CN113466432B - 一种山体水平孔径土壤监测与山体渗漏水采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种山体水平孔径土壤监测与山体渗漏水采集系统，涉及山体土壤监测技术领域，包括管体外壳、渗漏水采集系统、多参数传感器安装系统和数据采集系统，管体外壳渗漏水采集系统、多参数传感器安装系统设置在管体外壳内。本发明集安装和检修为一体，能够完成传感器在水平深孔侧壁的半自动安装，管体内集成山体水平方向渗漏水采集装置，能同时完成不同水平深度渗漏水的连续采集，坡面原位打孔安装，最小化对原有土层的扰动和破坏，管式结构，可多系统组合，扩展性强，采集精度高，运算速度快，寿命延长。
Description
技术领域
本发明属于山体土壤监测技术领域，涉及一种山体水平孔径土壤监测与山体渗漏水采集系统，具体为一种山体水平孔径土壤水分-温度监测与山体渗漏水采集系统。
背景技术
山体或坡面水平深度土壤水分、温度、电导率等指标以及渗漏水的采集是研究山体或坡面水平深度土壤特征的重要指标，目前，缺少一种能够对土壤水分、温度、电导率等数据进行原位检测、渗漏水原位采集，并且可适应野外恶劣的环境，同时能完成不同水平深度渗漏水的连续采集的这么一种装置，为此，我们设计并提出了一种山体水平孔径土壤水分-温度监测与山体渗漏水采集的系统。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种山体水平孔径土壤监测与山体渗漏水采集系统。用于坡面水平深度土壤水分、温度、电导率等指标的原位监测以及渗漏水的原位采集。应用场景为山地和丘陵坡面、河岸、湖岸等渗水出口面，也可安装小流域出口，服务于流域水文过程监测。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
设计一种山体水平孔径土壤监测与山体渗漏水采集系统，包括管体外壳、渗漏水采集系统、多参数传感器安装系统和数据采集系统，所述管体外壳渗漏水采集系统、多参数传感器安装系统设置在管体外壳内；
所述渗漏水采集系统包括多个渗水收集装置，多个渗水收集装置阵列设置在管体外壳的顶部，渗水收集装置的底部均连接有渗水收集管，所述渗水收集管的另一端延伸至管体外壳的外部，并连接在水样储存装置上；
所述多参数传感器安装系统包括多个传感器固定平台，多个所述传感器固定平台阵列设置在管体外壳的内部，每个所述传感器固定平台的一侧安装在升降机构上，所述升降机构远离传感器固定平台的一侧设有用于驱动升降机构进行升降的转动轴，所述转动轴的端部固定设有转动轮；
所述数据采集系统包括数据采集器、土壤传感器、防护机箱、太阳能板和支架，所述土壤传感器固定设置在传感器固定平台上，所述数据采集器设置在防护机箱内，并由太阳能板供电，所述太阳能板设置在支架上；
所述管体外壳对应传感器固定平台的一侧设有对应的预留孔。
进一步的，所述渗水收集装置呈漏斗结构，且底部设有与渗水收集管相连的渗水孔，所述渗水收集装置内填充有石英砂层，所述石英砂层的外部包裹有土工布层。
进一步的，所述管体外壳的外部，并位于渗水收集装置的位置设有一周用于固定石英砂层的钢丝网。
进一步的，所述渗水收集装置与渗水收集管的连接处设有用于密封的硅胶管。
进一步的，所述升降机构包括交叉设置的第一升降臂和第二升降臂，所述第一升降臂和第二升降臂的交叉点设有第一转轴；
所述第一升降臂的一端设有固定转轴，另一端设有第二转轴；
所述固定转轴的两端设有固定座，所述固定座固定在管体外壳的内部上，所述第二转轴连接在传感器固定平台的一端上；
所述第二升降臂的一端设有滑动轴，另一端设有第三转轴，所述滑动轴以活动的方式连接在传感器固定平台的另一端上，所述传感器固定平台对应滑动轴的一端设有与滑动轴相适配的滑槽；
所述固定转轴上设有用于固定连接转动轴的限位轴套，所述第三转轴上设有用于活动连接转动轴的活动轴套。
进一步的，所述土壤传感器包括用于土壤水分检测的湿度传感器、用于土壤温度检测的温度传感器和用于土壤电导率检测的电导率传感器。
进一步的，所述数据采集器内设有用于检测数据存储的存储器和用于远程控制的通信模块。
与现有技术相比，采用本方案的山体水平孔径土壤监测与山体渗漏水采集系统，有益效果在于：
（1）、本发明采用系统一体化集成，土壤传感器和渗水采集装置高度集成于管体外壳，坡面原位打孔安装，最小化对原有土层的扰动和破坏，管式结构，可多系统组合，扩展性强，采集精度高，运算速度快，寿命延长。
（2）、本发明集安装和检修为一体，能够完成传感器在水平深孔侧壁的半自动安装；管体内集成山体水平方向渗漏水采集装置，能同时完成不同水平深度渗漏水的连续采集。
（3）、本发明采用工作管理数据采集存储主控机可本地存储大量的数据，可在现场通过接口就地下载数据，具有上位机计算机上实时监测、显示各测量参数动态过程以及曲线、历史数据下载功能，可现场在数据管理主控机上自由设置采样频率以及调整时钟数据，从而实现时间的完全一致功能。
（4）、本发明采用外部配备稳定的野外数据采集系统、渗漏水储存系统及通信模块，观测数据自动采集，同时可实现远程控制，同时，具有GPRS无线组网功能，如果几个小区不在同一个地区，那么可以组网进行综合监测。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明关于系统的结构示意图
图2是本发明关于管体外壳的立体结构示意图；
图3是本发明关于管体外壳的内部结构示意图；
图4是本发明中关于升降机构的结构示意图；
图5是本发明中关于渗水收集装置的内部结构示意图;
图中标记为：管体外壳1、渗水收集装置2、渗水孔21、土工布层23、钢丝网24、渗水收集管3、水样储存装置4、传感器固定平台5、升降机构6、固定座60、第一升降臂61、第二升降臂62、第一转轴63、固定转轴64、第二转轴65、滑动轴66、第三转轴67、限位轴套68、活动轴套69、滑槽610、转动轴7、转动轮8、数据采集器9、土壤传感器10、防护机箱11、太阳能板12、支架13、硅胶管14、预留孔15。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设有”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。
参见图1-2，一种山体水平孔径土壤监测与山体渗漏水采集系统，包括管体外壳1渗漏水采集系统、多参数传感器安装系统和数据采集系统，管体外壳1渗漏水采集系统、多参数传感器安装系统设置在管体外壳1内,管体外壳1的材料采用CPVC新型工程塑料，使管体外壳1具有抗冻耐热耐腐蚀的能力，公称压力1.0（Mpa），壁厚18.7mm，直径20-30cm,耐温-55-100℃。
参见图2、3和5，渗漏水采集系统包括4-6个渗水收集装置2，水平向沿管布设，渗水收集装置2呈漏斗结构，渗水收集装置2内填充有石英砂层22，石英砂层22的外部包裹有土工布层23，管体外壳1的外部，并位于渗水收集装置2的位置设有一周用于固定石英砂层22的钢丝网24，配备钢丝网、土工布和石英砂三层防堵塞材料。渗水收集装置2的底部均连接有渗水收集管3，渗水收集装置2的底部设有与渗水收集管3相连的渗水孔21，渗水收集装置2与渗水收集管3的连接处设有用于密封的硅胶管14，渗水收集管3的另一端延伸至管体外壳1的外部，并连接在水样储存装置4上。
参见图3和4，多参数传感器安装系统包括4-6个传感器固定平台5，多个传感器固定平台5阵列设置在管体外壳1的内部，每个传感器固定平台5的一侧安装在升降机构6上，升降机构6的升降空间10cm,自带锁死功能，升降机构6远离传感器固定平台5的一侧设有用于驱动升降机构6进行升降的转动轴7，转动轴7的端部固定设有转动轮8，传感器固定平台5、升降机构6、转动轴7以及转动轮8均采用304不锈钢制成，确保产品在野外恶劣的环境中长期稳定运行。升降机构6包括交叉设置的第一升降臂61和第二升降臂62，第一升降臂61和第二升降臂62的交叉点设有第一转轴63；第一升降臂61的一端设有固定转轴64，另一端设有第二转轴65；固定转轴64的两端设有固定座60，固定座60固定在管体外壳1的内部上，第二转轴65连接在传感器固定平台5的一端上；第二升降臂62的一端设有滑动轴66，另一端设有第三转轴67，滑动轴66以活动的方式连接在传感器固定平台5的另一端上，传感器固定平台5对应滑动轴66的一端设有与滑动轴66相适配的滑槽610；固定转轴64上设有用于固定连接转动轴7的限位轴套68，第三转轴67上设有用于活动连接转动轴7的活动轴套69。
参见图1-3，数据采集系统包括数据采集器9、土壤传感器10、防护机箱11、太阳能板12和支架13，土壤传感器10固定设置在传感器固定平台5上，土壤传感器10包括用于土壤水分检测的湿度传感器、用于土壤温度检测的温度传感器和用于土壤电导率检测的电导率传感器，土壤水分：准确度矿质土：±3%(EC＜10dS/m)；多孔介质：±1-2%(单独校准后)；分辨率0.002m3/m3或者0.2%VWC(0<VWC<40%)；测量范围0-57%。土壤温度：准确度±1℃；分辨率0.1℃；测量范围-40-60℃。电导率：准确度±10%@0~10dS/m，10dS/m以上需要使用者校准；分辨率0.001dS/m@0~23dS/m；测量范围0-23dS/m。数据采集器9设置在防护机箱11内，并由太阳能板12供电，太阳能板12设置在支架13上，数据采集器9连接有数据管理主控机，主控机内设有用于检测数据存储的存储器和用于远程控制并可进行GPRS无线组网的通信模块，,主控机连接有上位机计算机，显示部分：通道数1个。数据输出RS-232数据线。存储容量5000个读数(1MB)。测定速度＜1s。显示128×64字符。
具体地，使用时，该系统安装需要预先对选定的坡面水平打孔，深度以透过弱风化层，达到基岩为准，标准水平深度为2到4m。传感器安装，将传感器固定平台5沿滑轨全部拉出，反向旋转位于传感器固定平台5上紧固件螺丝，放入合适尺寸的橡胶垫，放入传感器，旋紧螺丝即可，安装时注意传感器数据传输线放置，不可干扰升降机构6正常工作。渗水收集装置2组装，使用硅胶管14将渗水收集装置2与渗水收集管3在管体外壳1的管体中连接；在渗水收集装置2中的渗水孔21处垫土工布，然后填满石英砂，使用土工布包裹整个渗水收集装置2，最后使用钢丝网包裹此处的整个管体，使用紧固拧紧，确保不产生滑动。现场打孔，选定打孔位置后，需要了解当地的土层的分布，打孔需沿水平方向直线打入。孔直径需接近管体外径，不大于0.5cm为宜。渗漏水储存装置安装，将穿出管体外壳1的渗水收集管3与水样储存装置4相连接，并保持一一对应，安装现场应确保水样储存装置4处于稳定位置，避免位移。水样储存装置4的容量应根据渗水速率确定，同时可按需配备连续分时段水样采集装置。数据采集器安装调试，将输出数据线一端穿过管体外壳1与数据采集器9相连接。检测数据采集装置信号是否正常，电缆埋设（或架设）应采取有效防护、保护措施，确保信号传输稳定可靠。定期查看传感器数据是否正常，如出现传感器无法正常工作，在通过排除软件问题后，可旋转转轴将传感器从土壤中取出，拉出导轨，取下传感器带回检修，或更换新传感器。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种山体水平孔径土壤监测与山体渗漏水采集系统，包括管体外壳（1）、渗漏水采集系统、多参数传感器安装系统和数据采集系统，其特征在于，所述山体水平孔径土壤监测与山体渗漏水采集系统安装需要预先对选定的坡面水平打孔，所述管体外壳（1）设置在水平孔内，渗漏水采集系统、多参数传感器安装系统设置在管体外壳（1）内；
所述渗漏水采集系统包括多个渗水收集装置（2），多个渗水收集装置（2）阵列设置在管体外壳（1）的顶部，所述渗水收集装置（2）呈漏斗结构，且底部设有与渗水收集管（3）相连的渗水孔（21），所述渗水收集装置（2）内填充有石英砂层（22），所述石英砂层（22）的外部包裹有土工布层（23），渗水收集装置（2）的底部均连接有渗水收集管（3），所述渗水收集管（3）的另一端延伸至管体外壳（1）的外部，并连接在水样储存装置（4）上；
所述多参数传感器安装系统包括多个传感器固定平台（5），多个所述传感器固定平台（5）阵列设置在管体外壳（1）的内部，每个所述传感器固定平台（5）的一侧安装在升降机构（6）上；
所述升降机构（6）包括交叉设置的第一升降臂（61）和第二升降臂（62），所述第一升降臂（61）和第二升降臂（62）的交叉点设有第一转轴（63）；
所述第一升降臂（61）的一端设有固定转轴（64），另一端设有第二转轴（65）；
所述固定转轴（64）的两端设有固定座（60），所述固定座（60）固定在管体外壳（1）的内部上，所述第二转轴（65）连接在传感器固定平台（5）的一端上；
所述第二升降臂（62）的一端设有滑动轴（66），另一端设有第三转轴（67），所述滑动轴（66）以活动的方式连接在传感器固定平台（5）的另一端上，所述传感器固定平台（5）对应滑动轴（66）的一端设有与滑动轴（66）相适配的滑槽（610）；
所述固定转轴（64）上设有用于固定连接转动轴（7）的限位轴套（68），所述第三转轴（67）上设有用于活动连接转动轴（7）的活动轴套（69）；
所述升降机构（6）远离传感器固定平台（5）的一侧设有用于驱动升降机构（6）进行升降的转动轴（7），所述转动轴（7）的端部固定设有转动轮（8）；
所述数据采集系统包括数据采集器（9）、土壤传感器（10）、防护机箱（11）、太阳能板（12）和支架（13），所述土壤传感器（10）固定设置在传感器固定平台（5）上，所述数据采集器（9）设置在防护机箱（11）内，并由太阳能板（12）供电，所述太阳能板（12）设置在支架（13）上；
所述管体外壳（1）对应传感器固定平台（5）的一侧设有对应的预留孔（15）。
2.根据权利要求1所述的一种山体水平孔径土壤监测与山体渗漏水采集系统，其特征在于，所述管体外壳（1）的外部，并位于渗水收集装置（2）的位置设有一周用于固定石英砂层（22）的钢丝网（24）。
3.根据权利要求1所述的一种山体水平孔径土壤监测与山体渗漏水采集系统，其特征在于，所述渗水收集装置（2）与渗水收集管（3）的连接处设有用于密封的硅胶管（14）。
4.根据权利要求1所述的一种山体水平孔径土壤监测与山体渗漏水采集系统，其特征在于，所述土壤传感器（10）包括用于土壤水分检测的湿度传感器、用于土壤温度检测的温度传感器和用于土壤电导率检测的电导率传感器。
5.根据权利要求1所述的一种山体水平孔径土壤监测与山体渗漏水采集系统，其特征在于，所述数据采集器（9）连接有数据管理主控机，所述主控机内设有用于检测数据存储的存储器和用于远程控制并可进行GPRS无线组网的通信模块，所述主控机连接有上位机计算机。
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2021
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