CN111537025A - 一种水-土界面理化监测装置及基于该装置的库区消落带监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水‑土界面理化监测装置及基于该装置的库区消落带监测系统，包括筒状外壳、锥形头、传感器数据采集电路、密封塞和若干传感器模块，筒状外壳一端与锥形头密封连接，另一端采用密封塞密封，传感器模块连接所述传感器数据采集电路，且都位于所述筒状外壳的密封空间内，传感器模块包括电路板和分别与电路板连接的温度传感器、溶解氧传感器、电导率传感器，电路板、温度传感器、溶解氧传感器和电导率传感器用树脂浇注在一起，筒状外壳上对应每个所述传感器模块的安装位置处设有3个方向的开孔，使得对应传感器模块传感器通过开孔将探头裸露于筒状外壳外。本发明可以连续高效监测库区消落带水‑土界面理化指标。

Description

一种水-土界面理化监测装置及基于该装置的库区消落带监 测系统

技术领域

本发明涉及环境监测技术，尤其涉及一种水-土界面理化监测装置及基于该装置的库区消落带监测系统。

背景技术

据统计，截止2011年，全球已建成各类水库总数约1670万座，且数量还在随着时间持续增加。水库的运行会造成库区水位周期性涨落，从而在库区形成广阔的淹水落干区域——消落带。消落带的特殊水文过程，使其土层孔隙水与上覆水交换频繁，导致水-土界面物质浓度、理化指标及微生物特性处于动态变化状态，这为水库蓄积的营养盐的生物地球化学反应过程提供了一个重要场所。弄清消落带不同深度水-土界面基本理化指标的长期变化情况，是揭示消落带生物地球化学反应真实面貌的基础。长期以来，库区水-土界面的理化性质监测多采用人力的方式，对于深水区的监测由于水体浮力等因素影响，常造成测量的不确定性，且长期监测费时费力。库区水-土界面理化性质连续自动监测一直是一大难题，尤其对于深水区。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种水-土界面理化监测装置及基于该装置的库区消落带监测系统，尤其适用于水位变幅大的库区消落带，所述监测装置可连续监测消落带界面理化性质，所述库区消落带监测系统可远程监控库区消落带不同深度理化性质变化情况，监测时间灵活，测量过程高效，可实现实时连续监测。

技术方案：本发明所述的水-土界面理化监测装置包括筒状外壳、锥形头、传感器数据采集电路、密封塞和若干传感器模块，所述的筒状外壳一端与锥形头密封连接，另一端采用密封塞密封，所述传感器模块连接所述传感器数据采集电路，且都位于所述筒状外壳的密封空间内，所述传感器模块包括电路板和分别与电路板连接的温度传感器、溶解氧传感器、电导率传感器，电路板、温度传感器、溶解氧传感器和电导率传感器用树脂浇注在一起，所述筒状外壳上对应每个所述传感器模块的安装位置处设有3个方向的开孔，使得对应传感器模块的温度传感器、溶解氧传感器、电导率传感器分别通过开孔将探头裸露于筒状外壳外。

进一步的，所述装置还包括状态指示灯，所述状态指示灯位于筒状外壳外，并通过密封塞连接所述传感器数据采集电路。

进一步的，所述装置还包括电源和存储模块，所述电源和存储模块位于所述筒状外壳内，所述电源为整个装置供电，所述存储模块连接所述传感器数据采集电路。

进一步的，所述装置还包括光纤和电源线，所述光纤和电源线均从密封塞穿插入筒状外壳，并连接到所述传感器数据采集电路。

进一步的，位于最上两层的相邻传感器模块对应的开孔间距为5cm，其余相邻传感器模块对应的开孔间距为10cm。

本发明所述的库区消落带监测系统包括信息采集装置、水位计、无线传输系统、供电系统、智慧平台和若干上述水-土界面理化监测装置，其中：

所述水-土界面理化监测装置垂直插入库区消落带不同高程，并使传感器朝向水域方向，最上层传感器刚好位于水-沉积物界面；

所述信息采集装置包括存储模块和信息处理模块，安装于岸上，通过光纤与所述水-土界面理化监测装置连接，用于控制和监视各监测装置，调节各监测装置监测频次和各传感器工作状态，并将各监测装置的数据汇总和备份在存储模块；

所述水位计安装于监测装置附近，与所述信息采集装置连接，用于监测库区水位变化，水位信息采集频率与监测装置监测频次一致；

所述无线传输系统包括无线传输设备、服务器和无线串口软件，所述无线传输设备与所述信息采集装置连接，并通过有线或无线网络向所述服务器发送数据，所述无线串口软件用于用户通过所述智慧平台远程访问所述服务器数据和控制所述库区消落带监测系统；

所述智慧平台通过虚拟串口与所述无线串口软件连接，用于远程访问各监测装置及水位计工作状态和所述信息采集装置内的数据，对比不同位置不同沉积物深度各参数的变化情况，以及远程调节各监测装置监测频次和各传感器工作状态，例如当所述监测装置发生工作异常时，所述信息采集装置收到报警信息，并通无线传输系统向智慧平台发送装置异常报警信息，此外可进行数据异常设置，设置当某数据某段时间间隔内变化大于某一常数时(如，设置溶解氧数据在5次监测中变化大于3mg/L)，向平台报警；

所述供电系统包括电源与太阳能电池板，安装于岸上，用于为整个监测系统供电。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1)自动化。目前人工现场监测方法需要长期测量，且深水期工作难度大，且测量具有干扰性，而本发明基本实现自动化监测，后期直接输出结果，监测期间通过网络查看工作状态，使得工作效率大大提高；

2)连续性。本发明可实现实时动态监控，能够实时显示库区消落带水-沉积物界面理化性质变化，有利于加深对水库蓄泄过程影响下的消落带生物地球化学反应机制的理解；

3)针对性。本发明克服了库区消落带水位涨落幅度大，且地层结构因库区蓄水要求一般是浅层为透水层而之下为天然或人工设置的弱透水层而无法钻井观测的问题。

附图说明

图1是本发明提供的一种水-土界面理化监测装置的结构示意图；

图2是本发明图1中传感器模块的结构示意图；

图3是本发明提供的库区消落带监测系统的结构示意图；

图4是库区消落带监测系统布设示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种水-土界面理化监测装置，如图1所示，包括筒状外壳1、锥形头2、传感器数据采集电路3、密封塞4和若干传感器模块5，装置整体长60厘米、外径5厘米、内径4.6厘米、锥形体长5厘米，筒状外壳为PVC管，筒状外壳1一端与锥形头2密封连接，封口处用聚丙乙烯填充，另一端采用密封塞4密封，传感器模块5连接传感器数据采集电路3，且都位于筒状外壳1的密封空间内，如图2所示，传感器模块5包括电路板51和分别与电路板51连接的温度传感器52、溶解氧传感器53、电导率传感器54，电路板51、温度传感器52、溶解氧传感器53、电导率传感器54用树脂55浇注在一起，用于固定和防水，筒状外壳1上对应每个传感器模块5的安装位置处设有3个方向的开孔，使得对应传感器模块的温度传感器、溶解氧传感器、电导率传感器分别通过开孔将探头裸露于筒状外壳1外，具体的，位于最上两层的相邻传感器模块对应的开孔间距为5cm，其余相邻传感器模块对应的开孔间距为10cm。各传感器测量范围和测量精度分别为温度传感器(-4℃～50℃，0.1℃)、溶解氧传感器(0～25mg/L，0.1mg/L，可转化为百分数)、电导率传感器(0～2000μs/cm，1μs/cm)。该装置还设有状态指示灯6，状态指示灯6穿过位于筒状外壳1外，并通过密封塞4连接传感器数据采集电路3，状态指示灯6具体为发光二极管，不同状态颜色和闪烁频率不同。该装置采用有线方式与其他装置连接，因此还包括光纤连接线7和电源连接线8，均从密封塞4穿插入筒状外壳1，并连接到传感器数据采集电路3。装置还包括电源和存储模块9，电源和存储模块位于筒状外壳内，电源为整个装置供电，存储模块连接传感器数据采集电路3。

本实施例还提供了一种库区消落带监测系统，如图3所示，包括信息采集装置、水位计、无线传输系统、供电系统、智慧平台和若干上述水-土界面理化监测装置。所述水-土界面理化监测装置垂直插入库区消落带不同高程，将三颗传感器面向水域方向垂向插入三个高程，最上层传感器刚好位于水-沉积物界面，用于测定上覆水理化性质；例如，如图4所示，某水库在蓄泄方案中，最高蓄水水位和最低泄水水位分别为55m和35m，因此监测装置分别布设于消落带40m、45m、50m高程(可根据精度要求或消落带地球化学反应“热度”增减密度)，具体安装时，应选择消落带落干期，监测装置通电未测量时状态指示灯为红色，正常监测时为绿色，故障时为伴随闪烁的红色。所述供电系统包括电源与太阳能电池板，安装于岸上为整个监测系统供电。所述信息采集装置与所述监测装置连接，可以为有线或无线连接，包括存储模块和信息处理模块，用于采集所有水-土界面理化监测装置中的各传感器数据，并存储于其存储设备内，控制和监视各监测装置，调节各监测装置监测频次和各传感器工作状态，并将各监测装置的数据汇总和备份在存储模块，同时通过无线传输系统将数据传输至智慧平台。所述水位计为雷达水位计，精度为5cm，安装于监测装置附近，与信息采集装置连接，用于监测库区水位变化，水位信息采集频率与监测装置监测频次一致。无线传输系统包括无线传输设备、服务器和无线串口软件，无线传输设备与信息采集装置连接，并通过有线或无线网络向服务器发送数据，无线串口软件用于用户通过智慧平台远程访问服务器数据和控制库区消落带监测系统；智慧平台通过虚拟串口与无线串口软件连接，用于远程访问各监测装置及水位计工作状态和信息采集装置内的数据，对比不同位置不同沉积物深度各参数的变化情况，以及远程调节各监测装置监测频次和各传感器工作状态。正常监测时，各监测装置通过光纤将传感器数据传至信息采集装置整理，信息采集装置通过无线传输系统将传感器数据和水位数据传至智慧平台。当某个监测装置发生工作异常时，监测装置会立即向信息采集装置报警，同时工作状态指示灯变红(方便现场直接找到异常监测装置位置)，信息采集装置通过RTU将报警信息传回智慧平台；此外可进行数据异常设置，设置当某数据两次监测间变化大于某一常数时(如，设置溶解氧数据在两字监测中变化大于3mg/L)，向平台报警。各监测装置和水位计监测时间间隔可人为设定，默认设置3小时。在智慧平台的监测装置列表中能直接观测工作状态、各监测装置、水位计实时数据，也可查看某一监测装置或水位计历史数据或对比不同水位下各监测装置数据。

实施例2

本实施例提供了另一种水-土界面理化监测装置，该装置与实施例1地形监测装置的区别仅在于：该装置适用于水位变化较小的滨岸带，监测周期短，该装置采用无线方式与其他装置连接，因此不包括光纤和电源线，但是包括电源和无线通信模块，电源和无线通信模块均位于筒状外壳内，电源为整个装置供电，无线通信模块连接传感器数据采集电路，无线通信模块具体可以是GPRS、3G、4G、5G、WIFI、蓝牙中任意一种。

本实施例还提供了另一种库区消落带监测系统，与实施例1系统的区别仅在于：其包括的水-土界面理化监测装置为本实施例中所述监测装置。

Claims (6)

1.一种水-土界面理化监测装置，其特征在于：包括筒状外壳、锥形头、传感器数据采集电路、密封塞和若干传感器模块，所述筒状外壳一端与锥形头密封连接，另一端采用密封塞密封，所述传感器模块连接所述传感器数据采集电路，且都位于所述筒状外壳的密封空间内，所述传感器模块包括电路板和分别与电路板连接的温度传感器、溶解氧传感器、电导率传感器，电路板、温度传感器、溶解氧传感器和电导率传感器用树脂浇注在一起，所述筒状外壳上对应每个所述传感器模块的安装位置处设有3个方向的开孔，使得对应传感器模块的温度传感器、溶解氧传感器、电导率传感器通过开孔将探头裸露于筒状外壳外。

2.根据权利要求1所述的水-土界面理化监测装置，其特征在于：所述装置还包括状态指示灯，所述状态指示灯位于筒状外壳外，并通过密封塞连接所述传感器数据采集电路。

3.根据权利要求1所述的水-土界面理化监测装置，其特征在于：所述装置还包括电源和存储模块，所述电源和存储模块位于所述筒状外壳内，所述电源为整个装置供电，所述存储模块连接所述传感器数据采集电路。

4.根据权利要求1所述的水-土界面理化监测装置，其特征在于：所述装置还包括光纤和电源线，所述光纤和电源线均从密封塞穿插入筒状外壳，并连接到所述传感器数据采集电路。

5.根据权利要求1所述的水-土界面理化监测装置，其特征在于：位于最上两层的相邻传感器模块对应的开孔间距为5cm，其余相邻传感器模块对应的开孔间距为10cm。

6.一种库区消落带监测系统，其特征在于：包括信息采集装置、水位计、无线传输系统、供电系统、智慧平台和若干如权利要求1-5中任意一项所述的水-土界面理化监测装置，其中：

所述水-土界面理化监测装置垂直插入库区消落带不同高程，并使传感器朝向水域方向，最上层传感器刚好位于水-沉积物界面；

所述信息采集装置包括存储模块和信息处理模块，安装于岸上，通过光纤与所述水-土界面理化监测装置连接，用于控制和监视各监测装置，调节各监测装置监测频次和各传感器工作状态，并将各监测装置的数据汇总和备份在存储模块；

所述水位计安装于监测装置附近，与所述信息采集装置连接，用于监测库区水位变化，水位信息采集频率与监测装置监测频次一致；

所述无线传输系统包括无线传输设备、服务器和无线串口软件，所述无线传输设备与所述信息采集装置连接，并通过有线或无线网络向所述服务器发送数据，所述无线串口软件用于用户通过所述智慧平台远程访问所述服务器数据和控制所述库区消落带监测系统；

所述智慧平台通过虚拟串口与所述无线串口软件连接，用于远程访问各监测装置及水位计工作状态和所述信息采集装置内的数据，对比不同位置不同沉积物深度各参数的变化情况，以及远程调节各监测装置监测频次和各传感器工作状态；

所述供电系统包括电源与太阳能电池板，安装于岸上，用于为整个监测系统供电。

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