小流域控制站、卡口站徑流泥沙監測站

一、卡口站徑流泥沙監測站儀器用途
本產品應用于卡口站（控制站）的水土流失自動監測，滿足水土保持科研、管理、生產實際中水土保持主要相關參量的觀測。可以根據需要，提供下列實時、準確的數據：
降雨量、降雨歷時、雨強隨時間的變化；
小流域產流量、水流含沙量、流域產沙量/輸沙量及其隨時間的變化；
小河流水流（表層、中層、底層）含沙量；
系統以實時在線狀態進行動態（表層、中層、底層）監測；
系統任意招測不同水層的含沙量
大量數據的采集與存儲；
測量數據的匯總、報表；
通過計算機網絡/GPRS/本地數據存儲卡，進行測量數據傳輸獲取。


二、儀器原理
 
 2.1概述
 
小流域的水保監測控制站系統由水土流失自動監測站工作管理/數據采集存儲主控機、含沙量測量傳感器、超聲波水位測量傳感器組件、雨量計組成。由雨量計測量降雨強度及其隨時間的變化和總的降雨量與降雨歷時。超聲波水位測量傳感器組件自動測量水位變化；通過中心控制計算機軟件及參數設置計算隨時間變化的徑流流量，得到徑流流量的實時變化過程。在筒式測量傳感器設計中，根據低、常水位和高水位的液位變化特征，在徑流剖面垂直分布多個泥沙測量口（標準系統配置3個傳感器），測量徑流斷面含沙量的梯度分布。
通過斷面泥沙含量及梯度分布以及由量水堰得到的流量，計算獲得徑流輸沙量。通過工作管理/數據存儲軟件和主控機控制管理各個傳感器測量得到的泥沙含量、徑流量、降雨量的過程數據并進行數據的存儲，并在有請求時通過moden向管理監測中心遠程無線傳輸測量數據。
 
系統框架圖如下：


  圖1系統框架圖
 
數據采集管理主控機采用工業控制級標準，含ARM處理器開發的智能控制管理、數據采集/存儲的控制器。系統可在太陽能電池支持下工作。正常情況下，系統處于休眠狀態。在有降雨或徑流產生時，系統自動上電啟動，各傳感器開始工作，系統按照設定的工作要求測量、采集存儲傳感器數據。系統自備硬盤，可以存儲大量數據。通過通訊口可實時動態向上位計算機機傳輸各傳感器測量結果。也可以應上位計算機的要求，向上位計算機發送存或清除存儲的數據。上位計算機可以顯示轉換后的降雨量、泥沙含量、徑流量、輸沙量的過程數據和的歷史記錄數據。并可以生成Excel表格。
 
2.2泥沙測量儀（JZ-NS1型）
 
1：可實現多路徑流泥沙含量及流量進行實時連續測量、數據傳輸及數據分析處理。 
2：全天候無人值守，自動測量存儲數據。  
3：工作管理數據采集存儲主控機可本地存儲大量數據，可在現場通過R232接口數據。 
4：具有在上位機上在線實時監測、顯示各測量參數動態過程及曲線、歷史數據功能。 
5：可現場在數據管理主控機上自由設置采樣頻率及調校時鐘。 
6：穩定性好。傳感器自主研發，*高、穩定性強抗環境干擾能力強
 
7：泥沙含量采集儀的3D結構圖
1:徑流管   2:采樣管   3:流量傳感器    4:采樣管電磁閥    5:樣品槽  6:液位保持器   7:液位傳感器    8:樣品槽支架   9:泄水電磁閥   10:排水管 
 
8：本傳感器工作原理流程:
水體由A1進入管道，經A2流出并推動流量傳感器，部分水體從A3排出,處理器C根據流量傳感器得到的流速經過計算得出實時流量，B1采集到地表水體送入稱重傳感器,傳感器D把收集到的數據送給處理器C經處理后得到泥沙含量,得到數據后傳感器D把內部樣品由B2排出為下次采樣做好準備.處理器C通過485或串口輸出外部設備.
 
2.3：液位流量傳感器
 
依據監測流域區實際徑流情況修建量水堰，超聲波測量量水堰水位高度精度可達1mm，利用量水堰公式計算流量。所提供的軟件包含了若干常用的量水堰計算公式，包括巴塞爾堰、三角堰、矩形堰和三角/矩形復合堰的計算公式?？梢酝ㄟ^管理軟件修改相關參數，以提高計算精度。
（泥沙自動監測儀---控制站布點圖)


 
三、  卡口站徑流泥沙監測站系統基本組成

1. 工作管理/數據存儲主控機（1臺）
2. 動力水源泵（3套）
3. 翻斗雨量計（1個）選配
4. 超聲波水位測量傳感器部件（1套）
5. 含沙量采集測量儀（1套）
6. 中心控制計算機數據管理分析軟件（一套）
7.  河道筒式泥沙取樣固定桶（1套）
8. 說明書（1份）
 
 
四、卡口站徑流泥沙監測站系統參數性能
 
4.1參數
⑴含沙量測量：采樣間隔1—99分鐘，
泥沙含量靈敏度：0.5KG/立方米 ，
泥沙含量：0.5—1000KG/立方米，相對誤差小于5%。
⑵超聲波流量傳感器：
測量范圍：0.1升/秒～99999.99米/小時
累計流量：4290000000.00立方米測量誤差小于5%
液位*大量程：3米
液位測量*度：0.5%
⑶雨量測量*度：0.2毫米,雨強測量范圍0—280毫米/小時
⑸功率：小于5瓦
⑹應用溫度范圍：
存放：-40—80度
工作：0(不結冰)—60度
⑻儀器整機（含各傳感器）工作壽命：大于八年。
 
4.2性能
⑴對水?？谡荆刂普荆┤旌驘o人值守，自動測量存儲：徑流量、徑流含沙量、輸沙量、降雨強度、降雨量。
⑵供電：AC22V, DC12V,太陽能供電 。
⑶水土流失自動監測站工作管理數據采集存儲主控機可本地存儲大量數據，可在現場通過RS232接口數據；或在有遠程請求時通過GSM向管理中心傳輸數據。
⑷如選用太陽能供電，平時無降雨或徑流時常規狀態為省電休眠狀態。
⑸具有在上位計算機上在線實時監測、顯示各測量參數動態過程及曲線、歷史數據功能。
⑹可現場在數據管理主控機上自由設置采樣頻率及調校時鐘 ,采樣間隔。
⑺中心控制計算機軟件可以根據采集到的數據繪制雨強、徑流、泥沙含量的曲線，并能制成EXCEL表格，計算出降雨量*大*小值，場次，徑流量，入滲量，水土流失量等。
⑻主控計算機內已預存主要量水堰計算模型，由使用者選擇確定。
 

五、  卡口站徑流泥沙監測站使用方法
 
5.1傳感器安裝
 
     
                        
1支架  2, 泥沙傳感器采集口，4固緊手柄，5超聲波流量傳感器, 
（圖5 筒式泥沙測量內部裝置）
 
5.2數據采集管理主控機
 
主控機：可存儲泥沙含量及流量數據，并將這些數據發送至計算機。數據采集管理主控機后面板有電源、備電、RS232通訊接口、保險絲、電源開關及各自相對應的接插件。前面板上共有數個鍵，右側從上到下分別為“設置”、“查詢”、 “確認”、 “取消”、“開”、“關、“0~9”數字鍵。其中“設置”鍵包含多個菜單設置，每次操作前都要輸入密碼，防止不相關人員操作對系統工作狀態的影響。
 
具體使用操作方法見附后
 
5.3管理分析軟件
 
1、系統軟件無需安裝：拷貝整個目錄至計算機，運行.exe文件.
2、進入圖5.1主界面，

                 圖   4.1  系統主界面
 
軟件說明：
（一）“實時采集”菜單：用于實時采集當前下位機記錄的數據文件。分“圖標”和”數據”兩種顯示形式。
（二）“歷史數據”菜單：加載數據，用于打開一個數據文件。分“圖標”和”數據”兩種顯示形式。打印，用于直接打印當前頁面數據。導出，可以將數據文件導出為excel表格文件。

（三）“緩存數據”菜單：用于顯示緩存數據。
（四）“配置”菜單：常用的數據交換配置。



六、附錄
一：矩形堰（圖7.1）
公式：Q =C B h 
           C =1.758+（0.00259/h+0.237h/D）（1+e）式中Q---過堰流量（m   /sec）；
           B---堰的寬度（m）；
           h---堰上水深（m）；
           C---流量系數；
           D---從水槽底面到堰緣的高度（m）；
           e---修正項，當D≤1m時，e=0；
當D>1m時，e=0.55（D-1）。
[說明]：  矩形堰的流量公式是“1954年在日本工業標準JIS B8302水泵揚水量測定方法”中統一規定的。公式早在1913年就有發表過（式中e=0），1915年石原，井田對它進行了修正，其適用范圍是B≥0.5m，0.3m≤D≤2.5m，0.03m≤h≤0.8m（但h≤D，h≤B/4）。在這個范圍中該式的綜合誤差為±1.8%?？墒窃贒>2m，h<0.06m以及h≥0.5m的范圍內，*大標準誤差達到±5%以上，所以應用該式時要慎重。
                                                                                                      

二：矩形收縮堰（圖7.2）
公式：Q =C B h 
      C=1.785÷0.0295/h+0.237h/D-0.428              
           +0.034                        
式中：Q---過堰流量（m /sec）；
           b---堰口寬度（m）；
           h---堰上水深（m）；
           C---流量系數；
[說明]：該式是1951年被用于日本工業標準（JIS）中。它的適用范圍是0.5≤D≤3.5m，0.15m≤b≤5m，0.15m≤D≤3.5m，bD/B≥0.06，0.03≤h≤0.45    m。在上述范圍內該式的綜合誤差為±1.4%。
                                                                                                                                                                                                                                        
三：直角三角堰（圖7.3）
公式：Q =C h           
           C=1.354+0.004/h+（0.14÷0.2/        ）（h/B－0.09）
式中：Q---過堰流量（m /sec）；
           h---堰上水深（m）；
           C---流量系數；
[說明]：該式是1942年黑川、淵澤在水槽斷面積比堰口面積大不太多的情況下提出的。后被采用于日本工業標準（JIS）中。其適用范圍是0.5m≤B≤1.2m，0.1m≤D≤0.75m，0.07m≤h≤0.26m（但是h≤B/3）。在其適用范圍內，流量檢算的綜合誤差是±1.4%。
對于B>1.2m，D>0.75m的情況，用0.07m≤h≤h`，h`按下式確定，在h`或h`中選用較小的一個，在這個范圍內的h值對該式是適用的。
h`=1/4（B-0.20），  h` =1/3D                 

                                                                                                                         
四：三角堰(圖7.4)
公式：Q =C h    
           C=2.361tan0/2[0.5530+0.0195tan0/2+cot0/2（0.0050+0.001055/h）]（m.sec單位）
    對于0=60      C=1.363(0.5730+0.00183/h)
     對于0=30      C=0.3109（0.5759+0.00394/h）
式中：Q---過堰流量（m /sec）；
           h---堰上水深（m）；
           C---流量系數；
[說明]：為了測量比較小的流量，可采用堰口角度0小
于90  的三角堰，使堰上水頭不致太小，以提高流量測完的精度，上式是1933年渡邊對角度小于90  收縮的完全銳緣三角堰提出的，在h=10~~30cm范圍內精度非常高。然而，比較實驗是在水槽寬度B=153cm，堰高D=109cm條件下進行的，當采用尺寸與此不同的堰時，*好每次都進行率定。
                                                                                                                        
附錄2 術語
量水堰：為測量流過量水斷面的水的流量而修建或制造的具有固定幾何形狀的一種設施?？煞譃槿茄?，矩形堰，復合堰等。
徑流量：單位時間流過過水斷面水的體積。一般用m³/s表示。
徑流總量：流過過水斷面水的總體積。一般用m³/表示。
雨強：單位時間降雨的多少。一般用mm/min表示。
泥沙含量：單位體積所含泥沙的多少。一般用kg/m³表示。
土壤流失量:測量時間內流過測量斷面的泥沙總量。一般用kg表示。
水平移動步長：泥沙，徑流，雨強等測量數據曲線水平壓縮或展開的快慢參數。數值越大，變化越快。
垂直移動步長：泥沙，徑流，雨強等測量數據曲線垂直壓縮或放大的快慢參數。數值越大，變化越快。
 五：巴歇爾量水槽
5.1  類型
巴歇爾量水槽分為標準巴歇爾量水槽和大型巴歇爾量水槽。
5.2  尺寸
5.2.1  巴歇爾量水槽由三部分組成，進口段、喉道和出口段，見圖1。
5.2.2  標準巴歇爾量水槽的尺寸，見表1。
 
 
表1  標準巴歇爾量水槽尺寸 （m）

續表1

圖7-5  標準和大型巴歇爾量水槽
L—喉道長度；L₉—量水槽總長；L₁—進口段軸線長度；L₂—出口段軸線長度；L₃—出口段護墻軸線長；L₄—進口段護墻軸線長；l_a—上游水頭觀測點到槽脊的距離；l₁—進口段側壁長；b—喉道寬；
B—上游渠道寬；B₁—進水段上游底寬；B₂—出口段下游底寬；h—上游水頭；h_d—下游水頭；
h_max—上游*大水頭；R—進口護墻的曲率半徑；p₁—槽脊高度；p₂—出口段末端至脊頂的
高度；x—下游觀測孔與槽底的高差；y—下游觀測孔與槽底的水平距離；D—邊墻高度
5.2.3  大型巴歇爾量水槽的尺寸，見表2。
大型巴歇爾水槽尺寸（m）