CN111811977A - 一种径流泥沙含量与流量测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径流泥沙含量与流量测量装置及测量方法。所公开的装置包括径流收集管、径流泥沙含量测量装置和径流流量测量装置，其中径流泥沙含量装置用于测量径流泥沙含量和小流量径流的流量，径流流量测量装置用于测量大径流的径流流量。所公开的方法为采用本发明的装置对径流泥沙含量和流量进行检测，监测过程中以0.5L/s为大小径流分界。本发明的有益效果是解决了部分地区、某些场景大径流量及含沙量监测的问题，且测量结果准确可靠。

Description

一种径流泥沙含量与流量测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于径流泥沙实时自动监测技术领域，涉及一种径流泥沙测量装置。

背景技术

现有的标准径流小区径流泥沙自动监测仪可实现实时监测的径流泥沙监测仪器设备，对径流流量监测的量程受限，只适用于监测最大量程为 0.5L/s的径流流量。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种径流泥沙含量与流量测量装置，包括径流收集管和径流泥沙含量测量装置，所述径流泥沙含量测量装置的进样口设于径流收集管下方或与径流收集管连接，装置还包括径流流量测量装置，所述径流流量测量装置包括采样容器，该采样容器顶部开设有进样口，底部设有出样口，所述采样容器内进样口至出样口方向上设有稳流管，且所述稳流管底部与所述出样口之间设有间隙，所述稳流管侧壁上开设有缝隙，所述进样口处或采样容器内安装有水位传感器，所述出样口安装有第一阀门；所述径流流量测量装置的进样口与所述径流收集管连接；所述径流泥沙含量测量装置的进样口安装有第二阀门。

可选的所述采样容器为圆筒形，所述稳流管位于所述采样容器内中心部位。

可选的，所述采样容器顶部为敞口，底部为倒锥形，所述出样口位于所述倒锥形底部。

可选的，所述稳流管上开设有多个沿稳流管轴向延长的缝隙，且多个缝隙靠近稳流管底部。

可选的，所述水位传感器安装于稳流管顶部。

可选的，所述稳流管底部沿周向设有多个的L形安装件，L形安装件一端与稳流管连接或与稳流管为一体结构，另一端用于与采样容器底部内壁安装连接，相邻L形安装件之间的间隔空隙形成稳流管底部与出样口之间的间隙。

可选的，采样容器的容积为50～100L；采样容器的高度范围为410～ 710mm。

可选的，所述径流收集管包括分流段管道，该分流段管道相对所述径流泥沙含量测量装置的进样口竖直设置，所述分流段管道的侧壁设有主分流口，且主分流口靠近所述分流段管道出口，所述主分流口通过主分流管道与所述径流流量测量装置的进样口连接。

可选的，所述分流段管道沿管内流体方向设有进口段和出口段，所述进口段内径大于出口段内径，所述主分流口位于进口段。

可选的，所述分流段管道的侧壁还设有副分流口，该副分流口位于主分流口的下方，且靠近分流段管道出口，所述副分流口的口径小于主分流口的口径，所述副分流口通过副分流管道与所述径流流量测量装置的进样口连接。

进一步，装置还包括数据采集模块和总控模块；所述数据采集模块包括用于安装在径流泥沙含量测量装置中用于监测溢流口水流情况的流体传感器及采样器和采样容器内水位高度的水位传感器；所述总控模块用于根据流体传感器或/和水位传感器采集的数据，控制各第一阀门、第二阀门及采样器的排样口的第三阀门的打开与关闭，并计算径流的泥沙含量与流量。

同时，本发明提供了一种径流泥沙含量与流速测量方法。

本发明所提供的测量方法是利用上装置测量径流泥沙含量与流速，方法包括：

待测径流经径流收集管先进入径流泥沙含量测量装置，径流泥沙含量测量装置采样饱和后，径流流量测量装置开始采样，同时径流泥沙含量测量装置开始称重测量待测径流中的泥沙含量；

根据径流泥沙含量测量装置中采样器收集的液体体积与径流泥沙含量测量装置的采样时长计算第一径流流量；

当第一径流流量小于等于0.5L/s时，第一径流流量为待测径流流量；当第一径流流量大于0.5L/s时，第二径流流量为待测径流流量，所述第二径流流量是径流流量测量装置中采样容器收集的液体体积与径流流量测量装置的采样时长计算得到的径流流量。

可选的，所述采样器内预设固定水位高度或固定采样器的采样时长；所述采样容器内预设固定水位或固定采样容器的采样时长。

可选的，所述采样器的固定采样时长为0＜t1≤255min，所述采样容器的固定采样时长为0＜t2≤60s。

本发明的有益效果是解决了部分地区、某些场景大径流量及含沙量监测的问题，且测量结果准确可靠。

附图说明

图1为本发明径流流量测量装置的结构透视图；

图2为本发明稳流管的结构示意图；

图3为实施例1装置的径流流量测量实验结果分析；

图4为对比例1装置的径流流量测量实验结果分析；

图5为实施例2中径流泥沙与流量测量装置结构示意图；

图6为实施例2的装置径流泥沙测量结果示意图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明/发明进行详细说明。

具体实施方式

本发明所述的径流泥沙含量测量装置的主体机械结构及工作原理与“专利名称为“一种径流泥沙实时自动测量装置及测量方法”、申请号为 ZL201510675495.2”中公开的装置机械结构相同或类似。本发明径流泥沙含量测量装置包括计量秤，计量秤上安装有采样器，采样器的顶端设有进样口，采样器的底端设置有排样口，采样器的上方侧壁上还设置有溢流口，该溢流口处安装有流体传感器，进样口处安装有第二阀门，排样口处安装有第三阀门。其中流量舱进样口上方安装有水位传感器。

本发明所述的径流流量是指单位时间内的径流体积。本发明的测量依据是采用固定体积或可计量体积的采样器(径流泥沙含量测量装置中的采样器皿)或采样容器(径流流量测量装置中的采样器皿)采样收集径流，并记录采样时间为t和径流收集体积V，从而计算径流流量

单位可以为 L/s。所述的固定体积或可计量体积是采样过程中采用水位传感器监测水位高度，根据采样器或采样容器的径向尺寸计算收集径流的体积。

为有效实现径流流量监测，尤其是大于0.5L/s的径流流量监测(例如 0.5～6L/s的径流流量监测)，在考虑到仪器的结构尺寸大小的情况下，难点在于不同流量时监测结果的相对误差需要在5％以内。为此，本发明设计的径流流量测量装置主要包括采样容器，该采样容器顶部开设有进样口，底部设有出样口，所述采样容器内在进样口到出样口方向上安装有稳流管，所述稳流管侧壁上开设有缝隙，且所述稳流管底部与所述出样口之间设有间隙。监测时，径流经进样口进入采样容器，进一步通过缝隙进入稳流管内，采样容器内设稳流管可确保采样容器内液面稳定平稳上涨，从而保证监测结果的准确性；待采样容器内水位达到预设高度或停止收集径流时，根据采样容器内水位高度计算待测径流体积，之后对径流流量进行计算。测量完成后打开出样口阀门排出样品。

进一步优选的方案是，稳流管位于采样容器内中心部位。所述采样容器顶部为敞口，底部为倒锥形，所述出样口位于所述倒锥形底部，采用该结构可避免测量时因泥沙沉积、挂壁和堵塞而导致的仪器不能正常工作或测量数据不准确。还可以选择的方案是，所述稳流管上设有多个沿稳流管轴向延长的缝隙，且多个缝隙靠近稳流管底部。所述水位传感器安装于稳流管顶部。

在上述方案基础上，本发明提供了一种具体的稳流管底部采样容器内安装的方式：稳流管底部设有多个相互之间设有空隙的L形安装件，L形安装件一端与稳流管为一体结构，另一端用于与采样容器底部内壁安装连接，相邻L形安装件之间的空隙形成稳流管底部与出样口之间的间隙。

对于不同的流量的径流本发明采取不同的装置测量，具体以0.5L/s为分界点，小于等于0.5L/s的径流流量采用“专利名称为“一种径流泥沙实时自动测量装置及测量方法”、申请号为ZL201510675495.2”中公开的装置测量。对于大于0.5L/s的径流流量采用本发明设计的径流流量测量装置测量。

本发明所述径流泥沙含量是指单位体积径流中所含泥沙的量。本发明依据水沙二相体的密度－重量关系转换原理，获取水、土比重后，通过测量样品的总重量和总体积，计算样品的含沙量，具体计算公式如(1)和(2)所示，具体可采用“专利名称为“一种径流泥沙实时自动测量装置及测量方法”、申请号为ZL201510675495.2”中公开的装置测量。

式中G_总为径流泥沙样品的总重量，kg；V_总为待测径流样品的总体积，m³；V_水为径流样品中所含水的体积，m³；ρ_水为径流样品中水的密度，kg/m³；V_沙为径流样品中所含泥沙的体积；ρ_沙为径流中的泥沙的密度，kg/m³；S为径流泥沙含量。

本发明的径流泥沙含量与流速测量装置是在上述方案基础上设计的，包括径流收集管、径流泥沙含量测量装置和径流流量测量装置，径流泥沙含量测量装置的进样口和径流流量测量装置的进样口均与所述径流收集管连接，径流泥沙含量测量装置中进样口的第二阀门即为其原有的进样阀门。装置工作时，第二阀门打开，径流先进入采样器，待采样器中的水位至其顶部侧壁的溢流口时，第二阀门和第一阀门关闭，径流进入采样容器，采样容器开始收集径流样品，过程中记录各环节的采样时间；之后对径流流量和径流泥沙含量分别进行测量计算，并且考虑到结果的可靠性，当径流泥沙含量测量装置测得流量小于等于0.5L/s时，以径流泥沙含量测量装置测得的流量为径流流量，大于0.5L/s时，以径流流量测量装置测得的流量为径流流量。

在上述式(1)原理基础上，流量计算具体可采取设置采样容器内水位到达H或时间达到T时取样结束。如设置固定水位H(对应的体积为V)，计时时间为取样时间为Δt,流量计算为：

如设置固定时间到达t，雷达水位计读取高度为h,则可以算出体积V,流量计算为：

为更好实现径流先进入采样器后进入采样容器，径流泥沙含量测量装置位于径流收集管的下方，即径流收集管中径流靠自身重力流入采样器，之后通过关闭采样器进样口的阀门，使得径流从径流收集管侧壁进入采样容器。一种具体的方案是，径流收集管道上设有分流段管道，该分流段管道竖直设置，所述分流段管道的底部端口与径流泥沙含量测量装置的进样口连接，分流段管道的侧壁设有主分流口，且主分流口靠近第二阀门，避免因主分流口与第二阀门的距离过大，发生径流后先要聚集在分流段管道中产生沉积泥沙，影响测量精度甚至影响仪器的正常工作，所述主分流口与所述径流流量测量装置的进样口连接。

为有效实现对大径流流量的监测及部件组装，分流段管道的进口内径大于出口内径，且主分流口设在大管径的侧壁。

更进一步的方案中，为避免第二阀门与主分流口之间沉积泥沙，在两者之间设副分流口，且副分流口的口径小于主分流口的口径，径流时先通过副分流口及相应管路进入采样容器，流量大时，通过主分流口及其管路进入采样容器。需要解释说明的是，当装置设有副分流口时，副分流口靠近第二阀门，主分流口位于副分流口的上游。当选用的分流段管道的进口内径大于出口内径时，主分流口设在大管径的侧壁，副分流口设在小管径侧壁。

进一步为实现自动化控制，在上述方案基础上设置总控模块和数据采集模块；数据采集模块主要包括溢流口安装的水流传感器以及采样器和采样容器内的水位传感器，进一步还包括径流泥沙含量测量装置中称重单元控制器；这些数据采集模块中的器件与总控模块连接，将其采集的信号传输给总控模块，总控模块根据相关信号控制第一阀门和第二阀门的打开与关闭，并计算径流的流量与泥沙含量。

为说明本发明的径流流量监测装置结果的可靠性，发明人将径流流量监测装置的检测结果与相关对比例的监测结果进行对比，如实施例1与对比例 1示例。

实施例1：

一种具体的径流流量测量装置如图1和2所示，该测量装置主体为一圆筒状采样容器1，且该采样容器顶部为敞口，底部为倒锥形，倒锥形底部为出样口2，采样容器中心部位安装有稳流管3，稳流管3侧壁上开设有四条细长的缝隙4，四条缝隙位于同一周向并均匀分布，稳流管3底部靠近出样口2安装且稳流管3底部与出样口之间留有缝隙5。进一步，稳流管底部设有四个形状接近L形的安装件6，L形安装件一端与稳流管为一体，另一端用于安装在采样溶液内壁。为方便出样口处外接阀门及收集仓等，出样口外接有安装法兰7。该实施例采样容器的容积为90L，采样容器总高650mm, 锥形底的高度200mm。

对比例1：

该对比例与实施例1不同的是，采样容器10(1)中没有稳流管。

采用实施例1和对比例1的装置进行流量测量实验，向各装置的采样容器中输入具有一定流量的泥沙含量已知的水流，同时采用流量计测量实验过程的实际流量，并采用式(1)计算各装置测得的流量，结果如图3和4 所示，两幅图中的横坐标均为流量计实测流量，纵坐标为各装置测得流量。图3所示，实施例1试验数据结果表明，数据精度达到了5％内；图4所示对比例1实验结果中44.7％数据相对误差超过5％，观察分析其原因为水面波动大导致高度测量不准确。

实施例2：

基于上述实施例1径流流量测量装置，一种具体的径流泥沙与流量测量装置如图5所示，该装置主要由采样器12、采样容器10(1)、分流段管道8、主分流管19、副分流管18、上端蝶阀11、采样器下端蝶阀13、采样容器下端蝶阀17、测控系统40、称重传感器14、溢流管15和溢流传感器16构成，其中，采样器12与采样容器10左右设置，分流段管道8竖直设置在采样器进口上方，采样器进口处设有上端蝶阀11；采样器下端出口设有下端蝶阀 13，采样器顶部侧壁设有溢流管15，溢流管15出口处设有溢流传感器16；

采样器底部设有称重单元及称重传感器14；

采样容器底部的出口处安装有下端蝶阀17，采样容器10内稳流管3上方设有雷达水位计9测水位，雷达波为7到10°的角度，稳流管选用110 标准管；

分流段管道8侧壁的主分流口和副分流口通过主分流管19和副分流管 18连通采样容器10内，分流段管道8直径进口端内径为160mm、出口端内径为50mm,副分流管18直径50mm，主分流管19直径160mm,径流下来后是先进管18，流量大时从主分流管19流入；

蝶阀11、13、17，雷达水位计9及称重传感器14均与控制系统20连接，传输监测与控制信号。

该实施例采样容器的容积为90L，采样容器总高650mm,锥形底的高度 200mm，采样器的容积是5L,总高度480mm。

测量时，蝶阀17打开，蝶阀13关闭，蝶阀11打开，左侧监测仪先工作，至左侧采样器12中的水位达至溢流管15时，溢流传感器16发出信号关闭上端蝶阀11，监测小于等于0.5L/s的径流流量，与此同时，右侧监测仪开始工作；

右侧监测仪在溢流后，蝶阀11关闭完毕后，蝶阀17关闭，所有的流量经过副分流管12流入采样容器10，当流量较大时副分流管12满管，流会经过主分流管19进入采样容器10，与此同时，左边称重单元及称重传感器14 称重、排水、称残重；采样容器10内水位高度达到H，或取样时间达到t(t 小于称重、排水、称残重时间)，蝶阀17打开排水，待残重流程完毕后程序返回初始测量状态(蝶阀13关闭，蝶阀11打开)继续循环；测控系统20 计算泥沙含量与流量；

溢流传感器固定时长(可设定，例如30分钟)未接到溢流信号，视为径流结束，测试工作完成，上端蝶阀11关闭、下端蝶阀13打开，蝶阀17 关闭，设备系统进入待机休眠状态。

采用实施例2装置测量已知泥沙含量已知的水流，利用采集数据采用是 (2)和(3)测量计算水流中的泥沙含量，结果如图6所示；结合实施例1 的监测结果说明，本发明的监测设备可同时对大径流的泥沙和流量进行实时准确监测。

Claims (14)

1.一种径流泥沙含量与流量测量装置，包括径流收集管和径流泥沙含量测量装置，所述径流泥沙含量测量装置的进样口设于径流收集管下方或与径流收集管连接，其特征在于，还包括径流流量测量装置，所述径流流量测量装置包括采样容器，该采样容器顶部开设有进样口，底部设有出样口，所述采样容器内进样口至出样口方向上设有稳流管，且所述稳流管底部与所述出样口之间设有间隙，所述稳流管侧壁上开设有缝隙，所述进样口处或采样容器内安装有水位传感器，所述出样口安装有第一阀门；

所述径流流量测量装置的进样口与所述径流收集管连接；

所述径流泥沙含量测量装置的进样口安装有第二阀门。

2.如权利要求1所述的径流泥沙含量与流量测量装置，其特征在于，所述采样容器为圆筒形，所述稳流管位于所述采样容器内中心部位。

3.如权利要求1所述的径流泥沙含量与流量测量装置，其特征在于，所述采样容器顶部为敞口，底部为倒锥形，所述出样口位于所述倒锥形底部。

4.如权利要求1或2所述的径流泥沙含量与流量测量装置，其特征在于，所述稳流管上开设有多个沿稳流管轴向延长的缝隙，且多个缝隙靠近稳流管底部。

5.如权利要求1所述的径流泥沙含量与流量测量装置，其特征在于，所述水位传感器安装于稳流管顶部。

6.如权利要求1所述的径流泥沙含量与流量测量装置，其特征在于，所述稳流管底部沿周向设有多个的L形安装件，L形安装件一端与稳流管连接或与稳流管为一体结构，另一端用于与采样容器底部内壁安装连接，相邻L形安装件之间的间隔空隙形成稳流管底部与出样口之间的间隙。

7.如权利要求1所述的径流泥沙含量与流量测量装置，其特征在于，所述采样容器的容积为50～100L；采样容器的高度范围为410～710mm。

8.如权利要求1所述的径流泥沙含量与流速测量装置，其特征在于，所述径流收集管包括分流段管道，该分流段管道相对所述径流泥沙含量测量装置的进样口竖直设置，所述分流段管道的侧壁设有主分流口，且主分流口靠近所述分流段管道出口，所述主分流口通过主分流管道与所述径流流量测量装置的进样口连接。

9.如权利要求8所述的径流泥沙含量与流速测量装置，其特征在于，所述分流段管道沿管内流体方向设有进口段和出口段，所述进口段内径大于出口段内径，所述主分流口位于进口段。

10.如权利要求9所述的径流泥沙含量与流速测量装置，其特征在于，所述分流段管道的侧壁还设有副分流口，该副分流口位于主分流口的下方，且靠近分流段管道出口，所述副分流口的口径小于主分流口的口径，所述副分流口通过副分流管道与所述径流流量测量装置的进样口连接。

11.如权利要求8所述的径流泥沙含量与流速测量装置，其特征在于，装置还包括数据采集模块和总控模块；

所述数据采集模块包括用于安装在径流泥沙含量测量装置中用于监测溢流口水流情况的流体传感器及采样器和采样容器内水位高度的水位传感器；

所述总控模块用于根据流体传感器或/和水位传感器采集的数据，控制各第一阀门、第二阀门及采样器的排样口的第三阀门的打开与关闭，并计算径流的泥沙含量与流量。

12.一种径流泥沙含量与流速测量方法，其特征在于，利用权利要求1-11任一权利要求所述装置测量径流泥沙含量与流速，方法包括：

待测径流经径流收集管先进入径流泥沙含量测量装置，径流泥沙含量测量装置采样饱和后，径流流量测量装置开始采样，同时径流泥沙含量测量装置开始称重测量待测径流中的泥沙含量；

根据径流泥沙含量测量装置中采样器收集的液体体积与径流泥沙含量测量装置的采样时长计算第一径流流量；

当第一径流流量小于等于0.5L/s时，第一径流流量为待测径流流量；当第一径流流量大于0.5L/s时，第二径流流量为待测径流流量，所述第二径流流量是径流流量测量装置中采样容器收集的液体体积与径流流量测量装置的采样时长计算得到的径流流量。

13.如权利要求12径流泥沙含量与流速测量方法，其特征在于，所述采样器内预设固定水位高度或固定采样器的采样时长；所述采样容器内预设固定水位或固定采样容器的采样时长。

14.如权利要求13径流泥沙含量与流速测量方法，其特征在于，所述采样器的固定采样时长为0＜t1≤255min，所述采样容器的固定采样时长为0＜t2≤60s。

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