CN109000976A - 暴雨径流自动采样、监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种暴雨径流自动采样、监测装置及方法，该装置包括底座、电源、安装在底座上且与电源连接的雨量采集仪、流量监测仪、信号收发及数据存储装置、水样采集封藏一体化装置和连接在水样采集封藏一体化装置上方的采样瓶转盘系统。使用该装置可以实现野外径流水样自动采集、监测及存储。本发明通过水样自动采集、密封、冷藏一体化装置解决了水样的密封，存储问题，通过雨量监测仪和流量监测仪实现了利用雨强大小开启装置，采集监测过程中实现了流量大多采集、流量小少采集的功能，通过水质监测探头，实现了边进行水样采集，边进行水质物理指标监测的功能。

Description

暴雨径流自动采样、监测装置及方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，尤其涉及径流水样采集检测技术领域，具体为一种暴雨径流自动采样、监测装置及方法。

背景技术

暴雨径流污染是非点源污染的一种主要污染形式，通常是指在降水过程伴随的地表径流污染，具体的，是指溶解的或固体污染物从非特定的地点，在降水淋溶和径流冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体所引起的水体污染。随着点源污染逐渐被控制，非点源污染的危害性逐渐被凸显出来，相关部门对于暴雨径流污染投入了大量的人力和物力开展研究。

原始的暴雨径流污染首先需要选取具有典型代表性的研究区域（包括土地利用类型、土壤类型等），然后，在降水期间，人为的在不同时间段内收集由于降水产生的地表径流，最后将采集的水样送至化学实验室，分析其水样的水质指标，明细该区域的非点源污染来源。

为了克服人工采集水样的弊端，越来越多的研究人员设计了自动水样采集装置来替代原始的人工暴雨径流采样方式。如申请号：201020255792.4的发明专利，设计了一款结构简单、可以短时间内对不同植物带及其组合的径流采集装置；申请号：201610818705.3，设计了一款基于雨水感应器，可以控制不同时段产生雨水径流收集的装置；申请号：201510007735.1，基于导流器和计步器的组合，设计了一款适用于水位较低、不同长度的地表径流采集装置。

原始的暴雨径流人工采集方法耗费人力、不利于在恶劣气象条件下开展径流采集工作，此外，人工采集对于采样时间、水样质量等会造成很大的影响。

现有的径流自动采集装置暴露出以下的不足：1）水样采集后没有进行密封，会造成异物进入，影响后期的水质指标化验结果；2）暴雨径流采集需要一段监测时间，在该时间段内，现有的径流自动装置均将采集的水样暴露在外界的温度中，没有妥善的保存已采集的水样；3）暴雨径流采集需要采集多瓶，有时甚至达数十瓶，现有的径流自动采集装置均没有对水样采集瓶进行编号处理，容易造成后期水样采集瓶与采集时间的混乱；4）现有的径流自动采集装置多使用人为开启或者雨水触发装置开始监测，监测过程中多使用等间距时间进行水样采集，但是没有考虑到河道流量对于监测结果的影响，没有实现流量大时多采集，流量小时少采集的原则；5）现有的径流自动采集装置只注重水样的采集，而忽略了水样中水质物理指标的监测。

发明内容

本发明的目的在于克服以上技术缺陷，提供一种暴雨径流自动采样、监测装置及方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种暴雨径流自动采样、监测装置， 包括底座、电源、安装在底座上且与电源连接的雨量采集仪、流量监测仪、信号收发及数据存储装置、水样采集封藏一体化装置和连接在水样采集封藏一体化装置上方的采样瓶转盘系统；所述采样瓶转盘系统包括转动盘、转动盘控制装置、以可开合的连接件连接在转动盘圆周的多个水样采集瓶及转动盘外圆周、水样采集瓶瓶口外侧设置的防水保护罩；所述水样采集封藏一体化装置包括一体化装置控制器、水样自动采集区、水样自动密封区、水样冷藏恒温区及可以在各个区之间转动的传输转动转盘，各区分别设置定位感应装置，所述水样自动采集区设置有水样自动采集装置、标识码自动生成及粘贴装置和激光发射装置；雨量检测仪内部有水位传感器；流量监测仪内部有流量传感器；所述雨量采集仪、流量监测仪分别与转动盘控制装置电连接，所述转动盘控制装置包括转动电机和转动电机控制器；转动电机控制器设置有雨量阈值，通过降雨量的多少控制转动电机的启闭，通过流量多少控制转动电机的转动频率；所述采样瓶转盘系统中的可开合的连接件中设置有激光感应装置，随着转动盘的转动，水样采集瓶运动到水样自动采集区时，可开合的连接件感应激光发射装置发射的激光，释放水样采集瓶，水样采集瓶到通过传输转动转盘传动，通过定位感应装置在自动采集区、水样自动密封区、水样冷藏恒温区分别停留并完成水样采集、标识粘贴、密封及冷藏。

进一步的，所述信号收发及数据存储装置存储雨量采集仪的雨量信息、流量监测仪的流量信息、装置工作时间、采样瓶转盘系统的转动频率、水样采集瓶的标识信息，并接收来自基站对于采样瓶转盘系统的控制信息。

进一步的，所述底座设置有平衡调节装置。

进一步的，所述水样采集瓶上端瓶盖处设置有水样采集瓶进气口、水样采集瓶排气口；所述水样自动采集装置包括一个可以上下运动的升降装置和一个抽水泵；所述升降装置固定连接了一根可以随其一起升降的水样采集管道和一根排气管道；水样采集管道包括上方的水样采集管道进水口和下方的水样采集管道清洗口，水样采集管道进水口连接有与外界径流接触的水样采集蠕动软管，水样采集蠕动软管的采集端设置水质检测探头和水样采集过滤网，水样采集管道清洗口前段的采集管道设置有活动清洗开关；排气管道的下端设置有水压力探头；升降装置下方对应水样自动采集区中的水样采集瓶停留定位区，该停留定位区设置有感应装置，感应装置感应到水样采集瓶通过传输转动转盘传动到该区域后发出感应信号至所述一体化装置控制器从而控制传输转动转盘停止转动、抽水泵开始启动、升降装置向下运动且使其中活动清洗开关对应水样采集瓶上端的水样采集瓶进水口、排气管道的水压力探头对应水样采集瓶上端的水样采集瓶排气口；径流水样经水样采集管道进水口抽入管道后经过水样采集管道清洗口排出，活动清洗开关被水样采集瓶进水口碰触推开，水样进入到水样采集瓶中，当水样采集瓶内的水样充满时，排气管道末端的水压力传感器接收到水压力信号并传递信号至所述一体化装置控制器中，控制抽水泵停止工作、升降装置上升完成水样采集 工作。

进一步的，转盘系统中的转动盘包括中间的转动轴，与转动轴连接的多个转动连接杆、转动连接杆末端连接的360度旋转连接部件，所述360度旋转连接部件与所述可开合的连接件连接，所述可开合的连接件为电动机械抓手；水样采集瓶依靠自身的垂直重力与所述360度旋转连接部件保持垂直，瓶口一直向上。

进一步的，所述水样自动密封区设置有水样自动密封装置；所述水样冷藏恒温区设置有冷藏室恒温压缩机和水样采集瓶放置槽，且通过冷藏区电抓手将水样采集瓶放置到水样采集瓶放置槽中。

进一步的，所述标识码自动生成及粘贴装置自动生成二维识别码。

一种暴雨径流自动采样方法，使用所述的暴雨径流自动采样、监测装置，包括以下步骤：

1）将所述暴雨径流自动采样、监测装置放置于需要采样的河流监测断面处，调节装置处于水平状态；

2）根据采样需求，选择水样采样瓶的个数，将水样采样瓶依次垂直悬挂于采样瓶转动盘上；设置流量监测仪的流量阈值和雨量监测仪的雨强阈值；连通电源；

3）当有降水情况发生时，雨量监测仪收集降水，当降水强度超过初始设置的阈值时，暴雨径流自动采样、监测装置开始工作，采样瓶转动盘开始旋转；

4）当水样采集瓶旋转至水样自动采集区时，释放水样采集瓶，传输转动转盘将水样采集瓶送至水样自动采集装置的正下方，通过定位感应装置发出感应信号至一体化控制器控制水样采集瓶完成水样采集；

5）当水样采集瓶内的水样采集完毕后，水样采集区内标识码自动生成及粘贴装置生成唯一的二维码并通过粘贴件粘贴于水样采集瓶上；粘贴完毕后，标识码自动生成及粘贴装置通过电缆释放电讯号及一体化控制器，控制传输转动转盘开始转动，将水样采集瓶送至水样采集瓶密封区；

6）当水样采集瓶运动至自动密封装区时，通过定位感应装置发出感应信号至一体化控制器控制传输转动转盘停止工作，自动密封装置膜密封水样采集瓶瓶口，密封完毕后，自动密封装置通过电缆释放电讯号至一体化控制器，控制传输转动转盘开始工作，将密封后的水样采集瓶送至水样冷藏区冷藏；

7）按照监测断面河流的流量大小，采样瓶转动盘按照不同的频率逐次收集水样和监测水样中的物理指标，直到降水过程停止。

进一步的，降雨强度阈值根据公式（1）进行设定：

i≥ f _c （1）

式中：i为降雨强度阈值/mm/s，f _c 为土壤入渗率/mm/s。

采集转盘的旋转频率f根据公式（2）设定：

f=（N·M）/（π·D） （2）

式中：N为转动电机变速器速比， M为水样采集瓶个数，D为采样瓶转动盘的直径。

本发明的有益效果是：

本发明装置通过水样自动采集、密封、冷藏一体化装置解决了水样的密封，存储问题，通过二维码身份识别装置为每一瓶水样进行了身份识别，通过雨量监测仪和流量监测仪实现了利用雨强大小开启装置，采集监测过程中实现了流量大多采集、流量小少采集的功能，通过水质监测探头，实现了边进行水样采集，边进行水质物理指标监测的功能。

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为暴雨径流自动采样、监测装置（正视图）；

图2 为暴雨径流自动采样、监测装置（侧视图）；

图3为水样采集封藏一体化装置（俯视图）；

图4为水样自动化采集装置（侧视图）；

图5为水样采集瓶瓶盖装置（俯视图）。

附图说明：1. 防水保护罩；2. 转动盘控制装置；3. 转动盘；4. 水样采集封藏一体化装置；5. 水样采集瓶；6. 雨量采集仪；7.信号收发及数据存储装置；8.底座；9.水质检测探头；10. 水样采集过滤网；11. 水样采集蠕动软管；12. 排气管道；13. 水样采集管道进水口；14. 水样采集管道清洗口；15.流量监测仪；16. 360度旋转连接部件；17.转动连接杆；18.电动机械抓手；19.电源；20.水样自动采集装置；21. 标识码自动生成及粘贴装置；22. 冷藏区电抓手；23. 冷藏室恒温压缩机；24. 传输转动转盘；25. 水样自动采集区；26.水样自动密封区；27. 水样自动密封装置；28. 水样采集瓶放置槽；29. 水样冷藏恒温区；30. 升降装置；31.抽水泵；32. 水压力探头；33. 活动清洗开关；34. 水样采集瓶进水口；35. 水样采集瓶排气口；36.粘贴件；37. 激光发射装置；38.清洗管凹槽。

具体实施方式

实施例1

如图1~5所示，一种暴雨径流自动采样、监测装置， 包括底座8、电源19、安装在底座8上且与电源19连接的雨量采集仪6、流量监测仪15、信号收发及数据存储装置7、水样采集封藏一体化装置4和连接在水样采集封藏一体化装置4上方的采样瓶转盘系统；采样瓶转盘系统包括转动盘3、转动盘控制装置2、以可开合的连接件连接在转动盘3圆周的多个水样采集瓶5及转动盘3外圆周、水样采集瓶5瓶口外侧设置的防水保护罩1；水样采集封藏一体化装置4包括一体化装置控制器、水样自动采集区25、水样自动密封区26、水样冷藏恒温区29及可以在各个区之间转动的传输转动转盘24，各区分别设置定位感应装置，所述水样自动采集区25设置有水样自动采集装置20、标识码自动生成及粘贴装置21和激光发射装置37；雨量检测仪6内部有水位传感器；流量监测仪15内部有流量传感器；所述雨量采集仪6、流量监测仪15分别与转动盘控制装置2电连接，所述转动盘控制装置2包括转动电机和转动电机控制器；转动电机控制器设置有雨量阈值，通过降雨量的多少控制转动电机的启闭，通过流量多少控制转动电机的转动频率；采样瓶转盘系统中的可开合的连接件中设置有激光感应装置，随着转动盘3的转动，水样采集瓶5运动到水样自动采集区25时，可开合的连接件感应激光发射装置37发射的激光，释放水样采集瓶5，水样采集瓶5到通过传输转动转盘24传动，通过定位感应装置在自动采集区2、水样自动密封区26、水样冷藏恒温区29分别停留并完成水样采集、标识粘贴、密封及冷藏。

信号收发及数据存储装置7存储雨量采集仪6的雨量信息、流量监测仪15的流量信息、装置工作时间、采样瓶转盘系统的转动频率、水样采集瓶的标识信息，并接收来自基站对于采样瓶转盘系统的控制信息。底座8设置有平衡调节装置。标识码自动生成及粘贴装置21自动生成二维识别码。

水样采集瓶5上端瓶盖处设置有水样采集瓶进气口34、水样采集瓶排气口35；水样自动采集装置20包括一个可以上下运动的升降装置30和一个抽水泵31；升降装置30固定连接了一根可以随其一起升降的水样采集管道和一根排气管道12；水样采集管道包括上方的水样采集管道进水口13和下方的水样采集管道清洗口14，水样采集管道进水口13连接有与外界径流接触的水样采集蠕动软管11，水样采集蠕动软管11的采集端设置水质检测探头9和水样采集过滤网10，水样采集管道清洗口14前段的采集管道设置有活动清洗开关33；排气管道12的下端设置有水压力探头32；升降装置30下方对应水样自动采集区25中的水样采集瓶5停留定位区，该停留定位区设置有感应装置，感应装置感应到水样采集瓶5通过传输转动转盘24传动到该区域后发出感应信号至所述一体化装置控制器从而控制传输转动转盘24停止转动、抽水泵31开始启动、升降装置30向下运动且使其中活动清洗开关33对应水样采集瓶5上端的水样采集瓶进水口34、排气管道12的水压力探头32对应水样采集瓶5上端的水样采集瓶排气口35；径流水样经水样采集管道进水口13抽入管道后经过水样采集管道清洗口14排出，活动清洗开关33被水样采集瓶进水口34碰触推开，水样进入到水样采集瓶5中，当水样采集瓶5内的水样充满时，排气管道12末端的水压力传感器32接收到水压力信号并传递信号至所述一体化装置控制器中，控制抽水泵31停止工作、升降装置30上升完成水样采集 工作。

转盘系统中的转动盘3包括中间的转动轴，与转动轴连接的多个转动连接杆17、转动连接杆末端连接的360度旋转连接部件16，所述360度旋转连接部件16与所述可开合的连接件连接，所述可开合的连接件为电动机械抓手18；水样采集瓶5依靠自身的垂直重力与所述360度旋转连接部件16保持垂直，瓶口一直向上。

水样自动密封区26设置有水样自动密封装置27；所述水样冷藏恒温区29设置有冷藏室恒温压缩机23和水样采集瓶放置槽28，且通过冷藏区电抓手22将水样采集瓶5放置到水样采集瓶放置槽28中。

本实施例中：

防水保护罩1主要作用是防雨、防高空落物，用来保护水样采集瓶和水样采集封藏一体化装置。防水保护罩的材质为抗腐、防冻、抗氧化、抗紫化线的强化材质的聚乙烯材料。颜色采用鲜亮的橘红色，便于装置在野外工作期间快速识别。

采样瓶转盘系统由转动盘3、水样采样瓶5、转动盘控制装置2组成。转动盘3采用不锈钢钢架结构，可以保障采样瓶转动盘的强度需求，最大可能的减轻重量和防止在潮湿环境中生锈腐蚀的可能。水样采样瓶通过小型电动机械抓手18与360度旋转连接部件16相连接。小型电动机械抓手18前段设置有激光接收器，当水样采集瓶旋转至水样采集区时，小型电动机械抓手会感应水样采集区内的激光发射装置37发射的红光，小型电动机械抓手会张开释放水样采集瓶。采样瓶转动盘可以拆卸，可以根据需求悬挂4个、8个、16个、24个水样采集瓶。转动盘在转动过程中，水样采集瓶依靠自身的垂直重力和360度旋转连接部件始终保持垂直向上的姿势。水样采集瓶5采用聚乙烯或者玻璃材质的水样采集瓶，水样采样瓶类型为4个10L、8个5L、16个2.5L以及24个1L。转动盘控制装置2主要用于调节采样瓶转动盘的旋转频率，内部设置有防水式直流双向转动电机和电机控制器，可以远程人为控制和现场设置，通过雨量监测仪6的多少开闭转动电机工作，根据流量监测仪15控制转动盘3的旋转频率。

水样采集封藏一体化装置具备水样自动采集、二维码生成及自动粘贴、水样自动密封以及全天候水样冷藏的功能。具体包括水质监测探头9，水样采集过滤网10，水样采集蠕动软管11，排气管道12，水样采集管道进水口13，水样采集管道清洗口14，水样自动采集区25，标识码自动生成及粘贴装置21，水样自动采集装置20，传输转动转盘24，水样自动密封区26，水样自动密封装置27，冷藏室恒温压缩机23，水样采集瓶放置槽28，水样冷藏恒温区29。

河道内的水量经过水样采集过滤装网10通过水样采集蠕动软管11进行取水，水样采集蠕动软管11中设置有水质监测探头9，可以实时监测水样的pH、温度、溶氧、电导率、浊度等物理参数。水样通过水样采集蠕动软管11进入水样自动采集区25中的水样采集瓶5中，水样采集完毕后，传输转动转盘24顺时针转动，将水样采集瓶送至水样自动密封区26，水样自动密封装置采用电磁感应原理，将装置内部的铝箔片瞬间产生高热，然后熔合在瓶口上，达到对水样采集瓶密封的功能。水样采集瓶密封完毕后，传输转动转盘24将其送至水样冷藏恒温区29，由冷藏区电抓手22按照先后顺序放置在水样冷藏室的水样采集瓶放置槽28内。水样采集瓶放置区的格局分布依照水样采集瓶的个数来确定。这样一个完整的水样采集过程完毕。

具体的，当水样采集瓶5转动至水样自动采集区25时，小型电动机械抓手18接收到水样自动采集区内激光发射装置37发射的红光，张开抓手释放水样采集瓶5，水样采集瓶5随传输转动传送带24运动至水样自动采集装置20的正下方，传输转动转盘24停止运动，水样自动采集装置20通过升降装置30缓慢下降，此时小型抽水泵机31开始工作，通过水样采集蠕动软管11抽取水样，冲洗进水管，此时，管道清洗活动开关33处于闭合状态，水样经过管道清洗口14排出。当管道清洗活动开关33被水样采集瓶进水口34推开时，水样进入水样采集瓶5中，当水样采集瓶5内的水样充满时，排气管末端的水压力传感器32会接收到水压力信号，此时，小型抽水泵机31终止工作，然后水样自动采集装置20缓慢升高。此时标识码生成及自动粘贴装置36会生成一张唯一的二维码，二维码信息包括采样地点、采样时间，并粘贴于水样采集瓶5的侧壁。然后转动传送带开始工作，将水样采集瓶5送至水样密封区26。

雨量采集仪6主要作用是收集降雨计算降雨强度进而控制转动盘控制装置2开始工作。雨量监测仪6内部设置有水位传感器，只有超过预设的降雨强度阈值时，转动盘控制装置才开始工作。

流量监测仪15主要作用是监测河道内径流的流速进而控制转动盘控制装置2的转动频率。流量监测仪15内部设置有流量传感器，根据河道初始流速，设置不同流速下的转动频率，监测断面内的径流流速越大，转动盘控制装置2控制的转动频率就越大。

信号收发及数据存储装置7主要作用是野外径流自动采集装置的监测数据存储和与基站的信号传输。数据存储的具体数据为雨量采集仪6的雨量信息、流量监测仪15的流速信息、装置开始工作时间，转动盘控制装置2的转动频率、水样采集瓶5的二维码信息等。传输天线主要接受来自于基站对于转动盘控制装置2的控制信息。

本实施例中的采集装置具有以下性能：

1、装置将水样自动采集、水样水质监测、水样瓶自动密封以及水样全天候冷藏功能进行集成和创新，能更好的应用于野外径流水样的采集和监测工作，既可以节省人力还可以获得相对精准的监测水样和保存较好的原位水样。这对于应对复杂气象条件下的水文监测工作是一个极大的促进。

2、装置具备对每一瓶水样进行唯一的二维码身份验证功能，通过对每一瓶水样采集瓶生成唯一的二维码信息，确保了采集的水样与采集时间、水质监测数据一一对应，避免了人为操作的混乱性。

3、装置通过雨量强度的大小开始工作，合理的确定了野外暴雨径流采集和监测的开始时间。在降雨过程中，根据监测河流断面的流量大小控制水样采集转动盘的旋转频率，实现高流量多采集、低流量少采集的功能。一是可以保障水样采集个数的合理性和监测数据的完整性，二是最大可能的延长装置的工作时间。

4、装置对监测断面的原位水样既可以进行收集，还可以对水质物理指标进行监测，极大的提高了野外径流水样采集和监测的工作效率，能够最好反映原位水样的物理水质指标情况。

5、装置设置有管道自动清洗功能，在每一瓶水样采集前，先用原位水样进行冲洗，然后再进行采集，避免了不同时段内，水样的掺杂带来的结果误差，提高了监测结果的准确性。

6、装置设置有满瓶切断功能，在每一瓶水样满瓶时，利用排气口端的水压力传感器输出电讯号，通过电缆控制抽水泵机停止工作，提高了装置的自动化，防止水样溢出对装置正常工作的影响。

7、装置设置有水样采集瓶自动密封功能，当水样采集瓶装满水样后，自动密封装置采用铝塑膜进行密封，防止异物进入水样采集瓶中，提高了水样采集的完整性。

8、装置设置有全天候水样采集瓶冷藏功能，水样采集、密封完毕后，水样采集瓶会进入冷藏区，进行恒温保存，最大可能的保证了水样的原位性，为后续的水质化学指标监测提供了可靠的水样材料，同时使该装置有更大的应用空间。

9、装置内的水样采集转动盘可灵活拆卸，水样采集瓶的个数可以根据采样周期长短、水样需求等情况悬挂不同数量、不同容积的水样采集瓶。适用于野外监测搬运和不同区域对水样采集瓶的要求。

实施例2

本实施例为采用实施例1的暴雨径流自动采样、监测装置进行的水样采集、密封、冷藏方法。

一种暴雨径流自动采样方法，包括以下步骤：

1）将所述暴雨径流自动采样、监测装置放置于需要采样的河流监测断面处，调节装置处于水平状态；

2）根据采样需求，选择水样采样瓶5的个数，将水样采样瓶5依次垂直悬挂于采样瓶转动盘3上；设置流量监测仪15的流量阈值和雨量监测仪6的雨强阈值；连通电源；

3）当有降水情况发生时，雨量监测仪6收集降水，当降水强度超过初始设置的阈值时，暴雨径流自动采样、监测装置开始工作，采样瓶转动盘3开始旋转；

4）当水样采集瓶5旋转至水样自动采集区25时，释放水样采集瓶5，传输转动转盘24将水样采集瓶5送至水样自动采集装置20的正下方，通过定位感应装置发出感应信号至一体化控制器控制水样采集瓶5完成水样采集；

5）当水样采集瓶5内的水样采集完毕后，水样采集区内标识码自动生成及粘贴装置21生成唯一的二维码并通过粘贴件36粘贴于水样采集瓶5上；粘贴完毕后，标识码自动生成及粘贴装置21通过发送电缆释放电讯号至一体化控制器，控制传输转动转盘24开始转动，将水样采集瓶5送至水样采集瓶密封区26；

6）当水样采集瓶5运动至自动密封装区26时，通过定位感应装置发出感应信号至一体化控制器控制传输转动转盘24停止工作，自动密封装置27膜密封水样采集瓶5瓶口，密封完毕后，自动密封装置27通过电缆释放电讯号至一体化控制器，控制传输转动转盘24开始工作，将密封后的水样采集瓶5送至水样冷藏区29冷藏；

7）按照监测断面河流的流量大小，采样瓶转动盘3按照不同的频率逐次收集水样和监测水样中的物理指标。直到降水过程停止。

降雨强度阈值根据公式1进行设定：

i≥f _c （1）

式中：i为降雨强度阈值/mm/s，f _c 为土壤入渗率/mm/s。

采集转盘的旋转频率f根据公式2设定：

f=N·M/π·D （2）

式中：N为转动电机变速器速比， M为水样采集瓶个数，D为采样瓶转动盘的直径。

本实施例的具体操作细节：

1、将暴雨径流自动采样、监测装置放置于需要采样的河流监测断面处，通过底座8及平衡调节装置调节装置处于水平状态。

2、根据采样需求，选择水样采样瓶5的个数，将水样采样瓶5依次垂直悬挂于采样瓶转动盘3上。根据无降水条件下，监测断面周边下垫面的土壤下渗率和监测断面河流的初始流量，设置流量监测仪的流量阈值和雨量监测仪的雨强阈值。将充满电的蓄电池放置在供电区内。

3、当有降水情况发生时，雨量监测仪6收集降水，当降水强度超过初始设置的阈值时，暴雨径流自动采样、监测装置开始工作，采样瓶转动盘3开始顺时针旋转。

4、当水样采集瓶5旋转至水样自动采集区25时，小型电动机械抓手18张开，释放水样采集瓶5，传输转动传盘24将水样采集瓶5送至水样自动采集装置20的正下方，升降装置30一边缓慢下降一边冲洗水样采集管道，水样采集瓶的进水口34推开管道清洗活动开关33后，水样采集瓶5开始收集水样，水样满瓶后，排气口的水压力探头32接收信号，通过电缆控制小型抽水泵机31停止工作，同时升降装置30缓慢上升。

5、当水样采集瓶内的水样采集完毕后，水样采集区内标识码生成及自动粘贴装置36生成唯一的二维码并粘贴于水样采集瓶5的侧壁上。粘贴完毕后，标识码生产及自动粘贴装置36通过电缆释放电讯号，传输转动传盘24开始顺时针运动，将水样采集瓶5送至水样采集瓶密封区26。

6、当水样采集瓶5运动至自动密封装置27时，自动密封装置27通过电缆释放电讯号，传输转动传盘24停止工作，自动密封装置27通过铝塑膜密封水样采集瓶瓶口，密封完毕后，自动密封装置27通过电缆释放电讯号，传输转动转盘24开始工作，将密封后的水样采集瓶送至水样冷藏区29。

7、当水样采集瓶5运动至水样冷藏区29时，冷藏区电抓手22会将水样采集瓶5抓送到水样采集瓶放置槽28内。此时，一瓶水样完整的取样过程完毕。

8、按照监测断面河流的流量大小，转动盘3按照不同的频率逐次收集水样和监测水样中的物理指标。直到降水过程停止。

9、当野外水样采样过程结束后，切断电源，依次取出电源19、水样采集瓶5、信号收发及数据存储装置7，同时对水样自动采集装置20进行冲洗和烘干，为下次采样做准备。

与现有技术相比本实施例中的方法能达到以下技术效果：

1、二维码身份认证功能

现有的野外径流小区人工采样方式，容易造成采集时间与水样采集瓶的不对应。为了克服这一问题，装置采用一个水样采集瓶对应一个唯一的二维码，二维码记录采集时间和监测断面位置等信息，确保了水样采集瓶的唯一性，提高了水样采集和监测结果的准确性。

2、基于雨量、流量的采样频率控制

现有的野外径流小区人工采样的方式，需要人为的判断降雨强度大小，采样的间隔时间。现有的水样采集设备一般均采用等间隔采样，不能对降水的高峰期进行加密采集。该暴雨径流自动采样、监测装置通过降雨强度大小控制装置的开闭，当降雨强度超过下垫面下渗能力时，才能够形成有效的产流量，降水对不同土地利用的冲刷作用才能凸显出来，该装置能够通过降雨强度大小精准的判断开始进行水样采集的时间，这是采样频率控制的一个创新点。设定降雨强度阈值i的公式为：

i≥f _c （1）

i为降雨强度mm/s，f _c 为土壤入渗率mm/s。

当该暴雨径流自动采样、监测装置开始工作后，采集转动盘的频率可以根据监测河流断面的流量和悬挂水样采集瓶的个数来确定。监测河流断面流量越大，水样采集个数越多。设定采集转盘的旋转频率f公式为：

f=N·M/π·D （2）

N为转动电机变速器速比，不同的流量对应不同的变速器速比，M为水样采集瓶个数，D为采样瓶转动盘的直径。

3、水样采集自动旋转功能

相比于现有的野外径流小区人工采样的方式，水样采集自动旋转装置可以节省人工，通过降水量的大小开闭水样采集自动旋转装置开始工作，同时结合监测断面的流量大小来控制水样采集自动旋转装置的转动频率。该装置可以实现监测断面流量大时，加密水样采集次数，流量小时，减少水样采集次数。

4、水样采集、密封、冷藏一体化

相比于现有的野外径流小区人工采样的方式，该暴雨径流自动采样、监测装置可以实现水样自动采样、自动密封，全天候冷藏的功能。能更好的实现原位水样的采集和对水样的保存。此外，目前的野外水样采集装置不具备对物理水质指标的同步监测，需要人为对水样进行监测，该暴雨径流自动采样、监测装置可以通过水质监测探头实现水样的边采集边监测的功能，极大的提高了野外水样采集和水质监测工作的效率。

5、数据存储和通讯信号传输功能

现有的野外径流小区人工采样方式，需要人为的记录采样时间，采样断面等信息，人为操作的误差性很大。该暴雨径流自动采样、监测装置既可以在规定时间内采集水样，还可以实时对原位水样进行水质物理指标的监测，同时，对每一个水样采集瓶进行唯一的二维码身份识别。该装置内的数据存储可以将水样采集的断面、每个水样采集瓶的采集水样的时间、物理水质指标以及二维码信息进行存储。同时，该装置内的通讯信号传输装置可以接受基站发送的信号，对水样采集转盘的转动频率进行修正和对突发事件进行应急处理。

Claims (9)

1.一种暴雨径流自动采样、监测装置，其特征在于：

包括底座（8）、电源（19）、安装在底座（8）上且与电源（19）连接的雨量采集仪（6）、流量监测仪（15）、信号收发及数据存储装置（7）、水样采集封藏一体化装置（4）和连接在水样采集封藏一体化装置（4）上方的采样瓶转盘系统；

所述采样瓶转盘系统包括转动盘（3）、转动盘控制装置（2）、以可开合的连接件连接在转动盘（3）圆周的多个水样采集瓶（5）及转动盘（3）外圆周、水样采集瓶（5）瓶口外侧设置的防水保护罩（1）；

所述水样采集封藏一体化装置（4）包括一体化装置控制器、水样自动采集区(25)、水样自动密封区(26)、水样冷藏恒温区（29）及可以在各个区之间转动的传输转动转盘（24），各区分别设置定位感应装置，所述水样自动采集区（25）设置有水样自动采集装置（20）、标识码自动生成及粘贴装置（21）和激光发射装置（37）；

雨量检测仪（6）内部有水位传感器；流量监测仪（15）内部有流量传感器；所述雨量采集仪（6）、流量监测仪（15）分别与转动盘控制装置（2）电连接，所述转动盘控制装置（2）包括转动电机和转动电机控制器；转动电机控制器设置有雨量阈值，通过降雨量的多少控制转动电机的启闭，通过流量多少控制转动电机的转动频率；

所述采样瓶转盘系统中的可开合的连接件中设置有激光感应装置，随着转动盘（3）的转动，水样采集瓶（5）运动到水样自动采集区（25）时，可开合的连接件感应激光发射装置（37）发射的激光，释放水样采集瓶（5），水样采集瓶（5）到通过传输转动转盘（24）传动，通过定位感应装置在自动采集区(25)、水样自动密封区(26)、水样冷藏恒温区（29）分别停留并完成水样采集、标识粘贴、密封及冷藏。

2.根据权利要求1所述的暴雨径流自动采样、监测装置，其特征在于：所述信号收发及数据存储装置（7）存储雨量采集仪（6）的雨量信息、流量监测仪（15）的流量信息、装置工作时间、采样瓶转盘系统的转动频率、水样采集瓶的标识信息，并接收来自基站对于采样瓶转盘系统的控制信息。

3.根据权利要求1所述的暴雨径流自动采样、监测装置，其特征在于：所述底座（8）设置有平衡调节装置。

4.根据权利要求1所述的暴雨径流自动采样、监测装置，其特征在于：

所述水样采集瓶（5）上端瓶盖处设置有水样采集瓶进气口（34）、水样采集瓶排气口（35）；

所述水样自动采集装置（20）包括一个可以上下运动的升降装置（30）和一个抽水泵（31）；

所述升降装置（30）固定连接了一根可以随其一起升降的水样采集管道和一根排气管道（12）；

水样采集管道包括上方的水样采集管道进水口（13）和下方的水样采集管道清洗口（14），水样采集管道进水口（13）连接有与外界径流接触的水样采集蠕动软管（11），水样采集蠕动软管（11）的采集端设置水质检测探头（9）和水样采集过滤网（10），水样采集管道清洗口（14）前段的采集管道设置有活动清洗开关（33）；

排气管道（12）的下端设置有水压力探头（32）；

升降装置（30）下方对应水样自动采集区（25）中的水样采集瓶（5）停留定位区，该停留定位区设置有感应装置，感应装置感应到水样采集瓶（5）通过传输转动转盘（24）传动到该区域后发出感应信号至所述一体化装置控制器从而控制传输转动转盘（24）停止转动、抽水泵（31）开始启动、升降装置（30）向下运动且使其中活动清洗开关（33）对应水样采集瓶（5）上端的水样采集瓶进水口（34）、排气管道（12）的水压力探头（32）对应水样采集瓶（5）上端的水样采集瓶排气口（35）；径流水样经水样采集管道进水口（13）抽入管道后经过水样采集管道清洗口（14）排出，活动清洗开关（33）被水样采集瓶进水口（34）碰触推开，水样进入到水样采集瓶（5）中，当水样采集瓶（5）内的水样充满时，排气管道（12）末端的水压力传感器（32）接收到水压力信号并传递信号至所述一体化装置控制器中，控制抽水泵（31）停止工作、升降装置（30）上升完成水样采集 工作。

5.根据权利要求1所述的暴雨径流自动采样、监测装置，其特征在于：转盘系统中的转动盘（3）包括中间的转动轴，与转动轴连接的多个转动连接杆（17）、转动连接杆末端连接的360度旋转连接部件（16），所述360度旋转连接部件（16）与所述可开合的连接件连接，所述可开合的连接件为电动机械抓手（18）；水样采集瓶（5）依靠自身的垂直重力与所述360度旋转连接部件（16）保持垂直，瓶口一直向上。

6.根据权利要求1所述的暴雨径流自动采样、监测装置，其特征在于：所述水样自动密封区（26）设置有水样自动密封装置（27）；所述水样冷藏恒温区（29）设置有冷藏室恒温压缩机（23）和水样采集瓶放置槽（28），且通过冷藏区电抓手（22）将水样采集瓶（5）放置到水样采集瓶放置槽（28）中。

7.根据权利要求1所述的暴雨径流自动采样、监测装置，其特征在于：所述标识码自动生成及粘贴装置（21）自动生成二维识别码。

8.一种暴雨径流自动采样方法，其特征在于：使用权利要求1~7中任意一项所述的暴雨径流自动采样、监测装置，包括以下步骤：

1） 将所述暴雨径流自动采样、监测装置放置于需要采样的河流监测断面处，调节装置处于水平状态；

2） 根据采样需求，选择水样采样瓶（5）的个数，将水样采样瓶（5）依次垂直悬挂于采样瓶转动盘（3）上；设置流量监测仪（15）的流量阈值和雨量监测仪（6）的雨强阈值；连通电源；

3）当有降水情况发生时，雨量监测仪（6）收集降水，当降水强度超过初始设置的阈值时，暴雨径流自动采样、监测装置开始工作，采样瓶转动盘（3）开始旋转；

4）当水样采集瓶（5）旋转至水样自动采集区（25）时，释放水样采集瓶（5），传输转动转盘（24）将水样采集瓶（5）送至水样自动采集装置（20）的正下方，通过定位感应装置发出感应信号至一体化控制器控制水样采集瓶（5）完成水样采集；

5）当水样采集瓶（5）内的水样采集完毕后，水样采集区内标识码自动生成及粘贴装置（21）生成唯一的二维码并通过粘贴件（36）粘贴于水样采集瓶（5）上；粘贴完毕后，标识码自动生成及粘贴装置（21）通过电缆释放电讯号及一体化控制器，控制传输转动转盘（24）开始转动，将水样采集瓶（5）送至水样采集瓶密封区（26）；

6）当水样采集瓶（5）运动至自动密封装区（26）时，通过定位感应装置发出感应信号至一体化控制器控制传输转动转盘（24）停止工作，自动密封装置（27）膜密封水样采集瓶（5）瓶口，密封完毕后，自动密封装置（27）通过电缆释放电讯号至一体化控制器，控制传输转动转盘（24）开始工作，将密封后的水样采集瓶（5）送至水样冷藏区（29）冷藏；

7）按照监测断面河流的流量大小，采样瓶转动盘（3）按照不同的频率逐次收集水样和监测水样中的物理指标，直到降水过程停止。

9.根据权利要求8所述的暴雨径流自动采样方法，其特征在于：降雨强度阈值根据公式（1）进行设定：

i≥ f _c （1）

式中：i为降雨强度阈值/mm/s，f _c 为土壤入渗率/mm/s；

采集转盘的旋转频率f根据公式（2）设定：

f=（N·M）/（π·D） （2）

式中：N为转动电机变速器速比，M为水样采集瓶个数，D为采样瓶转动盘的直径。