CN110954180A - 一种湿地地表水文监测装置与方法 - Google Patents

一种湿地地表水文监测装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种湿地地表水文监测装置与方法。该装置包括：水位计、管道、排水孔和计算机，所述管道垂直嵌入湿地地表，所述管道地上部分含有多个排水孔，所述排水孔用于保证水流正常通过，所述水位计垂直设置于所述管道地上部分，所述水位计与所述计算机连接，所述计算机用于将所述水位计采集的水位信号转换为水深信息。采用本发明的装置和方法不仅可以对湿地地表水文特征进行实时监测，还可以克服由于水位波动较大、水动力较强造成的装置安全性较差、数据不准确和数据丢失问题。

Description

一种湿地地表水文监测装置与方法
技术领域
本发明涉及湿地地表水文监测领域，特别是涉及一种湿地地表水文监测装置与方法。
背景技术
湿地水文是影响湿地格局和物种分布的重要影响因子，是湿地三大要素(湿地水文、湿地土壤、湿地植物)之一，因而一直是生态水文研究的重点和热点。目前我国已开展大范围、大规模、长时间序列的水文监测，但一般表现为常规监测，仅在重要河流断面、湖泊断面上展开监测。这些数据可以满足河流和流域等尺度上的水文研究。对于一些小尺度生态水文研究，特别是异质性程度较高、又缺乏实测数据的湿地地表系统(如滨河带和潮间带系统)，常规水文站点的监测数据无法揭示湿地地表及侧向连通的水文特征。这也限制了对湿地地表水文特征的研究。
在湿地生态系统中，除了明水面，就是由于水位波动产生的滨河带或潮间带区域。这些区域的水文特征与湿地生物的联系更为紧密，因而是生态水文研究的热点区域。但是目前较为缺乏对滨河带或潮间带区域等湿地表面水文特征的研究装置。此外，于湿地水位波动大、水动力较强，对于相关装置和数据的安全性、数据的准确性和连续性产生了较大挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种湿地地表水文监测装置与方法，不仅可以对湿地地表水文特征进行实时监测，还可以克服由于水位波动较大、水动力较强造成的装置安全性较差、数据不准确和数据丢失问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种湿地地表水文监测装置，包括：水位计、管道、排水孔和计算机，所述管道垂直嵌入湿地地表，所述管道地上部分含有多个排水孔，所述排水孔用于保证水流正常通过，所述水位计垂直设置于所述管道地上部分，所述水位计与所述计算机连接，所述计算机用于将所述水位计采集的水位信号转换为水深信息。
可选的，所述管道长200cm，直径6cm，所述管道包括管道地上部分和管道地下部分，所述管道地上部分长150cm，所述管道地下部分长50cm。
可选的，所述水位计采用电容式水位计。
可选的，还包括纱网，所述纱网包裹在所述管道的地上部分，所述纱网用于防止水流携带的泥沙进入所述管道造成淤积。
可选的，还包括顶盖，所述顶盖设置在所述管道的上方，所述顶盖的尺寸与所述管道上方的管口相匹配，所述顶盖用于防止降雨、降雪对所述水位计的主机造成损害。
可选的，还包括管道固定架，所述管道固定架设置在所述管道的外侧，所述管道固定架用于对所述管道进行加固。
可选的，所述管道固定架长200cm，所述管道固定架包括管道固定架地上部分和管道固定架地下部分，所述管道固定架地下部分长60cm，所述管道固定架地上部分用铁丝与所述管道绑定。
可选的，还包括水位计固定装置，所述水位计通过所述水位计固定装置垂直设置于所述管道地上部分。
可选的，所述计算机内部搭载有水位计管理采集软件和编写的水位统计程序，水位统计程序包括日尺度水位统计程序和潮汐事件统计程序；所述日尺度水位统计程序用于计算每一天内潮汐淹水的起始时间、淹水历时、最高水位和平均水位；所述潮汐事件统计程序用于根据涨、落水统计一定时段内的潮汐事件特征，所述潮汐事件特征包括每次潮汐事件的起始时间、历时、最高水位和平均时间；所述水位统计程序根据附近其他点位与水位计安装处的相对高程差，计算出其他点位上的日尺度潮汐淹水特征以及根据涨落水得到的单次潮汐事件情况。
一种湿地地表水文监测方法，所述方法应用于湿地地表水文监测装置，所述方法包括：
对水位计进行标定；
将湿地地表水文监测装置设置在湿地地表上；
利用水位计采集水位信号；
通过水位计管理采集软件读取、储存所述水位信号；
通过水位计管理采集软件将所述水位信号转换为水深值；
根据所述水深值，通过所述水位统计软件计算得到湿地地表水文特征。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明利用水位计的自动记录功能，设计一种湿地地表水文监测装置，将其安装在湿地表面，便于获得长期的连续水位数据；根据得到的连续水位数据通过编写的水位统计软件程序得到湿地地表水文特征，通过上述装置不仅可以对湿地地表水文特征进行实时监测，还可以克服由于水位波动较大、水动力较强造成的装置安全性较差、数据不准确和数据丢失等问题。此外，本发明装置较为简便，易于携带和安装，方便更换监测点位，具有较强的灵活性，在生态水文研究中具有较强的实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明湿地地表水文监测装置组成结构示意图；
图2为本发明湿地地表水文监测方法流程图。
符号说明：1-1管道，1-2水位计，1-3防水布，1-4水位计固定装置，1-5顶盖，1-6纱网，1-7管道固定架，2-计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种湿地地表水文监测装置与方法，不仅可以对湿地地表水文特征进行实时监测，还可以克服由于水位波动较大、水动力较强造成的装置安全性较差、数据不准确和数据丢失问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明湿地地表水文监测装置组成结构示意图。如图1所示，一种湿地地表水文监测装置包括：管道1-1、水位计1-2、防水布1-3、水位计固定装置1-4、顶盖1-5、纱网1-6、管道固定架1-7、排水孔1-8和计算机2，带有排水孔1-8的管道1-1垂直嵌入湿地地表，水位计1-2采用电容式水位计，水位计1-2放入管道1-1中，水位计1-2的探头与地表齐平，保持水位计1-2的传感器垂直，水位计1-2的主机经防水布1-3包裹后，通过水位计固定装置1-4固定在管道1-1顶端，盖上顶盖1-5，防止降雨、降雪等对水位计1-2的主机造成损害，顶盖1-5的尺寸与管道1-1上方的管口相匹配。水位计固定装置1-4采用水位计固定绳，即用水位计固定绳1-4将水位计悬挂在管道1-1顶部。将纱网1-6包裹在管道1-1外，防止泥沙通过排水孔进入主管道淤积并掩埋水位计1-2的探头。利用管道固定架1-7对管道进行加固，防止装置被水流冲倒或冲走。
管道1-1长200cm，直径6cm，垂直嵌入湿地地表，地下部分埋入50cm，地上部分高度150cm。管道地上部分设有直径8mm的排水孔1-8若干，排水孔1-8用于保证水流正常通过。管道地上部分外包裹纱网1-6，纱网1-6用于防止水流携带的泥沙进入管道造成淤积，影响水位计1-2的探头正常工作。
管道固定架1-7长200cm，插入地下60cm，地上部分用铁丝与管道1-1绑定，用以加固管道1-1，防止管道1-1及水位计1-2被水流冲倒或冲走。水位计1-2与计算机2连接，计算机2内部搭载有水位统计软件程序和水位计管理采集软件程序，计算机2通过水位计管理采集软件程序采集水位计1-2采集的水位信号，通过水位统计软件程序将水位信号转换为水深信息，进而根据水深信息得到湿地地表水文特征。
计算机内部搭载有水位计管理采集软件和编写的水位统计程序，水位统计程序包括日尺度水位统计程序和潮汐事件统计程序；日尺度水位统计程序用于计算每一天内潮汐淹水的起始时间、淹水历时、最高水位和平均水位；潮汐事件统计程序用于根据涨、落水统计一定时段内的潮汐事件特征，潮汐事件特征包括每次潮汐事件的起始时间、历时、最高水位和平均时间；水位统计程序根据附近其他点位与水位计安装处的相对高程差，计算出其他点位上的日尺度潮汐淹水特征以及根据涨落水得到的单次潮汐事件情况。
电容式水位计是根据探头到传感器的淹水深度来记录水深数据的，可以设定不同时间间隔来记录水深，进而可以得到一段时间内的连续水深数据。确定测定点位的高程后，将水位计的水深数据加上点位高程，就可以得到该测定点位的水位数据。这些连续的水位数据可以表达出潮间带盐沼表面经历的潮汐淹水、退水过程(包括淹水起始时间和退水时间)，不同点位的淹水历时、淹水频率、最大淹水深度(最高水位)等潮汐水文情势。因此，电容式水位计的记录时间间隔设置得越短，记录的水文情势越详细，越接近潮汐变化的真实情况。与此同时，设置的记录时间间隔越短，产生的水深数据量就越大，数据的处理就越复杂。为了很好地描述潮间带盐沼表面的真实淹水情况，本发明将水深记录的时间间隔设置为10分钟。因此，每个点位每小时就会产生6个读数，每天将会产生144个读数，每年将有52560个读数。为了批量处理大量的水深数据，需要借助计算机程序对这些数据进行处理、分析和计算，以得到具体的水文指标，描述潮滩表面的潮汐水文特征。
本发明分别设计了潮汐事件统计分析和日尺度水位统计程序，既可以统计每年内的潮汐事件次数、发生时间、大小潮分布、潮位等特点，又可以统计出日尺度、月尺度和年尺度的水文指标。两种统计方式提供了不同分析所需的指标类型，可以满足多种分析需求。两种统计方式的程序设计如下：
(1)按潮汐事件统计：一次潮汐事件由涨水和退水过程组成，表现为水深数值从零开始，随时间增加，达到最大水深后再下降，再至水深为零的过程。将水深数值从零开始增加，再降低到零的一次过程记录为一次潮汐事件。
①一次潮汐事件的识别：利用程序读取水深数据，首先识别第一个不为零的水深数据，将其依次将其记录为一次潮汐事件的开始，同时将其记录为本次潮汐事件的涨潮时段；读取下一个时段水深数据，如该时段水深不为零且该时段水深大于上一个时段水深，则本时段记录为该次潮汐的涨潮时段，以此类推；如该时段水深不为零且水深小于上一个时段水深，则将其记录为该次潮汐的退潮时段；如该时段水深为零，且上一个时段水深不为零，则上一个时段为此次潮汐事件的结束时段。
②一次潮汐事件起始、结束时间的识别：一次潮汐事件涨潮时段的第一个时段对应的时间(第一个水深不为零的时段对应的时间)，即为一次潮汐事件的起始时间；一次潮汐事件退潮时段的最后一个时段对应的时间(最后一个水深不为零的时段对应的时间)，即为一次潮汐事件的结束时间。
③一次潮汐事件中最高水位的识别：对一次潮汐事件中的所有水深数据进行比较，获取最大水深数据，加上测定点位高程得到最高水位(也即最后一个涨潮时段的水位)。
④一次潮汐事件中淹水历时的识别：一次潮汐事件中，潮汐发生的起始时段至结束时段的时段个数，乘以每个时段的时间长度，即为测定点位本次潮汐淹水历时。
⑤一次潮汐事件中平均水位的计算：一次潮汐事件中，将各时段的水位进行累加，再除以本次潮汐事件持续的时段个数，即为本次潮汐事件的平均水位。
⑥一年中潮汐事件的统计：将每次潮汐事件的最高水位作为本次潮汐事件的标识，一年中发生的最高水位的次数，作为一年中发生的潮汐事件的个数。
(2)按日尺度统计：这种统计与一般的水文数据统计尺度一致，通过逐日淹水历时、淹水水深等数据的统计，可以得到不同时间尺度上(日、月、年)的水文指标，是一种通用的、基础水文数据类型。
①日淹水历时的识别：统计每日内水深不为零的数值的个数，进行累加，得到每日的淹水历时。
②日最大水深和最高水位的识别：对一天内的水深数据依次进行比较，获取最大水深数据，加上点位高程得到日最高水位。
③日最高水位发生的时间：最大水深发生时对应的时间。
④日平均水位的计算：对一天内水深不为零的数据取平均值。
由于测定的是地表水位，所以本发明提供的安装装置地上部分长150cm，能保证地表淹水水深在该值范围以内。在实际应用中，如果放置的点位淹水水深较大，可以根据点位的大概淹水水深适当调整装置地上部分长度及水位计的安装长度。本发明可以用于潮间带、滨河湿地和河流浅滩等湿地表面的水文特征获取。
图2为本发明湿地地表水文监测方法流程图。如图2所示，一种湿地地表水文监测方法，所述方法应用于上述湿地地表水文监测装置，所述方法包括：
步骤101：对水位计进行标定，首先是水位计标定。利用水位计管理采集软件2对水位计1-2进行标定，得到信号-水位标准曲线；利用水位计管理采集软件2记录水位计1-2编号，设定其起始工作时间、水位记录时间间隔。
步骤102：将湿地地表水文监测装置设置在湿地地表上，如图1所示，本发明装置主要包括管道1-1、水位计1-2、防水布1-3、水位计固定装置1-4、顶盖1-5、纱网1-6、管道固定架1-7。带有排水孔1-8的管道1-1垂直嵌入湿地地表，水位计1-2放入其中，探头与地表齐平，保持水位计传感器垂直，水位计1-2的主机经防水布1-3将包裹后，通过水位计固定装置1-4固定在主管道顶端，盖上顶盖1-5。将纱网1-6包裹在管道1-1外，防止泥沙通过排水孔进入主管道淤积并掩埋水位计探头。利用管道固定架1-7对管道进行加固，防止装置被水流冲倒或冲走。
步骤103：利用水位计采集水位信号。
步骤104：通过水位计管理采集软件读取、存储所述水位信号。
步骤105：通过水位计管理采集软件将所述水位信号转换为水深值。
步骤106：根据所述水深值，通过所述水位统计软件计算得到湿地地表水文特征。
每两个月取回水位计，换上备用水位计。用水位计管理采集软件采集水位计读数，利用信号-水位标准曲线将信号值转换成水深值。将连续水深数据输入连续水位统计软件程序，得到湿地地表水文特征。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种湿地地表水文监测装置，其特征在于，包括：水位计、管道、排水孔和计算机，所述管道垂直嵌入湿地地表，所述管道地上部分含有多个排水孔，所述排水孔用于保证水流正常通过，所述水位计垂直设置于所述管道地上部分，所述水位计与所述计算机连接，所述计算机用于将所述水位计采集的水位信号转换为水深信息。
2.根据权利要求1所述的湿地地表水文监测装置，其特征在于，所述管道长200cm，直径6cm，所述管道包括管道地上部分和管道地下部分，所述管道地上部分长150cm，所述管道地下部分长50cm。
3.根据权利要求1所述的湿地地表水文监测装置，其特征在于，所述水位计采用电容式水位计。
4.根据权利要求1所述的湿地地表水文监测装置，其特征在于，还包括纱网，所述纱网包裹在所述管道的地上部分，所述纱网用于防止水流携带的泥沙进入所述管道造成淤积。
5.根据权利要求1所述的湿地地表水文监测装置，其特征在于，还包括顶盖，所述顶盖设置在所述管道的上方，所述顶盖的尺寸与所述管道上方的管口相匹配，所述顶盖用于防止降雨、降雪对所述水位计的主机造成损害。
6.根据权利要求1所述的湿地地表水文监测装置，其特征在于，还包括管道固定架，所述管道固定架设置在所述管道的外侧，所述管道固定架用于对所述管道进行加固。
7.根据权利要求6所述的湿地地表水文监测装置，其特征在于，所述管道固定架长200cm，所述管道固定架包括管道固定架地上部分和管道固定架地下部分，所述管道固定架地下部分长60cm，所述管道固定架地上部分用铁丝与所述管道绑定。
8.根据权利要求1所述的湿地地表水文监测装置，其特征在于，还包括水位计固定装置，所述水位计通过所述水位计固定装置垂直设置于所述管道地上部分。
9.根据权利要求2所述的湿地地表水文监测装置，其特征在于，所述计算机内部搭载有水位计管理采集软件和编写的水位统计程序，水位统计程序包括日尺度水位统计程序和潮汐事件统计程序；所述日尺度水位统计程序用于计算每一天内潮汐淹水的起始时间、淹水历时、最高水位和平均水位；所述潮汐事件统计程序用于根据涨、落水统计一定时段内的潮汐事件特征，所述潮汐事件特征包括每次潮汐事件的起始时间、历时、最高水位和平均时间；所述水位统计程序根据附近其他点位与水位计安装处的相对高程差，计算出其他点位上的日尺度潮汐淹水特征以及根据涨落水得到的单次潮汐事件情况。
10.一种湿地地表水文监测方法，所述方法用于采用权利要求1-9任意一项所述的湿地地表水文监测装置，其特征在于，包括：
对水位计进行标定；
将湿地地表水文监测装置设置在湿地地表上；
利用水位计采集水位信号；
通过水位计管理采集软件读取、储存所述水位信号；
通过水位计管理采集软件将所述水位信号转换为水深值；
根据所述水深值，通过水位统计程序计算得到湿地地表水文特征。
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