CN110207758A - 一种沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置及方法，监测装置包括设置在待监测区域的地下水观测井，地下水观测井当中放置投入式液位变送器，投入式液位变送器感知地下水的水位变化并将数据经数据采集模块传输至环境监测云平台；地下水观测井的井壁上分层布置有多个土壤水分变送器，各个土壤水分变送器将采集到的信号传输至信号总线，信号总线连接环境监控主机，环境监控主机无线连接环境监控云平台，用户远程登录环境监测云平台和环境监控云平台能够查看实时数据；数据采集模块、环境监控主机连接供电模块，供电模块包括蓄电池以及两路供电支路。本发明的监测方法能够同时监测地下水的水位和土壤湿度实时数据，减少了工作量，提高数据精度。

Description

一种沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置及方法
技术领域
本发明属于环境监测与保护领域，具体涉及一种沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置及方法，为探究黄土高原沟头填埋区工程措施的破坏原因提供数据基础。
背景技术
黄土高原是中华民族古代文明的发祥地之一，黄土颗粒细，土质松软，含有丰富的矿物质养分，利耕作，孕育了黄土地一代又一代居民，但由于特殊的地貌特征、气候类型和土质特点，它也成为世界上水土流失最严重和生态环境最脆弱的地区之一。近些年，在固沟保塬工程修建以及生态环境治理过程中，产生了许多地面沉降和地裂缝，对沟头填埋区的地下水水位和土壤湿度实时监测是不可避免的，监测装置和技术是科学研究的重要手段。
在水土流失防治研究过程中目前主要有四种水土流失防治措施，分别是农耕措施、生物林草措施、生态修复、工程措施。由于黄土高原地质结构土质特性特殊，很多固沟保塬工程措施受到地下水位升降和土壤含水量变化的破坏，容易引发大量地质灾害的发生，如沟头填埋后对沟头的硬化处理工程，因地基的不均匀沉降，导致混凝土断裂，产生裂缝。
因此，需要对沟头填埋区的地下水水位和土壤湿度进行实时监测，通过开发监测装置及相应方法，探究土壤湿度阈值、地下水水位阈值和土壤不均匀沉降的关系。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置及方法，能够对地下水位和土壤湿度同时监测，运行稳定，可靠性高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：包括设置在待监测区域的地下水观测井，地下水观测井当中放置投入式液位变送器，投入式液位变送器感知地下水的水位变化并将数据经数据采集模块传输至环境监测云平台；所述的地下水观测井的井壁上分层布置有多个土壤水分变送器，各个土壤水分变送器将采集到的信号传输至信号总线，信号总线连接环境监控主机，环境监控主机无线连接环境监控云平台，用户远程登录环境监测云平台和环境监控云平台能够查看实时数据；所述的数据采集模块、环境监控主机连接供电模块。
所述的供电模块包括蓄电池以及同时连接蓄电池的两路供电支路；其中一路是民用电网经过智能充电器为蓄电池充电，另一路是太阳能电池板通过太阳能电池板控制器为蓄电池充电；所述的智能充电器与太阳能电池板控制器起到短路开路保护、过充过放保护的作用。
所述的投入式液位变送器与数据采集模块通过同轴电缆连接，太阳能电池板、太阳能电池板控制器、蓄电池和数据采集模块之间均通过导线连接。
太阳能电池板安装于太阳能板支架上，太阳能板支架中部附有不锈钢收纳盒，不锈钢收纳盒用于收纳太阳能电池板控制器、智能充电器、蓄电池、数据采集模块和环境监控主机。
太阳能板支架采用不锈钢方管制成。
所述的地下水观测井的井壁为PVC管，地下水观测井的底部套设有外管，地下水观测井的底端封闭，外管上部设有螺旋闭合盖，盖中央预留内管的插入孔，外管的全壁均匀设有进水孔，壁外由内而外依次包裹有细砂层、中砂层和粗砂层；内管延伸至地面，内管被外管包裹部位设置有进水孔，所述的进水孔及进水孔以下用一层土工布包裹。
所述内管上的进水孔小于外管上的，并且开设在在偏上部，通过内管与外管之间的空间对经过外管过滤的地下水进行初沉淀。所述的土壤水分变送器通过卡扣固定在地下水观测井的井壁上，卡扣由两块半圆形PVC材质模块构成位置固定结构，位置固定结构的顶端设有螺栓孔，通过螺栓固定在地下水观测井的固定位置上，其中一块半圆形PVC材质模块外侧中部设有凸起圆柱，凸起圆柱上预留三个捆扎槽，土壤水分变送器的探头用扎带捆扎在凸起圆柱上，且凸起圆柱旁设有梳线孔，对土壤水分变送器的导线起固定梳理作用。
所述的环境监控主机与环境监控云平台采用GPRS无线连接。
本发明沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置的监测方法，包括以下步骤：
步骤一、通过放置于地下水观测井中的投入式液位变送器以及分层固定于地下水观测井外壁的土壤水分变送器实时产生监测信号；
步骤二、投入式液位变送器产生的地下水位信号传输至数据采集模块；土壤水分变送器产生的土壤水分信号汇至信号总线，由信号总线传输至环境监控主机；
步骤三、数据采集模块通过内置的无线传输模块将水位数据传输至环境监测云平台；环境监控主机将土壤水分信号通过内置的无线传输模块传输至环境监控云平台；
步骤四、用户登录环境监测云平台和环境监控云平台查看实时数据。
所述的无线传输模块配备手机流量卡，数据传输至环境监测云平台和环境监控云平台能给预留手机号码的终端发送监控数据和分析结果，预留手机号码的终端也能够发送设置短信至手机流量卡，远程完成水位数据和土壤湿度数据监测范围的设置。
与现有技术相比，本发明沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置能够同时监测地下水的水位和土壤湿度实时数据，通过在待监测区域设置地下水观测井，地下水观测井当中放置投入式液位变送器，地下水观测井的井壁上分层布置多个土壤水分变送器，运行稳定，可靠性高，用户远程登录环境监测云平台和环境监控云平台能够方便查看实时数据，对黄土高原沟头填埋区实现了两种功能的同时监测，就黄土高原沟头填埋区工程措施的破坏，探究破坏原因与地下水水位和土壤湿度关系，为制定科学的固沟保塬工程措施奠定理论基础。
进一步的，本发明的供电模块包括蓄电池以及同时为蓄电池供电的两路供电支路，单一的供电系统很可能在受到损害时导致系统断电，如农村电网停电、农闲时间电路检修不供电，或太阳能供电系统在遭遇恶劣天气环境如阴天下雨，或因太阳能板长时间积雪、积尘致使转化效率过低等情况，也不能保证供电系统百分百不间断。本发明供电模块采用双路供电，一路为农村电网，另一路为太阳能电池板，两路都为蓄电池充电，太阳能电池板控制器和智能充电器对蓄电池起过充保护，蓄电池再为装置供电，能够达到长期稳定供电的要求。
进一步的，本发明太阳能电池板支架为不锈钢方管组成，采用螺栓连接，安装方便快捷，能够起到很好的固定效果，不锈钢收纳盒对放置其中的装置起保护作用，防止风雨日照损害。
进一步的，本发明的地下水观测井采用PVC管制成，PVC管耐腐蚀抗氧化，省去了固化井壁的复杂工作；地下水观测井的底部设有防泥沙进入的结构，内外两层管联合防泥沙，两层管都设有透水孔，保证地下水位与井内水位一致，且外层对进入的地下水做预先处理，进入的地下水在两层之间的预留空间初沉淀，内层包裹土工布再次隔离泥沙，保证进入内管的地下水携带更少泥沙，解决底部泥沙堵塞问题，有效防止投入式液位变送器发生堵塞。
与现有技术相比，本发明沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测方法，同时监测地下水的水位和土壤湿度实时数据，省去各自安装的麻烦，省时省工，实地采集数据，保证了数据准确性，数据远程无线传输，避免了人工采集收集数据，减少了工作量，提高数据精度。
附图说明
图1本发明实时监测装置的整体结构示意图；
图2本发明监测方法的整体流程图；
图3本发明双路供电模块的连接示意图；
图4本发明太阳能电池板支架结构示意图；
图5本发明地下水观测井的底部防堵塞结构示意图；
附图中：1-民用电网；2-太阳能电池板；3-蓄电池；4-投入式液位变送器；5-数据采集模块；6-地下水观测井；6-1.外管；6-2.进水孔；6-3.土工布；6-4.细砂层；6-5.中砂层；6-6.粗砂层；7-土壤水分变送器；8-卡扣；9-环境监控主机；10-太阳能板支架；10-1.挂钩；10-2.螺栓；10-3.螺栓孔；10-4.固定螺丝；11.混凝土；12-不锈钢收纳盒；12-1.盒扣；12-2.出线孔和天线出口；12-3.密码锁；13-太阳能电池板控制器；14-智能充电器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明黄土高原沟头填埋区的地下水水位和土壤湿度实时监测装置主要包括两个部分，地下水水位监测装置和土壤湿度监测装置。地下水水位监测装置主要包括供电模块和数据采集传输模块；供电模块采用双路供电，一路接民用电网1，另一路采用太阳能电池板2供电，民用电网1接智能充电器14接入蓄电池3，太阳能电池板2接太阳能电池板控制器13也接入蓄电池3，再由蓄电池3为土壤和地下水监测装置供电；数据采集模块5和投入式液位变送器4组成数据采集传输模块，其中投入式液位变送器4放置于地下水观测井6中，感知地下水水位变化，数据采集模块5采集数据，将得到的数据传输至环境监测云平台。
土壤湿度监测装置与地下水位监测装置使用同一电源供电，多个土壤水分变送器7固定于卡扣8上，再分层安装在地下水观测井6的井壁上，分层对土壤湿度监测，各个土壤水分变送器7将采集到的信号传输至信号总线，信号总线连接环境监控主机9，环境监控主机9采用GPRS无线传输至环境监控云平台，用户远程登录，即可查看实时数据。
太阳能电池板2安装于太阳能板支架10上，支架底部用混凝土11固定，中部附有不锈钢收纳盒12，可将太阳能电池板控制器13、智能充电器14、蓄电池3、数据采集模块5和环境监控主机6放置其中，免受恶劣环境对其损害，保护设备。
参见图3，本发明地下水位和土壤湿度实时监测装置的供电模块包括两部分，一是民用电网1接智能充电器14为蓄电池3充电；二是太阳能电池板2组合蓄电池3供电，太阳能电池板2接太阳能电池板控制器13再接蓄电池3，将转化的电能储存在蓄电池3中，太阳能电池板控制器13和智能充电器14主要起到短路开路保护、过充过放保护的作用。
供电模块供电给地下水位监测装置和土壤湿度监测装置，因装置要求，输出电压应为12V。
本发明的投入式液位变送器4与数据采集模块5通过同轴电缆连接，太阳能电池板2、太阳能电池板控制器13、蓄电池3和数据采集模块5都通过导线连接。投入式液位变送器4完成信号发生、数据采集模块5完成数据转换和信号传输；土壤水分变送器7感知信号变化，信号汇入总线再到环境监控主机9，通过环境监控主机9完成信号传输。
参见图5，地下水观测井6的井壁为PVC管，底部防泥沙设置包括内管和外管6-1，外
管6-1嵌套在内管底部，高度50cm，直径为内管的2倍，内管的底部封闭，外管6-1上部设螺旋盖闭合方式，盖中央预留内管插入孔，全壁设有均匀进水孔6-2，壁外由内而外依次包裹有细砂层6-4、中砂层6-5和粗砂层6-6；内管延伸至地面，外管包裹的内管上部设置均匀进水孔6-2，进水孔及进水孔以下用一层土工布包裹6-3，解决底部泥沙堵塞问题。
内管与外管6-1中间空间可对经过外管6-1过滤的地下水做初沉淀，内管的进水孔小于外管6-1，且设在在偏上部，防止沉淀的泥沙进入内管，达到防止泥沙进入目的。土壤水分变送器7主要包括探头、电源线和传输导线，采集信号并将信号传输至环境监控主机9。
卡扣8为PVC材质，主要完成监测位置固定和土壤水分变送器探头固定，位置固定由两块半圆形PVC材质构成，高度4cm，顶端设有螺栓孔，用螺栓固定在地下水观测井6的固定位置上；其中一块半圆外侧中部设凸起圆柱，圆柱预留3个捆扎槽，土壤水分变送器探头用扎带捆扎在凸起圆柱上，完成土壤水分变送器7的固定，且圆柱旁设有梳线孔，对土壤水分变送器7导线起固定梳理作用。环境监控主机9主要包括电源孔、流量卡卡槽、信号接口和天线座；将土壤水分变送器信号传输至环境监控云平台。
参见图4，本发明实时监测装置的太阳能板支架10材质为不锈钢方管，用于固定太阳能电池板2，不锈钢收纳盒12安装在支架中部，放置设备，出线孔和天线出口12-2设在底部，附带密码锁12-3保护盒中设备。太阳能板支架10主要由12根不锈钢方管和不锈钢收纳盒12组成，太阳能板支架10的底部固定于混凝土11中，完成固定目的。
本发明黄土高原沟头填埋区的地下水水位和土壤湿度实时监测方法，包括以下步骤：
步骤一、通过放置于地下水位观测井6中的投入式液位变送器4和分层固定于地下水位观测井6外壁的土壤水分变送器7，实时产生信号。
步骤二、投入式液位变送器4产生的地下水位信号传输至数据采集模块5；土壤水分变送器7产生的土壤水分信号汇至总线，由总线传输至环境监控主机9。
步骤三、数据采集模块5通过内置GPRS无线传输模块将水位数据传输至环境监测云平
台；环境监控主机9将土壤水分信号通过内置GPRS无线传输模块传输至环境监控云平台。
步骤四、用户登录环境监测云平台和环境监控云平台查看实时数据或在移动设备上查看。
步骤一中投入式液位变送器4放置在地下水观测井6的底部；地下水观测井6的外壁底端安装一个土壤水分变送器7，依次向上1m为间距分层安装多个。
步骤三中GPRS无线传输配备手机流量卡，将数据传输至环境平台，并完成给环境平台预留的手机号码发送监控数据和分析结果。环境平台预留手机号码的移动设备可发送设置短信至GPRS无线传输中的手机流量卡，完成水位数据和土壤湿度数据监测范围设置。
以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明做任何形式上的限定，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的条件下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均会落入由所提交权利要求划定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置，其特征在于：包括设置在待监测区域的地下水观测井(6)，地下水观测井(6)当中放置投入式液位变送器(4)，投入式液位变送器(4)感知地下水的水位变化并将数据经数据采集模块(5)传输至环境监测云平台；
所述的地下水观测井(6)的井壁上分层布置有多个土壤水分变送器(7)，各个土壤水分变送器(7)将采集到的信号传输至信号总线，信号总线连接环境监控主机(9)，环境监控主机(9)无线连接环境监控云平台，用户远程登录环境监测云平台和环境监控云平台能够查看实时数据；所述的数据采集模块(5)、环境监控主机(9)连接供电模块。
2.根据权利要求1所述的沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置，其特征在于：所述的供电模块包括蓄电池(3)以及同时连接蓄电池(3)的两路供电支路；
其中，一路是民用电网(1)经过智能充电器(14)为蓄电池(3)充电，另一路是太阳能电池板(2)通过太阳能电池板控制器(13)为蓄电池(3)充电；所述的智能充电器(14)与太阳能电池板控制器(13)起到短路开路保护、过充过放保护的作用。
3.根据权利要求2所述的沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置，其特征在于：所述的投入式液位变送器(4)与数据采集模块(5)通过同轴电缆连接，太阳能电池板(2)、太阳能电池板控制器(13)、蓄电池(3)和数据采集模块(5)之间均通过导线连接。
4.根据权利要求2所述的沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置，其特征在于：太阳能电池板(2)安装于太阳能板支架(10)上，太阳能板支架(10)中部附有不锈钢收纳盒(12)，不锈钢收纳盒(12)用于收纳太阳能电池板控制器(13)、智能充电器(14)、蓄电池(3)、数据采集模块(5)和环境监控主机(9)；太阳能板支架(10)采用不锈钢方管制成。
5.根据权利要求1所述的沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置，其特征在于：所述的地下水观测井(6)的井壁为PVC管，地下水观测井(6)的底部套设有外管(6-1)，地下水观测井(6)的底端封闭，外管(6-1)上部设有螺旋闭合盖，盖中央预留内管(6)的插入孔，外管(6-1)的全壁均匀设有进水孔(6-2)，壁外由内而外依次包裹有细砂层(6-4)、中砂层(6-5)和粗砂层(6-6)；内管(6)延伸至地面，内管(6)被外管(6-1)包裹部位设置有进水孔(6-2)，进水孔(6-2)及进水孔(6-2)以下用一层土工布(6-3)包裹。
6.根据权利要求1所述的沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置，其特征在于：所述内管(6)上的进水孔(6-2)小于外管(6-1)上的，且开设在在偏上部，通过内管(6)与外管(6-1)之间的空间对经过外管(6-1)过滤的地下水进行初沉淀。
7.根据权利要求1所述的沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置，其特征在于：所述的土壤水分变送器(7)通过卡扣(8)固定在地下水观测井(6)的井壁上，卡扣(8)由两块半圆形PVC材质模块构成位置固定结构，位置固定结构的顶端设有螺栓孔，通过螺栓固定在地下水观测井(6)的固定位置上，其中一块半圆形PVC材质模块外侧中部设有凸起圆柱，凸起圆柱上预留三个捆扎槽，土壤水分变送器(7)的探头用扎带捆扎在凸起圆柱上，且凸起圆柱旁设有梳线孔，对土壤水分变送器(7)的导线起固定梳理作用。
8.根据权利要求1所述的沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置，其特征在于：所述的环境监控主机(9)与环境监控云平台采用GPRS无线连接。
9.一种基于权利要求1-8中任意一项所述沟头填埋区地下水位和土壤湿度实时监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、通过放置于地下水观测井(6)中的投入式液位变送器(4)以及分层固定于地下水观测井(6)外壁的土壤水分变送器(7)实时产生监测信号；
步骤二、投入式液位变送器(4)产生的地下水位信号传输至数据采集模块(5)；土壤水分变送器(7)产生的土壤水分信号汇至信号总线，由信号总线传输至环境监控主机(9)；
步骤三、数据采集模块(5)通过内置的无线传输模块将水位数据传输至环境监测云平台；环境监控主机(9)将土壤水分信号通过内置的无线传输模块传输至环境监控云平台；
步骤四、用户登录环境监测云平台和环境监控云平台查看实时数据。
10.根据权利要求9所述的监测方法，其特征在于：无线传输模块配备手机流量卡，数据传输至环境监测云平台和环境监控云平台能给预留手机号码的终端发送监控数据和分析结果，终端也能够发送设置短信至手机流量卡，完成水位数据和土壤湿度数据监测范围的设置。
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