一種徑流泥沙實(shí)時(shí)自動(dòng)測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水土流失觀測領(lǐng)域，涉及徑流量和泥沙含量測量，具體涉及一種徑流 泥沙實(shí)時(shí)自動(dòng)測量裝置及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水土流失是陸地水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，其不僅影響生態(tài)系統(tǒng)的水環(huán)境，而且關(guān)乎江 河安全、生態(tài)安全、水土資源保育與永續(xù)利用。中國科學(xué)院生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN)、國家生態(tài) 觀測研究網(wǎng)絡(luò)、國家水文測量站網(wǎng)、科教機(jī)構(gòu)的野外站點(diǎn)都將徑流泥沙觀測列為重要的觀 測指標(biāo)。水利部制定的全國水土保持信息化規(guī)劃（2013~2020年）將"國家級(jí)水土保持測 量點(diǎn)升級(jí)"列為重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。擬"開展測量點(diǎn)數(shù)據(jù)采集智能化升級(jí)，在全國水土保持測量 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的738個(gè)水土保持測量點(diǎn)中，選擇30-50個(gè)水土保持測量點(diǎn)，配置自動(dòng)化測量采集 設(shè)施設(shè)備，建成國家級(jí)水土保持測量網(wǎng)。"
[0003]目前，只有流域把口站的徑流量實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測，而徑流場的徑流量、泥沙含量和 把口站的泥沙含量觀測國內(nèi)外還沒有實(shí)用的實(shí)時(shí)自動(dòng)觀測裝置。而人工觀測的人為影響 大，且有人身安全隱患。
[0004] 建立信息化環(huán)境下的徑流泥沙實(shí)時(shí)自動(dòng)觀測、傳輸、管理和共享，獲得記錄水土流 失發(fā)生、發(fā)展的過程數(shù)據(jù)，不僅是生態(tài)過程科學(xué)研究、水土保持科技發(fā)展的需要，也是運(yùn)用 現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)升級(jí)改造水土流失測量方法，提升徑流泥沙數(shù)據(jù)獲取科技水平的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種徑流泥沙實(shí)時(shí)自動(dòng)測量 裝置及測量方法，解決野外環(huán)境下，徑流泥沙測量過程中尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)精準(zhǔn)測量的問 題。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種徑流泥沙實(shí)時(shí)自動(dòng)測量裝置，包括支架殼體，支架殼體的頂面上固定安裝有 進(jìn)樣口，支架殼體內(nèi)安裝有計(jì)量秤，計(jì)量秤上安裝有采樣器，采樣器的頂端與進(jìn)樣口分離， 使得計(jì)量秤不計(jì)量進(jìn)樣口的重量，采樣器的底端設(shè)置有排樣口，采樣器的外側(cè)壁上還設(shè)置 有標(biāo)定采樣器體積的溢流口；
[0008] 進(jìn)樣口上安裝有進(jìn)樣閥門，進(jìn)樣閥門通過進(jìn)樣閥門控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，排樣口上安裝 有排樣閥門，排樣閥門通過排樣閥門控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)；
[0009] 進(jìn)樣口內(nèi)安裝有第一流體傳感器，溢流口內(nèi)安裝有第二流體傳感器；
[0010] 計(jì)量秤、第一流體傳感器和第二流體傳感器分別與PLC控制器的輸入端相連，PLC 控制器的輸出端與進(jìn)樣閥門控制電機(jī)和排樣閥門控制電機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)徑流量和泥沙含量的 實(shí)時(shí)自動(dòng)測量。
[0011] 本發(fā)明還具有如下區(qū)別技術(shù)特征：
[0012] 所述的進(jìn)樣閥門上部的進(jìn)樣口上還設(shè)置有泄流口。
[0013] 所述的進(jìn)樣閥門和排樣閥門均為蝶閥。
[0014] 所述的計(jì)量秤中采用壓力傳感器。
[0015] 所述的采樣器的頂端開口內(nèi)徑和底端開口內(nèi)徑小于采樣器的中部內(nèi)徑，溢流口設(shè) 置在采樣器的頂端開口的外側(cè)壁上。
[0016] 所述的采樣器的內(nèi)壁上涂有一層疏水層。
[0017] 一種采用如上測量裝置的測量方法，該方法具體包括以下步驟：
[0018] 步驟一，將測量裝置安裝在徑流小區(qū)或流域卡口站的徑流出口處，測量裝置安裝 定位后，調(diào)整計(jì)量秤的零點(diǎn)；
[0019] 步驟二，測量裝置初始處于待機(jī)休眠狀態(tài)，進(jìn)樣閥門和排樣閥門均打開，第一流體 傳感器實(shí)時(shí)檢測是否有徑流；
[0020] 步驟三，當(dāng)?shù)谝涣黧w傳感器檢測到有徑流時(shí)，測量裝置加電；
[0021] 步驟四，利用徑流清洗采樣器，時(shí)間為10s，關(guān)閉進(jìn)樣閥門，采樣器空淋30s，關(guān)閉 排樣閥門，測量裝置靜置穩(wěn)定60s，計(jì)量秤稱量采樣器、排水閥門、排水閥門驅(qū)動(dòng)電機(jī)、溢流 口中粘附的泥沙殘重，數(shù)據(jù)輸入PLC控制器中；
[0022] 步驟五，打開進(jìn)樣閥門，將徑流引入采樣器中，第二流體傳感器檢測溢流口是否有 溢流，從采樣器開始采樣的時(shí)刻起計(jì)算，當(dāng)溢流口持續(xù)30min后還沒有溢流，測量裝置恢復(fù) 初始狀態(tài)，按照步驟二進(jìn)行；
[0023] 步驟六，當(dāng)?shù)诙黧w傳感器在30min內(nèi)檢測到溢流時(shí)，關(guān)閉進(jìn)樣閥門，測量裝置穩(wěn) 定60s，計(jì)量稱稱重，數(shù)據(jù)輸入PLC控制器中，計(jì)算徑流量和泥沙含量；
[0024] 步驟七，稱重完成后，打開進(jìn)樣閥門和排樣閥門，排出采樣器中的徑流液樣品，重 復(fù)步驟四至步驟七，循環(huán)采樣測量，實(shí)現(xiàn)徑流量和泥沙含量的實(shí)時(shí)自動(dòng)測量。
[0025] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下技術(shù)效果：
[0026] 本發(fā)明的測量裝置可在野外環(huán)境下實(shí)時(shí)自動(dòng)測量，減少人工測量的勞動(dòng)力耗費(fèi)， 并且能夠?qū)搅髦械哪嗌澈窟M(jìn)行長期監(jiān)測。本發(fā)明的測量裝置主要用于提升野外徑流小 區(qū)和流域卡口站徑流泥沙測量的自動(dòng)化水平，增強(qiáng)樣品實(shí)時(shí)在線分析處理的準(zhǔn)確度，降低 勞動(dòng)強(qiáng)度。測量原理和技術(shù)方法是通過將測量裝置安放在徑流小區(qū)或流域卡口站的匯流口 處，通過全自動(dòng)感應(yīng)收集徑流樣品，設(shè)定測量裝置的工作參數(shù)，通過定體積稱重法測量出 樣品采集器內(nèi)樣品的重量，通過測量軟件求解徑流樣品中水和泥沙的分量，進(jìn)而計(jì)算徑流 量和泥沙含量，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和遠(yuǎn)程傳送。
[0027] 本發(fā)明的測量裝置和方法能夠保證測量結(jié)果的精準(zhǔn)性，相對(duì)誤差波動(dòng)范圍 0. 6-14. 0%，均值為4. 2%，低含沙量（2-10kg/m3)相對(duì)誤差為7. 0%;中含沙量（20-90kg/ 1113)相對(duì)誤差為3.1%;高含沙量（100-3001^/111 3)相對(duì)誤差為2.99%。測量值和理論值相 關(guān)系數(shù)高達(dá)99. 7%，相對(duì)誤差>10%僅占3. 7%。
【附圖說明】
[0028] 圖1是測量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖2是測量裝置的正視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖3是測量裝置的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖4是測量裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖5是測量裝置的控制部分的連接關(guān)系示意圖。
[0033] 圖6是測量方法的流程圖。
[0034] 圖7是標(biāo)樣值（理論值）與實(shí)測值關(guān)系圖。
[0035] 圖8是測量誤差分布圖。
[0036] 圖中各個(gè)標(biāo)號(hào)的含義為：1-支架殼體，2-進(jìn)樣口，3-計(jì)量稱，4-采樣器，5-排樣 口，6-溢流口，7-進(jìn)樣閥門，8-進(jìn)樣閥門控制電機(jī)，9-排樣閥門，10-排樣閥門控制電機(jī)， 11-第一流體傳感器，12-第二流體傳感器，13-PLC控制器，14-泄流口。
[0037] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)解釋說明。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 研制目標(biāo)：研發(fā)適用于徑流小區(qū)和流域卡口站2個(gè)場景的徑流泥沙實(shí)時(shí)自動(dòng)觀測 裝置，實(shí)現(xiàn)徑流泥沙實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、測量和傳輸。具體目標(biāo)為：
[0039] (1)提出徑流泥沙自動(dòng)測量新的原理和技術(shù)方法，即通過測量定體積泥沙樣品的 重量，求解泥沙樣品中水和泥沙的分量，進(jìn)而計(jì)算徑流量和泥沙含量。
[0040] (2)遴選準(zhǔn)確度和精確度能滿足測量要求的壓力傳感器、電導(dǎo)傳感器等；遴選泥 沙粘附性小的材料，設(shè)計(jì)并制作泥沙粘附性小的采樣器；設(shè)計(jì)自動(dòng)觀測流程中每個(gè)部件動(dòng) 作的時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間長度和狀態(tài)。
[0041] (3)建立徑流泥沙自動(dòng)測量技術(shù)規(guī)范。
[0042] 技術(shù)難點(diǎn)：一是徑流攜帶泥沙流動(dòng)會(huì)發(fā)生泥沙沉降現(xiàn)象和粘附現(xiàn)象；二是泥沙顆 粒大小和形狀差異大，對(duì)聲、光、波等物理干涉的反應(yīng)復(fù)雜，新技術(shù)運(yùn)用受到限制；三是降雨 環(huán)境下，人工觀測難度大。籍此，突出研究以下內(nèi)容。
[0043] (1)觀測技術(shù)與方法。依據(jù)定體積容器中，水的體積與泥沙的體積之和等于容器內(nèi) 徑流樣品的總體積；水的重量與泥沙的重量之和等于容器內(nèi)徑流樣品的總重量的原理，建 立徑流泥沙的體積-重量實(shí)時(shí)自動(dòng)觀測技術(shù)與方法。
[0044] (2)測量的準(zhǔn)確度和精確度控制。采樣器定體積的標(biāo)定和樣品重量的秤量需要達(dá) 到千分之五以上的準(zhǔn)確度。這對(duì)于粘附性很強(qiáng)的泥沙樣品的測量而言，無疑是十分困難的。 所以，體積標(biāo)定的方法及其傳感器和稱重傳感器的遴選或研制，采集器材質(zhì)的遴選、形狀設(shè) 計(jì)、進(jìn)樣和排樣部件及其設(shè)計(jì)就成為關(guān)鍵的研究內(nèi)容。通過研制高精度的樣品采集器、測量 過程控制器、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊達(dá)到期望的技術(shù)指標(biāo)。
[0045] (3)測量過程的自動(dòng)化控制。水土流失是隨降雨而發(fā)生的隨機(jī)事件，實(shí)現(xiàn)裝置的自 啟動(dòng)、自休眠、重復(fù)性作業(yè)的穩(wěn)定和可靠是實(shí)時(shí)自動(dòng)觀測的保證。
[0046] 以下給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，需要說明的是本發(fā)明并不局限于以下具體實(shí)施 例，凡在本申請(qǐng)技術(shù)方案基礎(chǔ)上做的等同變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0047] 實(shí)施例1:
[0048] 本實(shí)施例給出一種徑流泥沙實(shí)時(shí)自動(dòng)測量裝置，如圖1至圖5所示，包括支架殼體 1，支架殼體1的頂面上固定安裝有進(jìn)樣口 2,支架殼體1內(nèi)安裝有計(jì)量秤3,計(jì)量秤3上安 裝有采樣器4,采樣器4的頂端與進(jìn)樣口 2分離，使得計(jì)量秤3不計(jì)量進(jìn)樣口 2的重量，采樣 器4的底端設(shè)置有排樣口 5,采樣器4的外側(cè)壁上還設(shè)置有標(biāo)定采樣器體積的溢流口 6;
[0049]進(jìn)樣口 2上安裝有進(jìn)樣閥門7，進(jìn)樣閥門7通過進(jìn)樣閥門控制電機(jī)8驅(qū)動(dòng)，排樣口 5上安裝有排樣閥門9,排樣閥門9通過排樣閥門控制電機(jī)10驅(qū)動(dòng)；
[0050] 進(jìn)樣口2內(nèi)安裝有第一流體傳感器11，溢流口6內(nèi)安裝有第二流體傳感器12 ;
[0051] 計(jì)量秤3、第一流體傳感器11和第二流體傳感器12分別與PLC控制器13的輸入 端相連，PLC控制器13的輸出端與進(jìn)樣閥門控制電機(jī)8和排樣閥門控制電機(jī)10相連，實(shí)現(xiàn) 徑流量和泥