CN117470701A - 一种坡面水土流失自动监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水土监测技术领域，公开了一种坡面水土流失自动监测装置及监测方法，它包括支架、浑水箱以及清水箱，浑水箱通过支架架设在地面上，浑水箱的顶部安装有进水管，清水箱的顶部安装有连通浑水箱的导流管，称重传感器安装在支架的底部，浑水箱的底部安装有排水管，进水管、导流管以及排水管上均安装有电磁阀。本发明的有益效果是：该装置能实时连续测量一定范围内泥沙被雨水侵蚀带走的重量，具有结构较简单，检测精度高、地域适应性好等优点。

Description

一种坡面水土流失自动监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及水土监测技术领域，特别是一种坡面水土流失自动监测装置及监测方法。

背景技术

水土流失作为一种外力地质作用，其主要原因是由于人类生产活动破坏天然植被和暴雨造成的。人类对土地的利用，特别是对水土资源不合理的开发和经营，造成如今日趋严重的水土流失，严重影响了人与自然协调发展。水土流失状况是衡量水土资源和生态环境优劣程度的重要指标。目前有对坡面侵蚀沟监测进行相关方法和仪器能够对土壤侵蚀沟进行定量监测。但是对于某一固定地块的水土流失量的监测上，目前还是将一场降雨的水收集到一个蓄水池中，等雨停后再去通过人工搅拌、取样、蒸馏、称重的方法进行测量，该方法存在测量滞后、人工操作、取样误差大、流程复杂等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种坡面水土流失自动监测装置及监测方法，以克服现有技术的缺点。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种坡面水土流失自动监测装置，包括支架、浑水箱以及清水箱，所述浑水箱通过支架架设在地面上，所述浑水箱的顶部安装有进水管，所述清水箱放置在所述支架的一侧，所述清水箱的顶部安装有连通所述浑水箱的导流管，还包括称重传感器和称重仪表，所述称重传感器安装在所述支架的底部，所述称重仪表用于显示所述称重传感器的信号，所述浑水箱的底部安装有排水管，所述进水管、所述导流管以及所述排水管上均安装有电磁阀，所述导流管的进液端安装有水位传感器，所述水位传感器用于控制所述导流管上的所述电磁阀的启闭，所述浑水箱的顶部还安装有喷淋组件，通过所述喷淋组件将所述清水箱内的储水用于清洗所述浑水箱的内壁。

优选地，所述喷淋组件包括清水管、喷头、基座以及水泵，所述基座固定在所述浑水箱的顶部，所述清水管固定在所述基座上，所述喷头安装在所述清水管的出水端且位于所述浑水箱内，所述水泵安装在所述清水管的进水端且位于所述清水箱内，所述清水管的中部也安装有所述电磁阀。

优选地，所述导流管的进液端还安装滤网，所述滤网为三张，三张所述滤网的滤孔沿所述导流管内的水流方向依次减小，所述水位传感器位于所述滤网与所述导流管上的所述电磁阀之间。

优选地，所述喷头通过软管安装在所述清水管的出水端，所述基座上安装有竖直的导轨，所述导轨上安装有滑块，所述软管的固定在所述滑块上，所述基座上还安装有气缸，所述气缸用于驱动所述滑块。

一种坡面水土流失自动监测装置的监测方法，包括以下步骤：

S1、排空所有箱体内的储水后，将此时称重仪表读取的称重传感器称量的重量设置为零的初始重量，然后开启进水管和导流管上的电磁阀，其它电磁阀保持关闭；

S2、待一次降雨完成后，关闭进水管上的电磁阀，待浑水箱内的水面平稳后，测量此时水位的浑水体积记为V，并通过称重仪表读取称重传感器此时称量的重量记为M2；

S3、开启排水管上的电磁阀，排空浑水箱内的储水；

S4、检查清水箱内是否有储水，若无则通过外部水管向清水箱内注入，然后开启所有电磁阀，并启动水泵和气缸对浑水箱内壁进行清洗，直至清水箱内储水用尽后关闭水泵、气缸以及所有电磁阀；

S5、计算测量一次降雨后的泥沙重量；

S6、循环上述步骤，进行下一次测量。

优选地，步骤S5中泥沙的重量根据下列公式进行计算：M3＝ρ3*(M2-ρ1*V)/(ρ3-ρ1)；

式中，M3为泥沙重量，ρ3为干泥沙密度，ρ1为纯水的密度，M₁为体积为V的纯水的重量。

本发明具有以下优点：

1、该装置能实时连续测量一定范围内泥沙被雨水侵蚀带走的重量，具有结构较简单，检测精度高、地域适应性好等优点。

2、利用清水箱收集浑水箱溢出的水，并通过喷淋组件清洗浑水箱中的泥沙，获得高效、准确、实时的监测结果，为水土流失问题的研究和解决提供基础数据。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中，1-支架，2-浑水箱，3-清水箱，4-进水管，5-导流管，6-称重传感器，7-排水管，8-电磁阀，9-水位传感器，10-清水管，11-喷头，12-基座，13-水泵，14-滤网，15-软管，16-导轨，17-滑块，18-气缸。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“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。

如图1所示，一种坡面水土流失自动监测装置及监测方法，包括支架、浑水箱以及清水箱，浑水箱通过支架架设在地面上，浑水箱的顶部安装有进水管，清水箱放置在支架的一侧，清水箱的顶部安装有连通浑水箱的导流管，还包括称重传感器和称重仪表，称重传感器安装在支架的底部，称重仪表用于显示称重传感器的信号，浑水箱的底部安装有排水管，进水管、导流管以及排水管上均安装有电磁阀，导流管的进液端安装有水位传感器，水位传感器用于控制导流管上的电磁阀的启闭，浑水箱的顶部还安装有喷淋组件，通过喷淋组件将清水箱内的储水用于清洗浑水箱的内壁，该装置能实时连续测量一定范围内泥沙被雨水侵蚀带走的重量，具有结构较简单，检测精度高、地域适应性好等优点。

在本实施例中，如图1所示，喷淋组件包括清水管、喷头、基座以及水泵，基座固定在浑水箱的顶部，清水管固定在基座上，喷头安装在清水管的出水端且位于浑水箱内，水泵安装在清水管的进水端且位于清水箱内，清水管的中部也安装有电磁阀，喷头通过软管安装在清水管的出水端，基座上安装有竖直的导轨，导轨上安装有滑块，软管的固定在滑块上，基座上还安装有气缸，气缸用于驱动滑块，利用清水箱收集浑水箱溢出的水，并通过滑块带动喷头来回的冲刷浑水箱内壁上的泥沙，避免内壁上的残留影响下次测试数据，令整个装置获得高效、准确、实时的监测结果，为水土流失问题的研究和解决提供基础数据。

在本实施例中，如图1所示，导流管的进液端还安装滤网，滤网为三张，三张滤网的滤孔沿导流管内的水流方向依次减小，水位传感器位于滤网与导流管上的电磁阀之间，避免泥沙进入清水箱，导致喷头清洗浑水箱内壁时发生堵塞。

一种坡面水土流失自动监测装置的监测方法，包括以下步骤：

S1、排空所有箱体内的储水后，将此时称重仪表读取的称重传感器称量的重量设置为零的初始重量，然后开启进水管和导流管上的电磁阀，其它电磁阀保持关闭；

S2、待一次降雨完成后，关闭进水管上的电磁阀，待浑水箱内的水面平稳后，测量此时水位的浑水体积记为V，并通过称重仪表读取称重传感器此时称量的重量记为M2；

S3、开启排水管上的电磁阀，排空浑水箱内的储水；

S4、检查清水箱内是否有储水，若无则通过外部水管向清水箱内注入，然后开启所有电磁阀，并启动水泵和气缸对浑水箱内壁进行清洗，直至清水箱内储水用尽后关闭水泵、气缸以及所有电磁阀；

S5、计算测量一次降雨后的泥沙重量；

S6、循环上述步骤，进行下一次测量。

在本实施例中，如图1所示，步骤S5中泥沙的重量根据下列公式进行计算：M3＝ρ3*(M2-ρ1*V)/(ρ3-ρ1)；

式中，M3为泥沙重量，ρ3为干泥沙密度，ρ1为纯水的密度。

值得说明的是：浑水中泥沙的重量M3的计算公式根据三个公式进行推导，即公式①浑水质量＝浑水中沙的质量+浑水中水的质量，公式②浑水的体积＝浑水中沙的体积+浑水中水的体积以及公式③：M＝ρ*V(质量＝密度*体积)，公式推导前，先假设前述体积为V的混合液内的泥沙质量为M3对应体积为V3，混合液内水的质量为My对应体积为Vy，同体积为V的水的质量设为M1，待假设完成后进行公式推导，具体推导过程如下：

根据公式②V＝V3+Vy和公式③M1＝ρ1*V，可得公式④：M1/ρ1＝M3/ρ3+My/ρ1；

为消除公式④的分母，在公式④的两边同时乘以ρ1*ρ3，得公式⑤：M1*ρ3＝M3*ρ1+My*ρ3，而由前面的公式①可知，My＝M2-M3，将其带入公式⑤可得公式⑥：M1*ρ3＝M3*ρ1+(M2-M3)*ρ3，拆开公式⑥的括号可得公式⑦：M1*ρ3＝M3*ρ1+M2*ρ3-M3*ρ3，为方便公式两边提取公因数将公式⑦进行变换得公式⑧：M3(ρ3-ρ1)＝ρ3(M2-M1)，将公式⑧进一步变换得：M3(ρ3-ρ1)＝ρ3(M2-ρ1*V)，然后将变换后的公式⑧两边同时除以(ρ3-ρ1)得公式：M3＝ρ3*(M2-ρ1*V)/(ρ3-ρ1)；

而体积V、混合液质量M2、泥沙的密度ρ3以及纯水的密度ρ1均为已知数，故可根据公式：M3＝ρ3*(M2-ρ1*V)/(ρ3-ρ1)，计算出每次降雨的水土流失量。

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 (6)

1.一种坡面水土流失自动监测装置，包括支架(1)、浑水箱(2)以及清水箱(3)，所述浑水箱(2)通过支架(1)架设在地面上，所述浑水箱(2)的顶部安装有进水管(4)，所述清水箱(3)放置在所述支架(1)的一侧，所述清水箱(3)的顶部安装有连通所述浑水箱(2)的导流管(5)，其特征在于：还包括称重传感器(6)和称重仪表，所述称重传感器(6)安装在所述支架(1)的底部，所述称重仪表用于显示所述称重传感器(6)的信号，所述浑水箱(3)的底部安装有排水管(7)，所述进水管(4)、所述导流管(5)以及所述排水管(7)上均安装有电磁阀(8)，所述导流管(5)的进液端安装有水位传感器(9)，所述水位传感器(9)用于控制所述导流管(5)上的所述电磁阀(8)的启闭，所述浑水箱(2)的顶部还安装有喷淋组件，通过所述喷淋组件将所述清水箱(3)的储水用于清洗所述浑水箱(2)的内壁。

2.根据权利要求1所述的一种坡面水土流失自动监测装置，其特征在于：所述喷淋组件包括清水管(10)、喷头(11)、基座(12)以及水泵(13)，所述基座(12)固定在所述浑水箱(2)的顶部，所述清水管(10)固定在所述基座(12)上，所述喷头(11)安装在所述清水管(10)的出水端且位于所述浑水箱(2)内，所述水泵(13)安装在所述清水管(10)的进水端且位于所述清水箱(3)内，所述清水管(10)的中部也安装有所述电磁阀(8)。

3.根据权利要求1所述的一种坡面水土流失自动监测装置，其特征在于：所述导流管(5)的进液端还安装滤网(14)，所述滤网(14)为三张，三张所述滤网(14)的滤孔沿所述导流管(5)内的水流方向依次减小，所述水位传感器(9)位于所述滤网(14)与所述导流管(5)上的所述电磁阀(8)之间。

4.根据权利要求2所述的一种坡面水土流失自动监测装置，其特征在于：所述喷头(11)通过软管(15)安装在所述清水管(10)的出水端，所述基座(12)上安装有竖直的导轨(16)，所述导轨(16)上安装有滑块(17)，所述软管(15)的固定在所述滑块(17)上，所述基座(12)上还安装有气缸(18)，所述气缸(18)用于驱动所述滑块(17)。

5.如权利要求1所述的一种坡面水土流失自动监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、排空所有箱体内的储水后，将此时称重仪表读取的称重传感器称量的重量设置为零的初始重量，然后开启进水管(4)和导流管(5)上的电磁阀(8)，其它电磁阀(8)保持关闭；

S2、待一次降雨完成后，关闭进水管(4)上的电磁阀(8)，待浑水箱(2)内的水面平稳后，测量此时水位的浑水体积记为V，并通过称重仪表读取称重传感器此时称量的重量记为M2；

S3、开启排水管(7)上的电磁阀(8)，排空浑水箱(2)内的储水；

S4、检查清水箱(3)内是否有储水，若无则通过外部水管向清水箱(3)内注入，然后开启所有电磁阀(8)，并启动水泵(13)和气缸(18)对浑水箱(2)内壁进行清洗，直至清水箱(3)内储水用尽后关闭水泵(13)、气缸(18)以及所有电磁阀(8)；

S5、计算测量一次降雨后的泥沙重量；

S6、循环上述步骤，进行下一次测量。

6.根据权利要求5所述的一种坡面水土流失自动监测装置的监测方法，其特征在于，步骤S5中泥沙的重量根据下列公式进行计算：M3＝ρ3*(M2-ρ1*V)/(ρ3-ρ1)；

式中，M3为泥沙重量，ρ3为干泥沙密度，ρ1为纯水的密度，M₁为纯水的重量。