一種水土保持監測小區徑流泥沙連續取樣保存系統和方法與流程

2023-07-26 01:32:01

本發明涉及一種水土保持監測小區徑流泥沙連續取樣保存系統和方法，是一種水文實驗系統方法，是一種應用於水土保持監測小區徑流的系統和方法。

背景技術：

建立水土保持監測小區，開展指定地點水土流失監測是開展水土保持研究、水土流失治理，以及生產建設項目水土流失防治等主要手段。標準監測小區的水平投影尺寸一般為長20m寬5m，在下遊中間部位設出水口。其徑流泥沙過程監測主要採用等量分流原理進行基於次降雨過程的監測。即在小區的出水口位置布設承接池或承接桶，在承接池外側統一水平高度設多個相同的出水口，然後接取其中一個出水口的徑流泥沙。待一次徑流泥沙過程結束後，採用人工測量的方式獲取單個出水口的徑流量和泥沙量，然後乘以出水口個數並加上承接池內的水量和泥沙，即為本次降雨過程的產流量和侵蝕產沙量。

上述方式在應用中存在著如下問題：（1）水土保持監測小區為避免人工幹擾，一般建設在偏遠和交通不便的位置，完成一次監測後，難以清理泥沙為下一次侵蝕產沙過程監測做準備。（2）只能進行總的產水、產沙監測，難以實現產水、產沙過程監測，為了獲取水沙過程，需要專人值守，然而由於降雨和產流的不確定性，往往難以獲得產流產沙過程監測機會，並獲取數據。（3）獲取的徑流、泥沙數據往往不準確，參考作用有限。主要是因為受降雨強度變化，以及監測小區出水口位置、承接池位置等的影響，監測小區出流過程大小變化時承接池內的水位條件、泥沙沉積條件等均會發生變化，造成出水口的出流過程和含沙量過程存在較大差異，使得降雨產流過程越長則單個出水口的徑流量和泥沙量的代表性越差。

技術實現要素：

為了克服現有技術的問題，本發明提出了一種水土保持監測小區徑流泥沙連續取樣保存系統和方法。所述的系統和方法能夠實現水體保持徑流小區的自動化自動連續取樣、自動化清理和維護，對樣品進行自動化保存，實現自動化的監測。

本發明的目的是這樣實現的：一種水土保持監測小區徑流泥沙連續取樣保存系統，包括：安裝在四面有百葉窗的箱體中的取樣子系統、樣品存儲子系統、控制子系統、電源子系統，清理子系統以及降雨傳感器；多個環繞在根據取水狀況而間歇轉動的環形取樣履帶周圍的取樣桶，所述的取樣桶通過自動解鎖機構與取樣環形履帶連接；所述的取樣子系統還設有與小區徑流出水口管道連接的取樣口，所述的取樣口對準一個取樣桶的上口並設有水位計，所述的水位計與控制子系統電連接，所述的控制子系統與帶動取樣環形履帶運行的電機連接，所述的控制子系統中設有計算雨水充盈一個取樣桶時間的計時器和一場降雨充盈取樣桶次數的計次器；所述的樣品存儲子系統為設有蛇形軌道的樣品存儲區，所述的蛇形軌道起點設在一個取樣桶的停止位上，所述的蛇形軌道起點設有環形存儲履帶。

進一步的，所述的取樣筒為上部為倒圓臺，下部為圓柱形，底部設有活門，圓柱部分設有至少兩個卡固環。

進一步的，所述的取樣筒的圓臺部分設有與軌道相配合的凹弧形卡固槽。

進一步的，所述的電源子系統包括，蓄電池，所述的蓄電池與太陽能電池板連接。

進一步的，所述的清理子系統包括：設置在一個取樣筒停止位上的可開合震動環和自動衝洗器。

進一步的，所述的自動清洗器包括：設置在所述箱體頂部的集水盤，所述的集水盤與帶有過濾器的儲水箱管道連接，所述的儲水箱與衝洗泵管道連接，所述的衝洗泵與能夠自動伸縮的噴頭連接，所述集水盤中設有縱橫排列的隔板。

進一步的，所述的控制子系統中設有數據採集和存儲器，並通過網絡與遠程控制中心連接。

一種使用上述系統的水土保持監測小區徑流泥沙連續取樣保存方法，所述的方法的步驟如下：

參數設置的步驟：將取樣保存系統安裝室外小區坡面的下遊，設置取樣桶水位高度、觀測頻率各項參數；

儲存電能的步驟：在有陽光天候，太陽能電池板收集太陽能，轉換為電能後存儲在蓄電池中，這時控制子系統處於用電量極少的休眠狀態；

喚醒的步驟：降雨開始時，所述的降雨傳感器喚醒控制子系統，控制子系統被喚醒後與遠程管理中心建立聯繫；同時，集水盤開始收集雨水，過濾後存儲在儲水箱中備用；

取樣和計量雨量的步驟：小區產生徑流時，水位計以至少50次/秒的頻率計量取樣桶中的水位，控制子系統開始記錄出水口產流時間計時，當取樣桶中的水位達到設定值時，控制子系統停止計時並驅動環形取樣履帶轉動，使下一個取樣桶進入取樣口下方，進入下一輪取樣，如此循環往復，控制子系統不斷的記錄取樣桶的取樣次數和出水口產流時間，作為計量徑流量、含沙量的依據，並將這些數據發送至遠程管理中心；

選擇存儲水樣的步驟：根據觀測需求依據設定間隔或者隨機抽取取樣桶送入存儲器存儲，控制子系統記錄抽取的取樣桶數量；

清洗的步驟：沒有被選中存儲的取樣筒沿環形取樣履帶進入清洗區，打開取樣筒底部活門，放出取樣筒中的水和泥沙，可開合震動環夾住取樣筒並震動，開啟衝洗泵抽取存儲的雨水，噴頭伸出對取樣筒進行清洗，清洗後取樣筒隨環形取樣履帶繼續前行，準備下一次取樣；

停止的步驟：降雨結束後，降雨傳感器發出降雨停止的信號，控制子系統進入待機，如果繼續下雨則再次進入工作狀態，如果幾個小時沒有降雨，則進入休眠狀態，如果有陽光出現，則進入充電狀態。

本發明產生的有益效果是：本發明通過設置一整套自動循環使用的取樣桶，取樣桶通過環形取樣履帶不斷的對小區產生的徑流進行取樣，並記錄取樣次數，同時按設定間隔或隨機選擇抽取取樣桶進行儲存，以便之後的研究，整個過程實現完全無人化的自動取樣和自動抽樣，經過對取樣次數的計量可以精確的計算出小區徑流泥沙量，實現對小區中徑流泥沙過程的完全自動化取樣和存儲樣品，大大減少了人員野外工作量，節約了人力和實驗成本。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

圖1是本發明的實施例一所述系統的結構示意圖；

圖2是本發明的實施例一所述取樣子系統的結構示意圖；

圖3是本發明的實施例一所述的蛇形軌道的結構示意圖；

圖4是本發明實施例二所述的取樣桶的結構示意圖；

圖5是本發明實施例三所述的帶凹弧的取樣桶結構示意圖；

圖6是本發明實施例四所述的電源子系統結構示意圖；

圖7是本發明實施例五、六所述的清洗子系統結構示意圖。

具體實施方式

實施例一：

本實施例是一種水土保持監測小區徑流泥沙連續取樣保存系統，如圖1、2、3所示。本實施例包括：安裝在四面有百葉窗701頂部有集水盤702的箱體7中的取樣子系統1、樣品存儲子系統3、控制子系統4、電源子系統5，清理子系統6，以及降雨傳感器2，如圖1所示。多個環繞在根據取水狀況而間歇轉動的環形取樣履帶周圍的取樣桶，所述的取樣桶通過自動解鎖機構與取樣環形取樣履帶連接。所述的取樣子系統還設有與小區徑流出水口管道連接的取樣口101，所述的取樣口對準一個取樣桶102的上口並設有水位計103，所述的水位計與控制子系統電連接，所述的控制子系統與帶動環形取樣履帶104運行的電機連接（如圖2所示，由於做圖的限制圖2中只畫出了一個取樣桶，實際中應當有多個取樣桶圍繞在環形取樣履帶周圍），所述的控制子系統中設有計算雨水充盈一個取樣桶時間的計時器和一場降雨充盈取樣桶次數的計次器；所述的樣品存儲子系統為設有蛇形軌道301（如圖3所示）的樣品存儲區302，所述的蛇形軌道起點設在一個取樣桶的停止位上，所述的蛇形軌道起點設有環形存儲履帶303。

本實施例所述的水土保持監測小區（簡稱：小區）是一種在多個並排設置在野外的傾斜槽體，槽體通常用水泥或其他不透水的材料構築，其中填埋了實驗用的土壤，形成帶有坡面的土壤實驗區。小區主要檢測雨水對土壤坡面的作用。小區下端設置接收徑流的結構，將所有在坡面上的雨水都要收集在一起，通過管道輸出。本實施例則是將這些收集的雨水，包括坡面產生的徑流和直接降下的雨水，一起計量，得到坡面徑流和侵蝕泥沙過程的數據。

本實施例是一個適應野外工作的環境獨立自動化系統，無需人員值守，就可以連續工作數十天或數月，甚至一年以上。這個獨立系統具有保護設備安全穩定運行的箱體，自給自足的電源系統，以及自己的供水清理系統。所述的箱體將大部分的設備包容在其中。由於整個系統帶有多種電子設備和自動化設備，為防止降雨中將電子設備打溼而發生故障，可以設置防雨箱體。防雨箱體材質為塑料或不鏽鋼，並在四個側面中部設百葉窗結構通風窗。箱體一側上部設自動控制裝置的防雨控制面板。箱體內可以通過箱體上的百葉窗與外部空氣聯通，並通過一定的隔絕手段，使箱體內保持清潔乾淨的工作環境。

由於是野外作業的電子和機械結合的設備，需要設置電源。所述的電源子系統可以是與市電連接的變壓電源系統，也可以是利用自然力，如果太陽能、風能、地熱能、水流等自然力能力轉換的電能，利用蓄電池存儲電能，在降雨檢測時使用。

本實施例所述的取樣子系統是一套接水和計量徑流量的機構，這套機構的主體是一條環形取樣履帶，有多個取樣桶，各個取樣桶當上口密集並排排列，一個接一個，以便能夠將取樣口流出的水流完全收集，儘量不灑出取樣桶之外。

環形取樣履帶由步進電機帶動旋轉，能夠產生間歇的運動，當一個取樣桶被徑流裝滿後，步進電機帶動環形取樣履帶運動一段，將另一個取樣桶放在出水下方，繼續收集取樣，環形取樣履帶不斷的間歇運動，帶動一個個取樣桶不斷的在出水口下面接水，形成計量水量和泥沙的功能。

環形取樣履帶上設有卡鉤，卡鉤與取樣桶上的卡固環結合，形成環形取樣履帶與取樣桶的連接機構。取樣桶需要與環形取樣履帶脫離時，可以採用環形取樣履帶下降，取樣桶被託起，卡鉤與卡固環脫離，取樣桶和環形取樣履帶脫離。

取樣口上可以設置水位計，計量取樣桶中水位的高度，達到一定的高度後，水位計即通知控制子系統，控制子系統則控制環形取樣履帶運動，使正在接水的取樣桶移開，換一個空取樣桶繼續接水。水位傳感器可以採用超聲波傳感器，或其他能夠輸出電信號的水位測量傳感器。

取樣桶的形狀為倒圓臺形和圓柱體結合。圓臺上端直徑d1，下端直徑d2，下端接h2高度的圓柱形，圓臺體部分高度h3。上端1/5位置設內凹弧形卡固槽，下端設鉸鏈與底連接和密封，並實現在傳動過程中自動與環形取樣履帶的卡固和底部密封。步進電機經傳動齒輪驅動環形取樣履帶做圓周運動。環形取樣履帶每隔50cm設取樣桶卡固槽，環形取樣履帶直段1m長，弧段為直徑1m的半圓。水位計用於監測取樣桶內水面高度，由控制系統高頻率讀取水位數據，達到設定水位，立即控制步進電機驅動環形取樣履帶結束取樣。同時準備下一次的取樣。

取樣桶也可以是其他形狀，如圓柱形，或多邊稜柱形等。

所述的水位計可以採用超聲波水位計，或其他類似能夠產生電子數據信號的水位計。

樣品存儲子系統的作用是存儲一些在取樣過程中按一定間隔（例如：按環形取樣履帶轉一圈抽取一個，或轉兩圈抽取一個等）或隨機抽取的取樣桶作為樣品存儲下來，以便進行進一步的分析。樣品存儲子系統利用取樣桶上部的內凹弧形卡固槽和導軌進行緊密排列和傳動。取樣前在準備區呈蛇形緊密排列，取樣後在儲存區蛇形緊密排列。蛇形排布是增加軌道的多個轉彎，在相對小的空間內儘量存儲更多的取樣桶。

清洗子系統的作用是將不打算存儲的取樣桶排出其中的水和泥沙，作為下一輪取樣使用。當取樣桶隨環形取樣履帶達到清洗位置的時候，打開取樣桶底蓋，並進行其內壁下2/3部位的一次往復清洗。清洗子系統包括儲水箱、水泵、導水管、由電機帶動伸縮的噴頭。清洗用的水源，可以是收集的降雨。通過在箱體頂部設置集水盤收集雨水，過濾後存儲在儲水箱中作為水源。利用水泵增加水壓，使噴頭噴射水流清洗取樣桶下2/3區域。在電機的帶動下循環往復幾次，將取樣桶清洗乾淨，完畢後稱重待用。為清洗乾淨，清洗子系統可以設置超聲波振動器，帶動清洗中的取樣桶震動，將取樣桶中的泥沙和水完全清除。

控制子系統是具有數據處理和數據儲存功能的電子設備，可以是普通pc電腦，或者是工控計算機，或是嵌入式系統等。控制子系統可以通過網絡與控制中心連接，為節省能源，可以設置降雨傳感器，在沒有降雨的情況下，控制子系統處於休眠狀態，當降雨出現時，降雨傳感器喚醒向控制子系統發出降雨開始的信息，開啟控制子系統。

控制子系統除了控制環形取樣履帶的運行外，還要記錄和存儲降雨開始時間t1、降雨強度i、降雨量p，監測小區出水口出流時間t2，取樣桶接取水樣開始時間t3、結束時間t4等各項數據。控制子系統還要控制超聲換能器對取樣桶內水樣進行超聲震動，還要記錄水位計測定的取樣桶內水深h1，控制打開取樣桶底板，排空取樣桶，控制加壓泵和微型清洗噴頭往復清洗取樣桶，控制子系統還要根據設定值控制步進電機實現自動間隔取樣或根據降雨強度加密取樣。

實施例二：

本實施例是實施例一的改進，是實施例一關於取樣桶的細化。本實施例所述的取樣桶的上部為倒圓臺1021，下部為圓柱形1022，底部設有活門1023，圓柱部分設有至少兩個卡固環1024，如圖4所示。

取樣桶可以採用不鏽鋼或高強度塑料製作。活門可以採用電磁開關控制打開和關閉。卡固環的作用與環形取樣履帶的卡鉤1041配合，卡鉤鉤在卡固環上，環形取樣履帶就可以帶動取樣桶運行。卡箍環可以設置2-4個，多設置卡箍環，可以使環形取樣履帶與取樣桶結合得更加穩固，但卡箍環過多也會使系統過於複雜，容易產生故障。

實施例三：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關於取樣桶的細化。本實施例所述的取樣桶的圓臺部分設有與軌道105相配合的凹弧形卡固槽1025，所述的環形取樣履帶設有下落機構1042，如圖5。

凹弧形卡箍槽的作用是與軌道配合，軌道嵌在凹槽中，使取樣槽能夠沿軌道滑動。環形取樣履帶下落機構能夠使環形取樣履帶上下移動（如圖5中箭頭方向），使環形取樣履帶與取樣桶結合與分離。當需要抽樣時，環形取樣履帶下落，使環形取樣履帶上的卡鉤與取樣桶上的卡固環脫離，取樣桶滑入軌道中，軌道與取樣桶上的凹槽嵌合，有環形存儲履帶將嵌入軌道的取樣桶帶走。

實施例四：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關於電源子系統的細化。本實施例所述的電源子系統包括，蓄電池，所述的蓄電池與太陽能電池板501連接，如圖6所示。

本實施例使用太陽能作為主要的能源來源。通過太陽能電池，吸收太陽能轉換為電能儲存在蓄電池中。太陽能電池通常安裝在高杆頂端，以便接受更多的陽光，也可以安裝在建築物或構造物的頂端，如房屋的屋面，塔型構築物的頂端等。蓄電池可以與太陽能電池安裝在一起，以可以安裝在箱體內部，以得到較好的保護。

實施例五：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關於清洗子系統的細化。本實施例所述清洗子系統包括：設置在一個取樣桶停止位上的可開合震動環107和自動衝洗器，如圖7所示。

可開合震動環的作用是：當取樣桶的活門打開的時候，取樣桶中的水和泥沙流出取樣桶，為了清理乾淨，可開合震動環合上（圖7中箭頭方向），卡住取樣桶，並開始震動，將粘在取樣桶中的水和泥沙震動落下，配合自動清洗器將取樣桶清洗乾淨。

實施例六：

本實施例是實施例上述實施例的改進，是上述實施例關於自動清洗器的細化。本實施例所述的自動清洗器包括：與供水管道連接的衝洗泵601，所述的衝洗泵與能夠自動伸縮的噴頭602連接，如圖7所示。

自動清洗器的作用是通過加壓的水柱將取樣桶中的泥沙清理乾淨，水柱的壓力由水泵提供，水源可以收集降雨作為水源，將降雨經過濾後存儲在儲水箱中備用，衝洗是通過水泵加壓，由噴頭噴出。噴頭安裝在能夠自動伸縮的管子上，使噴頭可以伸縮旋轉，對取樣桶內壁的上下左右進行全面的衝洗。

實施例七：

本實施例是實施例上述實施例的改進，是上述實施例關於控制子系統的細化。本實施例所述的控制子系統中設有數據採集和存儲器，並通過網絡與遠程控制中心連接。

控制子系統所述的數據採集器和存儲器，可以是專門的採集存儲電路，也可以附帶在微處理器中的程序或隨帶的存儲區中。

遠程控制中心可以是類似bs/cs類型的系統，或者是數據共享系統。

實施例八：

本實施例是一種使用上述實施例所述系統的水土保持監測小區徑流泥沙連續取樣保存方法，所述的方法的步驟如下：

（一）參數設置的步驟：將取樣保存系統安裝室外小區坡面的下遊，設置取樣桶水位高度、觀測頻率各項參數。由於是自動化系統，在安裝是需要根據周圍環境進行安裝，避免過於潮溼，地勢過低而被淹沒，風力不能過大影響取樣和保存。

（二）儲存電能的步驟：在有陽光天候，太陽能電池板收集太陽能，轉換為電能後存儲在蓄電池中，這時控制子系統處於用電量極少的休眠狀態。由於是完全獨立的系統，最好使用自給自足的電源系統，如通過太陽能取得能源，或通過風力取得能源，存儲在蓄電池中。

（三）喚醒的步驟：降雨開始時，所述的降雨傳感器喚醒控制子系統，控制子系統被喚醒後與遠程管理中心建立聯繫；同時，集水盤開始收集雨水，過濾後存儲在儲水箱中備用。

為節約能源，在沒有降雨的情況下，整個裝置應當處於休眠狀態，除降雨傳感器之外，其他設備都停止工作，特別是需要連續耗電的控制子系統，因此，當降雨出現時喚醒傳感器發出信號，將控制子系統喚醒，控制子系統喚醒後，開始對整個系統進行控制，開始工作，同時與遠程管理中心建立網絡聯繫，通知遠程管理中心降雨開始，即將進入取樣和保存工作。

（四）取樣和計量雨量的步驟：小區產生徑流時，水位計以至少50次/秒的頻率計量取樣桶中的水位，控制子系統開始記錄出水口產流時間計時，當取樣桶中的水位達到設定值時，控制子系統停止計時並驅動環形取樣履帶轉動，使下一個取樣桶進入取樣口下方，進入下一輪取樣，如此循環往復，控制子系統不斷的記錄取樣桶的取樣次數和出水口產流時間，作為計量徑流量、含沙量的依據，並將這些數據發送是遠程管理系統中。

取樣的過程必須十分的精確，因此，在取樣的時候通過水位計計量取樣桶中的水位，一旦達到了要求的高度，離開啟動環形取樣履帶，更換取水的取樣桶。由於取樣桶中的水和泥沙量將在下面精確計量，因此，只要計量取樣桶更換的次數，就可以精確的計算出徑流量。

設定值是預先設置的一個水位值，正常水位值比取樣桶的高度略低，這樣就會使取樣後取樣桶中的水位略低於取樣桶的上緣，樣品就可以十分穩定的保留掉了取樣桶中，不會因為取樣桶的移動而晃出取樣桶中。但這個水位值也不能太低，太低則影響取樣效率，一般在80-90%的取樣桶高度為宜。

在取樣和計量過程中，控制子系統不斷的記錄計量數據，並將這些數據儲存，同時將數據發送至遠程管理中心，也可以在降雨後將數據匯總後傳輸至遠程管理中心，以節約網絡資源。

（五）選擇存儲水樣的步驟：根據觀測需求依據設定間隔或者隨機抽取取樣桶送入存儲器存儲，控制子系統記錄抽取的取樣桶數量。

根據實驗需要設定一定間隔抽取一些取樣桶，作為標本，放入存儲器中存儲，以便在之後的分析中使用。由於存儲器容量有限，一般可以選擇環形取樣履帶轉一周或兩周抽取一個取樣桶。也可以隨機的抽取一些取樣桶，連帶其中的水和泥沙一起儲存，以便降雨後進行進一步的分析。取樣的數量也應當發送至遠程管理中心。

（六）清洗的步驟：沒有被選中存儲的取樣筒沿環形取樣履帶進入清洗區，打開取樣筒底部活門，放出取樣筒中的水和泥沙，可開合震動環夾住取樣筒並震動，開啟衝洗泵抽取存儲的雨水，噴頭伸出對取樣筒進行清洗，清洗後取樣筒隨環形取樣履帶繼續前行，準備下一次取樣。

抽取一些樣品儲存後，其他不需要的水和泥沙就倒掉，並清理取樣桶中的泥沙，以便下一次取樣。

儲水箱中的水位也是一個十分重要的參數，如果儲水箱中沒有存水，其清洗無法完成，取樣工作也無法完成，因此，如果儲水箱中沒有儲水，控制子系統應當停止取樣。

（七）停止的步驟：降雨結束後，降雨傳感器發出降雨停止的信號，控制子系統進入待機，如果繼續下雨則再次進入工作狀態，如果幾個小時沒有降雨，則進入休眠狀態，如果有陽光出現，則進入充電狀態。

當降雨停止時，由於徑流是有滯後的，控制子系統並不停止工作，只是當水位計，檢測到取樣桶中的水位無法到達設定的水位時，控制子系統暫停工作，等待是否繼續降雨，如果等待時間較長，則控制子系統再次進入休眠狀態。

最後應說明的是，以上僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳布置方案對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案（比如與小區的形式和與本系統的連接、取樣桶的形式、取樣過程、系統的總體構成等）進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。