WSJL-01 型自動監測系統在坡面徑流場分水源監測中的應用

李 強，張義鑫，付紀鑫

（1.黑龍江省水文水資源中心伊春分中心,黑龍江 伊春 153000；2.黑龍江省寒區水文和水利工程聯合實驗室,黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學水利電力學院,黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

水環境監測是對水資源進行管理的一項重要內容,它主要是對水環境中的污染物及其影響因子進行監測,對其成因、污染途徑進行評價,并對其進行識別與評價,從而為水環境治理提供技術支撐[1]。隨著自動化監測技術的不斷發展,國內已建成了許多自動監測站點。與人工監測、實驗室分析相比,水質自動監測具有實時監測水質狀況、預警預報,充分發揮水環境管理的“眼睛”作用[2],為環境管理提供輔助監測信息,要保證自動監測系統的正常工作、數據的準確性,必須加強對其的維護與管理。監控站要建立完善的質量管理制度,并通過有效的監控手段,實現對第三方機構的運營和維護行為的制約與比較,從而提高其運行、維護的效率和監控數據的質量,并形成科學規范的運行管理機制,保證系統長期穩定運行[3-5]。

1 坡面徑流場自動監測系統的結構

坡面徑流場自動監測系統由以下部分構成：坡面徑流場、出口反濾層、壤中流出水管、徑流桶、磁致伸縮水位傳感器、地下徑流自動計量和記錄、顯示設備、棄水自動排水設備、太陽能供電系統、數據無線傳輸設備等。

1.1 坡面徑流場

坡面徑流場由長20 m、寬5 m 的坡面組成。坡面徑流場的坡度為8°,徑流場的四面擋土墻由厚8 mm,高3 m 的鋼板構成。出口部分由底寬5 m,高為2.5 m 的直角三角形組成,坡面徑流場的總面積為106.25 m2。

1.2 出口反濾層

出口反濾層在直角三角形兩邊由厚度50 cm 的砂石填充而成。作用是過濾地下徑流的出水。

1.3 地下徑流（壤中流）出水管

壤中流出水管也稱為地下徑流出水管,本徑流場出水管有三根,一根設在徑流場地面以下20 cm,第二根設在地面以下80 cm 處,第三根設在場地面以下160 cm 處。出水管直徑約為25 mm,出口處安裝電磁閥。

1.4 徑流池

徑流池由直徑70 cm 的、高60 m 的不銹鋼圓桶雙面焊接而成。徑流池內安裝磁致伸縮水位傳感器,承水漏斗中安裝感水裝置,當地下徑流產流時,感雨器將徑流信號送往自動監測系統,自動監測系統開啟電源進行測量計量。

1.5 地下徑流自動計量和記錄、顯示設備

地下徑流自動計量和記錄設備在正常工作時可自動測量和記錄徑流量數據。當徑流池水位達設定高水位時,系統會關閉進水電磁閥,打開排水電磁閥和水泵排水。顯示器為7 寸觸摸屏彩顯,可由按鍵設置背光和顯示即時數據。

1.6 棄水自動排水控制系統

棄水水倉中液位超過設定高水位時打開排水電磁閥和排水電泵進行系統排水,系統液位降低；當徑流池液位達到設定低水位時,排水水泵關閉,打開進水電磁閥,系統進入測量、監測判斷狀態。

1.7 供電系統

系統供電用市電,并且配有0 延時發電機組作為備用電源,保證儀器設備全天候工作。

1.8 數據無線傳輸設備

本系統采用GPRS 無線通訊,可將數據上傳到監控中心。便于實時查看或查詢歷史數據。坡面徑流場自動監測系統結構見圖1。

圖1 坡面徑流場自動監測系統結構

2 坡面徑流場自動監測系統工作原理

坡面徑流場自動監測系統主要用于自然降雨或者人工模擬降雨的情況下,根據雨量入滲進入到各出水通道情況,實時在線監測系統根據RTU 指示,啟動流量監測開啟（關閉）程序,排水進入徑流池,徑流池內安裝磁致伸縮水位傳感器,承水漏斗中安裝感水裝置,當有徑流產流時,感雨器將徑流信號送往自動監測系統,自動監測系統開啟電源進行測量計量。

系統自動計量和記錄設備在正常工作時可自動測量和記錄徑流量數據。當徑流池水位達設定高水位時,系統會關閉進水電磁閥,打開排水電磁閥和水泵排水；當徑流池液位達到設定低水位時,排水水泵關閉,進水電磁閥打開,系統進入測量、監測判斷狀態。在同一個徑流場,可根據實驗的數量要求,同時提供幾個出流通道的徑流場降雨、流量等數據。

系統除了對各出水通道的流量過程的徑流場總量進行自動監測和數據記錄外。還同時具有上位計算機實時監測、顯示各測量參數動態過程以及曲線、歷史數據下載功能。

3 坡面徑流場自動監測系統特點

1）全天候無人值守,自動在線監測。

2）數據采集存儲主控機可本地存儲大量的數據,可在現場通過RS232、RS485 接口就地下載數據。

3）具有上位計算機實時監測、顯示各測量參數動態過程以及曲線、歷史數據下載功能。

4）可現場在數據管理主控機上自由設置采樣頻率以及調整時鐘數據,從而實現時間的完全一致功能。

5）具有GPRS 無線組網功能,可以組網進行綜合監測。

6）采用點陣液晶和按鍵操作方式,人機對話簡潔方便。

7）采用arm 技術,使得采集精度高,運算速度快,使用壽命長。

4 監測數據成果對比分析

4.1 自動監測系統監測數據與人工監測數據對比

（1）徑流場流量由三部分組成,理論計算公式分別如下：

1）地表徑流流量計算公式：

式中：Qsurf為地表徑流量；Rday為降水量；Ia為初損值；S 為可能最大滯留量；CN為無量綱參數,反應降雨前期流域特征,取值范圍為0～100,當CN為0 時,表示降雨全部滲透進入地表,不產生徑流,當CN 為100 時,表示地面為不透水層,降雨完全形成徑流。

2）壤中流流量計算公式：

式中：Q1at為壤中流；SW1y.escess為土壤飽和區流出水量；Ksat為土壤飽和水力傳導率；slp 為坡度；φd為土壤孔隙度；Lhill為山坡的坡長。

3）地下水流量計算公式：

式中：aqsh,i為第i 天淺層地下水含水量；qsh,i-1為第i-1 天淺層地下水含水量；Wrchrg,sh為淺層地下水補給量；Qgw為基流量；Wrewap為返回到土壤層的水量；Wpump,sh為淺層地下水的抽水量。

徑流場總流量：

（2）系統流量監測采用容積法,分層計算公式：

式中：Q 為流量；A 為徑流池截面面積；H 為徑流池內水深。

為了檢驗自動監測系統的監測結果,我們選擇了35 次同步對比資料進行分析計算,得出總流量系統誤差為0.7%,最大偶然誤差5.3%,基本滿足現行規范規定的允許誤差標準。為了分析分水源計算成果,選擇8 月4 日～14 日一場洪水,按照三個出水通道監測得出成果見表1。

表1 坡面徑流場分水源監測成果表 單位：m3/s

4.2 過程線圖對比

監測系統監測過程與實測流量對比見圖2。

圖2 監測系統監測過程與實測流量對比圖

5 結論

坡面徑流自動監測系統經過多年的發展建設體系已較為成熟,常規儀器設備性能已趨于相對穩定,與常規坡面徑流檢測,WSJL-01 型自動監測系統可實現自動化,并且有著精度高,速度快,使用壽命長的優點。與人工監測實驗室分析相比,水質自動監測具有實時的監測、預警預報、實時監測水質狀況、預警預報,為環境管理提供輔助監測信息。