WSJL-01 型自动监测系统在坡面径流场分水源监测中的应用

李 强，张义鑫，付纪鑫

（1.黑龙江省水文水资源中心伊春分中心,黑龙江 伊春 153000；2.黑龙江省寒区水文和水利工程联合实验室,黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引言

水环境监测是对水资源进行管理的一项重要内容,它主要是对水环境中的污染物及其影响因子进行监测,对其成因、污染途径进行评价,并对其进行识别与评价,从而为水环境治理提供技术支撑[1]。随着自动化监测技术的不断发展,国内已建成了许多自动监测站点。与人工监测、实验室分析相比,水质自动监测具有实时监测水质状况、预警预报,充分发挥水环境管理的“眼睛”作用[2],为环境管理提供辅助监测信息,要保证自动监测系统的正常工作、数据的准确性,必须加强对其的维护与管理。监控站要建立完善的质量管理制度,并通过有效的监控手段,实现对第三方机构的运营和维护行为的制约与比较,从而提高其运行、维护的效率和监控数据的质量,并形成科学规范的运行管理机制,保证系统长期稳定运行[3-5]。

1 坡面径流场自动监测系统的结构

坡面径流场自动监测系统由以下部分构成：坡面径流场、出口反滤层、壤中流出水管、径流桶、磁致伸缩水位传感器、地下径流自动计量和记录、显示设备、弃水自动排水设备、太阳能供电系统、数据无线传输设备等。

1.1 坡面径流场

坡面径流场由长20 m、宽5 m 的坡面组成。坡面径流场的坡度为8°,径流场的四面挡土墙由厚8 mm,高3 m 的钢板构成。出口部分由底宽5 m,高为2.5 m 的直角三角形组成,坡面径流场的总面积为106.25 m2。

1.2 出口反滤层

出口反滤层在直角三角形两边由厚度50 cm 的砂石填充而成。作用是过滤地下径流的出水。

1.3 地下径流（壤中流）出水管

壤中流出水管也称为地下径流出水管,本径流场出水管有三根,一根设在径流场地面以下20 cm,第二根设在地面以下80 cm 处,第三根设在场地面以下160 cm 处。出水管直径约为25 mm,出口处安装电磁阀。

1.4 径流池

径流池由直径70 cm 的、高60 m 的不锈钢圆桶双面焊接而成。径流池内安装磁致伸缩水位传感器,承水漏斗中安装感水装置,当地下径流产流时,感雨器将径流信号送往自动监测系统,自动监测系统开启电源进行测量计量。

1.5 地下径流自动计量和记录、显示设备

地下径流自动计量和记录设备在正常工作时可自动测量和记录径流量数据。当径流池水位达设定高水位时,系统会关闭进水电磁阀,打开排水电磁阀和水泵排水。显示器为7 寸触摸屏彩显,可由按键设置背光和显示即时数据。

1.6 弃水自动排水控制系统

弃水水仓中液位超过设定高水位时打开排水电磁阀和排水电泵进行系统排水,系统液位降低；当径流池液位达到设定低水位时,排水水泵关闭,打开进水电磁阀,系统进入测量、监测判断状态。

1.7 供电系统

系统供电用市电,并且配有0 延时发电机组作为备用电源,保证仪器设备全天候工作。

1.8 数据无线传输设备

本系统采用GPRS 无线通讯,可将数据上传到监控中心。便于实时查看或查询历史数据。坡面径流场自动监测系统结构见图1。

图1 坡面径流场自动监测系统结构

2 坡面径流场自动监测系统工作原理

坡面径流场自动监测系统主要用于自然降雨或者人工模拟降雨的情况下,根据雨量入渗进入到各出水通道情况,实时在线监测系统根据RTU 指示,启动流量监测开启（关闭）程序,排水进入径流池,径流池内安装磁致伸缩水位传感器,承水漏斗中安装感水装置,当有径流产流时,感雨器将径流信号送往自动监测系统,自动监测系统开启电源进行测量计量。

系统自动计量和记录设备在正常工作时可自动测量和记录径流量数据。当径流池水位达设定高水位时,系统会关闭进水电磁阀,打开排水电磁阀和水泵排水；当径流池液位达到设定低水位时,排水水泵关闭,进水电磁阀打开,系统进入测量、监测判断状态。在同一个径流场,可根据实验的数量要求,同时提供几个出流通道的径流场降雨、流量等数据。

系统除了对各出水通道的流量过程的径流场总量进行自动监测和数据记录外。还同时具有上位计算机实时监测、显示各测量参数动态过程以及曲线、历史数据下载功能。

3 坡面径流场自动监测系统特点

1）全天候无人值守,自动在线监测。

2）数据采集存储主控机可本地存储大量的数据,可在现场通过RS232、RS485 接口就地下载数据。

3）具有上位计算机实时监测、显示各测量参数动态过程以及曲线、历史数据下载功能。

4）可现场在数据管理主控机上自由设置采样频率以及调整时钟数据,从而实现时间的完全一致功能。

5）具有GPRS 无线组网功能,可以组网进行综合监测。

6）采用点阵液晶和按键操作方式,人机对话简洁方便。

7）采用arm 技术,使得采集精度高,运算速度快,使用寿命长。

4 监测数据成果对比分析

4.1 自动监测系统监测数据与人工监测数据对比

（1）径流场流量由三部分组成,理论计算公式分别如下：

1）地表径流流量计算公式：

式中：Qsurf为地表径流量；Rday为降水量；Ia为初损值；S 为可能最大滞留量；CN为无量纲参数,反应降雨前期流域特征,取值范围为0～100,当CN为0 时,表示降雨全部渗透进入地表,不产生径流,当CN 为100 时,表示地面为不透水层,降雨完全形成径流。

2）壤中流流量计算公式：

式中：Q1at为壤中流；SW1y.escess为土壤饱和区流出水量；Ksat为土壤饱和水力传导率；slp 为坡度；φd为土壤孔隙度；Lhill为山坡的坡长。

3）地下水流量计算公式：

式中：aqsh,i为第i 天浅层地下水含水量；qsh,i-1为第i-1 天浅层地下水含水量；Wrchrg,sh为浅层地下水补给量；Qgw为基流量；Wrewap为返回到土壤层的水量；Wpump,sh为浅层地下水的抽水量。

径流场总流量：

（2）系统流量监测采用容积法,分层计算公式：

式中：Q 为流量；A 为径流池截面面积；H 为径流池内水深。

为了检验自动监测系统的监测结果,我们选择了35 次同步对比资料进行分析计算,得出总流量系统误差为0.7%,最大偶然误差5.3%,基本满足现行规范规定的允许误差标准。为了分析分水源计算成果,选择8 月4 日～14 日一场洪水,按照三个出水通道监测得出成果见表1。

表1 坡面径流场分水源监测成果表 单位：m3/s

4.2 过程线图对比

监测系统监测过程与实测流量对比见图2。

图2 监测系统监测过程与实测流量对比图

5 结论

坡面径流自动监测系统经过多年的发展建设体系已较为成熟,常规仪器设备性能已趋于相对稳定,与常规坡面径流检测,WSJL-01 型自动监测系统可实现自动化,并且有着精度高,速度快,使用寿命长的优点。与人工监测实验室分析相比,水质自动监测具有实时的监测、预警预报、实时监测水质状况、预警预报,为环境管理提供辅助监测信息。