CN116625455A - 一种应力式水位监测装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应力式水位监测装置及其测量方法，其包括设置于地面上的安装架，安装架上设置有安装平台，安装平台上设置有监测分析模块、通信模块和水位测量模块；通信模块和水位测量模块均与监测分析模块电性连接；水位测量模块包括设置在安装平台上的第一应力计，第一应力计的上表面设置有第一圆柱弹簧，第一圆柱弹簧的顶部设置有第一承载板，第一应力计与监测分析模块电性连接；第一承载板的下方设置有感应管，感应管实时感应水位变化。本方案的地下水位监测装置可解决地下水密度变化情况下，地下水位实时、高精度测量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水位监测技术领域，特别涉及一种应力式水位监测装置及其测量方法。
背景技术
地下水监测是水利、环境、地质、交通、农业等部门的一项基础工作。进行地下水水位、水质和水温等要素的监测工作，在水资源的管理、保护、利用等方面发挥着重要的作用，对我国经济发展、人民生活都具有重要意义。另外，对滑坡等地质灾害进行地下水位监测，还能进一步了解滑坡等地质灾害的稳定性影响因素，进一步判断滑坡等地质灾害的变形趋势，更好地确保人民群众生命财产安全。
不同地区的地下水的密度不同，且强降雨可能使水体浑浊，地下水的密度会改变，另外水体矿化程度变化时，均可能造成地下水密度的变化，即在实际的地下水位监测过程中，地下水体的密度是随时在发生改变的，而现有技术中应用较广的压力式水位计和浮子式水位计，在对地下水的高度进行测量时，存在以下问题：
1、现有技术中的压力式水位计测量地下水位时，忽略了地下水密度的变化，进而造成地下水位测量结果和精度与实际的地下水位偏差较大，测量的结果不能满足高精度或者准确测量的要求。
2、传统的压力式水位计的需要将压敏传感器设置在地下水底部，容易导致水位监测装置中电气元件进水损坏，且在对整个水位监测装置进行安装和维护时，需要将水位监测装置提升至水面上，导致安装和维护极为不便，降低了安装和维护的效率。另外土体坍塌或者泥沙沉淀，造成传统压力式水位计易被填埋，从而影响测量结果的准确性，甚至造成仪器不能正常使用。
3、浮子式水位计，在使用过程中，易出现卡线等情况，安装和维护都存在许多不便之处。
4、申请号为2021105469858的专利申请文件，测量装置中的空心管、配重体和参考体易受泥沙、树叶等杂物的影响，而引起装置在测量中的淤塞、卡固，进而引起测量失效或测量误差。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种应力式水位监测装置及其测量方法，解决了现有技术中压力式水位计和浮子式水位计，测量结果和精度较差，且不方便安装和维护、维修的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种应力式水位监测装置，其包括设置于地表上的安装架，安装架上设置有安装平台，安装平台上设置有监测分析模块、通信模块和水位测量模块；通信模块和水位测量模块均与监测分析模块电性连接；
水位测量模块包括设置在安装平台上的第一应力计，第一应力计的上表面设置有第一圆柱弹簧，第一圆柱弹簧的顶部设置有第一承载板，第一承载板的下表面与第一圆柱弹簧的顶部接触；第一应力计与监测分析模块电性连接；
第一承载板的下方设置有感应管，感应管顶部通过第一钢丝绳与第一承载板下表面固定连接。
进一步地，第一应力计中部开孔，第一钢丝绳的上端与第一承载板下表面固定连接，第一钢丝绳的下端穿过第一应力计中部开孔与感应管顶部连接。
进一步地，感应管为圆柱形，其密度大于地下水密度；
进一步地，为了使得感应管的长度方便调节，以适配不同的测量环境，感应管包括多段呈中空密封结构的管体，每段管体的顶部设置有螺纹槽，底部凸出设置有螺纹端，管体的上表面与螺纹端端面之间的距离为0.5m～3m，相邻的两段管体通过螺纹槽和螺纹端配合的方式连接。
进一步地，安装平台上还设置有地下水密度实时测量模块，地下水密度实时测量模块包括设置在安装平台上的第二应力计，第二应力计的中部开孔，第二应力计的上表面设置有第二圆柱弹簧，第二圆柱弹簧的顶部设置有第二承载板，第二承载板的下表面与第二圆柱弹簧的上表面固定连接；第二应力计与监测分析模块电性连接；第二承载板的下方设置有参考体，参考体通过第二钢丝绳与第二承载板的下表面固定连接，参考体设置于被监测点常年最低水位线之下；第二应力计与监测分析模块电性连接。
进一步地，第一应力计和第二应力计均为数显电子应力计。
进一步地，参考体的密度大于地下水密度。
本方案还提供一种应力式水位监测装置的测量方法，其包括如下步骤：
步骤1：安装应力式水位监测装置，感应管顶部设置于地下水常年最高水位线之上，感应管底部设置于地下水常年最低水位线之下，参考体设置于常年最低水位线之下，记录地下水位初始高程H0和地下水的初始密度ρ；
步骤2：记录第一应力计和第二应力计的初始读数；
步骤3：当地下水位高度和地下水密度发生变化时，根据第二应力计的读数的变化，得到地下水位高度和地下水密度变化后的当前地下水密度；读取此时第一应力计的当前读数；
步骤4：根据步骤3中得到的当前地下水密以及第一应力计的当前读数，计算地下水位高度和地下水密度变化后的当前地下水位高程H；
步骤5：将步骤4中得到的变化后的当前地下水位高程通过通讯模块向远程监测系统或监测终端传输数据；
步骤6：重复步骤3～5，对地下水位高程H进行实时监测。
进一步地，步骤3中得到当前地下水密度的具体计算方法为：
设应力式水位监测装置安装时，地下水的初始密度为ρ，第二应力计对应的初始读数为F2；水位变化至H时，地下水当前密度为ρ＇，第二应力计对应的当前读数为F2＇；参考体的体积为V＇，则：
F2-F2＇＝(ρ＇-ρ)gV＇ 1)
由1)式推导出ρ＇＝(F2-F2＇)/(gV＇)+ρ 2)
在公式2)中，参考体的体积V＇，重力加速度g，地下水的初始密度ρ均为已知，则可以利用公式2)，由第二应力计的读数实时求得任一时刻地下水的密度ρ＇。
进一步地，步骤4中变化后的地下水位高程H的具体计算方法为：
设应力式水位监测装置安装时，地下水位的初始高程为H0，第一应力计的初始读数为F1，地下水的初始密度为ρ；感应管的横截面积为S，第一圆柱弹簧的劲度系数为k，重力加速度为g；当地下水位的高程变化至H时，地下水的密度为ρ＇，第一应力计的读数为F1＇，则：
F1-F1＇＝ρ＇·gS·Δh 3)；
F1-F1＇＝k·ΔX 4)；
联立3)式和4)式可得：
Δh＝(F1-F1＇)/(ρ＇·gS) 5)；
ΔX＝(F1-F1＇)/k 6)；
从而：
H＝H0+Δh+ΔX＝H0+(F1-F1＇)/(ρ＇·gS)+(F1-F1＇)/k 7)；
式中，Δh为地下水位从H0变化至H或地下水密度从ρ变化至ρ＇时，感应管被淹没长度的变化量；ΔX为地下水位从H0变化至H或地下水密度从ρ变化至ρ＇时，第一圆柱弹簧的长度变化量。
地下水位的初始高程H0，感应管的横截面积S，第一圆柱弹簧的劲度系数k，重力加速度g均为已知量，将2)式计算的地下水密度ρ＇代入公式7)，即可根据第一应力计的读数变化求取地下水密度变化条件下的任一时刻地下水位。
应力式水位监测装置的基本原理为：当水位高度和地下水密度发生变化时，感应管被淹没的长度发生改变，进而导致感应管所受到的浮力相应改变，进而导致第一应力计的读数变化，监测分析模块可以根据第一应力计读数的变化计算出感应管被淹没高度的改变，以及第一圆柱弹簧的长度改变，进而可以实时测量出地下水高程，完成对地下水高程的实时监测；同时当地下水密度发生变化时，参考体所受到的浮力相应改变，导致第二应力计读数变化，监测分析模块根据第二应力计读数的变化计算出当前地下水密度。因应力式水位监测装置在测量时考虑了地下水密度的变化，使得测量的结果能满足高精度或者准确测量的要求；在实时测量出地下水高程后，通讯模块将监测分析模块计算出的地下水位高程数据通过有线、无线、蓝牙等手段传输至远程监测系统或手机、电脑、平板等终端设备，便于实时查看当前地下水位高程；且应力式水位监测装置中的监测分析模块、通信模块均设置在地面上的安装平台上，安装和维护极为方便，提高了安装和维护的效率，同时也不会造成监测分析模块、通信模块中的电气元件进水损坏，提高整个装置的使用寿命。此外，由于测量过程中地下水位和地下水密度变化均会造成第一圆柱弹簧和第二圆柱弹簧伸长量的改变，进而引起感应管和参考体的上下移动，从而可以及时清除泥沙、树叶等杂物的附着，避免卡固引起测量失效和测量误差，使测量结果更加准确。
本发明的有益效果为：
1.本方案中的应力式水位监测装置，结构简单，成本低廉。
2.本方案测量装置的核心部件均设置于地表，可以避免电子元器件长时间使用进水损坏，也便于安装和维护。
3.本方案测量装置相比于传统地下水位测量装置，考虑了地下水密度的测量，可以避免地下水密度变化引起地下水位测量结果的误差，测量更加准确。
4.当地下水位发生变化时，第一圆柱弹簧和第二圆柱弹簧会带动感应管和参考体上下运动，可以避免泥沙、树叶等杂物对感应管和参考体的淤塞、卡固而引起测量失效或误差，相当于给装置提供了一种自我修复功能。即：当有泥沙、树叶等附着在感应管壁和参考体的表面时，由于地下水位变化过程中感应管和参考体会在第一圆柱弹簧和第二圆柱弹簧的带动下进行上下运动即可确保泥沙、树叶等附着物及时脱离感应管壁和参考体，避免杂物淤积增多而引起测量失效或较大误差。
附图说明
图1为一种应力式水位监测装置的结构示意图。
图2为感应管的结构示意图。
其中，1、安装架；2、安装平台；3、监测分析模块；4、通信模块；5、第一应力计；6、第一圆柱弹簧；7、第一承载板；8、感应管；801、管体；802、螺纹槽；803、螺纹端；9、第一钢丝绳；10、第二应力计；11、第二圆柱弹簧；12、第二承载板；13、参考体；14、第二钢丝绳。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1～2所示，本发明提供一种应力式水位监测装置，其包括设置于地表上的安装架1，安装架1上设置有安装平台2，安装平台2上设置有监测分析模块3、通信模块4和水位测量模块；通信模块4和水位测量模块均与监测分析模块3电性连接。
监测分析模块3可以为PLC单片机，通信模块4可以为AB433P西门子plc专用无线通讯模块，本方案中的电器元件之间的连接关系和选型为现有的成熟技术，故在此不赘述电气元件之间的电路结构和工作原理。
水位测量模块包括设置在安装平台上的第一应力计5，所述第一应力计5的上表面设置有第一圆柱弹簧6，第一圆柱弹簧6的顶部设置有第一承载板7，所述第一承载板7的下表面与第一圆柱弹簧6的顶部固定连接；第一应力计5与监测分析模块3电性连接；第一应力计5的中部开孔；
第一承载板7的下方设置有整体为密封结构的感应管8，感应管8的密度大于地下水的最大变化密度，感应管8顶部高度高于常年最高水位线，感应管8底部低于常年最低水位线，感应管8顶部通过第一钢丝绳9穿过第一应力计5中部开孔与第一承载板7下表面连接。
为了使得感应管8的长度方便调节，以适配不同的测量环境，感应管8包括多段呈中空密封结构的管体801，每段管体801的顶部设置有螺纹槽802，底部凸出设置有螺纹端803，管体801的上表面与螺纹端803端面之间的距离为0.5m～3m，相邻的两段管体801通过螺纹槽802和螺纹端803配合的方式连接。
为了使得应力式水位监测装置具有实时测量地下水密度的功能，安装平台2上还设置有地下水密度实时测量模块，地下水密度实时测量模块包括设置在安装平台2上的第二应力计10，第二应力计10的上表面设置有第二圆柱弹簧11，第二圆柱弹簧11的顶部设置有第二承载板12，第二承载板12的下表面与第二圆柱弹簧11的顶部固定连接；第二应力计10中部开孔；第二承载板12的下方设置有参考体13，参考体13通过第二钢丝绳14穿过第二应力计10中部开孔与第二承载板12的下表面固定连接，参考体13设置于被监测点常年最低水位线下；第二应力计10与监测分析模块3电性连接。
第一应力计5和第二应力计10均为数显电子应力计，数显电子应力计的型号可以选用YHY25。
应力式水位监测装置的基本原理为：当地下水位高度和地下水密度发生变化时，感应管8被淹没的长度发生改变，进而导致感应管8所受到的浮力相应改变，进而导致第一应力计5的读数变化，监测分析模块3可以根据第一应力计5读数的变化计算出感应管被淹没高度的改变，以及第一圆柱弹簧的长度改变，进而计算出地下水高程的变化，实时测量出地下水高程，完成对地下水高程的实时监测；同时当地下水密度发生变化时，参考体13所受到的浮力相应改变，浮力改变的参考体13导致第二应力计10读数的变化，监测分析模块3根据第二应力计10读数的变化计算出当前地下水密度，因应力式水位监测装置在测量时考虑了地下水密度的变化，使得测量的结果能满足高精度或者准确测量的要求；在实时测量出地下水高程后，通讯模块将监测分析模块3计算出的地下水位高程数据通过有线、无线、蓝牙等手段传输至远程监测系统或手机、电脑、平板等终端设备，便于实时查看当前地下水位高程；且应力式水位监测装置中的监测分析模块3、通信模块4均设置在安装平台2上，安装和维护极为方便，提高了安装和维护的效率，同时也不会造成监测分析模块3、通信模块4中的电气元件进水损坏，提高整个装置的使用寿命。此外，由于测量过程中地下水位和地下水密度变化均会造成第一圆柱弹簧和第二圆柱弹簧伸长量的改变，进而引起感应管和参考体的上下移动，从而可以及时清除泥沙、树叶等杂物的附着，避免卡固引起测量失效和测量误差，使测量结果更加准确。
本方案还提供一种应力式水位监测装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：安装应力式水位监测装置，感应管8顶部设置于地下水常年最高水位线之上，感应管8底部设置于地下水常年最低水位线之下，参考体13设置于常年最低水位线之下，记录地下水位初始高程H0和地下水的初始密度ρ；
步骤2：记录第一应力计5和第二应力计10的初始读数；
步骤3：当地下水位高度和地下水密度发生变化时，根据第二应力计10的读数的变化，得到地下水位高度和地下水密度变化后的当前地下水密度；读取此时第一应力计5的当前读数；
步骤4：根据步骤3中得到的当前地下水密以及第一应力计5的当前读数，计算地下水位高度和地下水密度变化后的当前地下水位高程H；
步骤5：将步骤4中得到的变化后的当前地下水位高程通过通讯模块向远程监测系统或监测终端传输数据；
步骤6：重复步骤3～5，对地下水位高程H进行实时监测。
进一步地，步骤3中得到当前地下水密度的具体计算方法为：
设应力式水位监测装置安装时，地下水的初始密度为ρ，第二应力计10对应的初始读数为F2；水位变化至H时，地下水当前密度为ρ＇，第二应力计10对应的当前读数为F2＇；参考体13的体积为V＇，则：
F2-F2＇＝(ρ＇-ρ)gV＇ 1)
由1)式推导出ρ＇＝(F2-F2＇)/(gV＇)+ρ2)
在公式2)中，参考体13的体积V＇，重力加速度g，地下水的初始密度ρ均为已知，则可以利用公式2)，由第二应力计10的读数实时求得任一时刻地下水的密度ρ＇。
进一步地，步骤4中变化后的地下水位高程H的具体计算方法为：
设应力式水位监测装置安装时，地下水位的初始高程为H0，第一应力计5的初始读数为F1，地下水的初始密度为ρ；感应管8横截面积为S，第一圆柱弹簧6的劲度系数为k，重力加速度为g；当地下水位的高程变化至H时，地下水的密度为ρ＇，第一应力计5的读数为F1＇，则：
F1-F1＇＝ρ＇·gS·Δh 3)；
F1-F1＇＝k·ΔX 4)；
联立3)式和4)式可得：
Δh＝(F1-F1＇)/(ρ＇·gS) 5)；
ΔX＝(F1-F1＇)/k 6)；
从而：
H＝H0+Δh+ΔX＝H0+(F1-F1＇)/(ρ＇·gS)+(F1-F1＇)/k 7)；
式中，Δh为地下水位从H0变化至H或地下水密度从ρ变化至ρ＇时，感应管8被淹没长度的变化量；ΔX为地下水位从H0变化至H或地下水密度从ρ变化至ρ＇时，第一圆柱弹簧6的长度变化量。
地下水位的初始高程H0，感应管8的横截面积S，第一圆柱弹簧6的劲度系数k，重力加速度g均为已知量，将2)式计算的地下水密度ρ＇代入公式7)，即可根据第一应力计5的读数变化求取地下水密度变化条件下的任一时刻地下水位。
综上所述，本方案中的应力式水位监测装置，结构简单，成本低，便于维护，且测量精度高、测量方便，测量的结果具有实际参考价值，可以解决地下水密度变化情况下，地下水位实时、高精度测量的问题。
Claims (9)
1.一种应力式水位监测装置，其特征在于，包括设置于地表上的安装架(1)，所述安装架(1)上设置有安装平台(2)，所述安装平台(2)上设置有监测分析模块(3)、通信模块(4)和水位测量模块；所述通信模块(4)和水位测量模块均与所述监测分析模块(3)电性连接；
水位测量模块包括设置在安装平台(2)上的第一应力计(5)，所述第一应力计(5)的上表面设置有第一圆柱弹簧(6)，第一圆柱弹簧(6)的顶部设置有第一承载板(7)，所述第一承载板(7)的下表面与第一圆柱弹簧(6)的顶部固定连接；第一应力计(5)与监测分析模块(3)电性连接；
第一承载板(7)的下方设置有感应管(8)，感应管(8)顶部通过第一钢丝绳(9)与第一承载板(7)下表面固定连接。
2.根据权利要求1所述的应力式水位监测装置，其特征在于，所述第一应力计(5)中部开孔，所述第一钢丝绳(9)的上端与所述第一承载板(7)下表面固定连接，第一钢丝绳(9)的下端穿过第一应力计(5)中部开孔与感应管(8)顶部固定连接。
3.根据权利要求1所述的应力式水位监测装置，其特征在于，所述感应管(8)为圆柱形，其密度大于地下水密度。
4.根据权利要求1所述的应力式水位监测装置，其特征在于，所述安装平台(2)上还设置有地下水密度实时测量模块，地下水密度实时测量模块包括设置在安装平台(2)上的第二应力计(10)，所述第二应力计(10)的中部开孔，所述第二应力计(10)的上表面设置有第二圆柱弹簧(11)，所述第二圆柱弹簧(11)的顶部设置有第二承载板(12)，所述第二承载板(12)的下表面与第二圆柱弹簧(11)的上端固定连接；第二应力计(10)与监测分析模块(3)电性连接；第二承载板(12)的下方设置有参考体(13)，所述参考体(13)通过第二钢丝绳(14)与第二承载板(12)的下表面固定连接；第二应力计(10)与监测分析模块(3)电性连接。
5.根据权利要求4所述的应力式水位监测装置，其特征在于，所述第一应力计(5)和第二应力计(10)均为数显电子应力计。
6.根据权利要求4所述的应力式水位监测装置，其特征在于，所述参考体(13)的密度大于地下水密度。
7.根据权利要求1～6任一所述的一种应力式水位监测装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：安装应力式水位监测装置，感应管(8)顶部设置于地下水常年最高水位线之上，感应管(8)底部设置于地下水常年最低水位线之下，参考体(13)设置于常年最低水位线之下，记录地下水位初始高程H0和地下水的初始密度ρ；
步骤2：记录第一应力计(5)和第二应力计(10)的初始读数；
步骤3：当地下水位高度和地下水密度发生变化时，根据第二应力计(10)的读数的变化，得到地下水位高度和地下水密度变化后的当前地下水密度；读取此时第一应力计(5)的当前读数；
步骤4：根据步骤3中得到的当前地下水密以及第一应力计(5)的当前读数，计算地下水位高度和地下水密度变化后的当前地下水位高程H；
步骤5：将步骤4中得到的变化后的当前地下水位高程通过通讯模块向远程监测系统或监测终端传输数据；
步骤6：重复步骤3～5，对地下水位高程H进行实时监测。
8.根据权利要求7所述的应力式水位监测装置的测量方法，其特征在于，步骤3中得到当前地下水密度的具体计算方法为：
设应力式水位监测装置安装时，地下水的初始密度为ρ，第二应力计(10)对应的初始读数为F2；水位变化至H时，地下水当前密度为ρ＇，第二应力计(10)对应的当前读数为F2＇；参考体(13)的体积为V＇，则：
F2-F2＇＝(ρ＇-ρ)gV＇1)
由1)式推导出ρ＇＝(F2-F2＇)/(gV＇)+ρ2)
在公式2)中，参考体(13)的体积V＇，重力加速度g，地下水的初始密度ρ均为已知，则可以利用公式2)，由第二应力计(10)的读数实时求得任一时刻地下水的密度ρ＇。
9.根据权利要求7所述的一种地下水位监测装置的监测方法，其特征在于，步骤4中变化后的当前地下水位高程H的具体计算方法为：
设应力式水位监测装置安装时，地下水位的初始高程为H0，第一应力计(5)的初始读数为F1，地下水的初始密度为ρ；感应管(8)横截面积为S，第一圆柱弹簧(6)的劲度系数为k，重力加速度为g；当地下水位的高程变化至H时，地下水的密度为ρ＇，第一应力计(5)的读数为F1＇，则：
F1-F1＇＝ρ＇·gS·Δh 3)；
F1-F1＇＝k·ΔX 4)；
联立3)式和4)式可得：
Δh＝(F1-F1＇)/(ρ＇·gS)5)；
ΔX＝(F1-F1＇)/k 6)；
从而：
H＝H0+Δh+ΔX＝H0+(F1-F1＇)/(ρ＇·gS)+(F1-F1＇)/k 7)；
式中，Δh为地下水位从H0变化至H或地下水密度从ρ变化至ρ＇时，感应管(8)被淹没长度的变化量；ΔX为地下水位从H0变化至H或地下水密度从ρ变化至ρ＇时，第一圆柱弹簧(6)的长度变化量。
地下水位的初始高程H0，感应管(8)的横截面积S，第一圆柱弹簧(6)的劲度系数k，重力加速度g均为已知量，将2)式计算的地下水密度ρ＇代入公式7)，即可根据第一应力计(5)的读数变化求取地下水密度变化条件下的任一时刻地下水位。
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