本發(fā)明涉及一種監(jiān)測裝置，尤其涉及一種萬向地表徑流實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置。

背景技術(shù)：

地球上各種水體并非是靜止的，在太陽的輻射下，不斷地蒸發(fā)變成水汽進(jìn)入大氣，并隨氣流輸送到各地，在一定的條件下形成降水回到地球表面，其中的一部分被植物截留和土壤儲(chǔ)蓄，通過蒸散發(fā)返回大氣，另一部分以地表徑流和地下徑流的形式匯入江河湖庫，最終回歸海洋。地球上各種水體通過這種不斷的蒸發(fā)、水汽輸送、冷凝降落、下滲、形成徑流的往復(fù)循環(huán)的過程稱為水文循環(huán)。

降雨經(jīng)植物截留、填洼、下滲的損失過程稱為產(chǎn)流過程。降雨扣除這些損失后，剩余的部分稱為凈雨，凈雨在數(shù)量上等于它所形成的徑流量。

徑流分為地表徑流和地下徑流。地表徑流是指降水形成的沿著流域地面流動(dòng)的水流，它是水文循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是河流水文情勢變化的根本因素。

有關(guān)地表徑流量的獲得大多是經(jīng)過產(chǎn)流計(jì)算之后，將地下徑流扣除，即可得到地表徑流量。最常見的兩種產(chǎn)流方式為：蓄滿產(chǎn)流模式和超滲產(chǎn)流模式，兩種產(chǎn)流模式分別對應(yīng)各自的產(chǎn)流計(jì)算方法。隨著研究的不斷深入，不同的產(chǎn)流計(jì)算方法和模型隨之產(chǎn)生。

然而，通過計(jì)算的方式獲得地表徑流，不僅需要依賴于大量的降雨、蒸發(fā)等水文基礎(chǔ)資料，且受模型選取、計(jì)算方法、水源劃分等一系列因素的影響，計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)際情況不相符合。

目前，有關(guān)地表徑流監(jiān)測的研究很少。與計(jì)算相比，直接測量地表徑流不需要收集降雨等水文資料，也不需進(jìn)行模型選取、計(jì)算等，可以減輕水文工作者的工作量，節(jié)省大量的時(shí)間。此外，實(shí)測得到的地表徑流更加接近實(shí)際情況，減小了誤差，從而使得后續(xù)的匯流計(jì)算誤差減小，水文預(yù)報(bào)更為準(zhǔn)確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對以上問題，本發(fā)明提出一種萬向地表徑流實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測地表徑流深、流速和流向。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種萬向地表徑流實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，包括頂部集雨器、中心處理模塊、側(cè)面防護(hù)裝置、重量傳感器、三維力傳感器、中部支撐桿、輸水管和底部支撐桿；其中，頂部集雨器與中心處理模塊相連，三維力傳感器與中部支撐桿相連，中心處理模塊通過三維力傳感器、中部支撐桿與重量傳感器相連，中心處理模塊與重量傳感器之間安裝有側(cè)面防護(hù)裝置；在頂部集雨器的底部開設(shè)圓孔，輸水管固定在圓孔中，穿過中心處理模塊，下端插入土壤中；底部支撐桿上端連接在重量傳感器的底部四周，下端插入土壤中。

進(jìn)一步地，中心處理模塊包括中心處理器、信息傳輸模塊和電源封裝層，位于頂部集雨器的底端，且與頂部集雨器緊密相連。

進(jìn)一步地，頂部集雨器為無蓋圓柱體。中部支撐桿為空心圓柱體，內(nèi)部安裝有線路通道。側(cè)面防護(hù)裝置為透水性強(qiáng)的多孔面板。每兩根輸水管間隔一根底部支撐桿排列。

進(jìn)一步地，中心處理器計(jì)算實(shí)時(shí)地表徑流深的具體步驟為：

由質(zhì)量計(jì)算公式知：

mt＝ρ·vt

vt＝π(r²-r²)ht

因而有：

mt＝ρ·π(r²-r²)ht

從而可得地表徑流深：

其中，重量傳感器的半徑為r，中部支撐桿的半徑為r，水的密度為ρ，t時(shí)刻地表徑流的質(zhì)量為mt，t時(shí)刻地表徑流深為ht，t時(shí)刻地表徑流在重量傳感器上方形成的體積為vt。

進(jìn)一步地，中心處理器計(jì)算實(shí)時(shí)流速的具體步驟為：

三維力傳感器測得實(shí)時(shí)力距mt，由力矩公式：

式中，l為中部支撐桿的長度。

可得實(shí)時(shí)力：

由牛頓第二定律：

f＝m·a

離散得：

其中，m’t為δt時(shí)間內(nèi)通過中部支撐桿的水流質(zhì)量：

代入上式，得：

化簡后得：

v0＝0

m0＝0

根據(jù)上式，可逐時(shí)段計(jì)算實(shí)時(shí)流速vt。

工作原理：通過重量傳感器測出實(shí)時(shí)地表徑流質(zhì)量，通過三維力傳感器測出流向和力矩，通過中部支撐桿內(nèi)部的線路，將實(shí)時(shí)地表徑流質(zhì)量和實(shí)時(shí)力矩這兩個(gè)數(shù)據(jù)傳到中心處理模塊，經(jīng)過物理和數(shù)學(xué)上的處理，從而得出實(shí)時(shí)地表徑流深、實(shí)時(shí)流速，將這兩者與實(shí)時(shí)流向通過信息傳輸模塊，輸出至相應(yīng)設(shè)備。

有益效果：本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)該裝置結(jié)構(gòu)簡單，易操作，材料易獲得，可行性強(qiáng)；(2)該監(jiān)測裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測地表徑流，與計(jì)算方式相比，具有較高的精確度，可減小工作量，節(jié)約時(shí)間，提高效率；(3)該監(jiān)測裝置可測得實(shí)時(shí)地表徑流數(shù)據(jù)；(4)頂部集雨器、側(cè)面防護(hù)裝置和輸水管均可減小由于監(jiān)測裝置本身造成的誤差，提高監(jiān)測精確度。

附圖說明

圖1是萬向地表徑流實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置示意圖；

圖2是中心處理模塊剖面圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示是本發(fā)明所述的萬向地表徑流實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，包括頂部集雨器1、中心處理模塊2、側(cè)面防護(hù)裝置3、重量傳感器4、三維力傳感器5、中部支撐桿6、輸水管7和底部支撐桿8共八部分。

其中，頂部集雨器1與中心處理模塊2相連，三維力傳感器5與中部支撐桿6相連，中心處理模塊2通過三維力傳感器5、中部支撐桿6與重量傳感器4相連，中心處理模塊2與重量傳感器4之間安裝有側(cè)面防護(hù)裝置3。在頂部集雨器1的底部開8個(gè)圓孔，8根輸水管7固定在圓孔中，穿過中心處理模塊2，下端插入土壤中。若干底部支撐桿8上端連接在重量傳感器4的底部四周，下端插入土壤中。

本發(fā)明的輸水管及圓孔個(gè)數(shù)可以為8個(gè)，也可以是其他個(gè)數(shù)。

中部支撐桿6為空心圓柱體，內(nèi)部安裝有線路通道。側(cè)面防護(hù)裝置3由透水性強(qiáng)的多孔面板構(gòu)成，既有足夠的過水能力，又可阻擋雜物進(jìn)入監(jiān)測裝置內(nèi)部干擾監(jiān)測結(jié)果。每兩根輸水管7間隔一根底部支撐桿8排列，輸水管7能夠及時(shí)排出頂部集雨器1中的雨水，防止頂部集雨器中的水溢出。

頂部集雨器1兼用作防護(hù)板，形狀為無蓋圓柱體，用于收集監(jiān)測裝置上方的降雨，防止裝置上方的降雨落到裝置內(nèi)部，從而影響監(jiān)測結(jié)果。頂部集雨器、側(cè)面防護(hù)裝置可以防止監(jiān)測裝置上方的降雨進(jìn)入到裝置內(nèi)部，輸水管能夠及時(shí)排出頂部集雨器中的雨水，防止頂部集雨器中的水溢出，側(cè)面防護(hù)裝置能夠過濾掉雜物。

如圖2所示是中心處理模塊剖面圖，中心處理模塊2由中心處理器、信息傳輸模塊和電源封裝層組成，位于頂部集雨器1的底端，且與頂部集雨器1緊密相連。

開始監(jiān)測前，將輸水管7和底部支撐桿8插入土壤中，使得重量傳感器4處于水平位置，連接電源，開啟監(jiān)測裝置。當(dāng)降雨開始后，經(jīng)過下滲、植物截留等過程，在地表面形成的徑流通過側(cè)面防護(hù)裝置3進(jìn)入到裝置內(nèi)部，經(jīng)由重量傳感器4測出該部分實(shí)時(shí)地表徑流質(zhì)量，并由三維力傳感器5測出實(shí)時(shí)流向與實(shí)時(shí)力矩，通過中部支撐桿6內(nèi)部的線路，將實(shí)時(shí)地表徑流質(zhì)量和實(shí)時(shí)力矩這兩個(gè)數(shù)據(jù)傳到中心處理模塊2中的中心處理器，經(jīng)過物理和數(shù)學(xué)上的處理，從而得出實(shí)時(shí)地表徑流深、實(shí)時(shí)流速，將這兩者與實(shí)時(shí)流向通過信息傳輸模塊，輸出至相應(yīng)設(shè)備。

中心處理器根據(jù)實(shí)時(shí)地表徑流質(zhì)量推求實(shí)時(shí)地表徑流深的原理如下：

已知重量傳感器4的半徑為r(m)，中部支撐桿6的半徑為r(m)，水的密度為ρ(kg/m³)，重量傳感器4測出t時(shí)刻地表徑流的質(zhì)量為mt(kg),設(shè)t時(shí)刻地表徑流深為ht(m)，t時(shí)刻地表徑流在重量傳感器4上方形成的體積為vt(m³)。

由質(zhì)量計(jì)算公式易知：

mt＝ρ·vt

vt＝π(r²-r²)ht

因而有：

mt＝ρ·π(r²-r²)ht

從而可推出地表徑流深：

中心處理器根據(jù)實(shí)時(shí)地表徑流質(zhì)量和實(shí)時(shí)力矩推求實(shí)時(shí)流速的原理如下：

三維力傳感器可測得實(shí)時(shí)力距mt(n·m)，實(shí)時(shí)徑流深ht(m)通過上述方式計(jì)算獲得。由力矩公式：

式中，l(m)為中部支撐桿6的長度?？汕蟮脤?shí)時(shí)力：

由牛頓第二定律：

f＝m·a

離散得：

其中，m’t為δt時(shí)間內(nèi)通過中部支撐桿6的水流質(zhì)量：

代入上式，得：

化簡后得：

v0＝0

m0＝0

根據(jù)上式，可逐時(shí)段計(jì)算實(shí)時(shí)流速vt。

盡管上文對本發(fā)明作了詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于此，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的原理進(jìn)行修改，因此，凡按照本發(fā)明的原理進(jìn)行的各種修改都應(yīng)當(dāng)理解為落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。