[发明专利]水沙过程监测系统及方法

权利要求书

1.一种水沙过程监测系统，其特征在于，包括供水装置、模拟降雨装置、排水管道和水沙测量装置；

所述供水装置用于向所述模拟降雨装置供水；

所述模拟降雨装置用于进行降雨；

所述排水管道铺设于待监测区域的地表，用于收集待监测区域的排水；

所述水沙测量装置用于测量所述排水的流量和泥沙含量。

2.根据权利要求1所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述供水装置包括供水池(1-1)、设于所述供水池内的潜水泵(1-2)、连接于所述潜水泵和所述模拟降雨装置之间的供水管道(1-3)。

3.根据权利要求1所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述模拟降雨装置包括支管(2-2)、设于所述支管上的喷嘴(2-1)和流量计(2-3)、以及设于待监测区域地表的雨量计(2-4)，其中，所述支管(2-2)连接至所述供水装置。

4.根据权利要求1所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述水沙测量装置包括泥沙传感器(3-1)、第一液位传感器(3-2)、第二液位传感器(3-4)、第一测量桶(3-3)和第二测量桶(3-5)；

所述泥沙传感器(3-1)设于所述排水管道(5)中，用于测量所述排水中的泥沙含量；

所述排水管道(5)连接至所述第一测量桶(3-3)，且所述第一测量桶(3-3)与第二测量桶(3-5)通过引流管(3-6)相互连通，所述第二测量桶(3-5)的侧面设有堰口(3-7)；

所述第一液位传感器(3-2)和第二液位传感器(3-4)分别设于所述第一测量桶(3-3)和第二测量桶(3-5)内，分别用于测量所述第一测量桶和第二测量桶内的液位。

5.根据权利要求4所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述第一测量桶(3-3)的底部设有第一排水阀(3-8)，第二测量桶(3-5)的底部设有第二排水阀(3-9)。

6.根据权利要求5所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述第一测量桶(3-3)和第二测量桶(3-5)的半径相等。

7.根据权利要求6所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述第一测量桶(3-3)的底面和顶面分别高于所述第二测量桶(3-5)的底面和顶面，所述引流管(3-6)相对于所述第一测量桶(3-3)的底面的高度为H1，相对于所述第二测量桶(3-5)的底面的高度为H2，所述堰口(3-7)为三角形，所述堰口(3-7)的最低顶点相对于所述第二测量桶(3-5)的底面的高度为H3，且H2>H3。

8.根据权利要求7所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述水沙测量装置还包括数据采集器(4)和处理器，所述数据采集器用于采集所述泥沙传感器(3-1)测量的泥沙含量、所述第一液位传感器(3-2)和第二液位传感器(3-4)测量的液位，所述处理器用于根据所述液位计算所述排水的流量。

9.根据权利要求1所述的水沙过程监测系统，其特征在于，所述水沙过程监测系统包括第一模拟降雨装置和第二模拟降雨装置、第一排水管道和第二排水管道、第一水沙测量装置和第二水沙测量装置，所述第一模拟降雨装置和第二模拟降雨装置分别用于向待监测区域的第一部分和第二部分进行降雨，所述第一排水管道和第二排水管道分别铺设于所述第一部分和第二部分的地表，所述第一水沙测量装置和第二水沙测量装置分别用于测量所述第一排水管道和第二排水管道的排水的流量和泥沙含量。

10.一种水沙过程监测方法，利用权利要求8所述的水沙过程监测系统，所述方法包括以下步骤：

打开第一测量桶和第二测量桶的排水阀，排空桶内的水和泥沙；

开启供水装置，通过模拟降雨装置进行降雨；

采集泥沙传感器测量的泥沙含量；

采集第一液位传感器和第二液位传感器测量的液位，并通过以下步骤计算流量：

当第一液位传感器测量的液位小于H1时，通过以下公式(1)计算流量：

Q_t＝(h1_t-h1_t-1)*π*r²/Δt(1)

当第一液位传感器测量的液位等于H1且第二液位传感器测量的液位小于H3时，通过以下公式(2)计算流量：

Q_t＝(h2_t-h2_t-1)*π*r²/Δt (2)

当第二液位传感器测量的液位大于H3时，根据以下公式(3)计算流量：

Qt=CD815tgθ22ghe5/2---(3)]]>

其中，Q_t表示t时刻的流量，h1_t表示t时刻第一液位传感器测量的液位，h2_t表示t时刻第二液位传感器测量的液位，Δt表示数据采集器的采集时间间隔，r表示第一测量桶和第二测量桶的半径，C_D表示流量系数，h_e表示有效水头，θ表示三角形堰口的顶角，其中h_e＝h+K_h，h表示实测水头，即t时刻以所述堰口的最低顶点为基准面第二液位传感器测量的液位，K_h表示考虑粘滞力和表面张力综合影响的校正值。