小流域控制站、卡口站径流泥沙监测站

一、卡口站径流泥沙监测站仪器用途
本产品应用于卡口站（控制站）的水土流失自动监测，满足水土保持科研、管理、生产实际中水土保持主要相关参量的观测。可以根据需要，提供下列实时、准确的数据：
降雨量、降雨历时、雨强随时间的变化；
小流域产流量、水流含沙量、流域产沙量/输沙量及其随时间的变化；
小河流水流（表层、中层、底层）含沙量；
系统以实时在线状态进行动态（表层、中层、底层）监测；
系统任意招测不同水层的含沙量
大量数据的采集与存储；
测量数据的汇总、报表；
通过计算机网络/GPRS/本地数据存储卡，进行测量数据传输获取。


二、仪器原理
 
 2.1概述
 
小流域的水保监测控制站系统由水土流失自动监测站工作管理/数据采集存储主控机、含沙量测量传感器、超声波水位测量传感器组件、雨量计组成。由雨量计测量降雨强度及其随时间的变化和总的降雨量与降雨历时。超声波水位测量传感器组件自动测量水位变化；通过中心控制计算机软件及参数设置计算随时间变化的径流流量，得到径流流量的实时变化过程。在筒式测量传感器设计中，根据低、常水位和高水位的液位变化特征，在径流剖面垂直分布多个泥沙测量口（标准系统配置3个传感器），测量径流断面含沙量的梯度分布。
通过断面泥沙含量及梯度分布以及由量水堰得到的流量，计算获得径流输沙量。通过工作管理/数据存储软件和主控机控制管理各个传感器测量得到的泥沙含量、径流量、降雨量的过程数据并进行数据的存储，并在有请求时通过moden向管理监测中心远程无线传输测量数据。
 
系统框架图如下：


  图1系统框架图
 
数据采集管理主控机采用工业控制级标准，含ARM处理器开发的智能控制管理、数据采集/存储的控制器。系统可在太阳能电池支持下工作。正常情况下，系统处于休眠状态。在有降雨或径流产生时，系统自动上电启动，各传感器开始工作，系统按照设定的工作要求测量、采集存储传感器数据。系统自备硬盘，可以存储大量数据。通过通讯口可实时动态向上位计算机机传输各传感器测量结果。也可以应上位计算机的要求，向上位计算机发送存或清除存储的数据。上位计算机可以显示转换后的降雨量、泥沙含量、径流量、输沙量的过程数据和的历史记录数据。并可以生成Excel表格。
 
2.2泥沙测量仪（JZ-NS1型）
 
1：可实现多路径流泥沙含量及流量进行实时连续测量、数据传输及数据分析处理。 
2：全天候无人值守，自动测量存储数据。  
3：工作管理数据采集存储主控机可本地存储大量数据，可在现场通过R232接口数据。 
4：具有在上位机上在线实时监测、显示各测量参数动态过程及曲线、历史数据功能。 
5：可现场在数据管理主控机上自由设置采样频率及调校时钟。 
6：稳定性好。传感器自主研发，*高、稳定性强抗环境干扰能力强
 
7：泥沙含量采集仪的3D结构图
1:径流管   2:采样管   3:流量传感器    4:采样管电磁阀    5:样品槽  6:液位保持器   7:液位传感器    8:样品槽支架   9:泄水电磁阀   10:排水管 
 
8：本传感器工作原理流程:
水体由A1进入管道，经A2流出并推动流量传感器，部分水体从A3排出,处理器C根据流量传感器得到的流速经过计算得出实时流量，B1采集到地表水体送入称重传感器,传感器D把收集到的数据送给处理器C经处理后得到泥沙含量,得到数据后传感器D把内部样品由B2排出为下次采样做好准备.处理器C通过485或串口输出外部设备.
 
2.3：液位流量传感器
 
依据监测流域区实际径流情况修建量水堰，超声波测量量水堰水位高度精度可达1mm，利用量水堰公式计算流量。所提供的软件包含了若干常用的量水堰计算公式，包括巴塞尔堰、三角堰、矩形堰和三角/矩形复合堰的计算公式。可以通过管理软件修改相关参数，以提高计算精度。
（泥沙自动监测仪---控制站布点图)


 
三、  卡口站径流泥沙监测站系统基本组成

1. 工作管理/数据存储主控机（1台）
2. 动力水源泵（3套）
3. 翻斗雨量计（1个）选配
4. 超声波水位测量传感器部件（1套）
5. 含沙量采集测量仪（1套）
6. 中心控制计算机数据管理分析软件（一套）
7.  河道筒式泥沙取样固定桶（1套）
8. 说明书（1份）
 
 
四、卡口站径流泥沙监测站系统参数性能
 
4.1参数
⑴含沙量测量：采样间隔1—99分钟，
泥沙含量灵敏度：0.5KG/立方米 ，
泥沙含量：0.5—1000KG/立方米，相对误差小于5%。
⑵超声波流量传感器：
测量范围：0.1升/秒～99999.99米/小时
累计流量：4290000000.00立方米测量误差小于5%
液位*大量程：3米
液位测量*度：0.5%
⑶雨量测量*度：0.2毫米,雨强测量范围0—280毫米/小时
⑸功率：小于5瓦
⑹应用温度范围：
存放：-40—80度
工作：0(不结冰)—60度
⑻仪器整机（含各传感器）工作寿命：大于八年。
 
4.2性能
⑴对水保卡口站（控制站）全天候无人值守，自动测量存储：径流量、径流含沙量、输沙量、降雨强度、降雨量。
⑵供电：AC22V, DC12V,太阳能供电 。
⑶水土流失自动监测站工作管理数据采集存储主控机可本地存储大量数据，可在现场通过RS232接口数据；或在有远程请求时通过GSM向管理中心传输数据。
⑷如选用太阳能供电，平时无降雨或径流时常规状态为省电休眠状态。
⑸具有在上位计算机上在线实时监测、显示各测量参数动态过程及曲线、历史数据功能。
⑹可现场在数据管理主控机上自由设置采样频率及调校时钟 ,采样间隔。
⑺中心控制计算机软件可以根据采集到的数据绘制雨强、径流、泥沙含量的曲线，并能制成EXCEL表格，计算出降雨量*大*小值，场次，径流量，入渗量，水土流失量等。
⑻主控计算机内已预存主要量水堰计算模型，由使用者选择确定。
 

五、  卡口站径流泥沙监测站使用方法
 
5.1传感器安装
 
     
                        
1支架  2, 泥沙传感器采集口，4固紧手柄，5超声波流量传感器, 
（图5 筒式泥沙测量内部装置）
 
5.2数据采集管理主控机
 
主控机：可存储泥沙含量及流量数据，并将这些数据发送至计算机。数据采集管理主控机后面板有电源、备电、RS232通讯接口、保险丝、电源开关及各自相对应的接插件。前面板上共有数个键，右侧从上到下分别为“设置”、“查询”、 “确认”、 “取消”、“开”、“关、“0~9”数字键。其中“设置”键包含多个菜单设置，每次操作前都要输入密码，防止不相关人员操作对系统工作状态的影响。
 
具体使用操作方法见附后
 
5.3管理分析软件
 
1、系统软件无需安装：拷贝整个目录至计算机，运行.exe文件.
2、进入图5.1主界面，

                 图   4.1  系统主界面
 
软件说明：
（一）“实时采集”菜单：用于实时采集当前下位机记录的数据文件。分“图标”和”数据”两种显示形式。
（二）“历史数据”菜单：加载数据，用于打开一个数据文件。分“图标”和”数据”两种显示形式。打印，用于直接打印当前页面数据。导出，可以将数据文件导出为excel表格文件。

（三）“缓存数据”菜单：用于显示缓存数据。
（四）“配置”菜单：常用的数据交换配置。



六、附录
一：矩形堰（图7.1）
公式：Q =C B h 
           C =1.758+（0.00259/h+0.237h/D）（1+e）式中Q---过堰流量（m   /sec）；
           B---堰的宽度（m）；
           h---堰上水深（m）；
           C---流量系数；
           D---从水槽底面到堰缘的高度（m）；
           e---修正项，当D≤1m时，e=0；
当D>1m时，e=0.55（D-1）。
[说明]：  矩形堰的流量公式是“1954年在日本工业标准JIS B8302水泵扬水量测定方法”中统一规定的。公式早在1913年就有发表过（式中e=0），1915年石原，井田对它进行了修正，其适用范围是B≥0.5m，0.3m≤D≤2.5m，0.03m≤h≤0.8m（但h≤D，h≤B/4）。在这个范围中该式的综合误差为±1.8%。可是在D>2m，h<0.06m以及h≥0.5m的范围内，*大标准误差达到±5%以上，所以应用该式时要慎重。
                                                                                                      

二：矩形收缩堰（图7.2）
公式：Q =C B h 
      C=1.785÷0.0295/h+0.237h/D-0.428              
           +0.034                        
式中：Q---过堰流量（m /sec）；
           b---堰口宽度（m）；
           h---堰上水深（m）；
           C---流量系数；
[说明]：该式是1951年被用于日本工业标准（JIS）中。它的适用范围是0.5≤D≤3.5m，0.15m≤b≤5m，0.15m≤D≤3.5m，bD/B≥0.06，0.03≤h≤0.45    m。在上述范围内该式的综合误差为±1.4%。
                                                                                                                                                                                                                                        
三：直角三角堰（图7.3）
公式：Q =C h           
           C=1.354+0.004/h+（0.14÷0.2/        ）（h/B－0.09）
式中：Q---过堰流量（m /sec）；
           h---堰上水深（m）；
           C---流量系数；
[说明]：该式是1942年黑川、渊泽在水槽断面积比堰口面积大不太多的情况下提出的。后被采用于日本工业标准（JIS）中。其适用范围是0.5m≤B≤1.2m，0.1m≤D≤0.75m，0.07m≤h≤0.26m（但是h≤B/3）。在其适用范围内，流量检算的综合误差是±1.4%。
对于B>1.2m，D>0.75m的情况，用0.07m≤h≤h`，h`按下式确定，在h`或h`中选用较小的一个，在这个范围内的h值对该式是适用的。
h`=1/4（B-0.20），  h` =1/3D                 

                                                                                                                         
四：三角堰(图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单位）
    对于0=60      C=1.363(0.5730+0.00183/h)
     对于0=30      C=0.3109（0.5759+0.00394/h）
式中：Q---过堰流量（m /sec）；
           h---堰上水深（m）；
           C---流量系数；
[说明]：为了测量比较小的流量，可采用堰口角度0小
于90  的三角堰，使堰上水头不致太小，以提高流量测完的精度，上式是1933年渡边对角度小于90  收缩的完全锐缘三角堰提出的，在h=10~~30cm范围内精度非常高。然而，比较实验是在水槽宽度B=153cm，堰高D=109cm条件下进行的，当采用尺寸与此不同的堰时，*好每次都进行率定。
                                                                                                                        
附录2 术语
量水堰：为测量流过量水断面的水的流量而修建或制造的具有固定几何形状的一种设施。可分为三角堰，矩形堰，复合堰等。
径流量：单位时间流过过水断面水的体积。一般用m³/s表示。
径流总量：流过过水断面水的总体积。一般用m³/表示。
雨强：单位时间降雨的多少。一般用mm/min表示。
泥沙含量：单位体积所含泥沙的多少。一般用kg/m³表示。
土壤流失量:测量时间内流过测量断面的泥沙总量。一般用kg表示。
水平移动步长：泥沙，径流，雨强等测量数据曲线水平压缩或展开的快慢参数。数值越大，变化越快。
垂直移动步长：泥沙，径流，雨强等测量数据曲线垂直压缩或放大的快慢参数。数值越大，变化越快。
 五：巴歇尔量水槽
5.1  类型
巴歇尔量水槽分为标准巴歇尔量水槽和大型巴歇尔量水槽。
5.2  尺寸
5.2.1  巴歇尔量水槽由三部分组成，进口段、喉道和出口段，见图1。
5.2.2  标准巴歇尔量水槽的尺寸，见表1。
 
 
表1  标准巴歇尔量水槽尺寸 （m）

续表1

图7-5  标准和大型巴歇尔量水槽
L—喉道长度；L₉—量水槽总长；L₁—进口段轴线长度；L₂—出口段轴线长度；L₃—出口段护墙轴线长；L₄—进口段护墙轴线长；l_a—上游水头观测点到槽脊的距离；l₁—进口段侧壁长；b—喉道宽；
B—上游渠道宽；B₁—进水段上游底宽；B₂—出口段下游底宽；h—上游水头；h_d—下游水头；
h_max—上游*大水头；R—进口护墙的曲率半径；p₁—槽脊高度；p₂—出口段末端至脊顶的
高度；x—下游观测孔与槽底的高差；y—下游观测孔与槽底的水平距离；D—边墙高度
5.2.3  大型巴歇尔量水槽的尺寸，见表2。
大型巴歇尔水槽尺寸（m）