[发明专利]水沙过程监测系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及水文水资源工程、水土保持实验的流量泥沙测量领域，特别涉及一种水沙过程监测系统及方法。

背景技术

国内外土壤侵蚀实验小区水沙监测中，流量采用体积法进行测量，即采用圆柱桶存放出流水量，用水位计测量桶内水位高度，然后计算流量；通过对取桶内水样进行烘干测量泥沙含量。在野外，有时天然降雨很少，每次降雨的大小不一，因此设计的测量桶是测量的关键：如果降雨太大，测量桶则不能全部盛下出流量。此外，泥沙测量都是在降雨后测量总量，不能实时监测泥沙的含量。由于研究的需要，需要建立人工模拟降雨系统，来增加降雨的次数，并设计一种全自动坡面水沙过程观测装置完成测量。

发明内容

本发明提出了一种水沙过程监测系统及方法，其特别适用于坡面水沙过程监测。

本发明一方面提供一种水沙过程监测系统，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。

优选地，所述供水装置包括供水池、设于所述供水池内的潜水泵、连接于所述潜水泵和所述模拟降雨装置之间的供水管道。

优选地，所述模拟降雨装置包括支管、设于所述支管上的喷嘴和流量计、以及设于待监测区域地表的雨量计，其中，所述支管连接至所述供水装置。

优选地，所述水沙测量装置包括泥沙传感器、第一液位传感器、第二液位传感器、第一测量桶和第二测量桶；

所述泥沙传感器设于所述排水管道中，用于测量所述排水中的泥沙含量；

所述排水管道连接至所述第一测量桶，且所述第一测量桶与第二测量桶通过引流管相互连通，所述第二测量桶的侧面设有堰口；

所述第一液位传感器和第二液位传感器分别设于所述第一测量桶和第二测量桶内，分别用于测量所述第一测量桶和第二测量桶内的液位。

优选地，所述第一测量桶的底部设有第一排水阀，第二测量桶的底部设有第二排水阀。

优选地，所述第一测量桶和第二测量桶的半径相等。

优选地，所述第一测量桶的底面和顶面分别高于所述第二测量桶的底面和顶面，所述引流管相对于所述第一测量桶的底面的高度为H1，相对于所述第二测量桶的底面的高度为H2，所述堰口为三角形，所述堰口的最低顶点相对于所述第二测量桶的底面的高度为H3，且H2>H3。

优选地，所述水沙测量装置还包括数据采集器和处理器，所述数据采集器用于采集所述泥沙传感器测量的泥沙含量、所述第一液位传感器和第二液位传感器测量的液位，所述处理器用于根据所述液位计算所述排水的流量。

优选地，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。

本发明另一方面提供一种水沙过程监测方法，利用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，通过以下公式(3)计算流量：