CN110031370B - 基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置，包括称重机构，称重机构内部设置有收集机构，称重机构外部固接有若干锚杆；称重机构包括承装箱和控制器，承装箱包括箱体，箱体上部铰接有顶盖，箱体内部的底部固定有计量秤；收集机构包括径流收集盒，径流收集盒的底部固定有若干搅拌机构，径流收集盒的底部开设有孔洞，孔洞上固定有电磁阀，径流收集盒的侧面设置有若干浊度识别光学传感器和若干液面检测传感器；径流收集盒固定于计量秤的上方。本发明还公开了使用该装置进行的监测方法，使用方便，能应用于各类野外复杂侵蚀坡面环境进行实时监测。
Description
技术领域
本发明属于水土侵蚀取样监测技术领域，涉及基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置，还涉及基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置的监测方法。
背景技术
目前，我国黄土高原地区生态环境治理越来越成为社会关注焦点问题，其面临的问题主要是水土养分流失、坡地土壤侵蚀等。因此，加强该地区坡地土壤治理工作，有效改善区域生态环境，保障水土资源，仍是现阶段重点解决的生态问题。其中，对重点坡地区域降雨产流和冲蚀产沙的监测及研究，是区域生态环境治理工作的重要环节。
在对坡地降雨产流产沙过程开展研究时，精准并实时的径流泥沙测量结果是深入研究的重要基础。但由于实际野外环境复杂多变，坡地区域开展实验条件艰苦，再加之自然降雨过程中山体易发生自然灾害，采集数据的过程很不方便，尤其对于无法保持连续且时刻有可能间断的小流量径流泥沙进行监测较为困难。目前，已有的坡地泥沙监测方法大部分采用集总式取样监测，一次性收集整个降雨过程的坡面产沙量，结合降雨量变化过程进行测算，无法进行实时监测。这样监测获得的数据不能准确反映径流产沙过程情况，无法满足开展研究需要。
发明内容
本发明的目的是提供基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置，解决了复杂坡面土壤环境导致径流产沙过程不易实时监测的问题。
本发明的另一个目的是提供基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置的监测方法。
本发明所采用的技术方案是，基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置，包括称重机构，称重机构内部设置有收集机构，称重机构外部固接有若干锚杆；
称重机构包括承装箱，承装箱包括箱体，箱体上部铰接有顶盖，箱体内部设置有控制器，箱体内部的底部固定有计量秤，箱体的侧壁固定有若干个锚杆；
收集机构包括径流收集盒，径流收集盒的底部固定有若干搅拌机构，径流收集盒的底部开设有孔洞，孔洞上固定有电磁阀，径流收集盒的侧壁设置有若干浊度识别光学传感器和若干液面监测传感器，径流收集盒的底部固定有若干搅拌机构，径流收集盒固定于箱体的内部；
径流收集盒固定于计量秤的上方，锚杆固定于径流收集盒的侧壁，计量秤、搅拌机构、浊度识别光学传感器、液面监测传感器、电磁阀通过控制器电性连接至电源。
本发明的特点还在于：
承装箱上设置有自动启闭器，箱体与顶盖通过自动启闭器铰接，自动启闭器通过控制器电性连接至电源。
搅拌机构包括电机，电机固定于径流收集盒底部，电机的主轴上固接有搅拌杆，电机电性连接控制器。
搅拌机构有4组，均匀分布于径流收集盒的底部。
搅拌杆为螺旋状。
计量秤有4个，均匀分布于承装箱内部的底部。
浊度识别光学传感器、液面监测传感器均设置有传感器保护罩。
承装箱的外底面设置有液压承重装置，液压承重装置包括液压泵，箱体的外底面固定有陀螺仪，陀螺仪和液压泵电性连接控制器。
电源为太阳能板电源。
本发明所提供的另一个技术方案是，基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置的监测方法，包括以下步骤：
步骤1：液面监测传感器感应到自然降雨，控制器控制电机启动，搅拌杆开始工作；
步骤2：液面监测传感器记录液面上升过程，浊度识别光学传感器记录相应时间节点浊度值，计量秤记录径流收集盒的重量变化过程；
步骤3：收集盒内径流达到报警水位，液面监测传感器发送信号至控制器，控制器控制浊度识别光学传感器和计量秤停止工作，电磁阀开启排出径流；当径流液面下降到下限水位时，电磁阀关闭。
本发明的有益效果：可以进行实时监测，通过分节点实时收集坡面产流，同时对坡面含沙径流中透光浊度值识别采集，结合径流体积、质量和径流液浊度变化关系，获取算径流和含沙率的变化过程。使用该装置进行的监测方法，使用方便，能应用于各类野外复杂侵蚀坡面环境，且坡面径流含沙测量过程连续高效有序，测量结果真实可靠。
附图说明
图1是本发明基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置的结构示意图；
图2是本发明基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置的收集机构的结构示意图；
图3是本发明基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置的安装示意图。
图中，1.称重机构，1-1.承装箱，1-2.控制器，1-3.箱体，1-4.顶盖，1-5.计量秤，1-6.自动启闭器，1-7.液压承重装置，1-8.液压泵，1-9.陀螺仪，2.收集机构，2-1.径流收集盒，2-2.电磁阀，2-3.浊度识别光学传感器，2-4.液面监测传感器，2-5.搅拌机构，2-6.电机，2-7.搅拌杆，3.锚杆，4.电源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置，如图1所示，包括称重机构1，称重机构1内部设置有收集机构2，称重机构1外部固接有若干锚杆3；称重机构1包括承装箱1-1和控制器1-2，承装箱1-1包括箱体1-3，箱体1-3上部铰接有顶盖1-4，箱体1-3内部的底部固定有计量秤1-5，箱体1-3的侧壁固定有若干个锚杆3；如图2所示，收集机构2包括径流收集盒2-1，径流收集盒2-1的底部固定有4组搅拌机构2-5，径流收集盒2-1的底部开设有孔洞，孔洞上固定有电磁阀2-2，径流收集盒2-1的侧壁设置有10个浊度识别光学传感器2-3和4个液面监测传感器2-4；径流收集盒2-1固定于计量秤1-5的上方，锚杆4固定于径流收集盒2-1的侧壁，计量秤1-5、搅拌机构2-5、浊度识别光学传感器2-3、液面监测传感器2-4、电磁阀2-2通过控制器1-2电性连接至电源4。
承装箱1-1上设置有自动启闭器1-6，箱体1-3与顶盖1-4通过自动启闭器1-6铰接，自动启闭器1-6通过控制器1-2电性连接至电源4。
搅拌机构2-5包括电机2-6，电机2-6固定于径流收集盒2-1底部，电机2-6的主轴上固接有搅拌杆2-7，电机2-6电性连接控制器1-2。搅拌机构2-5有4组，均匀分布于径流收集盒2-1的底部。搅拌杆2-7为螺旋状。搅拌机构2-5的设置目的是防止径流中泥沙沉淀，另外避免搅拌过程中打碎泥沙分布形态。
计量秤1-5有4个，均匀分布于承装箱1-1内部的底部，设置于箱体1-3的四角位置。
浊度识别光学传感器2-3、液面监测传感器2-4均设置有传感器保护罩。
如图3所示，承装箱1-1固定有锚杆3，安装时通过锚杆3将本装置固定于直面。承装箱1-1的底部设置有液压承重装置1-7，液压承重装置1-7的作用是自动保持整个装置处于水平状态。液压承重装置1-7包括陀螺仪1-9和液压泵1-8，陀螺仪1-9和液压泵1-8电性连接控制器1-2。陀螺仪1-9用来控制水平的方向，通过陀螺仪1-9的判断来确定装置的水平位置，如果由于装置内盛装径流不均匀发生倾斜，陀螺仪1-9向控制器1-2发出指令，控制器1-2通过液压泵1-8向泵腔内注入液压油来控制液压装置的伸缩，进而达到装置平衡的目的。
自动启闭器1-6由电机和回转件构成，通过控制器1-2对自动启闭器1-6的电机发出指令，回转件工作使得顶盖1-4旋转，实现顶盖1-4的启闭。
电源4通过太阳能板电源提供电源，保证了持续监测对电力的需求。
电磁阀2-2与控制器1-2相连接，自动排出径流收集盒2-1内的径流液。
箱体1-3侧面设置有凸起固定桩，确保径流收集盒横向不发生位移。
控制器1-2为Beckhoff CX-5020嵌入式控制器，对整个装置进行实时监控并及时进行相应的控制。
本发明基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置的监测方法，包括以下步骤：
步骤1：液面监测传感器感2-4应到自然降雨，控制器1-2控制电机2-6启动，搅拌杆2-7开始转动；
步骤2：液面监测传感器记录液面上升过程，浊度识别光学传感器2-3记录相应时间节点浊度值，计量秤1-5记录径流收集盒2-1的重量变化过程；
步骤3：径流收集盒2-1内径流达到报警水位，液面监测传感器2-4发送信号至控制器1-2，控制器1-2控制浊度识别光学传感器2-3和计量秤1-5停止工作，电磁阀2-2开启排出径流；当径流液面下降到下限水位时，电磁阀2-2关闭。
本装置设置顶盖1-4为开启状态，为含沙径流进入径流收集盒2-1内提供过渡支撑，半闭合状态为防止坡面滑沙进入径流收集盒2-1。液面监测传感器2-4可以为突发性降雨事件发生时提供工作报警信号。螺旋搅拌杆2-7在工作状态下，可以使径流中携带的泥沙一直处于运动状态，保证浊度识别的精度以及方便排出径流，泥沙不会淤积在径流收集盒2-1内。通过径流收集盒2-1内径流体积、质量和径流液浊度变化关系，可以推算得出径流和含沙率的变化过程。
为保障降雨产流过程连续测量，同一坡面位置并排布设三台以上坡面侵蚀泥沙测量装置，当第一台坡面侵蚀泥沙测量装置发出液面饱和停止工作信号后，第二台测量装置开始工作，当前序测量装置排完径流，随即恢复工作状态，如此协调循环工作，可以达到连续高效有序的测量工作状态。
本发明的装置结构简单，使用方便，能应用于各类野外复杂侵蚀坡面环境，且坡面径流含沙测量过程连续高效有序，测量结果真实可靠。使用本装置进行监测的方法，通过分节点实时收集坡面产流，同时对坡面含沙径流中透光浊度值识别采集，结合径流体积、质量和径流液浊度变化关系，反推算径流和含沙率的变化过程，并自动存储记录相关数据。实现了自然降雨过程中，自动监测野外复杂坡面环境下产流产沙过程的功能，节约了人力，提高了监测效率，方便获得珍贵的坡面水土侵蚀数据资料。
Claims (8)
1.基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置，其特征在于，包括称重机构(1)，所述称重机构(1)内部设置有收集机构(2)，所述称重机构(1)外部固接有若干锚杆(3)；
所述称重机构(1)包括承装箱(1-1)，所述承装箱(1-1)包括箱体(1-3)，所述箱体(1-3)上部铰接有顶盖(1-4)，所述箱体(1-3)内部设置有控制器(1-2)，所述箱体(1-3)内部的底部固定有计量秤(1-5),所述箱体(1-3)的侧壁固定有若干个锚杆(3)；
所述收集机构(2)包括径流收集盒(2-1)，所述径流收集盒(2-1)的底部开设有孔洞，所述孔洞上固定有电磁阀(2-2)，所述径流收集盒(2-1)的侧面设置有若干浊度识别光学传感器(2-3)和若干液面监测传感器(2-4)，所述径流收集盒(2-1)的底部固定有若干搅拌机构(2-5)，所述径流收集盒(2-1)固定于箱体(1-3)内部；
所述径流收集盒(2-1)固定于计量秤(1-5)的上方，所述锚杆(3)固定于箱体(1-3)的侧壁，所述计量秤(1-5)、搅拌机构(2-5)、浊度识别电磁阀(2-2)、浊度识别光学传感器(2-3)、液面监测传感器(2-4)通过控制器(1-2)电性连接至电源(4)；
所述承装箱(1-1)上设置有自动启闭器(1-6)，所述箱体(1-3)与顶盖(1-4)通过自动启闭器(1-6)铰接，所述自动启闭器(1-6)通过控制器(1-2)电性连接至电源(4)；
所述搅拌机构(2-5)包括电机(2-6)，所述电机(2-6)固定于径流收集盒(2-1)底部，所述电机(2-6)的主轴上固接有搅拌杆(2-7)，所述电机(2-6)通过控制器(1-2)电性连接至电源(4)。
2.根据权利要求1所述的基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置，其特征在于，所述搅拌机构(2-5)有4组，所述搅拌机构(2-5)均匀分布于径流收集盒(2-1)的底部。
3.根据权利要求1或2所述的基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置，其特征在于，所述搅拌杆(2-7)为螺旋状。
4.根据权利要求1所述的基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置，其特征在于，所述计量秤(1-5)有4个，所述计量秤(1-5)均匀分布于承装箱(1-1)内部的底部。
5.根据权利要求1所述的基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置，其特征在于，所述浊度识别光学传感器(2-3)、液面监测传感器(2-4)均设置有传感器保护罩。
6.根据权利要求1所述的基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置，其特征在于，所述承装箱(1-1)的外底面设置有液压承重装置(1-7)，所述液压承重装置(1-7)包括液压泵(1-8)，所述箱体(1-3)的外底面固定有陀螺仪(1-9)，所述陀螺仪(1-9)和液压泵(1-8)通过控制器(1-2)电性连接至电源(4)。
7.根据权利要求1所述的基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置，其特征在于，所述电源(4)为太阳能板电源。
8.根据权利要求1所述的基于径流浊度识别的坡面侵蚀泥沙的测量装置的监测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：所述液面监测传感器(2-4)感应到自然降雨，所述控制器(1-2)控制电机(2-6)启动，所述搅拌杆(2-7)开始转动；
步骤2：所述液面监测传感器(2-4)记录液面上升过程，所述浊度识别光学传感器(2-3)记录相应时间节点浊度值，所述计量秤(1-5)记录径流收集盒(2-1)的重量变化过程；
步骤3：所述径流收集盒(2-1)内径流达到报警水位，所述液面监测传感器(2-4)发送信号至控制器(1-2)，所述控制器(1-2)控制浊度识别光学传感器(2-3)和计量秤(1-5)停止工作，所述电磁阀(2-2)开启排出径流；当径流液面下降到下限水位时，所述电磁阀(2-2)关闭。
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