串联式降水监测站及相应的监测方法与流程

本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种降水监测装置及方法。

背景技术：

随着国家对海绵城市、智能城市的建设稳步推进，对城市降水监测数据方面的要求越来越高。通过掌握更精确、更及时、更有效的降水数据，能够分析和应对城市的环境变化情况，为城市未来发展制定长远规划。

现有的降水监测装置虽然能够测量雨量变化，其中部分监测装置可以采集整个降雨过程的水样，但对于降雨过程中分时段雨水的采集要求不能提供很好的应对方法。多数空气中的污染物在降雨初期时含量很大，但如果采集全过程降雨样品则污染物含量又不明显，后续研究分析时无法得出有效的结论。此外现有降水监测装置，大多采用圆形采样口设计，且采水口面积不大，导致人为引入系统误差，由于在计算雨量时，需要计算实时体积变化，其中涉及π的取值问题，取值粗糙会影响计算精度；取值位数过多又会加大运算量，最后得出数据时依然会舍掉。

因此，现有监测装置对于降雨强度小、降雨历时短的降雨，很难取到用于监测全项的测试样品量；现有降水监测装置，多为直通式采样口，降雨过程中雨滴打在液面上造成波动，可能会影响测量液面高度的精度。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述问题，本发明第一方面提供一种串联式降水监测站，其包括采样面积扩大套件、监测站主机、监测站副机、电源供给站；监测站主机连接所述采样面积扩大套件，监测站主机连接电源供给站，监测站主机还串联至少两个监测站副机。

优选的是，监测站主机上游设置采样进口，该采样进口为正方形，避免圆形采样口对π取值的系统误差。

优选的是，所述采样进口上游设置采样面积扩大套件。

在上述任一方案中优选的是，所述面积扩大套件的入口为矩形，矩形设计能避免串联安装时各装置之间的相互影响，以及避免遮挡雨感器。

在上述任一方案中优选的是，面积扩大套件下端通过聚集口连接至所述采样进口；聚集口采用卡扣式双层设计，可准确卡在采样进口处，采样进口内侧保证雨水全部收集，防止渗漏。采样口外侧起到固定作用防止位移，并且兼顾防尘作用。

所述监测站主机包括数据记录处理器、信号分发处理器，可单独用于监测。

优选的是，主机采样口与排水口分别设置之少一组截留闸门，用于雨量采集和排水。透水口设置的数量与面积决定串联式降水监测站的最大测量雨量。

监测站主机液面高度测量设备提供多种型号主机测量方案，具体方案取决于成本和监测精度要求，有浮力测量、红外线测量等；并提供实时测量数据。

当进水闸门关闭后，静置5秒后，液面趋于平稳。此时测量的液面高度较为准确，配合测量时长对实时监测数据有一定的修正所用。

所述监测站主机还包括样品采集和测量模块；其中包括直接测量模块和样品保留模块。

1.直接测量模块：配备感光摄像头监测装置，可通过雨水样品的光度测量悬浮颗粒等常规项目。液面高度测量完成后，打开侧边闸门，让采集样品流经测量导管，摄像头进行直接监测。

2.样品保留模块：可配备多个采样瓶，液面高度测量完成后，打开对应闸门，将雨水样品导入采样瓶。通过闸门的样品流量为固定值，可根据所需采样量调整闸门开启时长。

所述监测站副机不单独进行监测，须连接监测站主机；采用串联模式，连接数量根据被监测雨量的预计大小和待测时段的频率决定。本发明的主要创新点之一即串联模式，现有技术中并没有针对一场降雨若干时间间隔内采集样品的装置，这种串联多个装置的方案，可以解决这一难点。此外串联装置的协同，自动控制也是难点和本发明的创新点之一。

监测站副站可选配与主站同样具有防尘设备、截留闸门、实时测量设备或样品保留模块、高精度雨感计。

对于可移动式监测站而言，需要单独配置电源供给站。在未降雨时保持雨感计的持续工作，降雨时提供工作电源，并设有信号发送设备便于数据的实时发送。需要在安装前先充满电池，顶端的太阳能板提供损耗电力的补充，如果电量低于完成监测的警戒水平，会自动发信请求更换电池。

本发明所述串联式降水监测站的工作流程是：监测主站连接电源供给站，并串联2个监测副机；当降雨开始时，雨感计发出信号，收起防尘设备，同时采样进口闸门打开，1号主机排水闸门保持闭合，开始接收雨水。(可对装置进行设置，弃流初期降雨，用于冲洗设备)副机同时开启进水、排水闸门，冲洗设备准备采样；主机实时监测液面高度，当液面高度超过预设值时关闭进水闸门，封闭雨水样品。

预设值可根据实验需求调整，如某时间段内降雨量，或者按照降雨量取样，达到设定的降雨量时关闭，或者大暴雨时，降雨量过大超出监测能力时关闭闸门。

主机发出封闭进水闸门信号同时，副机关闭排水闸门，开始接收雨水样品。另一副机保持原样。

静置一定时间后，主机对降雨样品进行体积测量，如果加装采样面积扩大套件，可以事先输入套件进口面积，从而计算实际降雨量；测量完成后对样品进行实时监测或样品留存。之后打开排水闸门，释放雨水。然后打开进水闸门，等待监测。

各副机依次重复上述主机的测量过程，副机完成测量后再循环至主机进行监测，依次循环测量，串联的循环运作方式中储水槽在进水口关闭后进行稳定测量、留样等操作，然后排水等待下次进水，可以实现不间断连续采样。串联副机数量，主要由监测频率与监测站工作完成时长相关。监测频率越高、预计降雨量越大，需要串联更多副机。

本发明第二方面提供一种降水监测方法，其包括：

步骤a.接收雨水；

优选弃流初期降雨，用于冲洗设备；主机和/或副机同时开启进水、排水闸门，冲洗设备准备采样；

步骤b.主机实时监测液面高度，当液面高度超过预设值时关闭进水闸门，封闭雨水样品；

步骤c.预设值可根据实验需求调整，或者按照降雨量取样，或者大暴雨时，降雨量过大超出监测能力时关闭闸门。

步骤d.主机发出封闭进水闸门信号同时，一个副机关闭排水闸门，开始接收雨水样品；其他副机保持原样。

步骤e.静置预设时间后，主机对降雨样品进行体积测量，如果加装采样面积扩大套件，可预先输入套件进口面积，并换算实际降雨量；

步骤f.测量完成后对样品进行实时监测或样品留存。之后打开排水闸门，释放雨水。然后打开进水闸门，等待监测。

步骤g.各副机依次重复执行步骤d－步骤f；

步骤h.待各副机完成后监测步骤后，主机再次进行监测。

上述步骤中，由1号主机记录数据、标记对应时段采样瓶位置、控制卡扣运作等，其他副机只需要连接电源和数据传输线即可。实时数据可通过电源供给站内置天线，向外发送信息。

本发明采用多装置串联设计，在上一个装置停止测量的同时，下一个装置开始收集雨水，保证了监测的连续性。本发明可在无人值守情况下，自主完成监测雨量、采集样品、监测数据实时发送等特点。增强了降水监测设备的功能，对于提高数据采集精度、满足多种采样要求、增强监测时效性等方面均具有现实意义。

附图说明

图1是本发明所述串联式降水监测站的一优选实施例中采样面积扩大套件的结构示意图；

图2是图1所示实施例中主机防尘设备的结构示意图；

图3是图2所示实施例中主机防尘设备与图1所示采样面积扩大套件连接状态的结构示意图；

图4是图1所示实施例中的进、排水闸门示意图；

图5是本发明所述实施例中雨量监测原理示意图；

图6是图1所示实施例中的直接测量模块结构示意图；

图7是图6所示实施例中留样方案的示意图；

图8是图7所示实施例中采样瓶设置及其工作原理示意图；

图1-图8中数字标记的含义是：

1.采样口扩大套件(可折叠)；2.监测站主机3.转动电机4.金属骨架5.锁扣6.防尘布7.连接绳8.转动电机9.左侧电机10.右侧电机11.左侧推挤板12.右侧推挤板13.上层活动板14.下层固定板15.进水口(已封闭)16.排水口(已封闭)17.联通管测量液面高度18.连通管19.监测摄像头20.采样控制闸门21.采样瓶22.排水闸门(已封闭)23.已完成采样24.正在进行采样25.等待采样。

具体实施方式

实施例1.1:一种串联式降水监测站，其包括采样面积扩大套件1、监测站主机2、监测站副机、电源供给站。监测站主机2连接所述采样面积扩大套件1，监测站主机2连接电源供给站，监测站主机2还串联两个监测站副机。

监测站采样进口固定设计为面积1m×1m的正方形，避免了圆形采样口对π取值的系统误差。面积扩大套件1入口分别为2m×1m、3m×1m、4m×1m等矩形尺寸，矩形设计能避免串联安装时各装置之间的相互影响，以及避免遮挡雨感器。面积扩大套件下端聚集口采用卡扣式双层设计，可准确卡在本机采样口处，内侧保证雨水全部收集，防止渗漏。外侧起到固定作用防止位移，并且兼顾防尘作用。当使用大面积采样口扩大套件时，两边设有支撑杆，避免由于自重导致的变形，从而影响采样面。支架采用不易变形且防腐蚀的不锈钢空心管组成，钢管从防水布料组成的采集漏斗外侧穿过使其保持采样平面的准确，该设计有利于套件的折叠和携带。杆件中间位置设有连接螺母，折叠时可将杆件拆卸下来。采集漏斗布料内侧可选用纳米涂层覆盖，避免雨水和污物滞留影响采样结果。

监测站主机：自身拥有数据记录、信号分发等处理器，可单独用于监测。

监测站可分别制作成固定型和便携型，固定型监测站可利用市政电力供电，在较大面积内分散布置监测站，具有更强的测量稳定性。其他性能与便携型监测站类似。

便携型监测站主机：安装时首先需要对装置进行找平，通过设置在装置侧边的气泡水平仪调整四个支撑脚的长度，目的是保证雨量测量的准确性。监测站主机2侧边处设置有高精度雨感计，反应延迟控制在0.3s内。

防尘设备：

1.本机防尘设备：采用卷帘式防尘布6，通过魔术贴连接在电动机转轴上。其间设有金属骨架4压住防尘布6，一端设有锁扣起到防风作用。雨感计发送降雨信号后，锁死卡扣开启，由电机驱动将防尘布卷起。

2.面积扩大套件1防尘设备：主要由防尘布6构成，两端设有金属杆压住防尘布6，当雨感计发送降雨信号后，电机卷动绳子将防尘布6拽下来。安装面积扩大套件1后，将本机防尘布6拆下，电机固定住绳子。

截留闸门：主机采样口与排水口分别设有两组截留闸门，用于雨量采集和排水。闸门设计为两块高度密合的不锈钢板，当需要进水或排水时，卡扣推动上层钢板将透水口联通。关闭闸门时，通过卡扣推动钢板将透水口封闭。透水口设置的数量与面积，决定装置的最大测量雨量。

液面高度测量设备：提供多种型号主机测量方案，取决于成本和监测精度要求，有浮力测量、红外线测量等。可提供实时测量数据，与一般监测站类似。当进水闸门关闭后，静置5秒后，液面趋于平稳。此时测量的液面高度较为准确，配合测量时长对实时监测数据有一定的修正所用。

样品采集和测量模块：

1.直接测量模块：配备感光摄像头监测装置，可通过雨水样品的光度测量悬浮颗粒等常规项目。液面高度测量完成后，打开侧边闸门，让采集样品流经测量导管，摄像头进行直接监测。

2.样品保留模块：可配备多个采样瓶，液面高度测量完成后，打开对应闸门，将雨水样品导入采样瓶21。通过闸门的样品流量为固定值，可根据所需采样量调整闸门开启时长。

样品检测或保留步骤完成后，主机底侧卡扣调整将排水口联通，释放积蓄雨水。完成后开启进水闸门形成上进下排形式，为下次测量做准备。

监测站副机：为控制成本，统一调控方便，监测站副机不设置数据记录、信号分发等设备。不能单独进行监测，必须连接监测主机。采用串联模式，连接数量根据被监测雨量的预计大小和待测时段的频率决定。

监测站副站与主站同样具有防尘设备、截留闸门、实时测量设备或样品保留模块、高精度雨感计(可选配)

电源供给站：对于可移动式监测站而言，需要单独配置电源供给站。在未降雨时保持雨感计的持续工作，降雨时提供工作电源，并设有信号发送设备便于数据的实时发送。需要在安装前先充满电池，顶端的太阳能板提供损耗电力的补充，如果电量低于完成监测的警戒水平，会自动发信请求更换电池。

串联式降雨监测站工作流程：监测主站连接电源供给站，串联两个监测副机。

当降雨开始时，雨感计发出信号，收起防尘设备，同时采样进口闸门打开，1号主机排水闸门保持闭合，开始接收雨水。(可对装置进行设置，弃流初期降雨，用于冲洗设备。)2、3号副机同时开启进水、排水闸门，冲洗设备准备采样。1号主机实时监测液面高度，当液面高度超过预设值时关闭进水闸门，封闭雨水样品。

预设值可根据实验需求调整，如某时间段内降雨量，5min、10min，或者按照降雨量取样，达到10mm、15mm时关闭，或者大暴雨时，降雨量过大超出监测能力时关闭闸门。

1号主机发出封闭进水闸门信号同时，2号副机关闭排水闸门，开始接收雨水样品。3号副机保持原样。

静置5s后，1号主机对降雨样品进行体积测量，如果加装采样面积扩大套件，可以事先输入套件进口面积，最终结果为主机测量值÷扩大套件进口面积＝实际降雨量。测量完成后对样品进行实时监测或样品留存。之后打开排水闸门，释放雨水。然后打开进水闸门，等待监测。

2号副机重复这一过程，然后是3号副机重复该过程，完成后循环至1号主机进行监测。串联副机数量，主要由监测频率与监测站工作完成时长相关。监测频率越高、预计降雨量越大，需要串联更多副机。

由1号主机记录数据、标记对应时段采样瓶位置、控制卡扣运作等，其他副机只需要连接电源和数据传输线即可。实时数据可通过电源供给站内置天线，向外发送信息。

实施例1.2:一种串联式降水监测站，同实施例1.1，不同之处在于，监测站主机内连接加热套件，监测降雪时，收集的降水经加热融化，并按照实施例2中的降雨的监测流程进一步处理。

实施例2.一种降水监测方法，其包括：

步骤1.雨感计发出信号，收起防尘设备，同时采样进口闸门打开，1号主机排水闸门保持闭合，开始接收雨水。

对装置进行设置，弃流初期降雨，用于冲洗设备：2、3号副机同时开启进水、排水闸门，冲洗设备准备采样；1号主机实时监测液面高度，当液面高度超过预设值时关闭进水闸门，封闭雨水样品。

步骤2.根据实验需求调整预设值，如某时间段内降雨量，5min、10min，或者按照降雨量取样，达到10mm、15mm时关闭，或者大暴雨时，降雨量过大超出监测能力时关闭闸门。

步骤3.1号主机发出封闭进水闸门信号同时，2号副机关闭排水闸门，开始接收雨水样品。3号副机保持原样。

步骤4.静置5s后，1号主机对降雨样品进行体积测量，如果加装采样面积扩大套件，可以事先输入套件进口面积，最终结果为主机测量值÷扩大套件进口面积＝实际降雨量；测量完成后对样品进行实时监测或样品留存

步骤5.打开排水闸门，释放雨水。然后打开进水闸门，等待监测。

步骤6.由2号副机重复步骤3、步骤4和步骤5；

步骤7.由3号副机重复步骤3、步骤4和步骤5；

步骤8.再次循环至1号主机进行监测。

步骤9.由1号主机记录数据、标记对应时段采样瓶位置、控制卡扣运作等，其他副机只需要连接电源和数据传输线即可；实时数据通过电源供给站内置天线，向外发送信息。

上述实施例针对现有技术中对降水监测存在的问题提出一揽子的解决方案，在监测降雨量的同时，能够按照时段或降雨量的要求获取降水样品、优化了采样口样式，规避系统误差、提供可拆式采样口扩大套件，保证采样量。可按照需求定时或定量关闭采样口，静置后测量液面高度，保证测量精度。