CN114280326A - 岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置及过流能力监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩溶洼地落水洞流量监测领域，具体涉及岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置及过流能力监测方法。针对目前已有的流速测量装置难以适合落水洞淹没工况下的测量，本发明提供的落水洞流速测量装置巧妙的设计了测量端，U型管左端的测量端垂直固定在测量的落水洞，根据落水洞的水流冲击造成测量端的U型管内两端液面高度差，进而通过伯努利方程分析得到落水洞淹没状态下的流速过程，从而获得落水洞各点的流量过程，最终获得淹没状态下的洼地落水洞的水位‑过流能力关系曲线。本发明适用于落水洞淹没工况下的垂直测量工况，且能准确获得测量点的流速数据，简单易安装。
Description
技术领域
本发明属于岩溶洼地落水洞流量监测领域，具体涉及岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置及过流能力监测方法。
背景技术
峰丛洼地为我国西南典型岩溶地貌，发育大量封闭岩溶洼地，洼地底部一般通过落水洞与岩溶管道直接相连，暴雨期间洼地内产生的地面径流直接通过落水洞进入岩溶管道，进而对岩溶泉水流和水化学造成影响。岩溶洼地是因岩溶侵蚀导致的形态各异的多边形封闭状负地形，其中峰丛洼地最为发育，约占广西岩溶面积的51％，宽度为百米内的又可称为“小洼地”。洼地底部常有落水洞，为宽度从数厘米到数几十米的垂向洞穴，具有导水汇水能力强、通道宽大、补给速度快的特点，随着淹没水位的上升，落水洞的过流能力也随之增强，是岩溶峰丛洼地系统在降雨中进行排水从而防止内涝的主要通道。由于小洼地的面积局限性和独特的封闭性，对内涝的抵抗能力相对较弱，并且现在针对小型洼地的研究比较缺乏，因此可以对小洼地落水洞的过流能力进行监测，探究其不同水位下过流能力，进而提高岩溶区小洼地防涝预警能力。
近年来国内外部分学者也对上述问题进行了相关研究，大致可分为以下几类：第一类学者通过室内试验和物理模拟等手段，研究包含落水洞的岩溶裂隙- 管道含水介质水流运动规律，沈振中等《岩溶管道与裂隙交叉渗流特性试验研究》通过室内试验探究多重含水介质的特性，以上研究岩溶内水流特性，但未研究落水洞泄流能力特性。第二类学者根据野外调查试验研究落水洞的汇流特性，如闫伟伟等《利川市清江落水洞水位～流量关系推求》推求了清江下游落水洞的水位-流量关系，为地区防洪工程设计服务，但非实测落水洞水位-流量关系，采用模拟计算获得。授权公告号为CN107202570A的中国专利发明了一种水位流速流量监测一体化装置，包括雷达水位测量模块、雷达流速测量模块、风速测量模块和流量计算模块，但该装置适用于河道/渠道控制断面，非洼地内垂向型的落水洞。
而目前已有的流速仪主要有多普勒流速仪，雷达流速仪，转子流量计，电磁式点流速仪并不适用于垂向型落水洞淹没时工况的测量。多普勒流速仪需要将传感器安装在断面底部，由于落水洞深度不定，大小不定，且以垂向为主，因此不适合该工况的测量。雷达流速仪安装于管道上方，且测量的为表面流速，无法测得落水洞淹没时，洞内断面流速。电磁式点流速仪主要用于明渠、暗渠、河道，且要求流体的电导率均匀且各向同性，由于落水洞处于野外，环境复杂，水流杂质含量变化快，电磁式流速仪并不适用于该工况。因此以上三种并不适用与落水洞淹没时这种特殊工况。转子流量计可以测量垂向管道流速，但适用于测量通过管道直径D<150mm的小流量，且入口处应有5倍管径以上长度的直管段而落水洞洞口较大洞内环境复杂，难以适用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置及过流能力监测方法，具体技术方案如下：
岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置，包括测量端、处理端；所述测量端包括开口向上的U型管；所述处理端包括稳压电源和依次连接的力敏电阻、电流传感器、微处理器；所述稳压电源分别与力敏电阻、电流传感器、微处理器连接；
所述U型管为了保证在淹没水深较小时也能产生明显高度差，增加其灵敏度，采用直径为5-10mm不锈钢管，以保证在野外不会轻易被水流中杂质破坏，同时避免杂物进去管内，对测量造成影响；
所述U型管内填充有用于隔绝U型管右端的空气与外部环境的压力测量介质；所述U型管的左端开口向上，垂直放置在落水洞入口处，所述U型管的右端通过管道连接力敏电阻；
所述U型管中的压力测量介质在落水洞入口处的水的压力下改变U型管右端的管道内的压力；所述力敏电阻用于测量U型管右端的管道内的压力进而改变自身阻值；所述电流传感器用于测量力敏电阻的电流并将测量得到的电流信号传输至微处理器进行处理分析，得到落水洞入口处的流速。
优选地，还包括模拟放大器、A/D转换器；所述电流传感器、模拟放大器、 A/D转换器、微处理器依次连接；
所述模拟放大器用于将电流传感器测量得到的电流信号进行放大后传输至A/D转换器；所述A/D转换器用于将模拟放大器放大后的电流信号进行AD转换后输入至微处理器进行处理分析；所述稳压电源与A/D转换器连接。
优选地，所述压力测量介质为密度比水大、不溶于水、不挥发的液态介质。
优选地，所述流速测量装置的测量方法包括以下步骤：
S1：落水洞在正常工况下U型管右端与力敏电阻连接的管道内的空气满足以下气体状态方程：
P1V1＝nRT； (1)
落水洞在淹没工况下U型管右端与力敏电阻连接的管道内的空气满足以下气体状态方程：
P2V2＝nRT； (2)
对公式(1)和(2)进行合并得到淹没工况下气体的体积为：
其中，P1为正常工况下U型管右端作用于力敏电阻的压强，V1为正常工况下 U型管右端与力敏电阻连接的管道内的体积，在安装U型管前测得；T为温度； n为U型管右端与力敏电阻连接的管道内空气的量；R为摩尔气体常数；
P2为淹没工况下U型管右端作用于力敏电阻的压强，V2为淹没工况下U型管右端与力敏电阻连接的管道内的体积；
S2：落水洞在正常工况下作用于力敏电阻的压强P1对应力敏电阻的阻值R1，电流传感器测量得到的电流值为I1；
落水洞在淹没工况下作用于力敏电阻的压强P2对应力敏电阻的阻值R2，电流传感器测量得到的电流值为I2；
稳压电源输出的单元U保持不变，则有：
I1R1＝I2R2＝U； (4)
S3：将公式(5)代入公式(3)中得到淹没工况下U型管右端与力敏电阻连接的管道内的体积V2；则根据以下公式计算得到U型管左端在淹没工况下的压力测量介质下降的高度变化量h：
ΔV＝V1-V2； (6)
其中，ΔV为在落水洞淹没后U型管右端与力敏电阻连接的管道内变化的体积量；A为U型管右端与力敏电阻连接的管道的横截面积，为已知参数；
S4：微处理器根据伯努利方程计算得到安装在落水洞入口处的U型管左端入口处的流速v3：
其中，Z3为U型管左端入口处距离参考底面的高度；P3为U型管左端入口处的气体压强；γ为容重常数；Z2为淹没状态下U型管右端液面处距离参考底面的高度，等于正常工况下U型管右端液面处距离参考底面的高度与U型管左端在淹没工况下的压力测量介质下降的高度变化量h之和；v2为淹没状态下U型管右端液面上升的速度；P2由力敏电阻测量得到；参考底面为U型管底部所在的位置；则U型管左端入口处的流速v3为：
其中，
为落水洞入口处水面与参考底面的高度和U型管左端入口处距离参考底面的高度的高度差；
其中，Δt为微处理器监测到淹没工况时的时刻与正常工况时的时刻差，即U型管左端在淹没工况下的压力测量介质下降的高度变化量h所用的时间。
岩溶洼地内涝落水洞过流能力监测方法，通过过流能力监测系统进行监测，包括以下步骤：
S1：现场终端机采集各个流速测量装置、水位传感器的测量数据，并根据测量的水位数据判断当前工况是属于正常工况还是淹没工况，若是正常工况，则按照正常的数据上传时间间隔将测量的数据传输至上位机，若是淹没工况，则缩小数据上传时间间隔，以减少装置功耗；
S2：上位机根据将采集的各个流速测量装置、水位传感器的测量数据保存至数据库，并对采集的数据进行处理分析得到落水洞淹没水位与过流能力关系曲线，具体如下：
根据落水洞不同淹没水深的流速测量数据，结合测得的不同水深的截面面积，计算出各点流量；
利用数据集中的时间点，将测量得到的水位数据与计算得到的流量数据对应起来，并生成落水洞淹没水位与过流能力关系曲线。
优选地，所述过流能力监测系统包括前期数据收集模块、若干个流速测量装置、若干个水位测量传感器、现场终端机、上位机；
所述的前期数据收集模块用于收集所监测的洼地三维信息，获得洼地不同点高程容积等信息，并存在上位机；
若干个所述流速测量装置、若干个所述水位测量传感器分别与现场终端机通信连接；所述现场终端机与上位机连接；
若干个所述流速测量装置分别安装在落水洞入口处，用于实时测量落水洞入口处的流速，并将测量的流速数据实时传输至现场终端机；
若干个所述水位测量传感器分别安装在落水洞入口处，用于实时测量落水洞入口处的水位数据，并将测量的水位数据实时传输至现场终端机；
所述现场终端机用于采集若干个所述流速测量装置、若干个所述水位测量传感器的测量数据，并根据测量的水位数据判断当前工况是属于正常工况还是淹没工况，进而调整将采集的测量数据传输至上位机的时间间隔；
所述上位机用于根据前期数据收集模块收集到的落水洞洞口高程信息和水位传感器的测量数据分析得到水面高程变化过程，根据落水洞不同淹没水深的流速测量数据，结合测得的不同水深的截面面积，计算出各点流量，利用数据集中的时间点，将测量得到的水位数据与计算得到的流量数据对应起来，并生成落水洞淹没水位与过流能力关系曲线。
优选地，所述步骤S1中现场终端机根据预定义数据编码方式，将数据一条一条传输至上位机；所述编码方式为{传感器ID，时间，数据，工况状态，特征码}；
优选地，所述特征码包括四位数字、一位工况状态码、一位验证码；四位数字加上一位工况状态码，一位验证码，总共生成六位数的特征码。四位数字为传感器ID中的后三位数字加上时间中的秒值加上数据前三位数获得的四位数字，不足4位的值前面补0；所述工况状态码有两个数字组成，“0”为正常工况，“1”为淹没工况；验证码由两个数字组成，“0”为原始数据，“1”为备份数据。
优选地，还包括将多个监测点生成的水位-过流能力关系曲线以及多场洼地淹没下所得到的水位-过流能力关系曲线进行分析对比，获得该洼地落水洞在淹没状态下的水位-过流能力关系曲线。
本发明的有益效果为：针对目前已有的流速测量装置难以适合落水洞淹没工况下的测量，本发明提供了岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置，巧妙的设计了测量端，U型管左端的测量端垂直固定在测量的落水洞，根据落水洞的水流冲击造成测量端的U型管内两端液面高度差，进而通过伯努利方程分析得到落水洞淹没状态下的流速过程，从而获得落水洞各点的流量过程，最终获得淹没状态下的洼地落水洞的水位-过流能力关系曲线。本发明适用于落水洞淹没工况下的垂直测量工况，且能准确获得测量点的流速数据，简单易安装。相比于多普勒流速仪，雷达流速仪，电磁式点流速仪不能测量洞内流速，转子流量计所能测量的洞内直径较小，本发明所提出的方案可以良好适应垂向型落水洞淹没工况。
本发明提供的岩溶洼地内涝落水洞流速测量方法，将流速的测量转换为压力、电流的测量，利用力敏电阻获得淹没前后的压力变化，并根据伯努利方程分析得到落水洞淹没状态下的流速过程，结果更加精确。
本发明提供了岩溶洼地内涝落水洞过流能力监测系统和方法，用以解决现有技术中无法精准获得岩溶洼地落水洞在淹没状态过流能力的问题。先获得落水洞洞口高程信息，再通过布置在现场的水位传感器和本发明的流速测量装置实时采集落水洞监测处的水位和流速数据，根据水位数据判断落水洞是处于正常工况还是淹没工况，根据流速数据计算流量，最终得到不同水位下的过流能力关系曲线。本发明实现了对洼地落水洞过流能力的快速、稳定、精准的监测，提高了计算中采用的岩溶落水洞过流能力的精确性，为岩溶水文径流模拟提供准确的数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置的结构示意图；
图2为本发明中淹没工况下流速测量装置的测量端状态示意图；
图3为本发明岩溶洼地内涝落水洞过流能力监测系统的原理示意图；
图4为高度Z与Z高度时的洼地容积V的关系函数曲线；
图5为现场流速测量装置、水位传感器的布置安装示意图；
图6为本发明岩溶洼地内涝落水洞过流能力监测系统的通信原理图。
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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
实施例一：
如图1所示，岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置，包括测量端、处理端；测量端包括开口向上的U型管；处理端包括稳压电源和依次连接的力敏电阻、电流传感器、模拟放大器、A/D转换器、微处理器；稳压电源分别与力敏电阻、电流传感器、A/D转换器、微处理器连接；
U型管内填充有用于隔绝U型管右端的空气与外部环境的压力测量介质，U型管的左端开口向上，垂直放置在落水洞入口处，U型管的右端通过管道连接力敏电阻；
U型管中的压力测量介质在落水洞入口处的水的压力下改变U型管右端的管道内的压力；力敏电阻用于测量U型管右端的管道内的压力进而改变自身阻值；电流传感器用于测量力敏电阻的电流并将测量得到的电流信号传输至模拟放大器；模拟放大器用于将电流传感器测量得到的电流信号进行放大后传输至A/D 转换器；A/D转换器用于将模拟放大器放大后的电流信号进行AD转换后输入至微处理器进行处理分析，得到落水洞入口处的流速。
其中，压力测量介质为密度比水大、不溶于水、不挥发的液态介质。在本实施例中选择硅油，硅油具有不易挥发，密度为1.07g/cm3大于水密度，性质稳定的特点，适合本装置需求。所述U型管为了保证在淹没水深较小时也能产生明显高度差，增加其灵敏度，采用直径为5-10mm不锈钢管，以保证在野外不会轻易被水流中杂质破坏，同时避免杂物进去管内，对测量造成影响；
本发明的工作原理为：开口向上的U型管竖直安装在落水洞入口处，测量初始状态时，U型管内部的压力测量介质两端的液面没有高度差，落水洞在淹没状态时，在水流冲击下，U型管内的压力测量介质两端的液面存在高度差，即U 型管左端的液面在水流压力下会下降，U型管右端的液面会同步上升。根据微处理器采集数据的时间间隔及时段内液面高程的变化量可以测得U型管右端液面的上升速度。根据力敏电阻的测量阻值可以得到作用与力敏电阻上的压力，根据力敏电阻上受压的横截面积得到U型管右端内的空气作用于力敏电阻上的压强，即U型管右端的液面处的压强，再根据伯努利方程，建立U型管左端入口处与右端液面处的状态方程，进而得到U型管左端入口处水流的流速。随着淹没高度变化，U型管左端入口处的压强不断变化，可知作用于力敏电阻上压强也随之变化，力敏电阻的阻值也随之变化，在稳压电源下，电流传感器测量的电流值跟随压强变化而变化。电流传感器采集电流数据，通过模拟放大器放大采集的电流数据，增加检测数据的精度。A/D转换器将模拟信号转换为数字信号后输入给微处理器。微处理器根据设置的电压值及放大器倍数，计算得到力敏电阻实际阻值。通过力敏电阻压力-阻值曲线获得力敏电阻所受的压力，反推出U型管右端内的空气作用于力敏电阻上的压强，即U型管右端的液面处的压强，再根据伯努利方程，建立U型管左端入口处与右端液面处的状态方程，进而得到U型管左端入口处水流的流速。
本实施例的力敏电阻、电流传感器、模拟放大器、A/D转换器、微处理器、稳压电源皆采用现有技术，在此不再赘述。
本发明巧妙的设计了测量端，U型管左端的测量端垂直固定在测量的落水洞，根据落水洞的水流冲击造成测量端的U型管内两端液面高度差，进而通过伯努利方程分析得到落水洞淹没状态下的流速过程，从而获得落水洞各点的流量过程，最终获得淹没状态下的洼地落水洞的水位-过流能力关系曲线。本发明适用于落水洞淹没工况下的垂直测量工况，且能准确获得测量点的流速数据，简单易安装。相比于多普勒流速仪，雷达流速仪，电磁式点流速仪不能测量洞内流速，转子流量计所能测量的洞内直径较小，本发明所提出的方案可以良好适应垂向型落水洞淹没工况。
岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1：落水洞在正常工况下U型管右端与力敏电阻连接的管道内的空气满足以下气体状态方程：
P1V1＝nRT； (1)
落水洞在淹没工况下U型管右端与力敏电阻连接的管道内的空气满足以下气体状态方程：
P2V2＝nRT； (2)
对公式(1)和(2)进行合并得到淹没工况下气体的体积为：
其中，P1为正常工况下U型管右端作用于力敏电阻的压强，V1为正常工况下U型管右端与力敏电阻连接的管道内的体积，在安装U型管前测得；T为温度； n为U型管右端与力敏电阻连接的管道内空气的量；R为摩尔气体常数；
P2为淹没工况下U型管右端作用于力敏电阻的压强，V2为淹没工况下U型管右端与力敏电阻连接的管道内的体积；
S2：落水洞在正常工况下作用于力敏电阻的压强P1对应力敏电阻的阻值R1，电流传感器测量得到的电流值为I1；
落水洞在淹没工况下作用于力敏电阻的压强P2对应力敏电阻的阻值R2，电流传感器测量得到的电流值为I2；
稳压电源输出的单元U保持不变，则有：
I1R1＝I2R2＝U； (4)
S3：将公式(5)代入公式(3)中得到淹没工况下U型管右端与力敏电阻连接的管道内的体积V2；则根据以下公式计算得到U型管左端在淹没工况下的压力测量介质下降的高度变化量h：
ΔV＝V1-V2； (6)
其中，ΔV为在落水洞淹没后U型管右端与力敏电阻连接的管道内变化的体积量；A为U型管右端与力敏电阻连接的管道的横截面积，为已知参数；
S4：如图2所示，微处理器根据伯努利方程计算得到安装在落水洞入口处的U 型管左端入口处的流速v3：
其中，Z3为U型管左端入口处，即断面3距离参考底面的高度；P3为U型管左端入口处的气体压强；γ为容重常数；Z2为淹没状态下U型管右端液面处，即断面2距离参考底面的高度，等于正常工况下U型管右端液面处距离参考底面的高度与U型管左端在淹没工况下的压力测量介质下降的高度变化量h之和；v2为淹没状态下U型管右端液面上升的速度；P2由力敏电阻测量得到；参考底面为U 型管底部所在的位置；
则U型管左端入口处的流速v3为：
其中，
为落水洞入口处水面与参考底面的高度和U型管左端入口处距离参考底面的高度的高度差；
其中，Δt为微处理器监测到淹没工况时的时刻与正常工况时的时刻差，即U型管左端在淹没工况下的压力测量介质下降的高度变化量h所用的时间。
Z3-Z2为淹没状态下U型管右端液面处与U型管左端入口处的高度差，即断面3与断面2的高度差，如图2所示，Z3-Z2＝H3-(H1+h)，其中，H3为U型管左端入口处与参考底面的高度差，为已知值，H1为正常工况下U型管左端液面与参考底面的高度差，为已知值。
其中，H2为淹没工况落水洞入口处上方的水面高度与参考底面的高度差，为水位传感器的测量值与流速测量装置U型管左端管口埋深之和，其中流速测量装置U型管左端管口埋深为提前测量值，为已知值。
则：
本发明提供的落水洞流速测量方法，将流速的测量转换为压力、电流的测量，利用力敏电阻获得淹没前后的压力变化，并根据伯努利方程分析得到落水洞淹没状态下的流速过程，结果更加精确。
实施例三：
为了解决现有技术中无法精准获得岩溶洼地落水洞在淹没状态过流能力的问题，本实施例还提供了岩溶洼地内涝落水洞过流能力监测方法，应用的岩溶洼地内涝落水洞过流能力监测装置，包括以下步骤：
S1：前期数据收集模块采用三维扫描仪或其他装置、方法，获得洼地三维点云坐标数据并建立洼地三维模型，建立以最低点为基准原点，高度Z与Z高度时的洼地容积V的关系函数曲线，如图4所示，同时获得落水洞洞口高程信息。
S2：如图6所示，在现场布置流速测量装置和水位传感器、现场终端机，其中流速测量装置和水位传感器作为采集节点，现场终端机作为传输节点，采集节点与传输节点共同构成中心化的节点网络层，节点网络层向用于数据收集分析的上位机上传监测数据，形成自组网网络。
岩溶洼地内涝落水洞的过流能力监测系统如图3所示，包括前期数据收集模块、若干个岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置、若干个水位测量传感器、现场终端机、上位机；
岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置包括测量端、处理端；测量端包括开口向上的U型管；处理端包括稳压电源和依次连接的力敏电阻、电流传感器、模拟放大器、A/D转换器、微处理器；稳压电源分别与力敏电阻、电流传感器、A/D 转换器、微处理器连接；
U型管内填充有用于隔绝U型管右端的空气与外部环境的压力测量介质，U型管的左端开口向上，垂直放置在落水洞入口处，U型管的右端通过管道连接力敏电阻；
U型管中的压力测量介质在落水洞入口处的水的压力下改变U型管右端的管道内的压力；力敏电阻用于测量U型管右端的管道内的压力进而改变自身阻值；电流传感器用于测量力敏电阻的电流并将测量得到的电流信号传输至模拟放大器；模拟放大器用于将电流传感器测量得到的电流信号进行放大后传输至A/D 转换器；A/D转换器用于将模拟放大器放大后的电流信号进行AD转换后输入至微处理器进行处理分析，得到落水洞入口处的流速。其中，压力测量介质为密度比水大、不溶于水、不挥发的液态介质。
若干个流速测量装置、若干个水位测量传感器分别与现场终端机通信连接；现场终端机与上位机连接；
前期数据收集模块采用三维扫描仪或其他装置、方法，获得洼地三维点云坐标数据并建立洼地三维模型，建立以最低点为基准原点，高度Z与Z高度时的洼地容积V的关系函数曲线，如图4所示，同时获得落水洞洞口高程信息。
如图5所示，若干个流速测量装置分别安装在落水洞入口处，用于实时测量落水洞入口处的流速，并将测量的流速数据实时传输至现场终端机；其中，流速测量装置采用本发明的流速测量方法测量U型管左端入口处的流速。
若干个水位测量传感器分别安装在落水洞入口处，用于实时测量落水洞入口处的水位数据，并将测量的水位数据实时传输至现场终端机；
现场终端机用于采集若干个流速测量装置、若干个水位测量传感器的测量数据，并根据测量的水位数据判断当前工况是属于正常工况还是淹没工况，进而调整将采集的测量数据传输至上位机的时间间隔。
在正常工况下，传输时间间隔设置为1h，减少无效数据传输。在淹没工况下，传输时间间隔设置为5s。同时发送指令至上位机，更改现场终端机传输至上位机的时间间隔至5s一次，以保证现场传感器采集的数据与上位机的数据同步。现场所有工作指令均由现场终端机发出，以保证采集节点与传输节点之间数据交换通畅，避免当上位机发送命令时因网络问题出现的传输失败等问题。
现场终端机根据预定义数据编码方式，将数据一条一条传输至上位机；编码方式为{传感器ID，时间，数据，工况状态，特征码}。
特征码包括四位数字、一位工况状态码、一位验证码；四位数字加上一位工况状态码，一位验证码，总共生成六位数的特征码
四位数字为传感器ID中的后三位数字加上时间中的秒值加上数据前三位数获得的四位数字，不足4位的值前面补0；工况状态码有两个数字组成，“0”为正常工况，“1”为淹没工况；验证码由两个数字组成，“0”为原始数据，“1”为备份数据。
当处于正常工况时，传输编码示意如表1所示。
表1数据传输编码方式示意表
| 传感器ID | 时间 | 数据 | 工况状态 | 特征码 |
| WL001 | 2021/7/19 10:12:55 | 0.356 | 0 | 009100 |
当处于淹没工况时，传输编码示意如表2所示。
表2数据传输编码方式示意表
| 传感器ID | 时间 | 数据 | 工况状态 | 特征码 |
| WL001 | 2021/7/19 12:24:12 | 5.361 | 1 | 054910 |
为了保证数据完整性，所有数据发送两次至上位机，同时在现场终端机中形成备份文件。
如图6所示，本实施例的落水洞过流能力监测系统采用有线与无线两种方式进行组网，其中有线组网方式针对于现场采集节点与现场终端机之间进行连接，以保证当个别采集节点出现问题时，其他采集节点数据能正常传输，且传输质量稳定，不易出现因网络故障出现问题。无线组网方式针对于现场终端机与上位机之间的通信，采用5G/4G/GPRS等多种方式进行连接，且各种网络互为备用，保证终端机数据数据传递至上位机。
上位机用于根据前期数据收集模块收集到的落水洞洞口高程信息和水位传感器的测量数据分析得到水面高程变化过程，根据落水洞不同淹没水深的流速测量数据，结合测得的不同水深的截面面积，计算出各点流量，利用数据集中的时间点，将测量得到的水位数据与计算得到的流量数据对应起来，并生成落水洞淹没水位与过流能力关系曲线。
本发明实现了对洼地落水洞过流能力的快速、稳定、精准的监测，提高了计算中采用的岩溶落水洞过流能力的精确性，为岩溶水文径流模拟提供准确的数据。
水位传感器用于实时监测现场落水洞口水位数据并传递至传输节点中，同时水位传感器接收来自传输节点的改变传输时间间隔指令。流速测量装置用于实时监测落水洞中流速数据并传递至传输节点中，同时流速测量装置可接收来自传输节点的改变传输时间间隔指令，流速测量装置包括测量端与处理端。测量端用于测量淹没时由落水洞内水流造成的压力变化，处理端则用于收集压力变化过程。其中，流速测量装置采用本发明的流速测量方法测量U型管左端入口处的流速。
现场终端机采集各个流速测量装置、水位传感器的测量数据，并根据测量的水位数据与设定阈值比较，判断当前工况是属于正常工况还是淹没工况，若是测量数据小于设定阈值，则判断是正常工况，则按照正常的数据上传时间间隔将测量的数据传输至上位机，若是测量数据大于设定阈值，则判断是淹没工况，则缩小数据上传时间间隔，即现场终端机向流速测量装置和水位传感器发送指令，改变采集节点向传输时间间隔。其中，流速测量装置采用本发明的流速测量方法测量U型管左端入口处的流速。
S4：上位机根据将采集的各个流速测量装置、水位传感器的测量数据保存至数据库，并对采集的数据进行处理分析得到落水洞淹没水位与过流能力关系曲线，具体如下：
现场终端机将数据传输至上位机，上位机接收数据。
当收到更改采集数据时间间隔的命令之后上位机更改接受时间间隔，保持与现场终端频率一致。
当上位机接收到数据后，利用特征码进行验证该组数据的准确性。上位机首先将特征码进行分解为前四位与最后一位，优先对最后一位验证码为“0”的数据进行验证，当验证通过时，不再对备份数据进行验证。
当原始数据与备份数据均验证失败时，上位机发送命令，重新请求获得原始数据与备份数据，重新进行校核。当再次验证失败时，上位机进行提示，且在数据库对应字段进行标注。
当获得多场淹没工况数据后，提取每场淹没工况下，上位机收集到的节点数据，并找出所有验证失败的数据集，从现场终端机中人工提取出验证失败的数据集。
上位机根据前期数据收集模块收集到的落水洞洞口高程信息和水位传感器的测量数据分析得到水面高程变化过程；由于洼地已被淹没，各落水洞水面高程应保持一致，以此方式检测各水位传感器所获得的数据是否可靠，同时获得可靠的落水洞洞口距水面水位差的变化过程。
根据落水洞不同淹没水深的流速测量数据，结合测得的不同水深的截面面积，计算出各测量点流量；判断各传感器是否存在问题及获得正确的落水洞过流能力关系曲线。
利用数据集中的时间点，将测量得到的水位数据与计算得到的流量数据对应起来，并生成落水洞淹没水位与过流能力关系曲线。
为了验证所获得的水位-过流能力关系曲线是否正确，将多个监测点生成的水位-过流能力关系曲线以及多场洼地淹没下所得到的水位-过流能力关系曲线进行分析对比，获得该洼地落水洞在淹没状态下的水位-过流能力关系曲线。
本发明提供了落水洞过流能力监测系统和方法，用以解决现有技术中无法精准获得岩溶洼地落水洞在淹没状态过流能力的问题。先通过前期数据收集模块的数据建立洼地三维模型，获得落水洞洞口高程信息，再通过布置在现场的水位传感器和本发明的流速测量装置实时采集落水洞监测处的水位和流速数据，根据水位数据判断落水洞是处于正常工况还是淹没工况，根据流速数据计算流量，最终得到不同水位下的过流能力曲线。本发明实现了对洼地落水洞过流能力的快速、稳定、精准的监测，提高了计算中采用的岩溶落水洞过流能力的精确性，为岩溶水文径流模拟提供准确的数据。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (9)
1.岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置，其特征在于：包括测量端、处理端；所述测量端包括开口向上的U型管；所述处理端包括稳压电源和依次连接的力敏电阻、电流传感器、微处理器；所述稳压电源分别与力敏电阻、电流传感器、微处理器连接；
所述U型管内填充有用于隔绝U型管右端的空气与外部环境的压力测量介质；
所述U型管的左端开口向上，垂直放置在落水洞入口处，所述U型管的右端通过管道连接力敏电阻；
所述U型管中的压力测量介质在落水洞入口处的水的压力下改变U型管右端的管道内的压力；所述力敏电阻用于测量U型管右端的管道内的压力进而改变自身阻值；所述电流传感器用于测量力敏电阻的电流并将测量得到的电流信号传输至微处理器进行处理分析，得到落水洞入口处的流速。
2.根据权利要求1所述的岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置，其特征在于：还包括模拟放大器、A/D转换器；所述电流传感器、模拟放大器、A/D转换器、微处理器依次连接；
所述模拟放大器用于将电流传感器测量得到的电流信号进行放大后传输至A/D转换器；所述A/D转换器用于将模拟放大器放大后的电流信号进行AD转换后输入至微处理器进行处理分析；所述稳压电源与A/D转换器连接。
3.根据权利要求1所述的岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置，其特征在于：所述压力测量介质为密度比水大、不溶于水、不挥发的液态介质。
4.根据权利要求1所述的岩溶洼地内涝落水洞流速测量装置，其特征在于：所述流速测量装置的测量方法包括以下步骤：
S1：落水洞在正常工况下U型管右端与力敏电阻连接的管道内的空气满足以下气体状态方程：
P1V1＝nRT； (1)
落水洞在淹没工况下U型管右端与力敏电阻连接的管道内的空气满足以下气体状态方程：
P2V2＝nRT； (2)
对公式(1)和(2)进行合并得到淹没工况下气体的体积为：
其中，P1为正常工况下U型管右端作用于力敏电阻的压强，V1为正常工况下U型管右端与力敏电阻连接的管道内的体积，在安装U型管前测得；T为温度；n为U型管右端与力敏电阻连接的管道内空气的量；R为摩尔气体常数；
P2为淹没工况下U型管右端作用于力敏电阻的压强，V2为淹没工况下U型管右端与力敏电阻连接的管道内的体积；
S2：落水洞在正常工况下作用于力敏电阻的压强P1对应力敏电阻的阻值R1，电流传感器测量得到的电流值为I1；
落水洞在淹没工况下作用于力敏电阻的压强P2对应力敏电阻的阻值R2，电流传感器测量得到的电流值为I2；
稳压电源输出的单元U保持不变，则有：
I1R1＝I2R2＝U； (4)
S3：将公式(5)代入公式(3)中得到淹没工况下U型管右端与力敏电阻连接的管道内的体积V2；则根据以下公式计算得到U型管左端在淹没工况下的压力测量介质下降的高度变化量h：
ΔV＝V1-V2； (6)
其中，ΔV为在落水洞淹没后U型管右端与力敏电阻连接的管道内变化的体积量；A为U型管右端与力敏电阻连接的管道的横截面积，为已知参数。
S4：微处理器根据伯努利方程计算得到安装在落水洞入口处的U型管左端入口处的流速v3：
其中，Z3为U型管左端入口处距离参考底面的高度；P3为U型管左端入口处的压强值；γ为容重常数；Z2为淹没状态下U型管右端液面处距离参考底面的高度，等于正常工况下U型管右端液面处距离参考底面的高度与U型管左端在淹没工况下的压力测量介质下降的高度变化量h之和；v2为淹没状态下U型管右端液面上升的速度；P2由力敏电阻测量得到；参考底面为U型管底部所在的位置；
则U型管左端入口处的流速v3为：
其中，
为落水洞入口处水面与参考底面的高度和U型管左端入口处距离参考底面的高度的高度差；
其中，Δt为微处理器监测到淹没工况时的时刻与正常工况时的时刻差，即U型管左端在淹没工况下的压力测量介质下降的高度变化量h所用的时间。
5.岩溶洼地内涝落水洞过流能力监测方法，其特征在于：通过过流能力监测系统进行监测，包括以下步骤：
S1：现场终端机采集各个流速测量装置、水位传感器的测量数据，并根据测量的水位数据判断当前工况是属于正常工况还是淹没工况，若是正常工况，则按照正常的数据上传时间间隔将测量的数据传输至上位机，若是淹没工况，则缩短数据上传时间间隔；
S2：上位机根据将采集的各个流速测量装置、水位传感器的测量数据保存至数据库，并对采集的数据进行处理分析得到落水洞淹没水位与过流能力关系曲线，具体如下：
根据落水洞不同淹没水深下的流速测量数据，结合测得的不同水深的截面面积，计算出各点流量；
利用数据集中的时间点，将测量得到的水位数据与计算得到的流量数据对应起来，并生成落水洞淹没水位与过流能力关系曲线。
6.根据权利要求5所述的岩溶洼地内涝落水洞过流能力监测方法，其特征在于：所述过流能力监测系统包括前期数据收集模块、若干个权利要求1-4的流速测量装置、若干个水位测量传感器、现场终端机、上位机；
所述的前期数据收集模块用于收集所监测的洼地三维信息，获得洼地不同点高程容积等信息，并存在上位机；
若干个所述流速测量装置、若干个所述水位测量传感器分别与现场终端机通信连接；所述现场终端机与上位机连接；
若干个所述流速测量装置分别安装在落水洞入口处，用于实时测量落水洞入口处的流速，并将测量的流速数据实时传输至现场终端机；
若干个所述水位测量传感器分别安装在落水洞入口处，用于实时测量落水洞入口处的水位数据，并将测量的水位数据实时传输至现场终端机；
所述现场终端机用于采集若干个所述流速测量装置、若干个所述水位测量传感器的测量数据，并根据测量的水位数据判断当前工况是属于正常工况还是淹没工况，进而调整将采集的测量数据传输至上位机的时间间隔；
所述上位机用于根据前期数据收集模块收集到的落水洞洞口高程信息和水位传感器的测量数据分析得到水面高程变化过程，根据落水洞不同淹没水深的流速测量数据，结合测得的不同水深的截面面积，计算出各点流量，利用数据集中的时间点，将测量得到的水位数据与计算得到的流量数据对应起来，并生成落水洞淹没水位与过流能力关系曲线。
7.根据权利要求5所述的岩溶洼地内涝落水洞过流能力监测方法，其特征在于：所述步骤S1中现场终端机根据预定义数据编码方式，将数据一条一条传输至上位机；所述编码方式为{传感器ID，时间，数据，工况状态，特征码}。
8.根据权利要求7所述的岩溶洼地内涝落水洞过流能力监测方法，其特征在于：所述特征码包括四位数字、一位工况状态码、一位验证码；四位数字加上一位工况状态码，一位验证码，总共生成六位数的特征码；
四位数字为传感器ID中的后三位数字加上时间中的秒值加上数据前三位数获得的四位数字，不足4位的值前面补0；所述工况状态码有两个数字组成，“0”为正常工况，“1”为淹没工况；验证码由两个数字组成，“0”为原始数据，“1”为备份数据。
9.根据权利要求8所述的岩溶洼地内涝落水洞过流能力监测方法，其特征在于：还包括将多个监测点生成的水位-过流能力关系曲线以及多场洼地淹没下所得到的水位-过流能力关系曲线进行分析对比，获得该洼地落水洞在淹没状态下的水位-过流能力关系曲线。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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