一种分层监测山坡地表径流和壤中流的多精度观测系统

摘要

本发明公开了一种分层监测山坡地表径流和壤中流的多精度观测系统，包括：地表径流监测装置、土壤层壤中流监测装置和破碎岩层壤中流监测装置；所述地表径流监测装置与土壤层壤中流监测装置固定连接；所述土壤层壤中流监测装置与破碎岩层壤中流监测装置固定连接；本系统解决了现有设备中没有一个完备的适用于山坡，能同时实时捕捉和观测到坡面径流和不同深度处壤中流的设备的问题。

说明书

技术领域

本发明属于水利工程领域，具体涉及一种分层监测山坡地表径流和壤中流的多精度观测系统。

背景技术

山区是重要的水资源涵养区，其面积约占全球陆地面积的1/5，探索和认识山坡水文过程对流域水资源可持续科学发展具有重要意义。目前山坡水文过程研究的手段主要有理论分析、室内及野外实验与观测和数值模拟。随着观测技术的进步和水文过程研究的深入，为真实反映山坡水文物理过程以及构建模型，需要山坡尺度更精细的观测和更全面的水文物理过程监测。

壤中流与地表径流、地下径流一起构成流域的径流过程，在流域径流产生过程中具有相当重要的作用。壤中流的分布和产生受到降雨强度、坡度、土地利用方式、土层厚度等的影响，并对流域径流形成、土壤养分流失和土壤侵蚀等产生重要影响。并且地表径流和壤中流的产生，都具有阈值效应，在大部分降雨条件下产流量都较小。之前对壤中流的研究大多都假设地下暴雨径流主要发生在土层中，而近年现场观测表明，基岩裂隙中的水流在径流形成过程中也起重要作用。从目前的实验进展来看，还没有一个完备的适用于山坡，能同时实时捕捉和观测到坡面径流和不同深度处壤中流的设备。因此，需要设计一种分层监测山坡地表径流和壤中流的多精度实时观测系统。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种分层监测山坡地表径流和壤中流的多精度观测系统解决了现有设备中没有一个完备的适用于山坡，能同时捕捉和观测到坡面径流和不同深度处壤中流的设备的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种分层监测山坡地表径流和壤中流的多精度观测系统，包括：地表径流监测装置、土壤层壤中流监测装置和破碎岩层壤中流监测装置；

所述地表径流监测装置与土壤层壤中流监测装置固定连接；

所述土壤层壤中流监测装置与破碎岩层壤中流监测装置固定连接。

进一步地：地表径流监测装置包括：地表水导水槽、地表小流量引水管、地表双翻斗流量计、地表大流量引水管、地表径流集水池、地表径流测井和地表测流水箱子系统；

所述地表小流量引水管的一端与地表水导水槽固定连接，其另一端与地表双翻斗流量计固定连接；

所述地表双翻斗流量计中的水通过管道导入地表径流集水池；

所述地表大流量引水管一端与地表水导水槽固定连接，其另一端伸入地表径流集水池中；

所述地表径流集水池的墙体中设置有地表径流测井；

所述地表径流集水池中的水通过集水池集水槽引入地表测流水箱子系统中。

进一步地：土壤层壤中流监测装置包括：土壤层过滤装置、土壤水导水槽、土壤层小流量引水管、土壤层双翻斗流量计、土壤层大流量引水管、土壤层壤中流集水池、土壤层壤中流测井和土壤层测流水箱子系统；

所述土壤层过滤装置位于土壤层中；

所述土壤水导水槽位于土壤层过滤装置的下方；

所述土壤层小流量引水管的一端与土壤水导水槽固定连接，其另一端与土壤层双翻斗流量计固定连接；

所述土壤层双翻斗流量计中的水通过管道引入土壤层壤中流集水池中；

所述土壤层大流量引水管的一端与土壤水导水槽固定连接，其另一端伸入土壤层壤中流集水池；

所述土壤层壤中流测井放置在土壤层壤中流集水池的墙体中；

所述土壤层壤中流集水池中的水通过集水池集水槽引入土壤层测流水箱子系统。

进一步地：破碎岩层壤中流监测装置包括：破碎岩层过滤装置、破碎岩层壤中流集水池、破碎岩层壤中流测井和破碎岩层测流水箱子系统；

所述破碎岩层过滤装置位于破碎岩层壤中流集水池的背面；

所述破碎岩层过滤装置一端与土壤水导水槽的底部固定，另一端延伸至破碎岩层壤中流集水池所在地面；

所述破碎岩层壤中流测井放置在破碎岩层壤中流集水池的墙体中；

所述破碎岩层壤中流集水池中的水通过集水池集水槽引入破碎岩层测流水箱子系统中。

进一步地：地表径流集水池通过堰墙与破碎岩层壤中流集水池固定连接；所述破碎岩层壤中流集水池通过堰墙与土壤层壤中流集水池固定连接。

进一步地：土壤层过滤装置和破碎岩层过滤装置结构均相同，均包括：第一卵石层、带孔钢板层、第二卵石层和带孔混泥土过流层；

所述第一卵石层铺在带孔钢板层的前方；

所述第二卵石层铺在带孔钢板层的后方和带孔混泥土过流层之间；

所述土壤层过滤装置中的带孔混泥土过流层位于土壤水导水槽的前方，并与土壤水导水槽所在的墙体固定连接；

所述破碎岩层过滤装置中的带孔混泥土过流层位于地表径流集水池、破碎岩层壤中流集水池和土壤层壤中流集水池的堰体后方。

进一步地：地表测流水箱子系统、土壤层测流水箱子系统和破碎岩层测流水箱子系统结构相同，均包括：水箱、水箱出口、第一液位传感器、第二液位传感器、第三液位传感器和电磁阀；

所述第一液位传感器设置于水箱的下底面；

所述水箱出口位于水箱靠近底部的侧面上；

所述第二液位传感器位于水箱中上部的侧面上；

所述第三液位传感器位于水箱中下部的侧面上，并位于水箱出口的上方；

所述水箱出口通过法兰螺母与电磁阀的进水口固定连接；

所述电磁阀的出水口与涡轮流量传感器的进水口连接。

进一步地：地表测流水箱子系统、土壤层测流水箱子系统和破碎岩层测流水箱子系统结构相同，还包括：电源、控制器、继电器、涡轮流量传感器模块和压力水位传感器模块；

所述电源分别与控制器、继电器、涡轮流量传感器模块、压力水位传感器模块、第一液位传感器、第二液位传感器和第三液位传感器电连接；

所述控制器分别与继电器、涡轮流量传感器模块、压力水位传感器模块、第一液位传感器、第二液位传感器和第三液位传感器通信连接；

所述继电器与电磁阀电连接。

进一步地：涡轮流量传感器模块包括：涡轮流量传感器、第一高精度电阻、第一空气开关和第一数据采集器；

所述涡轮流量传感器的一端与电源的正极连接，其另一端与第一高精度电阻的一端连接；

所述第一数据采集器并联在第一高精度电阻的两端上；

所述第一高精度电阻的另一端与第一空气开关的一端连接；

所述第一空气开关的另一端与电源的负极连接；

所述第一数据采集器的信号输出端与控制器通信连接。

进一步地：压力水位传感器模块包括：压力水位传感器、第二高精度电阻、第二空气开关和第二数据采集器；

所述压力水位传感器的一端与电源的正极连接，其另一端与第二高精度电阻的一端连接；

所述第二数据采集器并联在第二高精度电阻的两端上；

所述第二高精度电阻的另一端与第二空气开关的一端连接；

所述第二空气开关的另一端与电源的负极连接；

所述第二数据采集器的信号输出端与控制器通信连接。

本发明的有益效果为：一种分层监测山坡地表径流和壤中流的多精度观测系统，通过地表径流监测装置去监测地表径流量，通过土壤层壤中流监测装置监测浅层土壤壤中流径流量，通过破碎岩层壤中流监测装置监测深层土壤壤中流径流量，对每个监测装置设置测流水箱子系统，实时记录地表径流和壤中流的流量过程，有效提高径流量测量效率和精度。

附图说明

图1为系统的正视结构示意图；

图2为系统的侧视结构示意图；

图3为系统的俯视结构示意图；

图4为土壤层过滤装置和破碎岩层过滤装置的结构示意图；

图5为地表测流水箱子系统、土壤层测流水箱子系统和破碎岩层测流水箱子系统的结构示意图；

图6为地表测流水箱子系统、土壤层测流水箱子系统和破碎岩层测流水箱子系统中供电通信关系框图；

图7为涡轮流量传感器模块结构示意图；

图8为压力水位传感器模块结构示意图；

其中：1、地表水导水槽；2、地表小流量引水管；3、地表双翻斗流量计；4、地表大流量引水管；5、地表径流测井；6、土壤层过滤装置；7、土壤水导水槽；8、土壤层小流量引水管；9、土壤层双翻斗流量计；10、土壤层大流量引水管；11、土壤层壤中流集水池；12、土壤层壤中流测井；13、破碎岩层过滤装置；14、破碎岩层壤中流集水池；15、破碎岩层壤中流测井；16、水箱；17、压力水位传感器；18、第一液位传感器；19、水箱出口；20、第二液位传感器；21、第三液位传感器；22、电磁阀；23、涡轮流量传感器；24、地表径流集水池；25、第一卵石层；26、带孔钢板层；27、带孔混泥土过流层；28、第二卵石层；29、第一支撑墙体；30、V形开口墙；31、隔离层；32、第二支撑墙体；33、遮挡棚；34、集水池集水槽。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1～3所示，一种分层监测山坡地表径流和壤中流的多精度观测系统，包括：地表径流监测装置、土壤层壤中流监测装置和破碎岩层壤中流监测装置；

所述地表径流监测装置与土壤层壤中流监测装置固定连接；

所述土壤层壤中流监测装置与破碎岩层壤中流监测装置固定连接。

本观测系统在上坡体上开辟一个区域上建造的，该区域的深度方向需囊括地表层、土壤层和破碎岩层。

地表径流监测装置包括：地表水导水槽1、地表小流量引水管2、地表双翻斗流量计3、地表大流量引水管4、地表径流集水池24、地表径流测井5和地表测流水箱子系统；

所述地表小流量引水管2的一端与地表水导水槽1固定连接，其另一端与地表双翻斗流量计3固定连接；

所述地表双翻斗流量计3中的水通过管道导入地表径流集水池24；

所述地表大流量引水管4一端与地表水导水槽1固定连接，其另一端伸入地表径流集水池24中；

地表小流量引水管2的一端与地表水导水槽1的侧面固定连接，地表大流量引水管4一端也是与地表水导水槽1的侧面固定连接，并且地表大流量引水管4的引水位置高于地表小流量引水管2的引水位置。

所述地表径流集水池24的墙体中设置有地表径流测井5；

所述地表径流集水池24中的水通过集水池集水槽34引入地表测流水箱子系统中。

地表径流集水池24是一个方形的池子，其中，其正面墙体是一个V形开口墙30，其背面是一面墙体，其剩余的两侧面和地面是墙体，即地表径流集水池24是一个有5面墙体构成的一个正面开口的集水池。

地表径流测井5设置在地表径流集水池24的一个侧面的墙体内。

地表水导水槽1用于盛装地表径流，当雨强较小时，地表径流通过地表小流量引水管2流入地表双翻斗流量计3中，计算地表径流量，当雨强较大时，通过地表大流量引水管4将水引入地表径流集水池24中，通过地表径流集水池24和地表径流测井5计算地表径流量。

土壤层壤中流监测装置包括：土壤层过滤装置6、土壤水导水槽7、土壤层小流量引水管8、土壤层双翻斗流量计9、土壤层大流量引水管10、土壤层壤中流集水池11、土壤层壤中流测井12和土壤层测流水箱子系统；

所述土壤层过滤装置6位于土壤层中；

所述土壤水导水槽7位于土壤层过滤装置6的下方；

所述土壤层小流量引水管8的一端与土壤水导水槽7固定连接，其另一端与土壤层双翻斗流量计9固定连接；

所述土壤层双翻斗流量计9中的水通过管道引入土壤层壤中流集水池11中；

所述土壤层大流量引水管10的一端与土壤水导水槽7固定连接，其另一端伸入土壤层壤中流集水池11；

土壤层小流量引水管8的一端与土壤水导水槽7的一个侧面固定连接，土壤层大流量引水管10的一端与土壤水导水槽7的一个侧面固定连接，土壤层大流量引水管10在土壤水导水槽7的引水位置比土壤层小流量引水管8在土壤水导水槽7的引水位置高。

地表水导水槽1的底面的宽度是宽于土壤水导水槽7，防止地表小流量引水管2和地表大流量引水管4从土壤水导水槽7中穿过。

所述土壤层壤中流测井12放置在土壤层壤中流集水池11的墙体中；

所述土壤层壤中流集水池11中的水通过集水池集水槽34引入土壤层测流水箱子系统。

土壤层壤中流集水池11与地表径流集水池24的结构相同，土壤层壤中流测井12设置在土壤层壤中流集水池11的一个侧面墙体上。

土壤层壤中流监测装置用于监测浅层土壤壤中流，当雨强较小时，浅层土壤壤中流通过土壤层小流量引水管8流入土壤层双翻斗流量计9中，计算浅层土壤壤中流径流量，当雨强较大时，浅层土壤壤中流通过土壤层大流量引水管10流入土壤层壤中流集水池11，通过土壤层壤中流集水池11和土壤层壤中流测井12计算浅层土壤壤中流径流量。土壤层过滤装置6用于过滤浅层土壤壤中流，防止泥土、砂石等落入土壤水导水槽7中。

破碎岩层壤中流监测装置包括：破碎岩层过滤装置13、破碎岩层壤中流集水池14、破碎岩层壤中流测井15和破碎岩层测流水箱子系统；

所述破碎岩层过滤装置13位于破碎岩层壤中流集水池14的背面；

所述破碎岩层过滤装置13一端与土壤水导水槽7的底部固定，另一端延伸至破碎岩层壤中流集水池14所在地面；

所述破碎岩层壤中流测井15放置在破碎岩层壤中流集水池14的墙体中；

所述破碎岩层壤中流集水池14中的水通过集水池集水槽34引入破碎岩层测流水箱子系统中。

集水池集水槽34为3个隔离的集水槽，3个隔离的集水槽分别一一对应地表径流集水池24、土壤层壤中流集水池11和破碎岩层壤中流集水池14；将地表径流集水池24中从V形开口墙30的V形开口处流出的水引入一个集水槽中，将土壤层壤中流集水池11中从V形开口墙30的V形开口处流出的水引入一个集水槽中，将破碎岩层壤中流集水池14中从V形开口墙30的V形开口处流出的水引入剩余一个集水槽中，再将这3个隔离的集水槽通过3根管道引入到对应的水箱16中。

破碎岩层壤中流监测装置用于监测深层土壤壤中流，深层土壤壤中流经过破碎岩层过滤装置13过滤后，流入破碎岩层壤中流集水池14中，通过破碎岩层壤中流集水池14和破碎岩层壤中流测井15计算深层土壤壤中流的径流量。

地表径流集水池24通过堰墙与破碎岩层壤中流集水池14固定连接；所述破碎岩层壤中流集水池14通过堰墙与土壤层壤中流集水池11固定连接。

破碎岩层壤中流集水池14的结构与地表径流集水池24和土壤层壤中流集水池11的结构框架相同，其背面墙体的设计与地表径流集水池24和土壤层壤中流集水池11不一致，地表径流集水池24、破碎岩层壤中流集水池14和土壤层壤中流集水池11为依次水平排列的集水池，地表径流集水池24与破碎岩层壤中流集水池14共用第一支撑墙体29；破碎岩层壤中流集水池14与土壤层壤中流集水池11共用第二支撑墙体32。在地表径流集水池24、破碎岩层壤中流集水池14、土壤层壤中流集水池11和土壤水导水槽7的上方设置有一个遮挡棚33，该遮挡棚33的侧面封闭，防止雨水流入地表径流集水池24、破碎岩层壤中流集水池14、土壤层壤中流集水池11和土壤水导水槽7中，造成监测精度严重失误；该遮挡棚33设置有三个可打开的检测口，每个检测口对应一个集水池，用于维修人员检修。

地表径流集水池24、土壤层壤中流集水池11和破碎岩层壤中流集水池14均为三角形量水堰，其计算径流的公式为：

破碎岩层壤中流测井15设置在第二支撑墙体32中。

如图4所示，土壤层过滤装置6和破碎岩层过滤装置13结构均相同，均包括：第一卵石层25、带孔钢板层26、第二卵石层28和带孔混泥土过流层27；

所述第一卵石层25铺在带孔钢板层26的前方；

所述第二卵石层28铺在带孔钢板层26的后方和带孔混泥土过流层27之间；

所述土壤层过滤装置6中的带孔混泥土过流层27位于土壤水导水槽7的前方，并与土壤水导水槽7所在的墙体固定连接；

所述破碎岩层过滤装置13中的带孔混泥土过流层27位于地表径流集水池24、破碎岩层壤中流集水池14和土壤层壤中流集水池11的堰体后方。

在破碎岩层过滤装置13中的带孔混泥土过流层27与破碎岩层壤中流集水池14的背面墙体是一个整体，在破碎岩层壤中流集水池14的背面墙体后依次排列有第二卵石层28、带孔钢板层26和第一卵石层25。

在地表水导水槽1的底面和土壤层过滤装置6之间可设置隔离层31，用于隔离地表径流；在土壤水导水槽7的底面和破碎岩层过滤装置13之间可设置隔离层31用于隔离浅层土壤壤中流。隔离层31由挡水土工布和混凝土层构成。

如图5所示，地表测流水箱子系统、土壤层测流水箱子系统和破碎岩层测流水箱子系统结构相同，均包括：水箱16、水箱出口19、第一液位传感器18、第二液位传感器20、第三液位传感器21和电磁阀22；

所述第一液位传感器18设置于水箱16的下底面；

所述水箱出口19位于水箱16靠近底部的侧面上；

所述第二液位传感器20位于水箱16中上部的侧面上；

所述第三液位传感器21位于水箱16中下部的侧面上，并位于水箱出口19的上方；

所述水箱出口19通过法兰螺母与电磁阀22的进水口固定连接；

所述电磁阀22的出水口与涡轮流量传感器23的进水口连接。

如图6所示，地表测流水箱子系统、土壤层测流水箱子系统和破碎岩层测流水箱子系统结构相同，还包括：电源、控制器、继电器、涡轮流量传感器模块和压力水位传感器模块；

所述电源分别与控制器、继电器、涡轮流量传感器模块、压力水位传感器模块、第一液位传感器18、第二液位传感器20和第三液位传感器21电连接；

所述控制器分别与继电器、涡轮流量传感器模块、压力水位传感器模块、第一液位传感器18、第二液位传感器20和第三液位传感器21通信连接；

所述继电器与电磁阀22电连接。

针对现有流量测量方法和技术通常难以兼具较大的流量测量量程和较高的小微流量测量精度的问题，本发明设计了一个等截面的水箱16，利用水箱16对待测量的流量进行调节。当流量较小时，通过压力水位传感器模块去实时监测水箱16中水深变化过程，当流量较大时，通过压力水位传感器模块测量水箱16水深变化和通过涡轮流量传感器模块实时精确测量放水时水箱出口19的水流量，以此实现扩大流量测量量程，保证小微流量测量精度的目的。

控制器通过控制继电器去控制电磁阀22的通断。

压力水位传感器模块实时连续地测量水箱16中的水深，利用控制器根据水深情况控制电磁阀22的通断。在水箱16的水上升到第二液位传感器20的位置时，控制器控制水箱出口19处的电磁阀22打开，开始放水，水箱中的水位下降至第三液位传感器21的位置时关闭电磁阀22，在整个放水过程中，水箱出口19处的涡轮流量传感器模块实时连续地测量放水时水箱出水口处的流量，由于第三液位传感器21在水箱出口19上方，因而保证了水箱出口19始终处于水面以下，即通过涡轮流量传感器模块的涡轮流量传感器23的是有压流，进而保证了其流量测量的精确性。

对地表径流集水池24、土壤层壤中流集水池11和破碎岩层壤中流集水池14这三个集水池对应设置了测流水箱子系统，能够进一步地的精确的智能的测量地表和不同深度的壤中流量径流量。

如图7所示，涡轮流量传感器模块包括：涡轮流量传感器23、第一高精度电阻、第一空气开关和第一数据采集器；

所述涡轮流量传感器23的一端与电源的正极连接，其另一端与第一高精度电阻的一端连接；

所述第一数据采集器并联在第一高精度电阻的两端上；

所述第一高精度电阻的另一端与第一空气开关的一端连接；

所述第一空气开关的另一端与电源的负极连接；

所述第一数据采集器的信号输出端与控制器通信连接。

如图8所示，压力水位传感器模块包括：压力水位传感器17、第二高精度电阻、第二空气开关和第二数据采集器；

所述压力水位传感器17的一端与电源的正极连接，其另一端与第二高精度电阻的一端连接；

所述第二数据采集器并联在第二高精度电阻的两端上；

所述第二高精度电阻的另一端与第二空气开关的一端连接；

所述第二空气开关的另一端与电源的负极连接；

所述第二数据采集器的信号输出端与控制器通信连接。

本发明的有益效果为：一种分层监测山坡地表径流和壤中流的多精度观测系统通过地表径流监测装置去监测地表径流量，通过土壤层壤中流监测装置监测浅层土壤壤中流径流量，通过破碎岩层壤中流监测装置监测深层土壤壤中流径流量，对每个监测装置设置测流水箱子系统，实时记录地表径流和壤中流的流量过程，有效提高径流量测量效率和精度。