小流域控制站、卡口站徑流泥沙監(jiān)測站

一、卡口站徑流泥沙監(jiān)測站儀器用途
本產(chǎn)品應(yīng)用于卡口站（控制站）的水土流失自動監(jiān)測，滿足水土保持科研、管理、生產(chǎn)實際中水土保持主要相關(guān)參量的觀測?？梢愿鶕?jù)需要，提供下列實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)：
降雨量、降雨歷時、雨強隨時間的變化；
小流域產(chǎn)流量、水流含沙量、流域產(chǎn)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(tǒng)以實時在線狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)（表層、中層、底層）監(jiān)測；
系統(tǒng)任意招測不同水層的含沙量
大量數(shù)據(jù)的采集與存儲；
測量數(shù)據(jù)的匯總、報表；
通過計算機網(wǎng)絡(luò)/GPRS/本地數(shù)據(jù)存儲卡，進(jìn)行測量數(shù)據(jù)傳輸獲取。


二、儀器原理
 
 2.1概述
 
小流域的水保監(jiān)測控制站系統(tǒng)由水土流失自動監(jiān)測站工作管理/數(shù)據(jù)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(shù)設(shè)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(shè)計中，根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，并在有請求時通過moden向管理監(jiān)測中心遠(yuǎn)程無線傳輸測量數(shù)據(jù)。
 
系統(tǒng)框架圖如下：


  圖1系統(tǒng)框架圖
 
數(shù)據(jù)采集管理主控機采用工業(yè)控制級標(biāo)準(zhǔn)，含ARM處理器開發(fā)的智能控制管理、數(shù)據(jù)采集/存儲的控制器。系統(tǒng)可在太陽能電池支持下工作。正常情況下，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。在有降雨或徑流產(chǎn)生時，系統(tǒng)自動上電啟動，各傳感器開始工作，系統(tǒng)按照設(shè)定的工作要求測量、采集存儲傳感器數(shù)據(jù)。系統(tǒng)自備硬盤，可以存儲大量數(shù)據(jù)。通過通訊口可實時動態(tài)向上位計算機機傳輸各傳感器測量結(jié)果。也可以應(yīng)上位計算機的要求，向上位計算機發(fā)送存或清除存儲的數(shù)據(jù)。上位計算機可以顯示轉(zhuǎn)換后的降雨量、泥沙含量、徑流量、輸沙量的過程數(shù)據(jù)和的歷史記錄數(shù)據(jù)。并可以生成Excel表格。
 
2.2泥沙測量儀（JZ-NS1型）
 
1：可實現(xiàn)多路徑流泥沙含量及流量進(jìn)行實時連續(xù)測量、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)分析處理。 
2：全天候無人值守，自動測量存儲數(shù)據(jù)。  
3：工作管理數(shù)據(jù)采集存儲主控機可本地存儲大量數(shù)據(jù)，可在現(xiàn)場通過R232接口數(shù)據(jù)。 
4：具有在上位機上在線實時監(jiān)測、顯示各測量參數(shù)動態(tài)過程及曲線、歷史數(shù)據(jù)功能。 
5：可現(xiàn)場在數(shù)據(jù)管理主控機上自由設(shè)置采樣頻率及調(diào)校時鐘。 
6：穩(wěn)定性好。傳感器自主研發(fā)，*高、穩(wěn)定性強抗環(huán)境干擾能力強
 
7：泥沙含量采集儀的3D結(jié)構(gòu)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(jìn)入管道，經(jīng)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(jù)流量傳感器得到的流速經(jīng)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(shù)據(jù)送給處理器C經(jīng)處理后得到泥沙含量,得到數(shù)據(jù)后傳感器D把內(nèi)部樣品由B2排出為下次采樣做好準(zhǔn)備.處理器C通過485或串口輸出外部設(shè)備.
 
2.3：液位流量傳感器
 
依據(jù)監(jiān)測流域區(qū)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(dá)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(fù)合堰的計算公式?？梢酝ㄟ^管理軟件修改相關(guān)參數(shù)，以提高計算精度。
（泥沙自動監(jiān)測儀---控制站布點圖)


 
三、  卡口站徑流泥沙監(jiān)測站系統(tǒng)基本組成

1. 工作管理/數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jiān)測站系統(tǒng)參數(shù)性能
 
4.1參數(shù)
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(yīng)用溫度范圍：
存放：-40—80度
工作：0(不結(jié)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(jiān)測站工作管理數(shù)據(jù)采集存儲主控機可本地存儲大量數(shù)據(jù)，可在現(xiàn)場通過RS232接口數(shù)據(jù)；或在有遠(yuǎn)程請求時通過GSM向管理中心傳輸數(shù)據(jù)。
⑷如選用太陽能供電，平時無降雨或徑流時常規(guī)狀態(tài)為省電休眠狀態(tài)。
⑸具有在上位計算機上在線實時監(jiān)測、顯示各測量參數(shù)動態(tài)過程及曲線、歷史數(shù)據(jù)功能。
⑹可現(xiàn)場在數(shù)據(jù)管理主控機上自由設(shè)置采樣頻率及調(diào)校時鐘 ,采樣間隔。
⑺中心控制計算機軟件可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)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(nèi)已預(yù)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(jiān)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(nèi)部裝置）
 
5.2數(shù)據(jù)采集管理主控機
 
主控機：可存儲泥沙含量及流量數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機。數(shù)據(jù)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(guān)及各自相對應(yīng)的接插件。前面板上共有數(shù)個鍵，右側(cè)從上到下分別為“設(shè)置”、“查詢”、 “確認(rèn)”、 “取消”、“開”、“關(guān)、“0~9”數(shù)字鍵。其中“設(shè)置”鍵包含多個菜單設(shè)置，每次操作前都要輸入密碼，防止不相關(guān)人員操作對系統(tǒng)工作狀態(tài)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(tǒng)軟件無需安裝：拷貝整個目錄至計算機，運行.exe文件.
2、進(jìn)入圖5.1主界面，

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

（三）“緩存數(shù)據(jù)”菜單：用于顯示緩存數(shù)據(jù)。
（四）“配置”菜單：常用的數(shù)據(jù)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(shù)；
           D---從水槽底面到堰緣的高度（m）；
           e---修正項，當(dāng)D≤1m時，e=0；
當(dāng)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS B8302水泵揚水量測定方法”中統(tǒng)一規(guī)定的。公式早在1913年就有發(fā)表過（式中e=0），1915年石原，井田對它進(jìn)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(nèi)，*大標(biāo)準(zhǔn)誤差達(dá)到±5%以上，所以應(yīng)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(shù)；
[說明]：該式是1951年被用于日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（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(nèi)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(shù)；
[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(yè)標(biāo)準(zhǔn)（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(nèi)，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(nèi)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(shù)；
[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(nèi)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(jìn)行的，當(dāng)采用尺寸與此不同的堰時，*好每次都進(jìn)行率定。
                                                                                                                        
附錄2 術(shù)語
量水堰：為測量流過量水?dāng)嗝娴乃牧髁慷藿ɑ蛑圃斓木哂泄潭◣缀涡螤畹囊环N設(shè)施?？煞譃槿茄撸匦窝?，復(fù)合堰等。
徑流量：單位時間流過過水?dāng)嗝嫠捏w積。一般用m³/s表示。
徑流總量：流過過水?dāng)嗝嫠目傮w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(nèi)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(shù)據(jù)曲線水平壓縮或展開的快慢參數(shù)。數(shù)值越大，變化越快。
垂直移動步長：泥沙，徑流，雨強等測量數(shù)據(jù)曲線垂直壓縮或放大的快慢參數(shù)。數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)口段、喉道和出口段，見圖1。
5.2.2  標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾量水槽的尺寸，見表1。
 
 
表1  標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾量水槽尺寸 （m）

續(xù)表1

圖7-5  標(biāo)準(zhǔn)和大型巴歇爾量水槽
L—喉道長度；L₉—量水槽總長；L₁—進(jìn)口段軸線長度；L₂—出口段軸線長度；L₃—出口段護(hù)墻軸線長；L₄—進(jìn)口段護(hù)墻軸線長；l_a—上游水頭觀測點到槽脊的距離；l₁—進(jìn)口段側(cè)壁長；b—喉道寬；
B—上游渠道寬；B₁—進(jìn)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(jìn)口護(hù)墻的曲率半徑；p₁—槽脊高度；p₂—出口段末端至脊頂?shù)?br/>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）