万向地表径流实时监测装置

摘要

本发明公开了一种万向地表径流实时监测装置，用于实时监测地表径流深、流速和流向，通过重量传感器测出实时地表径流质量，通过三维力传感器测出实时流向和实时力矩，通过中部支撑杆内部的线路，将实时地表径流质量和实时力矩这两个数据传到中心处理器，经过物理和数学上的处理，从而得出实时地表径流深、实时流速，将这两者与实时流向通过信息传输模块，输出至相应设备。该监测装置结构简单，易操作，材料易获得，可行性强；与计算方式相比，该发明所提供的监测方式具有较高的精确度，可减小工作量，节约时间，提高效率。

权利要求

1.一种万向地表径流实时监测装置，其特征在于：包括顶部集雨器(1)、中心处理模块(2)、侧面防护装置(3)、重量传感器(4)、三维力传感器(5)、中部支撑杆(6)、输水管(7)和底部支撑杆(8)；

其中，顶部集雨器(1)与中心处理模块(2)相连，三维力传感器(5)与中部支撑杆(6)相连，中心处理模块(2)通过三维力传感器(5)、中部支撑杆(6)与重量传感器(4)相连，中心处理模块(2)与重量传感器(4)之间安装有侧面防护装置(3)；在顶部集雨器(1)的底部开设圆孔，输水管(7)固定在圆孔中，穿过中心处理模块(2)，下端插入土壤中；底部支撑杆(8)上端连接在重量传感器(4)的底部四周，下端插入土壤中。

2.根据权利要求1所述的万向地表径流实时监测装置，其特征在于：顶部集雨器(1)为无盖圆柱体。

3.根据权利要求1所述的万向地表径流实时监测装置，其特征在于：中心处理模块(2)包括中心处理器、信息传输模块和电源封装层，位于顶部集雨器(1)的底端，且与顶部集雨器(1)紧密相连。

4.根据权利要求1所述的万向地表径流实时监测装置，其特征在于：中部支撑杆(6)为空心圆柱体，内部安装有线路通道。

5.根据权利要求1所述的万向地表径流实时监测装置，其特征在于：侧面防护装置(3)为透水性强的多孔面板。

6.根据权利要求1所述的万向地表径流实时监测装置，其特征在于：每两根输水管(7)间隔一根底部支撑杆(8)排列。

7.根据权利要求1所述的万向地表径流实时监测装置，其特征在于：所述中心处理器计算实时地表径流深的具体步骤为：由质量计算公式知：

mt＝ρ·Vt

Vt＝π(R2-r2)ht

因而有：

mt＝ρ·π(R2-r2)ht

从而可得地表径流深：

其中，重量传感器的半径为R，中部支撑杆的半径为r，水的密度为ρ，t时刻地表径流的质量为mt，t时刻地表径流深为ht，t时刻地表径流在重量传感器上方形成的体积为Vt。

8.根据权利要求7所述的万向地表径流实时监测装置，其特征在于：中心处理器计算实时流速的具体步骤为：三维力传感器测得实时力距Mt，由力矩公式：式中，L为中部支撑杆的长度；

可得实时力：

由牛顿第二定律：

F＝m·a

离散得：

其中，m’t为Δt时间内通过中部支撑杆的水流质量：代入上式，得：

化简后得：

v0＝0

M0＝0

根据上式，可逐时段计算实时流速vt。

说明书

万向地表径流实时监测装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种监测装置，尤其涉及一种万向地表径流实时监测装置。

背景技术

[0002] 地球上各种水体并非是静止的，在太阳的辐射下，不断地蒸发变成水汽进入大气，并随气流输送到各地，在一定的条件下形成降水回到地球表面，其中的一部分被植物截留和土壤储蓄，通过蒸散发返回大气，另一部分以地表径流和地下径流的形式汇入江河湖库，最终回归海洋。地球上各种水体通过这种不断的蒸发、水汽输送、冷凝降落、下渗、形成径流的往复循环的过程称为水文循环。

[0003] 降雨经植物截留、填洼、下渗的损失过程称为产流过程。降雨扣除这些损失后，剩余的部分称为净雨，净雨在数量上等于它所形成的径流量。

[0004] 径流分为地表径流和地下径流。地表径流是指降水形成的沿着流域地面流动的水流，它是水文循环的一个重要环节，是河流水文情势变化的根本因素。

[0005] 有关地表径流量的获得大多是经过产流计算之后，将地下径流扣除，即可得到地表径流量。最常见的两种产流方式为：蓄满产流模式和超渗产流模式，两种产流模式分别对应各自的产流计算方法。随着研究的不断深入，不同的产流计算方法和模型随之产生。

[0006] 然而，通过计算的方式获得地表径流，不仅需要依赖于大量的降雨、蒸发等水文基础资料，且受模型选取、计算方法、水源划分等一系列因素的影响，计算结果会与实际情况不相符合。

[0007] 目前，有关地表径流监测的研究很少。与计算相比，直接测量地表径流不需要收集降雨等水文资料，也不需进行模型选取、计算等，可以减轻水文工作者的工作量，节省大量的时间。此外，实测得到的地表径流更加接近实际情况，减小了误差，从而使得后续的汇流计算误差减小，水文预报更为准确。

发明内容

[0008] 发明目的：针对以上问题，本发明提出一种万向地表径流实时监测装置，用于实时监测地表径流深、流速和流向。

[0009] 技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种万向地表径流实时监测装置，包括顶部集雨器、中心处理模块、侧面防护装置、重量传感器、三维力传感器、中部支撑杆、输水管和底部支撑杆；其中，顶部集雨器与中心处理模块相连，三维力传感器与中部支撑杆相连，中心处理模块通过三维力传感器、中部支撑杆与重量传感器相连，中心处理模块与重量传感器之间安装有侧面防护装置；在顶部集雨器的底部开设圆孔，输水管固定在圆孔中，穿过中心处理模块，下端插入土壤中；底部支撑杆上端连接在重量传感器的底部四周，下端插入土壤中。

[0010] 进一步地，中心处理模块包括中心处理器、信息传输模块和电源封装层，位于顶部集雨器的底端，且与顶部集雨器紧密相连。

[0011] 进一步地，顶部集雨器为无盖圆柱体。中部支撑杆为空心圆柱体，内部安装有线路通道。侧面防护装置为透水性强的多孔面板。每两根输水管间隔一根底部支撑杆排列。

[0012] 进一步地，中心处理器计算实时地表径流深的具体步骤为：

[0013] 由质量计算公式知：

[0014] mt＝ρ·Vt

[0015] Vt＝π(R2-r2)ht

[0016] 因而有：

[0017] mt＝ρ·π(R2-r2)ht

[0018] 从而可得地表径流深：

[0019]

[0020] 其中，重量传感器的半径为R，中部支撑杆的半径为r，水的密度为ρ，t时刻地表径流的质量为mt，t时刻地表径流深为ht，t时刻地表径流在重量传感器上方形成的体积为Vt。

[0021] 进一步地，中心处理器计算实时流速的具体步骤为：

[0022] 三维力传感器测得实时力距Mt，由力矩公式：

[0023]

[0024] 式中，L为中部支撑杆的长度。

[0025] 可得实时力：

[0026]

[0027] 由牛顿第二定律：

[0028] F＝m·a

[0029] 离散得：

[0030]

[0031] 其中，m’t为Δt时间内通过中部支撑杆的水流质量：

[0032]

[0033] 代入上式，得：

[0034]

[0035] 化简后得：

[0036]

[0037] v0＝0

[0038] M0＝0

[0039] 根据上式，可逐时段计算实时流速vt。

[0040] 工作原理：通过重量传感器测出实时地表径流质量，通过三维力传感器测出流向和力矩，通过中部支撑杆内部的线路，将实时地表径流质量和实时力矩这两个数据传到中心处理模块，经过物理和数学上的处理，从而得出实时地表径流深、实时流速，将这两者与实时流向通过信息传输模块，输出至相应设备。

[0041] 有益效果：本发明相对于现有技术，具有以下优点：(1)该装置结构简单，易操作，材料易获得，可行性强；(2)该监测装置实时监测地表径流，与计算方式相比，具有较高的精确度，可减小工作量，节约时间，提高效率；(3)该监测装置可测得实时地表径流数据；(4)顶部集雨器、侧面防护装置和输水管均可减小由于监测装置本身造成的误差，提高监测精确度。

附图说明

[0042] 图1是万向地表径流实时监测装置示意图；

[0043] 图2是中心处理模块剖面图。

具体实施方式

[0044] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

[0045] 如图1所示是本发明所述的万向地表径流实时监测装置，包括顶部集雨器1、中心处理模块2、侧面防护装置3、重量传感器4、三维力传感器5、中部支撑杆6、输水管7和底部支撑杆8共八部分。

[0046] 其中，顶部集雨器1与中心处理模块2相连，三维力传感器5与中部支撑杆6相连，中心处理模块2通过三维力传感器5、中部支撑杆6与重量传感器4相连，中心处理模块2与重量传感器4之间安装有侧面防护装置3。在顶部集雨器1的底部开8个圆孔，8根输水管7固定在圆孔中，穿过中心处理模块2，下端插入土壤中。若干底部支撑杆8上端连接在重量传感器4的底部四周，下端插入土壤中。

[0047] 本发明的输水管及圆孔个数可以为8个，也可以是其他个数。

[0048] 中部支撑杆6为空心圆柱体，内部安装有线路通道。侧面防护装置3由透水性强的多孔面板构成，既有足够的过水能力，又可阻挡杂物进入监测装置内部干扰监测结果。每两根输水管7间隔一根底部支撑杆8排列，输水管7能够及时排出顶部集雨器1中的雨水，防止顶部集雨器中的水溢出。

[0049] 顶部集雨器1兼用作防护板，形状为无盖圆柱体，用于收集监测装置上方的降雨，防止装置上方的降雨落到装置内部，从而影响监测结果。顶部集雨器、侧面防护装置可以防止监测装置上方的降雨进入到装置内部，输水管能够及时排出顶部集雨器中的雨水，防止顶部集雨器中的水溢出，侧面防护装置能够过滤掉杂物。

[0050] 如图2所示是中心处理模块剖面图，中心处理模块2由中心处理器、信息传输模块和电源封装层组成，位于顶部集雨器1的底端，且与顶部集雨器1紧密相连。

[0051] 开始监测前，将输水管7和底部支撑杆8插入土壤中，使得重量传感器4处于水平位置，连接电源，开启监测装置。当降雨开始后，经过下渗、植物截留等过程，在地表面形成的径流通过侧面防护装置3进入到装置内部，经由重量传感器4测出该部分实时地表径流质量，并由三维力传感器5测出实时流向与实时力矩，通过中部支撑杆6内部的线路，将实时地表径流质量和实时力矩这两个数据传到中心处理模块2中的中心处理器，经过物理和数学上的处理，从而得出实时地表径流深、实时流速，将这两者与实时流向通过信息传输模块，输出至相应设备。

[0052] 中心处理器根据实时地表径流质量推求实时地表径流深的原理如下：

[0053] 已知重量传感器4的半径为R(m)，中部支撑杆6的半径为r(m)，水的密度为ρ(kg/m3)，重量传感器4测出t时刻地表径流的质量为mt(kg),设t时刻地表径流深为ht(m)，t时刻地表径流在重量传感器4上方形成的体积为Vt(m3)。

[0054] 由质量计算公式易知：

[0055] mt＝ρ·Vt

[0056] Vt＝π(R2-r2)ht

[0057] 因而有：

[0058] mt＝ρ·π(R2-r2)ht

[0059] 从而可推出地表径流深：

[0060]

[0061] 中心处理器根据实时地表径流质量和实时力矩推求实时流速的原理如下：

[0062] 三维力传感器可测得实时力距Mt(N·m)，实时径流深ht(m)通过上述方式计算获得。由力矩公式：

[0063]

[0064] 式中，L(m)为中部支撑杆6的长度。可求得实时力：

[0065]

[0066] 由牛顿第二定律：

[0067] F＝m·a

[0068] 离散得：

[0069]

[0070] 其中，m’t为Δt时间内通过中部支撑杆6的水流质量：

[0071]

[0072] 代入上式，得：

[0073]

[0074] 化简后得：

[0075]

[0076] v0＝0

[0077] M0＝0

[0078] 根据上式，可逐时段计算实时流速vt。

[0079] 尽管上文对本发明作了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。