集器与所述超声波探测器以有线或无线方式连接，降雨时，启动超声波探测器向收集罐底部发射超声波信号并接收反射的超声波，记录罐内水位高度，并将水位高度传输至数据采集器。

特别是，超声波探测器通过(供电、电压、电流、信号)复合电缆与数据采集器相连。

其中，所述保护罩呈长方体形或正方体形，其底部开放，固定安装在罐盖本体的中心位置，即固定安装在罐盖的探测器插孔上，将探测器插孔包围在保护罩的底部。

特别是，保护罩的顶端封闭，四个侧壁中的一个侧壁可开合，利于随时调整设置在其内部的超声波探测器的水平方向、垂直方向的位置，确保超声波探测器始终位于收集罐的中心线上。

其中，所述水平调节件包括平板状的垂直支撑件、2组位于垂直支撑件前、后两侧的固定螺母和穿过垂直支撑件的2根固定螺栓，垂直支撑件与保护罩内壁通过固定螺栓固定连接，且与罐盖面相垂直；固定螺栓固定安装在保护罩内壁上，且固定螺栓的中心线与罐盖平面平行。

特别是，所述位于垂直支撑件前、后两侧的固定螺母将垂直支撑件固定于固定螺栓上；所述位于垂直支撑件前、后两侧的固定螺母与所述固定螺栓的尺寸相匹配。平板状垂直支撑件与罐盖本体相垂直。

特别是，所述水平调节件与保护罩一侧的侧壁螺栓连接，通过调节螺栓上的螺母实现在水平方向上前后或左右调节超声波探测器的位置。

其中，所述垂直调节件包括平板状水平支撑件、位于水平支撑件上、下表面的探测器上、下固定件，且水平支撑件与罐盖相平行。

特别是，所述水平支撑件与所述水平调节件的垂直支撑件相垂直，水平支撑件与水平调节件的垂直支撑件固定连接。

尤其是，所述固定连接为焊接、铆接、粘接、螺栓连接等本领域中已知的固定连接方式。

特别是，所述水平支撑件的中部开设有探测器安装口。

尤其是，所述探测器安装口为圆形，与超声波探测器的尺寸相适应。

特别是，所述探测器上下固定件选择本领域中已知的任何其他起固定作用的固定件，例如螺母、卡扣、卡箍、承力杆固定件等。

尤其是，所述探测器上下固定件选择螺母，则螺母尺寸与超声波探测器的尺寸相匹配。

特别是，所述螺母外径大于探测器安装口，其内径的螺纹与螺丝状超声波探测器外表的螺纹相匹配，套装在螺丝状超声波探测器上，并通过拧转螺母，调节两个螺母在探测器上的位置，调节探测器上下移动，实现探测器在垂直方向的上下位置的调节，探测器的垂直位置调节好后，拧紧上下表面的螺母，将超声波探测器固定在支撑件上。

本发明的动态监测系统在发生降雨时自动雨量计产生的脉冲信号驱动数据采集器由休眠模式转入工作模式，通过脉冲计数信号测定端口同步记录自动降雨量脉冲信号；数据采集器启动自动采集装置的超声波探测器发射超声波和接收反射超声波，并接收超声波探测器的测定的收集罐内径流水体积信号；数据采集器同步向无线通讯模块输出径流液量和降雨量信号，由无线通讯模特将径流液量和降雨量输出给数据处理服务器，进行储存、处理、使用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、整个坡耕地径流水动态监测系统还可以与雨量计、人工气象站等设备相连，实现更多指标数据的监测。

2、本发明的动态监测系统的自动雨量计、超声波探测组件的精确性、灵敏性高，且各组成部分的同步性好，能够使得整个系统动态连续工作，特别适合于科研需求的较小面积多监测小区示范区使用，能够实现对微量、不连续的径流水的灵敏、精确、长期定位自动监测和无污染取样。

3、本发明动态监测系统的径流水收集装置的罐盖可以密封收集装置的径流水收集罐，而且在罐盖的本体固定部和可开合部的结合部位为沿着罐盖弦线延伸的凸棱状的密封棱，当可开合部盖合在收集罐罐体上时，可开合部凸棱扣合并覆盖在固定部凸棱上，紧密贴合，起到密封的作用，防止外界杂物进入收集罐；另外，罐盖外沿向下延伸，且与罐体紧密贴合，不仅具有遮挡、封闭作用，将污染物隔离，使得本发明装置不受泥沙、杂物的污染，而且还能阻挡进入罐体内的径流水的自然蒸发，提高监测结果的准确性，实现本发明动态监测系统无污染取样。

4、本发明的监测系统通过调整系统内设备参数可使本系统实现对包括农田、山地、梯田、尾矿、荒山等多种地形区域径流水的自动收集和监测，从而为水土保持、面源污染防控、养分流失治理等多学科科研提供可靠的数据和样品来源。

5、本发明的监测系统操作简单，不需要多人同时操作，省时省力，减少了野外作业过程中人员投入，节约了成本，而且在操作上时间的同步性好。

6、本发明的动态监测系统能够实时自动监控径流水的水量、降雨量，减少了认为因素的影响，示意的可控性高，实验结果准确，可靠性好。

附图说明

图1为本发明动态监测系统监测示意图；

图2为本发明坡耕地径流水自动收集装置的结构示意图；

图2A为本发明坡耕地径流水自动收集装置的左视图；

图2B为本发明坡耕地径流水自动收集装置的右视图；

图2C为本发明坡耕地径流水自动收集装置的径流水收集罐罐底示意图；

图3为本发明坡耕地径流水自动收集装置的罐盖的俯视图；

图3A为本发明坡耕地径流水自动收集装置的罐盖的侧面示意图；

图3B为本发明坡耕地径流水自动收集装置的罐盖闭合状态密封棱及其连接部分局部放大示意图；

图3C为本发明坡耕地径流水自动收集装置的罐盖打开状态时密封棱及其连接部分局部放大示意图；

图4为本发明坡耕地径流水自动收集装置的监测组件的结构示意图；

图4A为本发明坡耕地径流水自动收集装置的监测组件的侧视图；

图4B为本发明坡耕地径流水自动收集装置的监测组件的垂直调节件的俯视示意图；

图4C为本发明坡耕地径流水自动收集装置的监测组件的水平调节件的放大示意图；

图5为本发明坡耕地径流水自动收集装置掀起罐盖可开合部时的状态示意图。

附图标记说明

1、径流水收集罐；11、进水口；12、溢水口；13、出水口；14、出水管；15、径流监测小区导水管；16、溢水管；2、罐盖；21、罐盖本体；22、罐盖外沿；23、探测器安装口；24、把手；25、固定部；251、固定部外沿；252、固定部凸棱；253、支撑座；26、可开合部；261、可开合部外沿；262、可开合部凸棱；263、连接件；27、密封棱；3、罐内水量探测组件；31、螺丝状超声波探测器；32、垂直调节件；321、探测器嵌插口；322、水平支撑件；323A、323B、螺母；33、水平调节件；331、垂直支撑件；332A、332B、垂直支撑件固定螺母；333、固定螺栓；34、保护罩；4、雨量计；5、数据采集器；6、无线通讯模块；7、数据处理服务器；8、转向轮。

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。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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。

实施例

如图1所示，本发明的径流水动态监测系统包括设置在各个径流监测小区下端底部的径流水收集罐1、翻斗式雨量计4和数据处理装置。雨量计通过数据线与数据处理装置的数据采集器相连接，数据处理装置的数据采集器通过数据线与收集罐超声波探测器相连接。

如图1，翻斗式雨量计4通过有线或无线方式与数据处理装置的数据采集器5相连接，为了信号传输稳定，可以采用有线方式连接，例如通过4芯26AWG(American wiregauge，美国线规)电缆与数据采集器5相连，记录降雨量；产生脉冲信号驱动数据处理装置的数据采集器由睡眠模式转入工作模式。

如图1，数据处理装置包括数据采集器5、无线通讯模块6和数据处理服务器7，数据采集器与无线通讯模块以有线或无线方式相连接；无线通讯模块与数据处理服务器以无线方式相连接，把数据采集器采集的降雨量和径流水水量数据传输到数据服务器。

为了传输信号稳定，无线通讯模块通过有线方式与数据采集器相连接，例如，通过线缆与数据采集器的CS I/O数据通信端口相连接。

例如本发明具体实施方式中数据采集器采用的CR1000数据采集器，具有精度高、适应性强、可靠性高、价格合理等特点。它支持多个传感器测量、并提供数据和程序的存储、控制等功能；有模拟信号测定端口、脉冲计数信号测定端口、电压激发转换端口、数字测定端口等多个端口；有CSI/O、RS-232及SDM等外围接口，支持因特网、无线电、

CDMA/GPRS、卫星、局域网、电脑直连等多种方式通讯。

CR1000数据采集器具有模拟信号测定端口、脉冲计数信号测定端口、电压激发转换端口、数字测定端口，通过电缆(或数据线)分别与雨量计、径流水收集罐的超声波探测器相连接，实时收集雨量计记录的降雨量，并通过线缆向超声波探测器发送电压激发信号(启动信号)，启动超声波探测器从径流水收集罐顶部中央向罐底部发射超声波脉冲信号，实时采集并记录径流小区内的收集罐内收集的径流水量。

本发明的数据采集器除了使用CR1000数据采集器之外，其他具有模拟信号测定端口、脉冲计数信号测定端口、电压激发转换端口、数字测定端口数据采集器均适用于本发明。

数据采集器通过4芯26AWG(American wire gauge，美国线规)电缆与自动雨量计相连，收集自动雨量计记录的降雨量；降雨时，自动雨量计产生的脉冲信号传输至数据采集器，使得数据采集器由睡眠模式进入工作模式，并通过线缆向收集装置的水量超声波探测器发送电压激发信号(启动信号)，启动超声波探测器从径流水收集罐顶部中央向罐底部发射超声波脉冲信号，实时记录径流小区内的收集罐内收集的径流水量。

无线通讯模块通常选择GPRS无线通讯模块，全面支持4G/3G/2G移动网络。例如：GPRS4.0，通过RS-232接口与数据采集器的CS I/O数据通信端口相连接。

①当GPRS无线通讯模块内置SIM卡接入手机网络后，GPRS开始尝试连接数据服务器(固定IP)，当服务器端监测到有GPRS模块连接时，保存这个连接等待传输数据使用。

②当服务器设定的接收数据的时间间隔到来时，服务器通过保存的GPRS连接发送获取数据指令，GPRS接收到指令后通过串口转发给采集器。

③采集器接收到服务器通过GPRS模块发送过来的指令后，通过串口将数据发送给GPRS模块，再由GPRS将数据无损的转发到服务器存储。

GPRS无线通讯模块内置一个SIM卡连接到手机网络，然后连接到Internet一个指定的IP地址收集数据，配置该IP地址的服务器安装一个vspmp虚拟串口软件，然后使用LoggerNet软件通过虚拟串口实现收集程序以及实时监控功能。

数据处理服务器，接收和储存、处理监测系统采集径流小区产生径流水量和实时降雨量数据，通常为计算机或服务器。

数据服务器接收并存储来自无线通讯模块传输的先由收集罐收集的径流液量信号、自动雨量计计量降雨量信号和并由数据采集器记录的降雨量和径流水量，然后对由数据采集器记录的降雨量和径流水量进行相应的数据处理。数据处理服务器通过专业数据统计分析软件(面源污染模型、SPSS、SAS等)对接收到监测区径流水量和降雨量数据进行专业统计分析，获得面源污染防控优化模式和优化参数，提供小流域面源污染防控技术模式。

服务器与本发明监测系统的GPRS无线通讯模块相连接。GPRS无线通讯模块内置一个SIM卡连接到手机网络，然后连接到Internet一个指定的IP地址收集数据，配置该IP地址的服务器安装一个vspmp虚拟串口软件，然后使用LoggerNet软件通过虚拟串口实现收集程序以及实时监控功能。

径流水收集罐1的体积大小以能够容纳当地10～20年一遇24h最大暴雨所产生的全部径流量来确定径流水收集罐罐体体积，根据监测小区的面积、单场暴雨量及其产流量来确定径流水收集罐的大小。如监测小区规格为50m²，24h降雨量为100mm、径流系数按0.18计(根据《环境影响评价技术导则——地面水环境》HJ/T2.3—1993中陡峭草地，沙质土壤计算)，径流水收集罐容积V＝10^-3×0.18×100×50＝0.9m³。径流水收集罐的直径、高可根据实际情况而定。对于径流系数较大的区域，计算所得径流水收集罐的体积可能会很大，为了满足实际需要，串联多个径流水收集罐。

如图2、2A、2B，本发明坡耕地径流水自动收集装置包括径流水收集罐1、设置在径流水收集罐顶部且用于密封径流水收集罐的罐盖2、设置在罐盖顶部中央的罐内水量探测组件3以及安装在径流水收集罐底部的可拆卸的转向轮4，所述转向轮便于坡耕地径流水自动收集装置的移动；所述罐内水量探测组件采用超声波探测器，可以实现对收集罐内径流水的高度、体积的高精度的实时监测。

所述径流水收集罐罐体为圆柱形，其外部为镀锌钢板，保证整个罐体的机械稳定性；其内部浇筑PVC套层，防止因生锈及物质浸出造成罐内径流水样品污染，影响成分分析。本发明径流水收集罐除了呈圆柱形之外，可以是其他任何形状，如桶形、正棱柱形、球形等。收集罐体积可根据监测地实际降雨量调整，也可串联多个收集罐。

如图2A、2B、2C，径流水收集罐罐体17的上部分别设有径流水进水口11、溢水口12，收集罐的罐底18设置有出水口13。进水口与溢水口彼此分离，通常溢水口设置在与进水口相对的另一侧。进水口与溢水口距离径流水收集罐罐底的高度不同，进水口高于溢水口；进水口略低于罐顶；通常溢水口所在水平面距离罐内水量探测组件的超声波探测器下端的距离为1‐2cm，以防止由于单次降雨量超过最大设计容量，而造成的探测器被水淹没而失灵的问题。

进水口与径流监测小区导水管15相连接，导水管与径流小区承水槽相连接，以保证径流小区出水(即径流水)在重力作用下自动流入径流水收集罐内；溢水口与溢水管16相连接，将超过溢水口所在水面位置的径流水引导流出收集罐；出水口与出水管14相连接，同时在出水管顶端设置有手动开关阀门(附图中未示出)，用于采集径流水样品或释放出罐内收集的径流水。

采样时提前打开径流水收集罐罐盖，利用手持式搅拌设备，充分搅匀罐内径流水样品，然后打开位于出水管顶端的手动开关阀门，即可便捷的将匀质径流水样品灌装至径流水收集瓶中，以保证取样的均匀性和操作的简便性，全部操作均可实现单人完成。

如图2、2A、2B，在所述径流水收集罐的底部可拆卸地安装有转向轮8，可以方便坡耕地径流水自动收集装置的自由移动。通常在径流水收集罐的底部安装至少2个任意转向轮。

本发明具体实施例中安装4个转向轮，均匀、对称分布于收集罐的罐底，利于径流水收集罐的稳定和平衡，如图2、2A、2B所示。

如图3、3A，罐盖2包括呈圆形的罐盖本体21、沿着罐盖本体边缘向下延伸设置的罐盖外沿22、用于安装罐内水量探测组件的插孔23和掀起或放下罐盖的把手24。罐盖外沿与罐盖本体固定连接，沿着罐盖本体的外周紧密贴合，防止外界杂物进入罐内；插孔设置在罐盖的中央位置；罐盖把手设置在靠近罐盖边缘的位置。罐盖本体的尺寸与径流水收集罐罐体的尺寸相适应，当罐盖盖合在径流水收集罐的顶部时，可与径流水收集罐罐体密闭嵌合，避免外界杂物、灰尘、昆虫及未经径流小区的降水进入罐体。

如图3所示，圆形的罐盖2的罐盖本体21由固定部25、可开合部26两部分组成，其中固定部与收集罐罐体固定连接(如焊接、铆接、螺栓连接等)，即固定部固定安装在收集罐罐体的顶部，并且固定部小于可开口部，即固定部的面积小于可开合部的面积，也就是说固定部尺寸小于可开合部尺寸。固定部和可开合部均呈弓形，其中固定部呈劣弧弓，其弓形的弧小于半圆；可开合部为优弧弓，其弓形的弧大于半圆，通常固定部与可开合部的面积之比为1:2(本发明实施例中固定部与可开合部的面积之比为1:2)。

固定部25与可开合部26组合成圆形的罐盖本体。固定部与可开合部的结合部位为凸出与罐盖平面的棱状的密封棱27，即密封凸棱沿着圆形罐盖的弦线延伸，将固定部和可开合部拼合成圆形的罐盖本体21。在垂直于密封棱的罐盖的直径的中央设置罐内水量探测组件插孔23、在可开合部一侧靠近罐盖边缘的位置设置罐盖把手24，即在罐盖本体21的中心位置开设有安装罐内水量探测组件的探测器插孔23，探测器插孔开设在罐盖本体的可开合部一侧，插孔大小与罐内水量探测组件的超声波探测器的尺寸相匹配；固定安装在可开合部的把手距离插孔一定距离，用于掀开或放下罐盖的可开合部。

如图3A，罐盖外沿22包括固定设置在固定部25下沿的固定部外沿251和固定设置在可开合部26下沿的可开合部外沿261，可开合部盖合时，固定部外沿251和可开合部外沿261拼合在一起，紧密扣合在收集罐罐体上沿，封闭收集罐。

如图3B、3C，固定部与可开合部相接触的边缘为固定部凸棱252，其横截面呈“∧”形，沿着圆形罐盖的弦线延伸；可开合部与固定部相接触的边缘为可开合部凸棱262，其横截面呈“∧”形，沿着圆形罐盖的弦线延伸，并且可开合部凸棱的形状、大小与固定部凸棱的形状、大小相适应，当可开合部凸棱扣合在固定部凸棱上，形成沿着罐盖的弦线延伸的密封棱27。如图2B，当可开合部盖合在收集罐罐体上时，可开合部凸棱扣合并覆盖在固定部凸棱上，紧密贴合，起到密封的作用，防止外界杂物进入收集罐。

在固定部靠近固定部凸棱的一侧固定安装有1‐3个(本发明实施例中安装2个)支撑座253，沿着固定部凸棱均匀分布。可开合部凸棱的外侧(即朝向或靠近固定部的一侧)固定安装有与设置在固定部上的支撑座数量相一致(通常为1‐3个，本发明实施例中选择安装2个)的连接件263，连接件沿着可开合部凸棱均匀分布，与可开合部固定连接。连接件的尺寸大小、数量、安装位置与支撑座的尺寸大小、数量、安装位置相适应。支撑座与连接件通过转动件254转动连接，掀起把手时，将罐盖的可开合部提起，打开罐盖。

连接件可以是连接杆、连接片，也可以是本领域中现有已知的任何其他形式，连接件与开合部凸棱的外侧固定连接(如焊接、铆接、螺栓连接等)，本发明实施例中连接件采用不锈钢材质的连接杆(或片)，焊接在开合部凸棱的外侧上。支撑座与固定部、连接件与可开合部固定连接(如焊接、铆接、螺栓连接等)，本发明实施例中支撑座、连接件选用采用不锈钢材质材料，焊接在固定部上。

连接件和支撑座采用本领域中现有已知的转动连接方式连接，例如可以通过转动件销轴转动连接；或通过螺母、螺杆的转动连接组件转动连接。本发明实施例中采用螺母、螺杆的连接组件的方式将连接件和支撑座转动连接，当准备掀起可开合部时，先拧松螺母，提取把手，使螺杆可以任意转动，当掀起可开合部至任意角度(例如45°、60°、90°等)后，拧紧螺母，将连接件固定，固定可开合部的掀起角度。

如图3，在罐盖本体21的中心位置开设有安装罐内水量探测组件的探测器插孔23，即探测器插孔开设在罐盖本体的可开合部一侧，插孔大小与罐内水量探测组件的超声波探测器的尺寸相匹配。在可开合部距离插孔一定距离的位置固定设置用于掀开或放下罐盖的把手24，把手的中心与插孔中心的连线位于罐盖的直径上，垂直于罐盖固定部与可开合部的组合部位形成的密封棱27。

罐内水量探测组件插孔23设置在可开合部一侧，且插孔位于罐盖的罐盖本体的中心，也就是插孔设置在径流水收集罐的中心线上。插孔可以是任何形状，如圆形或正方形，本发明实施例中以正方形为例进行说明。

如图2、2A、2B，罐内水量探测组件3固定安装在所述罐盖2的中心位置，即罐内水量探测组件设置在圆形罐盖的圆心位置。如图4、4A、4B，罐内水量探测组件3包括螺丝状超声波探测器31、垂直调节件32、水平调节件33、导线(附图中未示出)和保护罩34，其中所述超声波探测器通过罐盖的探测器插孔23设置于径流水收集罐的中心线上，即超声波探测器的中心线与径流水收集罐的中心线重合，其作用是确保探测器发出的超声波经过碰触收集罐底或罐内径流水面后发生无损反射从而回到探测器中，实现径流水水位数据的准确监测。

保护罩34呈长方体形或正方体形，超声波探测器、垂直调节件、水平调节件位于其内部，保护罩的底部开放，固定安装在罐盖本体的中心位置，即固定安装在罐盖的探测器插孔23上，将探测器插孔包围在保护罩的底部。保护罩的中心与罐盖本体的中心的连线与收集罐罐体的中心线重合，即保护罩的中心位于收集罐罐体的中心线上。

长/或正方体形的保护罩的顶端封闭，四个侧壁中的一个侧壁可开合，即保护罩可随时关闭或打开，保护罩可开合的目的是为了可以随时检修和调整其内部探测器的位置，确保数据监测的准确。打开保护罩可开合的侧壁，通过调节水平、垂直调节件，实现超声波探测器的水平、垂直方向的调节，使得探测器位于收集罐的中心线上；调节好探测器的位置后，关闭保护罩侧壁。

保护罩用于保护罐内水量探测组件免受外界雨雪风霜腐蚀、昆虫破坏，并且作为垂直和水平调节件提供可固定连接(焊接、铆接、螺栓连接)的支架结构，确保垂直和水平调节件作用的正常实现，即实现罐内水量探测组件可根据需要在垂直和水平方向任意调节位置的作用。保护罩可以是任意形状，例如圆柱形、长方体形等，本发明实施例中选用长方体形为例进行说明。

螺丝状超声波探测器31呈圆柱体形，其外表面为螺纹状，具有精确测定水位或距离功能。

本发明使用的超声波探测器为美国Senix公司生产的螺丝状、具有精确测定水位或距离功能的超声波探测器(ToughSonic)，为圆柱体形，其探测器的上下两端为螺纹状，下端为超声波发生和接收端，通过使用螺母将上端固定于水平固定件上，安装时先将一个螺母安装在超声波探测器的上端，然后自下而上将超声波探测器穿过水平固定件32上设置的探测器安装口(安装口直径略大于探测器上端直径，而略小于螺母外径，螺母此时位于水平固定件的下表面)，探测器垂直于水平固定件，且垂直于径流水收集罐底面，再在探测器上端(水平固定件的上表面)安装另一枚螺母，通过调整两枚螺母在探测器上端的位置，实现在垂直位置上调节探测器下端低于收集罐内可能最高液面(溢水口所在水位处)，避免探测器探测端被水淹没影响探测精度。

螺丝状超声波探测器31的作用是通过按照预先设定的时间间隔向径流水收集罐底部发射超声波，超声波遇到罐底或者罐内径流水面，即发生反射，反射后的超声波回到探测器底端的收集器，形成一次水位数据，两次水位数据差值即为该时间段内，罐内径流水水位的变化值，由于罐体为正圆柱体状，故可计算出径流水体积变化值及变化速率，达到实时高精度监测径流水收集罐内水位变化。

本发明具体实施方式中使用的超声波探测器除了呈圆柱体形的螺丝状探测器之外，其他具有精确测定水位或距离功能的超声波探测器均适用于本发明。例如超声波车位探测器等均适用于本发明。

水平调节件33包括平板状的垂直支撑件331、2组位于支撑件前、后两侧的固定螺母332A、332B和穿过垂直支撑件的2根固定螺栓333，垂直支撑件与保护罩内壁通过固定螺栓固定连接，与罐盖面相垂直，与之固定连接的保护罩内壁相平行；固定螺栓固定安装在保护罩内壁上，且固定螺栓的中心线与罐盖平面平行，固定螺栓垂直于保护罩内壁。安装时现将2颗螺母分别套装在2根固定螺栓上，接着将垂直支撑件穿过螺栓，然后将另外2颗螺母套装在螺栓上，再分别拧紧套装在2根螺栓上的螺母将垂直支撑件固定，通过调节套装在螺栓上的螺母的位置，实现超声波探测器在水平方向上的位置调节作用，垂直支撑件通过如焊接、铆接、粘接、螺栓连接等方式与水平固定件32连接起到固定支撑的作用。

垂直调节件32包括平板状水平支撑件322和位于水平支撑件上、下表面的探测器上、下调节固定件，水平支撑件与罐盖相平行，且与水平调节件相垂直，水平支撑件与水平调节件固定连接(如焊接、铆接、粘接、螺栓连接等)。水平支撑件的内部开设有圆形的探测器安装口321，探测器安装口与超声波探测器的尺寸相适应，螺丝状超声波探测器31竖直穿过探测器安装口321，通过在探测器安装口上下表面的螺母，将探测器固定在垂直调节件上；螺母323A、323B分别设置在探测器安装口的上下表面，其外径大于探测器安装口，其内径的螺纹与螺丝状超声波探测器外表的螺纹相匹配，套装在螺丝状超声波探测器上，并通过拧转螺母，调节两个螺母在探测器上的位置，调节探测器上下移动，实现探测器在垂直方向的上下位置的调节，探测器的垂直位置调节好后，拧紧上下表面的螺母，将超声波探测器固定在支撑件322上。

本发明实施例中的垂直调节件的水平支撑件为长方形金属片，内有圆形的超声波探测器安装口321，其作用是通过其上的安装口实现螺丝状超声波探测器的固定，通过调节螺丝状超声波探测器上分别位于安装口上下两侧的六角形螺母在探测器上的位置，实现在垂直方向上调节探测器位置。

本发明具体实施方式中的2根固定螺栓穿过垂直支撑件的位置的连线与罐盖平面相平行(如图4)，2根固定螺栓穿过垂直支撑件的位置的连线与也可以罐盖平面相垂直或相交；所述上下调节固定件选择两个螺母323A、323B也可以选择本领域中已知的任何其他起固定作用的固定件例如卡扣、卡箍、承力杆固定件等。

通过水平调节件的调节，实现超声波探测器始终与径流水收集罐的中心线重合，确保径流水实时监测数据的准确性。

导线(附图中未示出)选用电源‐数据一体化传输线，穿过保护罩将超声波探测器与外端数据收集和记录系统连接，实现为超声波探测器31供电及数据发出‐接收回路的连通，以完成径流水数据的实时监测，根据需要还可在垂直固定件32上添加声学后向散射粒度仪，用于实时监测罐体中径流水悬浮物和泥沙含量数据。

下面结合附图1‐5，详细说明本发明的坡耕地径流水动态监测系统的工作过程。

本发明径流水收集罐上的进水管15与径流监测小区的径流池出水口相连，将流经径流监测小区的径流水自动汇集入径流水收集罐内。

降雨发生时，翻斗式雨量计开始工作，其感应器的翻斗内积水达到一定高度时，翻斗失去平衡而翻倒，每一次翻斗倾倒，都使开关接通电路，输送一个脉冲信号并记录降雨量，同时通过数据线将产生的脉冲信号传输至数据处理装置的数据采集器；驱动数据采集器由休眠状态转入工作状态，记录降雨量数据；数据采集器接收到降雨的信号后，通过线缆向超声波探测器发送电压激发信号，启动超声波探测器从径流水收集罐顶部中央向罐底部发射超声波脉冲信号，超声波遇到罐底或收集罐内径流水液面时反射，超声波探测器接收反射的超声波信号，反射后的超声波被探测器接收则形成一次距离数据，并转化成电磁信号，记录为一次水位高度数据，然后通过复合电缆(即数据线)将水位高度传输至数据采集器，两次记录数据差即为径流水收集罐实时水位变化值，由于径流水收集罐底面面积已知，即可计算出流入收集罐中径流水体积的实时变化值。数据采集器将记录的降雨量、径流水量传输给无线通讯模块，然后由无线通讯模块传输至数据处理服务器，进行收集、存储和处理。数据处理服务器通过专业数据统计分析软件(面源污染模型、SPSS、SAS等)对接收到监测区径流水量和降雨量数据进行专业统计分析，获得面源污染防控优化模式和优化参数，提供小流域面源污染防控技术模式。

降雨结束后，监测径流水水质。采样前打开径流水收集罐罐盖，向上掀起设置在罐体可开合部上的把手，可开合部向上打开，与可开合部凸棱外侧焊接在一起的不锈钢连接杆/片与固定部上的支撑座发生转动，可开合部的凸棱从固定部凸棱上掀开，打开径流水收集罐罐盖，如图3C。如果连接件和支撑座采用销轴转动连接，则将可开合部翻转后依靠在固定部上部，达到可开合部开启后稳定放置；如果连接杆和支撑座采用螺母、螺杆的连接组件转动连接，则掀起可开合部至合适角度(例如45°、60°、90°等)后，拧紧螺母，连接件被固定，则可开合部固定。

掀开罐盖可开合部可以避免罐盖表面积累的杂物掉落至收集罐内，污染罐内收集的径流水。掀起罐盖可开合部并将可开合部固定后，利用手持式搅拌设备，充分搅匀罐内径流水样品，然后打开位于出水管顶端的手动开关阀门，即可便捷的将匀质径流水样品灌装至径流水收集瓶中，以保证取样的均匀性和操作的简便性，全部操作均可实现单人完成。

采样结束后，如果连接件和支撑座采用销轴转动连接，则将可开合部拉起后将可开合部的凸棱262扣合并覆盖在固定部凸棱252上；或者如果连接杆和支撑座采用螺母、螺杆的连接组件转动连接，则拧松螺母，放下可开合部，使得可开合部的凸棱扣合并覆盖在固定部凸棱252上，形成密封棱27，如图3B，图5。

Claims (7)

1.一种坡耕地径流水动态监测系统，包括径流水动态监测启动装置、径流水自动收集装置和数据处理装置；

所述径流水自动收集装置包括径流水收集罐、密封所述径流水收集罐的罐盖和设置在罐盖中央的罐内水量探测组件，所述罐盖本体由固定部、可开合部两部分组成，其中固定部的面积小于可开合部的面积；所述罐盖的固定部和可开合部的结合部位为沿着罐盖弦线延伸的凸出于罐盖平面的棱状的密封棱，密封棱由固定部凸棱和扣合在其上部且能被掀起的可开合部凸棱组成，其中固定部凸棱的横截面整体呈“∧”形，可开合部凸棱的横截面整体呈“∧”形。

2.如权利要求1所述的监测系统，其特征是，所述径流水动态监测启动装置为雨量计，其中所述雨量计以有线或无线方式与所述数据处理装置相连接，在降雨时驱动数据处理系统从休眠状态转变至工作状态，进行降雨量和径流水水量的监控。

3.如权利要求1或2所述的监测系统，其特征是，所述数据处理装置包括数据采集器、无线通讯模块、数据处理服务器，其中，数据采集器将采集的数据通过无线通讯模块发送至数据处理服务器，供保存、处理、使用。

4.如权利要求3所述的监测系统，其特征是，所述数据采集器以有线或无线方式与雨量计相连接；通过有线或无线方式与径流水自动收集装置的探测组件相连接，驱动收集装置探测组件对收集的径流水水量进行探测，探测组件采集到水量信号通过数据线传回到数据采集器，数据采集器通过有线或无线方式与无线通讯模块相连接，然后传递至数据处理服务器，实现采集到径流水量、降雨量数据无线远程传输的目的。

5.如权利要求3所述的监测系统，其特征是，所述径流水收集罐为圆柱体形；所述罐盖包括呈圆形的罐盖本体和沿着罐盖本体边缘向下延伸设置的罐盖外沿，其中罐盖外沿与罐盖本体固定连接，沿着罐盖本体的外周紧密贴合成一体；所述罐盖本体的中心位置设置有用于安装探测组件的插孔。

6.如权利要求3所述的监测系统，其特征是，所述探测组件包括超声波探测器、垂直调节件、水平调节件、导线和保护罩，其中所述保护罩固定在所述罐盖本体的中心位置，并且所述超声波探测器、垂直调节件、水平调节件设置在其内部；所述超声波探测器固定于径流水收集罐的中心线上；所述水平调节件与保护罩内壁螺栓连接且于罐盖平面相垂直；所述垂直调节件与水平调节件固定连接且与水平调节件相垂直。

7.如权利要求6所述的监测系统，其特征是，所述垂直调节件的中心开设有超声波探测器安装口，超声波探测器从安装口穿过，并伸入到罐盖的插孔内，固定于罐盖的插孔内。

Images