CN112945366A - 一种应用于径流小区水沙自动化观测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于径流小区水沙自动化观测设备，包括集流桶、集流槽和水沙自动化观测方法，所述集流桶的内部安装有称重传感器、温度传感器和水位传感器，所述集流桶与集流槽之间安装有进水电磁阀，所述集流桶的底部安装有出水电磁阀，所述集流桶顶部设有进流口，所述集流桶底部设有出流口，所述集流桶上部成圆柱体设置，下部呈锥形设计。本发明，通过对径流小区产流产沙进行精确的监测，水沙测、排同步进行，利用水位传感器的变化对产生的径流进行动态监测，即在一定的时间内汇集水量来计算流量，解决了传统的泥沙监测将泥沙全部或按比例收集起来，等降雨停止后进行测定，导致由于沉淀等因素所造成较大的误差。

Description

一种应用于径流小区水沙自动化观测设备

技术领域

本发明涉及水沙观测技术领域，尤其涉及一种应用于径流小区水沙自动化观测设备。

背景技术

水土保持监测是指对水土流失发生、发展、危害及水土保持效益进行长期的调查、观测和分析工作，所谓水土保持监测工作，是指在进行水土保持运行过程中，按照监测工作的实际要求，对水土保持监测所涉及的各个项目指标进行严格控制，保证水土保持监测在运行过程中，真实有效的反映出水土环境的状态，为水土环境保持提供相应的技术支持，水土流失监测点的观测和试验设施是采集水土流失数据的基础设施，是全国水土保持监测网络数据的来源和起点，水土保持监测数据是对监测区域水土流失的成因、数量、强度、影响范围、危害及其防治效果科学评估的基础和依据。

目前，全国水土保持监测网络中泥沙观测大多为人工取样烘干观测，大多数监测点观测自动化程度低、工作量大，人为误差大，部分监测点引入红外线感应泥沙观测、测流堰流量自动观测等自动观测设备，但存在不成熟不稳定等问题，自动监测设备误差校核与控制体系尚未建立，长期以来，常用的水蚀监测方法为径流小区法，这也是较为科学的监测方法。径流小区是对坡地水土流失规律和小流域水土流失规律进行定量研究的一种测验设施，一般由边埂与边埂围成的小区、集流槽、径流和泥沙集蓄设备、保护带及排水系统组成，我国土壤侵蚀研究中的标准小区应选定5°或15°坡度、20m坡长、5m宽的清耕休闲地。传统的径流小区法在监测水土流失量的操作过程中，流程一般为：收集→采样→分析→得出结果。收集：在降雨过程中，收集20×5m的坡面产流，通过急流槽汇入蓄水池，取样：一场降雨结束后，工作人员通过搅动池中收集的泥水(由于大颗粒泥沙容易沉淀)，搅动均匀后取样，取样结束后还要清理池中泥沙，分析：将取回样品进行烘干，测定样品泥沙含量；最后利用样品测得数据换算出整个径流小区的产流产沙量。因此，采样的精度直接决定着监测的结果。而砾石和砂粒的大量存在使得泥沙不易被搅动，并且它们沉降速度极快，用传统搅拌采样的方法无法取得具有代表性的泥沙样品，采样结果往往不能得到相应比例的粗颗粒部分，使得含沙量结果大大偏低，甚至误差率高达90％，后期提出分层取样的采样方法，分层采样提高了实验精度，但是其方法程序复杂，过程耗时长，同时需要较多人力，因此不便于操作，在实际监测工作中难以推广，但在径流小区产流产沙的观测中，由于难以找到更精确、更智能、更自动化的方法，目前全国各地绝大部分径流小区数据采集仍然采用传统方法，传统方法现场只有部分自计记录仪，只能实现径流池水量的数据采集，而泥沙部分都需要取样分析，在我国水土保持监测工作中，技术水平的不足、人工费用增加、基层工作人员专业水平不一等问题严重制约着水土保持监测的发展，随着科学技术的日益发展，在大力倡导生态文明建设的今天，对于水土保持监测的准确性、自动化程度、指标集约管理等方面的要求越来越高，水土保持监测自动化设备的研发，将大大提高监测的准确性、便捷性，基于上述精确性、智能性等方面的不足，为此，提出了一种应用于径流小区水沙自动化观测设备。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中水沙测量精确性以及智能化低下的缺点，而提出的一种应用于径流小区水沙自动化观测设备。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种应用于径流小区水沙自动化观测设备，包括集流桶、集流槽和水沙自动化观测方法，所述集流桶的内部安装有称重传感器、温度传感器和水位传感器，所述集流桶与集流槽之间安装有进水电磁阀，所述集流桶的底部安装有出水电磁阀。

优选地，所述集流桶顶部设有进流口，所述集流桶底部设有出流口，所述集流桶上部成圆柱体设置，下部呈锥形设计，所述出流口的直径为63mm，所述称重传感器、温度传感器和水位传感器上均安装有数据采集器。

优选地，所述水沙自动化观测方法包括以下步骤：

S1、产流产沙汇集：集流槽汇集径流小区产流产沙，经过进水电磁阀注入到集流桶的内部；

S2、混合泥沙称重：通过水位传感器进行水位的测定，水位传感器检测到水位到20cm以上高时，记录经过时间，记录此时进水及桶等总重，计算进水重量，关闭进水电磁阀，打开出水电磁阀，水位传感器恢复原计数后，关闭出水电磁阀，打开进水电磁阀，进行下一次汇流计算；

S3、流量监测：根据进水的水位计算水量及其使用时间，计算汇水流量；

S4、含沙量监测：根据进水重量及水量体积，得到同体积温度下净水重量，计算得到泥沙重量及单位体积泥沙量；

S5、数据传输：结合计算泥沙量，拟合泥沙密度，进行最终数据结果修正，通过4G上传到数据中心，并显示到监视屏幕上。

优选地，所述S2中样品含沙量的计算公式为：

G_总＝V_沙×d_沙+V_水×d_水

优选地，所述S3中流量的计算公式为：

Y＝π×0.125²×X/t

相比现有技术，本发明的有益效果为：

1、本发明中，通过对径流小区产流产沙进行精确的监测，水沙测、排同步进行，利用水位传感器的变化对产生的径流进行动态监测，即在一定的时间内汇集水量来计算流量，解决了传统的泥沙监测将泥沙全部或按比例收集起来，等降雨停止后进行测定，导致由于沉淀等因素所造成较大的误差，整个设备无需进行泥沙清理，只需进行简单设备维护，减小了人工输出，采用物联网技术进行远程数据采集、传输、融合、处理，所有监测数据采用物联网，将相关参数的传感设备采集的信息通过无线传感网络进行数据传输，最终实现远程环境监控和自动化控制，能大大减少人工成本，同时减少了对监测数据进行后期管理的工作量，在各地年度数据汇编工作中发挥巨大作用，对于推动我国水土保持监测发展具有重要意义。

2、集流桶采用上部筒装，增大体积，增加集流重量，提高集流水体重量占比，下部锥形，增加下流压力，加快出流速度，提高采样频率，下部出流口口径63mm，口径大，出流量大，减少污泥沉积，设计上圆下锥形，提高对抗土壤粘性的功能，提高后续测量准确性。

3、本设备无需传统的搅拌、取样、测定等工作，所有测量部件均加入数据采集装置，通过4G通信进行数据传输，大大降低了人工操作及工作强度。

4、本设备在径流小区产流产沙量检测计量中，能够较为准确地测定产流产沙量，其中产流观测误差在±7％左右，产沙观测误差在±5％，主要观测误差不超过5％，后续标定校准后，能进一步提高相应准确性，本设备对现场施工要求低，对操作人员要求低，现场安装简单方便，能很好的满足径流小区径流检测的要求，通过水位传感器以及称重传感器的配合使用，提升水沙观测的智能化设置。

附图说明

图1为本发明提出的一种应用于径流小区水沙自动化观测设备的结构示意图；

图2为本发明提出的一种应用于径流小区水沙自动化观测设备

图1中集流桶的立体图；

图3为本发明提出的一种应用于径流小区水沙自动化观测设备检测结果图；

图4为本发明提出的一种应用于径流小区水沙自动化观测设备标样与实测样相关图；

图5为本发明提出的一种应用于径流小区水沙自动化观测设备标样与实测样相关图。

图中：1集流桶、2进水电磁阀、3出水电磁阀、4水位传感器、5称重传感器、6温度传感器、7进流口、8出流口。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1-5，一种应用于径流小区水沙自动化观测设备，包括集流桶1、集流槽和水沙自动化观测方法，集流桶1的内部安装有称重传感器5、温度传感器6和水位传感器4，集流桶1与集流槽之间安装有进水电磁阀2，集流桶1的底部安装有出水电磁阀3，集流桶1顶部设有进流口7，集流桶1底部设有出流口8，集流桶1上部成圆柱体设置，下部呈锥形设计，出流口8的直径为63mm，称重传感器5、温度传感器6和水位传感器4上均安装有数据采集器，称重传感器5采用高精度铝合金平行梁称重传感器，称重传感器5在使用的时候选择量程适宜的，过高过低都会影响精度，同时集流桶1的积水量与集流桶1的重量比对于精度影响较大，重量比越大，精度越高，采用拉力传感器作为称重传感器，可以自平衡特性，减少设备安装平衡性要求，水位传感器4采用直杆插入式液位计，此为静压式水位传感器4，静压式水位传感器4通过管内测量，受水波动影响小，温度传感器6采用水温度探头，集流桶1为10L锥形集流桶，利用进水电磁阀2和出水电子阀3进行控流。

水沙自动化观测方法包括以下步骤：

S1、产流产沙汇集：集流槽汇集径流小区产流产沙，经过进水电磁阀2注入到集流桶1的内部；

S2、混合泥沙称重：通过水位传感器4进行水位的测定，水位传感器4检测到水位到20cm以上高时，记录经过时间，记录此时进水及桶等总重，计算进水重量，关闭进水电磁阀2，打开出水电磁阀3，水位传感器4恢复原计数后，关闭出水电磁阀3，打开进水电磁阀2，进行下一次汇流计算；

S3、流量监测：根据进水的水位计算水量及其使用时间，计算汇水流量；

S4、含沙量监测：根据进水重量及水量体积，得到同体积温度下净水重量，计算得到泥沙重量及单位体积泥沙量；

S5、数据传输：结合计算泥沙量，拟合泥沙密度，进行最终数据结果修正，通过4G上传到数据中心，并显示到监视屏幕上，通过4G传输能够提升实时响应与处理能力，采用信道复用技术实现多个用户均实时在线，可同时对多个监测站进行数据采集。

S2中样品含沙量的计算公式为：

G_总＝V_沙×d_沙+V_水×d_水

需要注意的是：

取决于沙土的吸水性、溶水性，对于不易溶于水的沙，取值1.00，本设备取值0.9。

S3中流量的计算公式为：

Y＝π×0.125²×X/t

其中：Y为流量，m³；

X为水位，m；

t为时间，s。

本发明可通过以下操作方式阐述其功能原理：

首先，通过实验，确定在暴雨条件下径流小区产流在满足过流速度时所需管道口径，并检测所用水位传感器4、称重传感器5在浑水中的测量精度，通过水位传感器4以及称重传感器5，对设备进行测试，测试率定设定10升水，加入15个泥沙样品，分别为20g、50g、100g、200g、300g、400g、500g、600g、700g、800g、900g、1000g、1500g、2000g、3000g，搅拌均匀。将率定标样汇入径流入口，按标准操作流程，取得结果数据，重复3次，完成一个样品测量，中间用清澈水流清洗一次，尽量避免上一次测量的影响。

对设备进行泥沙过流测试，2种测试方案，其中水量一定情况下，添加不同量的泥沙，总计15个标样，第2种是泥沙一定量的情况下，不同水量，总计5个标样，测试时，是在特定的一致的时间内，完成水量过流，每个测样测试3次。

设备电源AC 220V或DC 24V，超过额定电压，可能会烧毁内部整流器，内部采用电子电路，在电力不方便接的地方，可采用太阳能、电池以及加接地线进行供电，并对设备做一定防水防潮处理，但是不能直接进水，容易导致短路，从而损坏设备线路，集流桶1需要定期检查，是否有泥沙吸附，定期用清水清洗径流通道，保持畅通，定期检测上次数据是否存在异常，检测完成后，利用自动化设备实现对径流小区水沙进行观测，通过水位传感器4和称重传感器5得出混合泥沙重量以及水流量，静压式水位传感器是一种测量液位的压力传感器。静压式水位传感器是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号(一般为4～20mA/1～5VDC)，通过测量接收端电流的大小，利用A/D转换器进行采样处理，就可以获知当前水位，再根据含沙量以及流量的计算公式，称重传感器5、水位传感器4通过数据远传设备，对数据进行采集及远传，将流量、水位、泥沙重等传感设备信息量采集通过无线网络进行数据传输，智能化得出水沙的数据，实现水沙自动化观测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于径流小区水沙自动化观测设备，包括集流桶(1)、集流槽和水沙自动化观测方法，其特征在于，所述集流桶(1)的内部安装有称重传感器(5)、温度传感器(6)和水位传感器(4)，所述集流桶(1)与集流槽之间安装有进水电磁阀(2)，所述集流桶(1)的底部安装有出水电磁阀(3)，所述集流桶(1)顶部设有进流口(7)，所述集流桶(1)底部设有出流口(8)，所述集流桶(1)上部成圆柱体设置，下部呈锥形设计，所述出流口(8)的直径为63mm，所述称重传感器(5)、温度传感器(6)和水位传感器(4)上均安装有数据采集器。

2.根据权利要求1所述的一种应用于径流小区水沙自动化观测设备，其特征在于，所述集流桶(1)顶部设有进流口(7)，所述集流桶(1)底部设有出流口(8)，所述集流桶(1)上部成圆柱体设置，下部呈锥形设计，所述出流口(8)的直径为63mm，所述称重传感器(5)、温度传感器(6)和水位传感器(4)上均安装有数据采集器。

3.根据权利要求1所述的一种应用于径流小区水沙自动化观测设备，其特征在于，所述水沙自动化观测方法包括以下步骤：

S1、产流产沙汇集：集流槽汇集径流小区产流产沙，经过进水电磁阀(2)注入到集流桶(1)的内部；

S2、混合泥沙称重：通过水位传感器(4)进行水位的测定，水位传感器(4)检测到水位到20cm以上高时，记录经过时间，记录此时进水及桶等总重，计算进水重量，关闭进水电磁阀(2)，打开出水电磁阀(3)，水位传感器(4)恢复原计数后，关闭出水电磁阀(3)，打开进水电磁阀(2)，进行下一次汇流计算；

S3、流量监测：根据进水的水位计算水量及其使用时间，计算汇水流量；

S4、含沙量监测：根据进水重量及水量体积，得到同体积温度下净水重量，计算得到泥沙重量及单位体积泥沙量；

S5、数据传输：结合计算泥沙量，拟合泥沙密度，进行最终数据结果修正，通过4G上传到数据中心，并显示到监视屏幕上。

4.根据权利要求3所述的一种应用于径流小区水沙自动化观测设备，其特征在于，所述S2中样品含沙量的计算公式为：

G_总＝V_沙×d_沙+V_水×d_水

5.根据权利要求1所述的一种应用于径流小区水沙自动化观测设备，其特征在于，所述S3中流量的计算公式为：

Y＝π×0.125²×X/t

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