專利名稱：三角堰坡面小區(qū)徑流流量測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及水土保持技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種三角堰坡面小區(qū)徑流流量測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
小區(qū)徑流流量測(cè)量是水土保持試驗(yàn)中定量研究水土流失的重要內(nèi)容，在土壤侵蝕定量評(píng)估、水土保持效益評(píng)價(jià)等科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中都具有重要作用。小區(qū)徑流流量自動(dòng)測(cè)量對(duì)于提高監(jiān)測(cè)精度和監(jiān)測(cè)可靠性、減輕監(jiān)測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度、以及降低監(jiān)測(cè)成本等具有顯著意義。受野外現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性的限制，國(guó)內(nèi)外坡面小區(qū)徑流流量觀測(cè)普遍采用集水池法和多孔分流法。集水池和分流裝置在實(shí)際使用中都存在一定的問(wèn)題。集水池和多孔分流法實(shí)現(xiàn)的是總量觀測(cè)，不能獲得降雨產(chǎn)沙的過(guò)程數(shù)據(jù)。此外，集水池和分流裝置的設(shè)計(jì)不能考慮到所有的降雨情況，在暴雨發(fā)生時(shí)容易產(chǎn)生溢流，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失。徑流過(guò)程對(duì)于理解土壤侵蝕機(jī)理和評(píng)價(jià)水保措施實(shí)際效益具有重要作用，現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸與管理技術(shù)對(duì)徑流自動(dòng)觀測(cè)也提出了相應(yīng)的要求。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者對(duì)徑流自動(dòng)觀測(cè)裝置做過(guò)大量研究。其中，翻斗法是自動(dòng)流量計(jì)廣泛采用的原理之一，即利用機(jī)械測(cè)量元件(對(duì)稱翻斗室)把流體連續(xù)不斷地分割成單個(gè)等量的體積部分，根據(jù)測(cè)量室逐次重復(fù)地充滿和排放的次數(shù)來(lái)測(cè)量流體體積總量和過(guò)程。該方法在實(shí)際應(yīng)用中受慣性力的影響而具有非線性誤差。此外，對(duì)于含沙水流的作用和影響沒(méi)有考慮和估計(jì)。國(guó)內(nèi)專家趙軍等人開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)含沙水流的流量自動(dòng)觀測(cè)裝置，其主要原理是通過(guò)拉力傳感器感應(yīng)柔性鏈接的測(cè)流管的重量，通過(guò)具有力學(xué)分析基礎(chǔ)的水力學(xué)模型測(cè)算流量，并根據(jù)泥沙含量對(duì)流體重量的影響對(duì)測(cè)流結(jié)果進(jìn)行校正。該方法在實(shí)際中具有一定的應(yīng)用，但是現(xiàn)有設(shè)計(jì)和模型的測(cè)量范圍有限，更廣泛的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的理論擴(kuò)展和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。三角堰是傳統(tǒng)堰流測(cè)量中應(yīng)用比較廣泛的一種，具有設(shè)計(jì)建設(shè)成本低，測(cè)量范圍較大的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的三角堰通過(guò)測(cè)量過(guò)堰水流的水位，按照預(yù)定的計(jì)算公式計(jì)算流量。大部分測(cè)量需要人工測(cè)錄水位、再手工計(jì)算流量。測(cè)量周期長(zhǎng)、受測(cè)量者主觀影響，精度和可靠性受到一定限制，同時(shí)，操作過(guò)程費(fèi)時(shí)導(dǎo)致很難測(cè)量足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)以獲取近似連續(xù)的產(chǎn)流過(guò)程?？焖?、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地利用三角堰測(cè)量流量可以解決生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究領(lǐng)域的重要問(wèn)題，并可以為水土保持監(jiān)測(cè)體系的自動(dòng)化更新提供重要的技術(shù)支持。

實(shí)用新型內(nèi)容(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何提供一種可以自動(dòng)測(cè)量和記錄水位的三角堰坡面小區(qū)徑流流量測(cè)量系統(tǒng)。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種三角堰坡面小區(qū)徑流流量測(cè)量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括箱體100，所述箱體100包括與其連接的進(jìn)水口 101，所述箱體100還包括設(shè)置在其側(cè)壁上的三角形出水口 102 ；所述系統(tǒng)還包括互相連接的浮子水位計(jì)200和數(shù)據(jù)采集器300 ； 所述浮子水位計(jì)200用于測(cè)量所述箱體100內(nèi)的水位；所述數(shù)據(jù)采集器300用于讀取和記錄所述浮子水位計(jì)200的水位值，并根據(jù)該水位值計(jì)算流經(jīng)所述系統(tǒng)的液體流量。優(yōu)選地，所述浮子水位計(jì)200包括滑輪201、浮子202和鉛垂203 ；所述滑輪201的圓盤與所述箱體100固定連接，并且所述圓盤的最低點(diǎn)高于所述箱體100的側(cè)壁上沿；所述滑輪201的繩索的兩端分別連接所述浮子202和鉛垂203。優(yōu)選地,所述浮子水位計(jì)200還包括殼體204 ;所述殼體204與所述箱體100固定連接，并且所述殼體204的下部與所述箱體100導(dǎo)通；所述滑輪201、浮子202和鉛垂203均設(shè)置在所述殼體204的內(nèi)部。優(yōu)選地，所述浮子水位計(jì)200通過(guò)數(shù)據(jù)線與所述數(shù)據(jù)采集器300連接。優(yōu)選地，所述三角形出水口 102的三角形頂角朝下，并且頂角為30°。優(yōu)選地，所述所述三角形出水口 102的最低點(diǎn)距離所述箱體100的底部距離為I. 6cm0優(yōu)選地，所述箱體100為上開(kāi)口的中空長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)寬高尺寸為50厘米X50厘米X30厘米。(三)有益效果本實(shí)用新型所述三角堰坡面小區(qū)徑流流量測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置浮子水位計(jì)和數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水位的自動(dòng)測(cè)量和記錄，并且數(shù)據(jù)采集器可以根據(jù)所測(cè)水位值快速的計(jì)算得到流經(jīng)系統(tǒng)的液體流量。

圖I是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的三角堰坡面小區(qū)徑流流量測(cè)量系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的三角堰坡面小區(qū)徑流流量測(cè)量系統(tǒng)的俯視圖；圖3是回歸分析的結(jié)果曲線圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本實(shí)用新型，但不用來(lái)限制本實(shí)用新型的范圍。圖I是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的三角堰坡面小區(qū)徑流流量測(cè)量系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的三角堰坡面小區(qū)徑流流量測(cè)量系統(tǒng)的俯視圖。如圖1、2所示，所述系統(tǒng)包括箱體100、浮子水位計(jì)200和數(shù)據(jù)采集器300。所述箱體100為上端開(kāi)口的中空長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)寬高尺寸為50厘米X 50厘米X 30厘米。該箱體100包括進(jìn)水口 101和出水口 102。所述進(jìn)水口 101與所述箱體100的右側(cè)壁固定連接，其通過(guò)外部導(dǎo)流管或者導(dǎo)流槽與小區(qū)徑流集水口連通，用于將水引入所述箱體100中。所述出水口 102設(shè)置在所述箱體100的左側(cè)壁上，所述出水口 102的形狀為頂角朝下的等腰三角形，頂角為30°，并且所述出水口 102的最低點(diǎn)距離所述箱體100的底部距離為I. 6mO所述浮子水位計(jì)200包括滑輪201、浮子202、鉛垂203和殼體204。所述殼體204的左側(cè)封板與所述箱體100的前側(cè)壁連接，所述殼體204的后側(cè)封板與所述箱體100的右側(cè)壁連接，所述殼體204的右側(cè)封板與所述箱體100的右側(cè)壁上沿連接，所述殼體204的上封板連接所述左側(cè)封板、后側(cè)封板和右側(cè)封板。所述殼體204的左側(cè)封板的下部設(shè)有開(kāi)口，導(dǎo)通所述箱體100和殼體204，這樣所述箱體100和殼體204的水位始終持平。同時(shí)殼體204減弱了箱體100內(nèi)水流波動(dòng)對(duì)水位測(cè)量的影像，提高了測(cè)量精度。所述滑輪201的圓盤通過(guò)所述殼體204與所述箱體100的右側(cè)壁固定連接，并且 所述圓盤的最低點(diǎn)高于所述箱體100的側(cè)壁上沿，以保證在水位與所述箱體100的側(cè)壁持平情況下，浮子水位計(jì)200仍可以準(zhǔn)確測(cè)量箱體100內(nèi)的水位。所述滑輪201的繩索的兩端分別連接所述浮子202和鉛垂203，當(dāng)所述箱體100內(nèi)注入水時(shí)，所述浮子202隨著水位升降而升降，以實(shí)時(shí)測(cè)量所述箱體100內(nèi)水位值。所述數(shù)據(jù)采集器300通過(guò)數(shù)據(jù)線連接所述滑輪201，用于讀取和記錄所述水位值，并根據(jù)所述水位值計(jì)算得到流經(jīng)所述箱體100的水流值。根據(jù)《堰槽測(cè)流規(guī)范》推薦，當(dāng)堰口角(即三角形出水口的頂角)在π/9-5 π/9(20° -100° )之間時(shí)，由標(biāo)準(zhǔn)三角堰的水位計(jì)算過(guò)堰流量的公式為Q = CD^tg^^2gh5e/2 ⑴其中，Q為過(guò)堰流量,單位為立方米/小時(shí)；CD為流量系數(shù)；he為有效水位,單位為米；he = h+Kh，Kh為考慮粘滯力和表面張力綜合影響的校正值，單位為米，h為實(shí)測(cè)水頭(即
水面距離出水口 102最低點(diǎn)的距離)，單位為米；Θ為堰口角π/6(β卩30° )，tg|表示*的
正切函數(shù)值；g為重力加速度，9. 82米/秒2。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)三角堰，《堰槽測(cè)流規(guī)范》提供了圖表，可以查詢流量系數(shù)Cd和水位矯正系數(shù)Kh。本實(shí)用新型實(shí)施例所述系統(tǒng)沒(méi)有采用堰槽設(shè)計(jì)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而是根據(jù)小區(qū)徑流的測(cè)流條件和自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備安裝要求具體設(shè)計(jì)。因此，流量系數(shù)Q3和的冪值必須通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定。根據(jù)《堰槽測(cè)流規(guī)范》，當(dāng)堰口角(即三角形出水口 102的頂角)為30°時(shí)，水位矯正系數(shù)Kh的取值在2. 3X 10_6米左右，這與實(shí)際觀測(cè)的水位差別比較大，在該系統(tǒng)的流量模型中可以忽略。因此，建立流量Q與水位h的關(guān)系公式模型如下Q = bha (2)其中a, b為常系數(shù)。為了標(biāo)定本實(shí)用新型實(shí)施例所述系統(tǒng)，即確定流量Q與水位h的關(guān)系，研究組在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)進(jìn)行了一組水槽實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)水槽配備有標(biāo)準(zhǔn)量水堰，該標(biāo)準(zhǔn)量水堰的水槽末端通過(guò)簡(jiǎn)易導(dǎo)流裝置將水流導(dǎo)入本實(shí)用新型實(shí)施例所述系統(tǒng)的進(jìn)水口101，試驗(yàn)時(shí)將流量由小到大變化，通過(guò)與浮子水位計(jì)200連接的數(shù)據(jù)采集器300讀取箱體100內(nèi)部的水位。同時(shí)，通過(guò)所述標(biāo)準(zhǔn)量水堰測(cè)量實(shí)際流量，作為流量參考對(duì)照值。[0041]根據(jù)水槽實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，將標(biāo)準(zhǔn)量水堰觀測(cè)到的流量Q和本實(shí)用新型系統(tǒng)觀測(cè)讀取的水位h帶入公式(2)，進(jìn)行回歸分析，得到常系數(shù)a的取值為I. 9，常系數(shù)b的取值為
0.002。因此標(biāo)定后的公式(2)如下Q = O. 002hL9(2)圖3是回歸分析的結(jié)果曲線圖，如圖3所示，從圖中95%置信區(qū)間的上下邊界(圖3中兩條虛線)可以看出本實(shí)用新型系統(tǒng)的水位(即圖 實(shí)測(cè)水頭)與流量呈現(xiàn)非常好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)確定系數(shù)為O. 98。從圖3還可以看出大部分觀測(cè)點(diǎn)在95%的置信區(qū)間以內(nèi)，特別是當(dāng)流量小于5立方米/小時(shí)時(shí)，置信區(qū)間的范圍很?。划?dāng)流量大于5立方米/小時(shí)時(shí)，模型的不確定性隨流量增大而增大。這是因?yàn)樵诹髁磕Ｐ屯茖?dǎo)過(guò)程中，假設(shè)水位矯正系數(shù)為0，即忽略了行進(jìn)流速。因此，在流量較小時(shí)，水流流速較小，模型假設(shè)引起的誤差較?。划?dāng)流速隨著流量增大而增大后，忽略行進(jìn)流速引起的水位誤差增大。但總體而言，流量簡(jiǎn)化模型在10立方米/小時(shí)以內(nèi)都就有穩(wěn)定的預(yù)測(cè)結(jié)果。目前國(guó)際上廣泛采用的都是20米X5米的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)徑流，在100毫米/小時(shí)的雨強(qiáng)條件下，不考慮植被截留和土壤入滲，可以產(chǎn)生的最大徑流為2400毫升/秒即為8. 64立方米/小時(shí)。因此，該實(shí)用新型實(shí)施例所述系統(tǒng)在野外徑流小區(qū)應(yīng)用時(shí)，完全可以用于計(jì)算流量，其精度可以滿足工程實(shí)際的要求。該實(shí)用新型實(shí)施例所述系統(tǒng)對(duì)超過(guò)8. 64立方米/小時(shí)的流量也有穩(wěn)定可靠的觀測(cè)結(jié)果。我們擬將測(cè)量的流量擴(kuò)大到15立方米/小時(shí)，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)200毫米/小時(shí)凈降雨的產(chǎn)流。對(duì)更大的非標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)或暴雨強(qiáng)度較大的地區(qū)，同樣可以采用該觀測(cè)系統(tǒng)，只是當(dāng)小區(qū)面積更大時(shí)，系統(tǒng)的尺寸可能要更大一些。同時(shí)需要另外標(biāo)定流量模型或?qū)?2)所述流量模型做一定的修正。本實(shí)用新型實(shí)施例所述三角堰坡面小區(qū)徑流流量測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置浮子水位計(jì)和數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水位的自動(dòng)測(cè)量和記錄，并且數(shù)據(jù)采集器可以根據(jù)所測(cè)水位值快速的計(jì)算得到流經(jīng)系統(tǒng)的液體流量，從而為水土保持監(jiān)測(cè)體系的自動(dòng)化更新提供重要的技術(shù)支持。以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本實(shí)用新型，而并非對(duì)本實(shí)用新型的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本實(shí)用新型的范疇，本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求1.一種三角堰坡面小區(qū)徑流流量測(cè)量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括箱體(100)，所述箱體(100)包括與其連接的進(jìn)水(101)，所述箱體(100)還包括設(shè)置在其側(cè)壁上的三角形出水口(102)； 其特征在于，所述系統(tǒng)還包括互相連接的浮子水位計(jì)(200)和數(shù)據(jù)采集器(300)； 所述浮子水位計(jì)(200)用于測(cè)量所述箱體(100)內(nèi)的水位； 所述數(shù)據(jù)采集器(300)用于讀取和記錄所述浮子水位計(jì)(200)的水位值，并根據(jù)該水位值計(jì)算流經(jīng)所述系統(tǒng)的液體流量。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述浮子水位計(jì)(200)包括滑輪(201)、浮子(202)和鉛垂(203)； 所述滑輪(201)的圓盤與所述箱體(100)固定連接，并且所述圓盤的最低點(diǎn)高于所述箱體(100)的側(cè)壁上沿；· 所述滑輪(201)的繩索的兩端分別連接所述浮子(202)和鉛垂(203)。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述浮子水位計(jì)(200)還包括殼體(204)；所述殼體(204)與所述箱體(100)固定連接，并且所述殼體(204)的下部與所述箱體(100)導(dǎo)通；所述滑輪(201)、浮子(202)和鉛垂(203)均設(shè)置在所述殼體(204)的內(nèi)部。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述浮子水位計(jì)(200)通過(guò)數(shù)據(jù)線與所述數(shù)據(jù)采集器(300)連接。
5.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述三角形出水口(102)的三角形頂角朝下，并且頂角為30°。
6.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述所述三角形出水(102)的最低點(diǎn)距離所述箱體(100)的底部距離為I. 6cm。
7.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述箱體(100)為上開(kāi)口的中空長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)寬高尺寸為50厘米X 50厘米X 30厘米。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種三角堰坡面小區(qū)徑流流量測(cè)量系統(tǒng)，涉及水土保持技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括箱體，所述箱體包括與其連接的進(jìn)水口，所述箱體還包括設(shè)置在其側(cè)壁上的三角形出水口；所述系統(tǒng)還包括互相連接的浮子水位計(jì)和數(shù)據(jù)采集器；所述浮子水位計(jì)用于測(cè)量所述箱體內(nèi)的水位；所述數(shù)據(jù)采集器用于讀取和記錄所述浮子水位計(jì)的水位值，并根據(jù)該水位值計(jì)算流經(jīng)所述系統(tǒng)的液體流量。所述系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置浮子水位計(jì)和數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水位的自動(dòng)測(cè)量和記錄，并且數(shù)據(jù)采集器可以根據(jù)所測(cè)水位值快速的計(jì)算得到流經(jīng)系統(tǒng)的液體流量。
文檔編號(hào)G01F23/34GK202494477SQ20112031731
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月26日
發(fā)明者劉琳, 屈麗琴, 趙軍, 雷廷武 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)