CN107632135A - 水沙过程监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种水沙过程监测系统及方法，水沙过程监测系统包括供水装置、模拟降雨装置、排水管道和水沙测量装置；供水装置用于向模拟降雨装置供水；模拟降雨装置用于进行降雨；排水管道铺设于待监测区域的地表，用于收集待监测区域的排水；水沙测量装置用于测量排水的流量和泥沙含量。本发明能够模拟天然降雨，监测待监测区域的径流量和泥沙含量。

Description

水沙过程监测系统及方法

技术领域

本发明涉及水文水资源工程、水土保持实验的流量泥沙测量领域，特别涉及一种水沙过程监测系统及方法。

背景技术

国内外土壤侵蚀实验小区水沙监测中，流量采用体积法进行测量，即采用圆柱桶存放出流水量，用水位计测量桶内水位高度，然后计算流量；通过对取桶内水样进行烘干测量泥沙含量。在野外，有时天然降雨很少，每次降雨的大小不一，因此设计的测量桶是测量的关键：如果降雨太大，测量桶则不能全部盛下出流量。此外，泥沙测量都是在降雨后测量总量，不能实时监测泥沙的含量。由于研究的需要，需要建立人工模拟降雨系统，来增加降雨的次数，并设计一种全自动坡面水沙过程观测装置完成测量。

发明内容

本发明提出了一种水沙过程监测系统及方法，其特别适用于坡面水沙过程监测。

本发明一方面提供一种水沙过程监测系统，包括供水装置、模拟降雨装置、排水管道和水沙测量装置；

所述供水装置用于向所述模拟降雨装置供水；

所述模拟降雨装置用于进行降雨；

所述排水管道铺设于待监测区域的地表，用于收集待监测区域的排水；

所述水沙测量装置用于测量所述排水的流量和泥沙含量。

优选地，所述供水装置包括供水池、设于所述供水池内的潜水泵、连接于所述潜水泵和所述模拟降雨装置之间的供水管道。

优选地，所述模拟降雨装置包括支管、设于所述支管上的喷嘴和流量计、以及设于待监测区域地表的雨量计，其中，所述支管连接至所述供水装置。

优选地，所述水沙测量装置包括泥沙传感器、第一液位传感器、第二液位传感器、第一测量桶和第二测量桶；

所述泥沙传感器设于所述排水管道中，用于测量所述排水中的泥沙含量；

所述排水管道连接至所述第一测量桶，且所述第一测量桶与第二测量桶通过引流管相互连通，所述第二测量桶的侧面设有堰口；

所述第一液位传感器和第二液位传感器分别设于所述第一测量桶和第二测量桶内，分别用于测量所述第一测量桶和第二测量桶内的液位。

优选地，所述第一测量桶的底部设有第一排水阀，第二测量桶的底部设有第二排水阀。

优选地，所述第一测量桶和第二测量桶的半径相等。

优选地，所述第一测量桶的底面和顶面分别高于所述第二测量桶的底面和顶面，所述引流管相对于所述第一测量桶的底面的高度为H1，相对于所述第二测量桶的底面的高度为H2，所述堰口为三角形，所述堰口的最低顶点相对于所述第二测量桶的底面的高度为H3，且H2>H3。

优选地，所述水沙测量装置还包括数据采集器和处理器，所述数据采集器用于采集所述泥沙传感器测量的泥沙含量、所述第一液位传感器和第二液位传感器测量的液位，所述处理器用于根据所述液位计算所述排水的流量。

优选地，所述水沙过程监测系统包括第一模拟降雨装置和第二模拟降雨装置、第一排水管道和第二排水管道、第一水沙测量装置和第二水沙测量装置，所述第一模拟降雨装置和第二模拟降雨装置分别用于向待监测区域的第一部分和第二部分进行降雨，所述第一排水管道和第二排水管道分别铺设于所述第一部分和第二部分的地表，所述第一水沙测量装置和第二水沙测量装置分别用于测量所述第一排水管道和第二排水管道的排水的流量和泥沙含量。

本发明另一方面提供一种水沙过程监测方法，利用所述的水沙过程监测系统，所述方法包括以下步骤：

打开第一测量桶和第二测量桶的排水阀，排空桶内的水和泥沙；

开启供水装置，通过模拟降雨装置进行降雨；

采集泥沙传感器测量的泥沙含量；

采集第一液位传感器和第二液位传感器测量的液位，并通过以下步骤计算流量：

当第一液位传感器测量的液位小于H1时，通过以下公式(1)计算流量：

Q_t＝(h1_t-h1_t-1)*π*r²/Δt (1)

当第一液位传感器测量的液位等于H1且第二液位传感器测量的液位小于H3时，通过以下公式(2)计算流量：

Q_t＝(h2_t-h2_t-1)*π*r²/Δt (2)

当第二液位传感器测量的液位大于H3时，通过以下公式(3)计算流量：

其中，Q_t表示t时刻的流量，h1_t表示t时刻第一液位传感器测量的液位，h2_t表示t时刻第二液位传感器测量的液位，Δt表示数据采集器的采集时间间隔，r表示第一测量桶和第二测量桶的半径，C_D表示流量系数，h_e表示有效水头，θ表示三角形堰口的顶角，其中h_e＝h+K_h，h表示实测水头，即t时刻以所述堰口的最低顶点为基准面第二液位传感器测量的液位，K_h表示考虑粘滞力和表面张力综合影响的校正值。

本发明的有益效果在于：能够模拟天然降雨，监测待监测区域的泥沙含量，准确计算径流量。

本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。

图1显示根据本发明一个实施例的水沙过程监测系统的示意图；

图2显示根据本发明一个实施例的水沙过程监测系统的喷嘴安装示意图；

图3显示根据本发明一个实施例的水沙过程监测系统的第一测量桶和第二测量桶的示意图；

图4显示根据本发明另一个实施例的水沙过程监测系统的示意图。

附图标记说明：

1-1供水池，1-2潜水泵，1-3供水管道，2-1喷嘴，2-2支管，2-3流量计，2-4雨量计，3-1泥沙传感器，3-2第一液位传感器，3-3第一测量桶，3-4第二液位传感器，3-5第二测量桶，3-6引流管，3-7堰口，3-8第一排水阀，3-9第二排水阀，4数据采集器，5排水管道，6-1第一部分，6-2第二部分。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

根据本发明的示例性实施例的水沙过程监测系统包括供水装置、模拟降雨装置、排水管道和水沙测量装置；其中：

供水装置用于向模拟降雨装置供水；

模拟降雨装置用于进行降雨；

排水管道铺设于待监测区域的地表，用于收集待监测区域的排水；

水沙测量装置用于测量排水的流量和泥沙含量。

该水沙过程监测系统通过供水装置向模拟降雨装置供水，使模拟降雨装置进行降雨；降雨之后，铺设于待监测区域的地表的排水管道将排水收集起来，通过水沙测量装置测量流量和泥沙含量。该水沙过程监测系统能够模拟天然降雨，监测待监测区域的径流量和泥沙含量。

在一个示例中，供水装置包括供水池、设于供水池内的潜水泵、连接于潜水泵和模拟降雨装置之间的供水管道，供水池内的水在潜水泵的作用下通过供水管道流至模拟降雨装置。

在一个示例中，模拟降雨装置包括支管、设于支管上的喷嘴和流量计、以及设于待监测区域地表的雨量计，其中，支管连接至供水装置。供水装置将水提供到支管，并通过设于支管上的喷嘴向外喷洒，从而模拟人工降雨。流量计可检测通过支管的流量，雨量计可检测地表的降雨量。

在一个示例中，水沙测量装置包括泥沙传感器、第一液位传感器、第二液位传感器、第一测量桶和第二测量桶；泥沙传感器设于排水管道中，用于测量排水中的泥沙含量；排水管道连接至第一测量桶，且第一测量桶与第二测量桶通过引流管相互连通，第二测量桶的侧面设有堰口；第一液位传感器和第二液位传感器分别设于第一测量桶和第二测量桶内，分别用于测量第一测量桶和第二测量桶内的液位。

通过泥沙传感器可测量排水中的泥沙含量，泥沙传感器可以选择市场上常见的种类。通过设置相互连通的第一测量桶和带有堰口的第二测量桶，并在第一测量桶和第二测量桶内分别设置液位传感器，可以实现流量检测。当降雨量较小时，排水仅填充第一测量桶，通过第一液位传感器进行液位测量，进而计算流量，能够保证测量精度；当降雨量比较大时，出流量大，水量从第一测量进入第二测量桶，保证所有流量都能测量；当出现极大降雨时，利用第二测量桶侧面设置的三角堰测流。从而可以实现不同雨量下的流量准确测量。

在一个示例中，第一测量桶与第二测量桶的底部均设有排水阀，以排空桶内的水和泥沙，优选地，第一测量桶和第二测量桶的半径相等，以方便流量的计算。

在一个示例中，第一测量桶的底面和顶面分别高于第二测量桶的底面和顶面，引流管相对于第一测量桶的底面的高度为H1，相对于第二测量桶的底面的高度为H2，堰口为三角形，堰口的最低顶点相对于第二测量桶的底面的高度为H3，且H2>H3。排水管道的排水可先进入第一测量桶内，并在其液位高于H1之后流入第二测量桶，当第二测量桶的液位高于H3之后，水从堰口泄出。通过测量此过程中的液位，进行流量计算。

在一个示例中，水沙测量装置还包括数据采集器和处理器，数据采集器用于采集泥沙传感器测量的泥沙含量、第一液位传感器和第二液位传感器测量的液位，处理器用于根据液位计算排水的流量。此外，数据采集器还可以采集流量计和雨量计的测量数据。

在一个示例中，水沙过程监测系统可以包括第一模拟降雨装置和第二模拟降雨装置、第一排水管道和第二排水管道、第一水沙测量装置和第二水沙测量装置，第一模拟降雨装置和第二模拟降雨装置分别用于向待监测区域的第一部分和第二部分进行降雨，第一排水管道和第二排水管道分别铺设于第一部分和第二部分的地表，第一水沙测量装置和第二水沙测量装置用于测量所述第一排水管道和第二排水管道的排水的流量和泥沙含量。这种设置也相当于两套水沙过程监测系统共用供水装置。

本发明实施例还提供一种水沙过程监测方法，利用上述水沙过程监测系统，所述方法包括以下步骤：

步骤1：测量之前，打开第一测量桶和第二测量桶的排水阀，排空桶内的水和泥沙，然后关闭阀门；

步骤2：开启供水装置，通过模拟降雨装置进行降雨；

步骤3：采集泥沙传感器测量的泥沙含量；

步骤4：采集第一液位传感器和第二液位传感器测量的液位，并通过以下公式计算流量：

当第一液位传感器测量的液位小于H1时，排水通过排水管道进入第一测量桶，此时通过以下公式(1)计算流量：

Q_t＝(h1_t-h1_t-1)*π*r²/Δt (1)

当第一液位传感器测量的液位等于H1且第二液位传感器测量的液位小于H3时，排水通过引流管从第一测量桶进入第二测量桶，此时通过以下公式(2)计算流量：

Q_t＝(h2_t-h2_t-1)*π*r²/Δt (2)

其中，Q_t表示t时刻的流量，h1_t表示t时刻第一液位传感器测量的液位，h2_t表示t时刻第二液位传感器测量的液位，Δt表示数据采集器的采集时间间隔，r表示第一测量桶和第二测量桶的半径。

当第二液位传感器测量的液位大于H3时，水开始从堰口流出，基于t时刻以所述堰口的最低顶点为基准面第二液位传感器测量的液位，计算通过三角形堰口的流量作为t时刻的流量Q_t。通过三角形堰口的流量可以根据《中华人民共和国水利行业标准-堰槽测流规范》(SL-24-91)中公开的公式进行计算，这是本领域普遍使用的计算方法，如以下公式(3)所示：

其中，Q_t表示t时刻的流量，C_D表示流量系数，h_e表示有效水头，θ表示三角形堰口的顶角，其中h_e＝h+K_h，h表示实测水头，在本发明中即t时刻以堰口的最低顶点为基准面第二液位传感器测量的液位，K_h表示考虑粘滞力和表面张力综合影响的校正值。

通过上述方法，能够模拟天然降雨，监测待监测区域的泥沙含量，准确计算径流量。

应用示例1

图1显示根据本发明一个实施例的水沙过程监测系统的示意图，图2显示根据本发明一个实施例的水沙过程监测系统的喷嘴安装示意图，图3显示根据本发明一个实施例的水沙过程监测系统的第一测量桶和第二测量桶的示意图。

如图1-3所示，根据本发明的示例性实施例的水沙过程监测系统包括供水装置、模拟降雨装置、排水管道和水沙测量装置；其中：

供水装置用于向模拟降雨装置供水；

模拟降雨装置用于进行降雨；

排水管道铺设于待监测区域的地表，用于收集待监测区域的排水；

水沙测量装置用于测量排水的流量和泥沙含量。

其中，供水装置包括供水池1-1、设于供水池内的潜水泵1-2、连接于潜水泵1-2和模拟降雨装置之间的供水管道1-3。在本实施例中，供水池1-1的容积为60立方米，潜水泵1-2的扬程在44米以上，流量为60立方米/小时，供水管道1-3的管径为DN80。本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的参数。

模拟降雨装置包括支管2-2、设于支管上的喷嘴2-1和流量计2-3、以及设于待监测区域地表的雨量计2-4，其中，支管2-2连接至供水管道1-3。在本实施例中，支管2-2的管径为DN25，流量计2-3的量程为0-15立方米/小时，雨量计2-4采用国家气象局提供的标准雨量计。为了模拟0-180mm/h的宽雨强，在支管2-2的上下端分别安装一个喷嘴，可以采用单喷(一个喷头单独使用)和双喷(两个喷头同时使用，如图2所示)两种喷洒模式。设于同一支管上的两个喷嘴之间的距离为10cm，相邻支管之间的距离为15cm。

水沙测量装置包括泥沙传感器3-1、第一液位传感器3-2、第二液位传感器3-4、第一测量桶3-3、第二测量桶3-5、数据采集器4和处理器(未显示)。

泥沙传感器3-1设于排水管道5中，用于测量排水中的泥沙含量。

排水管道5连接至第一测量桶3-3，第一测量桶3-3与第二测量桶3-5通过引流管3-6相互连通，第二测量桶3-5的侧面设有堰口3-7；第一液位传感器3-2和第二液位传感器3-4分别设于第一测量桶3-3和第二测量桶3-5内，分别用于测量第一测量桶和第二测量桶内的液位。第一测量桶3-3的底部设有第一排水阀3-8，第二测量桶3-5的底部设有第二排水阀3-9，且第一测量桶3-3和第二测量桶3-5的半径相等。第一测量桶3-3的底面和顶面分别高于第二测量桶3-5的底面和顶面，引流管3-6相对于第一测量桶3-3的底面的高度为H1，相对于第二测量桶3-5的底面的高度为H2，堰口3-7为三角形，堰口的最低顶点相对于第二测量桶3-5的底面的高度为H3，且H2>H3。

在本实施例中，引流管3-6的直径为50mm，材质为PVC管。引流管3-6相对于第二测量桶3-5的底面的高度H2为80cm，第一测量桶3-3的底面高于第二测量桶3-5的底面30cm。堰口3-7为三角形，顶角为30°。

数据采集器4用于采集泥沙传感器3-1测量的泥沙含量、第一液位传感器3-2和第二液位传感器3-4测量的液位，处理器用于根据液位计算排水的流量。数据采集器4可通过有线或无线方式采集数据，采集时间间隔为20s。

根据实施例的水沙过程监测方法利用上述的水沙过程监测系统，其包括以下步骤：

步骤1：打开第一测量桶3-3和第二测量桶3-5的排水阀，排空桶内的水和泥沙；

步骤2：开启潜水泵，供水装置开始供水，通过喷嘴2-1进行降雨；

步骤3：采集泥沙传感器3-1测量的泥沙含量；

步骤4：采集第一液位传感器3-2和第二液位传感器3-3测量的液位，并通过以下公式计算流量：

当第一液位传感器3-2测量的液位小于H1时，通过以下公式(1)计算流量：

Q_t＝(h1_t-h1_t-1)*π*r²/Δt (1)

当第一液位传感器3-2测量的液位等于H1且第二液位传感器3-4测量的液位小于H3时，通过以下公式(2)计算流量：

Q_t＝(h2_t-h2_t-1)*π*r²/Δt (2)

当第二液位传感器3-4测量的液位大于H3时，将实施例中的参数代入公式(3)中，可以得到以下公式(4)，并通过以下公式(4)计算流量：

其中，Q_t表示t时刻的流量，h1_t表示t时刻第一液位传感器测量的液位，h2_t表示t时刻第二液位传感器测量的液位，h3_t表示t时刻以堰口的最低顶点为基准面第二液位传感器测量的液位，Δt表示数据采集器的采集时间间隔，r表示第一测量桶和第二测量桶的半径。

应用示例2

图4显示根据本发明另一个实施例的水沙过程监测系统的示意图。如图4所示，水沙过程监测系统包括第一模拟降雨装置和第二模拟降雨装置、第一排水管道和第二排水管道、第一水沙测量装置和第二水沙测量装置。待检测区域包括第一部分6-1和第二部分6-2。

其中，第一模拟降雨装置包括支管2-2、设于支管上的喷嘴2-1和流量计2-3、以及设于待监测区域地表的雨量计2-4，第一模拟降雨装置设于第一部分6-1内，用于向第二部分6-2进行降雨，第二模拟降雨装置设于第二部分6-2内，用于向第一部分6-1进行降雨。即第一模拟降雨装置和第二模拟降雨装置进行相对喷射，以使得待监测区域内的降雨量均匀。

第一排水管道和第二排水管道分别铺设于第一部分6-1和第二部分6-2的地表，第一水沙测量装置和第二水沙测量装置分别用于测量第一排水管道和第二排水管道的排水的流量和泥沙含量。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种水沙过程监测系统，其特征在于，包括供水装置、模拟降雨装置、排水管道和水沙测量装置；

所述供水装置用于向所述模拟降雨装置供水；

所述模拟降雨装置用于进行降雨；

所述排水管道铺设于待监测区域的地表，用于收集待监测区域的排水；

所述水沙测量装置用于测量所述排水的流量和泥沙含量。

2.根据权利要求1所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述供水装置包括供水池(1-1)、设于所述供水池内的潜水泵(1-2)、连接于所述潜水泵和所述模拟降雨装置之间的供水管道(1-3)。

3.根据权利要求1所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述模拟降雨装置包括支管(2-2)、设于所述支管上的喷嘴(2-1)和流量计(2-3)、以及设于待监测区域地表的雨量计(2-4)，其中，所述支管(2-2)连接至所述供水装置。

4.根据权利要求1所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述水沙测量装置包括泥沙传感器(3-1)、第一液位传感器(3-2)、第二液位传感器(3-4)、第一测量桶(3-3)和第二测量桶(3-5)；

所述泥沙传感器(3-1)设于所述排水管道(5)中，用于测量所述排水中的泥沙含量；

所述排水管道(5)连接至所述第一测量桶(3-3)，且所述第一测量桶(3-3)与第二测量桶(3-5)通过引流管(3-6)相互连通，所述第二测量桶(3-5)的侧面设有堰口(3-7)；

所述第一液位传感器(3-2)和第二液位传感器(3-4)分别设于所述第一测量桶(3-3)和第二测量桶(3-5)内，分别用于测量所述第一测量桶和第二测量桶内的液位。

5.根据权利要求4所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述第一测量桶(3-3)的底部设有第一排水阀(3-8)，第二测量桶(3-5)的底部设有第二排水阀(3-9)。

6.根据权利要求5所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述第一测量桶(3-3)和第二测量桶(3-5)的半径相等。

7.根据权利要求6所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述第一测量桶(3-3)的底面和顶面分别高于所述第二测量桶(3-5)的底面和顶面，所述引流管(3-6)相对于所述第一测量桶(3-3)的底面的高度为H1，相对于所述第二测量桶(3-5)的底面的高度为H2，所述堰口(3-7)为三角形，所述堰口(3-7)的最低顶点相对于所述第二测量桶(3-5)的底面的高度为H3，且H2>H3。

8.根据权利要求7所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述水沙测量装置还包括数据采集器(4)和处理器，所述数据采集器用于采集所述泥沙传感器(3-1)测量的泥沙含量、所述第一液位传感器(3-2)和第二液位传感器(3-4)测量的液位，所述处理器用于根据所述液位计算所述排水的流量。

9.根据权利要求1所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述水沙过程监测系统包括第一模拟降雨装置和第二模拟降雨装置、第一排水管道和第二排水管道、第一水沙测量装置和第二水沙测量装置，所述第一模拟降雨装置和第二模拟降雨装置分别用于向待监测区域的第一部分和第二部分进行降雨，所述第一排水管道和第二排水管道分别铺设于所述第一部分和第二部分的地表，所述第一水沙测量装置和第二水沙测量装置分别用于测量所述第一排水管道和第二排水管道的排水的流量和泥沙含量。

10.一种水沙过程监测方法，利用权利要求8所述的水沙过程监测系统，所述方法包括以下步骤：

打开第一测量桶和第二测量桶的排水阀，排空桶内的水和泥沙；

开启供水装置，通过模拟降雨装置进行降雨；

采集泥沙传感器测量的泥沙含量；

采集第一液位传感器和第二液位传感器测量的液位，并通过以下步骤计算流量：

当第一液位传感器测量的液位小于H1时，通过以下公式(1)计算流量：

Q_t＝(h1_t-h1_t-1)*π*r²/Δt (1)

当第一液位传感器测量的液位等于H1且第二液位传感器测量的液位小于H3时，通过以下公式(2)计算流量：

Q_t＝(h2_t-h2_t-1)*π*r²/Δt (2)

当第二液位传感器测量的液位大于H3时，根据以下公式(3)计算流量：

<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>D</mi> </msub> <mfrac> <mn>8</mn> <mn>15</mn> </mfrac> <mi>t</mi> <mi>g</mi> <mfrac> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <msqrt> <mrow> <mn>2</mn> <mi>g</mi> </mrow> </msqrt> <msup> <msub> <mi>h</mi> <mi>e</mi> </msub> <mrow> <mn>5</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，Q_t表示t时刻的流量，h1_t表示t时刻第一液位传感器测量的液位，h2_t表示t时刻第二液位传感器测量的液位，Δt表示数据采集器的采集时间间隔，r表示第一测量桶和第二测量桶的半径，C_D表示流量系数，h_e表示有效水头，θ表示三角形堰口的顶角，其中h_e＝h+K_h，h表示实测水头，即t时刻以所述堰口的最低顶点为基准面第二液位传感器测量的液位，K_h表示考虑粘滞力和表面张力综合影响的校正值。