一种小河流径流泥沙水质在线监测系统及方法

本发明涉及小河流水文水质监测领域，具体是一种小河流径流泥沙水质在线监测系统及方法。

背景技术：

1、小河流沟道和水面尺寸小，洪枯水位变幅比大，干涸与洪水过程交替出现，洪水过程常暴涨暴落，泥沙含量、粒径和污染物浓度的变化幅度也大，给野外在线观测带来很多不便。现有的水文、泥沙、水质综合自动测量设备多是针对大江大河或湖泊水库等较稳定的大水面，难以适应小河流巨大的变幅，在小河道使用时常出现故障，稳健性低，维护保养要求高，不能满足小河流水文泥沙水质综合自动测量的需求，亟需研发高稳健性小河流径流泥沙水质在线监测系统和相关设备及方法。

技术实现思路

1、本发明以河道断面尺寸小、干涸与洪水过程交替出现、洪枯水位变幅比大、洪水常暴涨暴落、泥沙与水质变幅大的河道为应用目标，通过设备比选与布局优化，构建了应用于小河流水文水质在线监测的综合在线监测系统，实现小河流径流、泥沙、水质的综合性、稳健性、自动化、在线化化监测。

2、一种小河流径流泥沙水质在线监测系统，包括供电子系统、供排水子系统、要素信息监测子系统、数据采集和传输子系统、云端存储与数据展示子系统以及基础设施和环境保障子系统；

3、所述供电子系统，用于为供排水子系统、要素信息监测子系统、数据采集和传输子系统提供电力；

4、所述供排水子系统，用于为要素信息监测子系统中测量要素的检测提供水样；

5、所述要素信息监测子系统，用于检测所述供排水子系统提供的水样以及卡口站观测断面水域的测量要素信息，将被检测的测量要素信息转化为电信号；

6、所述数据采集和传输子系统，用于采集要素信息监测子系统输出的电信号后对其进行编码形成数据包，并将数据包传输至云端存储与数据展示子系统；

7、所述云端存储与数据展示子系统，用于对数据包解码还原成测量要素信息的测量数据并储存，同时在交互窗口显示实时测量数据；

8、所述基础设施和环境保障子系统，用于为其他子系统提供配套的河道及观测断面、设备安装基础、温湿度调控、废水废物收集处理。

9、进一步的，所述供电子系统包括电源、电源线和电路通断控制器，电源根据现场情况使用市电或太阳能供电，电源通过电源线与各系统连接，为各系统提供电力，电路通断控制器的一端与电源连接，另一端通过数据连接线与数据采集和传输子系统连接，数据采集和传输子系统连接发出指令给电路通断控制器，以控制电源电力的输出或关闭。

10、进一步的，所述供排水子系统包括抽水泵、进水管、滤头、过滤器和排水管，抽水泵的进口与进水管连接，抽水泵的出口与排水管连接，排水管与要素信息监测子系统连通以提供水样；进水管具有多个进水口，置于卡口站观测断面的沟道水面以下，每个进水口都安装有滤头；排水管与要素信息监测子系统间安装有过滤器。

11、进一步的，所述要素信息监测子系统包括总氮/氨氮水质自动分析仪、总磷水质自动分析仪、高锰酸盐指数水质自动分析仪、叶绿素a分析仪、硫酸盐分析仪、氯化物分析仪、硝酸盐分析仪、铁分析仪、锰分析仪、激光测沙仪、水质多参数分析仪、自动雨量计、雷达流量计中的一种或几种的组合；

12、抽水泵抽取的水通过过滤器后分别进入总氮/氨氮水质自动分析仪、总磷水质自动分析仪、高锰酸盐指数自动分析仪、叶绿素a分析仪、硫酸盐分析仪、氯化物分析仪、硝酸盐分析仪、铁分析仪、锰分析仪检测水中总氮、氨氮、总磷、高锰酸盐指数、叶绿素a、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、铁和锰含量；

13、激光测沙仪、水质多参数分析仪均置于河道观测断面的水面以下，激光测沙仪用于检测水中泥沙的粒径组成及对应的体积含量，水质多参数分析仪用于检测水中压强、水温、ph、氧化还原电位、电导率、电阻率、盐度、完全溶解的固体、溶解氧、浊度等指标；

14、自动雨量计安装在小河流观测设施顶部开阔处，用于实时监测降雨量、降雨强度；

15、雷达流量计安装在小河流观测断面水面上方，用于测量河道观测断面的水深、表面流速，并通过模型计算断面流速、瞬时流量、累计流量。

16、进一步的，所述数据采集和传输子系统包括中央控制器、4g/5g无线发射器、数据连接线，各个水质自动分析仪、激光测沙仪、水质多参数分析仪、自动雨量计、雷达流量计、4g/5g无线发射器均与中央控制器连接，所述要素信息监测子系统中各测量仪器获取的检测数据通过数据连接线传输至中央控制器，中央控制器对其进行编码形成数据包，并将数据包通过4g/5g无线发射器传输至云端存储与数据展示子系统。

17、进一步的，所述中央控制器还与电路通断控制器连接，所述中央控制器设置观测时间间隔，按照设置好的观测时间间隔控制电路通断控制器的启闭，进而控制抽水泵是否运行。

18、进一步的，所述云端存储与数据展示子系统包括云端服务器以及和径流泥沙水质在线监测数据采集模块，数据包通过4g/5g无线发射器传输至云端服务器后进行解码还原成测量要素的测量数值并储存，通过径流泥沙水质在线监测数据采集模块在交互窗口显示实时测量数据，并提供数据下载功能。

19、进一步的，所述径流泥沙水质在线监测数据采集模块还用于远程设置观测时间间隔，通过4g/5g网络传输至中央控制器，起到远程控制的作用。

20、一种小河流径流泥沙水质在线监测方法，其采用上述监测系统进行，所述方法包括：

21、所述供电子系统，为供排水子系统、要素信息监测子系统、数据采集和传输子系统提供电力；

22、所述供排水子系统，为要素信息监测子系统中测量要素的检测提供水样；

23、所述要素信息监测子系统，检测所述供排水子系统提供的水样以及卡口站观测断面水域的测量要素信息，将被检测的测量要素信息转化为电信号；

24、所述数据采集和传输子系统，采集要素信息监测子系统输出的电信号后对其进行编码形成数据包，并将数据包传输至云端存储与数据展示子系统；

25、所述云端存储与数据展示子系统，对数据包解码还原成测量要素信息的测量数据并储存，同时在交互窗口显示实时测量数据。

26、进一步的，所述要素信息监测子系统包括总氮/氨氮水质自动分析仪、总磷水质自动分析仪、高锰酸盐指数水质自动分析仪、叶绿素a分析仪、硫酸盐分析仪、氯化物分析仪、硝酸盐分析仪、铁分析仪、锰分析仪、激光测沙仪、水质多参数分析仪、自动雨量计、雷达流量计中的一种或几种的组合；

27、抽水泵抽取的水通过过滤器后分别进入总氮/氨氮水质自动分析仪、总磷水质自动分析仪、高锰酸盐指数自动分析仪、叶绿素a分析仪、硫酸盐分析仪、氯化物分析仪、硝酸盐分析仪、铁分析仪、锰分析仪检测水中总氮、氨氮、总磷、高锰酸盐指数、叶绿素a、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、铁和锰含量；

28、激光测沙仪、水质多参数分析仪均置于河道观测断面的水面以下，激光测沙仪用于检测水中泥沙的粒径组成及对应的体积含量，水质多参数分析仪用于检测水中压强、水温、ph、氧化还原电位、电导率、电阻率、盐度、完全溶解的固体、溶解氧、浊度等指标；

29、自动雨量计安装在小河流观测设施顶部开阔处，用于实时监测降雨量、降雨强度；

30、雷达流量计安装在小河流观测断面水面上方，用于测量河道观测断面的水深、表面流速，并通过模型计算断面流速、瞬时流量、累计流量。

31、本发明具有如下优点：

32、1、综合性：通过观测设备比选校正，可实现径流、泥沙、水质等多参数的综合监测。

33、2、自动化：可实现上述数据的不间断自动化监测，并可通过云端实时在线传导、观察数据。

34、3、稳定性：通过监测设备优化布局，实现多要素监测互不干扰，同时集成多种非接触式、低维护要求监测设备，减少小河流径流、泥沙、水质大变幅，枯枝落叶、气温等环境因素对设备系统的干扰与破坏，大幅度提高小河道野外径流泥沙水质实时监测的稳健性。