一种滨海湿地水热盐耦合过程的监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种滨海湿地水热盐耦合过程的监测装置及方法，属于滨海湿地地下水科学研究技术领域。

背景技术

滨海滩涂湿地水动力条件复杂，作为陆地与海洋交界的区域，在陆地淡水和海洋海水之间提供了重要的水文联系。地表水-地下水之间的物质、能量交换对滨海湿地稳定性具有重要影响，开展滨海湿地相关水动力及水环境参数的监测，能够为滨海湿地生态保护提供重要依据。了解滨海湿地中水流运动规律和温度、盐度分布对于增进滨海湿地水动力过程、热力学过程的理解至关重要，为合理保护和修复滨海湿地奠定理论基础。近年来发现，滨海湿地土壤温度、气温、海水温度间的差异也会影响湿地土壤水盐平衡，然而目前缺少能够耦合水动力、温度和盐度过程的监测装置及研究方法。所以，提出一种研究滨海湿地水热盐耦合过程的装置及方法具有很高的科研价值和应用场景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种滨海湿地水热盐耦合过程的监测装置及方法，可以在滨海湿地实时测得温度、盐度、水位的数据，并及时上传至云服务器存储，移动终端方便远程下载数据并绘制时间曲线，可以比较直观的给出滨海湿地水位、温度、盐度的时间曲线，进而得到水热盐运移过程规律，为研究滨海湿地的水、热、盐耦合机制打下坚实的基础。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种滨海湿地水热盐耦合过程的监测装置及方法，包括：

监测探头，包括相互连接的温度传感器、盐度传感器和水位传感器，用于获取地下水热盐运移数据；

无线数据发射终端，用于将监测探头采集得到的数据传递至云服务器；

太阳能供电系统，包括多块太阳能板，用于通过光伏效应将太阳能转化为电能为监测探头和无线数据发射终端供电。

进一步的，还包括：锂电池，用于将太阳能供电系统产生的富余电量以化学能的形式进行储存。

进一步的，所述温度传感器采用PT1000传感器，引线采用聚四氟乙烯，且所述温度传感器采用可拆卸的防水航空接头。

进一步的，所述盐度传感器的材料采用四极式石墨电极，且所述盐度传感器采用可拆卸的防水航空接头。

进一步的，所述水位传感器采用大平膜压力传感器，测量范围为0-5000mm，使用温度环境为-20℃-70℃。

进一步的，所述太阳能供电系统采用多晶硅太阳能板、三元聚合物锂电池和搭载MPPT太阳能发电模块的主控板。

进一步的，所述无线数据发射终端采用TF无线通讯。

第二方面，本发明提供一种根据前述任一项所述的滨海湿地水热盐耦合过程的监测装置的监测方法，包括：

S1，在待监测的滨海湿地，依据监测需求钻取指定半径和深度的钻孔；

S2，在待测区域架设实验装置，其中在钻孔附近地表布置太阳能供电系统和无线数据发射终端，在钻孔中插入组装后的监测探头；

S3，待监测探头布置完毕后，静放一段时间，待开挖钻孔内的水文要素恢复到与周边环境一致时，闭合装置电路，太阳能供电系统通过电路给整个装置供电，监测探头内置传感器同时运行，实现各参数的实时同步监测；

S4，利用温度传感器、盐度传感器和水位传感器分别测出滨海湿地的实时温度、盐度、水位，通过无线数据发射终端，将数据上传至云服务器；

S5，根据流体密度、流体粘度与孔隙水物理特性的数学关系，结合装置实测数据，通过溶质运移的控制方程、热传输的控制方程，分析研究滨海湿地水热盐耦合运移规律。

进一步的，所述步骤S5中的数学关系和控制方程表达式分别为：

(1)流体密度与温度和盐度有以下关系：ρ

式中：ρ

(2)孔隙水的粘度与温度的关系：

(3)非承压含水层中的孔隙水流动有如下关系：

式中：S

(4)溶质运移的控制方程为：

式中：D

(5)热传输的控制方程为：

式中：c

进一步的，所述步骤S5包括：

将预先获取的温度、盐度数据，输入步骤(1)中公式，获取流体密度第一数据；

根据温度数据，输入步骤(2)中公式，获取孔隙水粘度第二数据；

将预先获取的水位数据，结合流体密度第一数据、孔隙水粘度第二数据，输入步骤(3)中公式，获取研究区孔隙水流场第三数据；

根据第三数据，输入步骤(4)中公式，获取研究区盐分分布第四数据；

根据第三数据，输入步骤(5)中公式，获取研究区温度分布第五数据；

根据孔隙水流场第三数据、盐分分布第四数据和温度分布第五数据，得到滨海湿地水热盐耦合运移规律为：温度和盐度影响孔隙水流动，孔隙水流动改变湿地盐分分布和温度分布。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明提供一种滨海湿地水热盐耦合过程的监测装置及方法，为滨海湿地中水流运动规律和温度、盐度分布影响滨海湿地水动力过程、热力学过程的机理研究提供了新的思路，具有很高的科研价值和应用场景；本发明具有操作方法简便、变换条件灵活、试验数据自动收集、数据可视化和可以满足不同滨海条件试验需要的优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种滨海湿地水热盐耦合过程的监测装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的装置数据采集、传输示意图；

图3是本发明实施例提供的实施方法的流程示意图；

图中：1、温度传感器；2、盐度传感器；3、水位传感器；4、监测探头；5、数据线；6、导线；7、多晶硅太阳能板；8、三元聚合物锂电池；9、主控板；10、太阳能供电系统；11、无线数据发射终端；12、三脚架平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例介绍一种滨海湿地水热盐耦合过程的监测装置，包括：监测探头4、太阳能供电系统10和无线数据发射终端11；其中，所述监测探头4由温度1、盐度2和水位传感器3组成，可以根据实际监测需求，通过快接接头串联成整体，所述监测探头4的外层设有柱状外壳，探头的各段连接处采用快接防水接头，避免发生渗水，起到了防止装置被海水腐蚀的作用；太阳能供电系统10由一块主控板9，若干数据线5，两块100W多晶硅太阳能板7，一块三元聚合物锂电池8组成，其中主控板9与太阳能板7连接，起到控制两块100W多晶硅太阳能板7高效发电的作用。基于MTTP算法，主控板9能实现在任何环境下，太阳能板7都能快速调整到光伏阵列的最大功率点的位置，显著提高太阳能系统能量利用率。太阳能供电系统10与监测探头4和无线数据发射终端11连接，为监测探头4和无线数据发射终端11供电。三元聚合物锂电池8通过导线6与主控板9连接，将富余的太阳能转换为电能后以化学能的方式储存，在没有太阳的情况下保证系统能够正常工作5-7天。无线数据发射终端11通过内部的数据采集、存储、传输模块，在监测过程中，将采集得到的温度、盐度、水位数据传递到监测区域内的滩点基站，再由滩点基站通过物联网上传至用户端和云端服务器，如图2所示，是本发明的试验装置数据采集、传输的示意图；

实施例2

如图3所示，本发明所提供的一种使用上述试验装置研究滨海湿地水热盐耦合过程的方法的流程示意图，包括以下步骤：

S1，在待监测的滨海湿地，依据监测需求钻取指定半径和深度的钻孔；

S2，在待测区域架设实验装置，其中在地表布置太阳能供电系统10和无线数据发射终端11，在钻孔中插入组装后的监测探头4；

S3，待监测探头布置完毕后，静放一段时间，待开挖钻孔内的水文要素恢复到与周边环境一致时，闭合装置电路，太阳能供电系统10通过电路给整个装置供电，监测探头4内置传感器同时运行，实现各参数的实时同步监测；

S4，利用温度传感器1、盐度传感器2和水位传感器3分别测出滨海湿地的实时温度、盐度、水位，通过无线数据发射终端11，将数据上传至云服务器，通过办公室电脑和手机实时访问数据库，实现数据可视化。

S5，根据流体密度、流体粘度与孔隙水物理特性的数学关系，结合装置实测数据，通过溶质运移的控制方程、热传输的控制方程，分析研究滨海湿地水热盐耦合运移规律，所述的数学关系和控制方程表达式分别为：

(1)流体密度与温度和盐度有以下关系：ρ

式中：ρ

(2)孔隙水的粘度与温度的关系：

(3)非承压含水层中的孔隙水流动有如下关系：

式中：S

(4)溶质运移的控制方程为：

式中：D

(5)热传输的控制方程为：

式中：c

所述步骤S5包括：

将预先获取的温度、盐度数据，输入步骤(1)中公式，获取流体密度第一数据；

根据温度数据，输入步骤(2)中公式，获取孔隙水粘度第二数据；

将预先获取的水位数据，结合流体密度第一数据、孔隙水粘度第二数据，输入步骤(3)中公式，获取研究区孔隙水流场第三数据；

根据第三数据，输入步骤(4)中公式，获取研究区盐分分布第四数据；

根据第三数据，输入步骤(5)中公式，获取研究区温度分布第五数据；

根据孔隙水流场第三数据、盐分分布第四数据和温度分布第五数据，得到滨海湿地水热盐耦合运移规律为：温度和盐度影响孔隙水流动，孔隙水流动改变湿地盐分分布和温度分布。

下面以研究九段沙湿地自然保护区的水热盐耦合过程为例，进一步介绍本发明的野外具体使用方法：

①在以滩点基站为圆心，100m为半径的圆形待监测区域中，钻取一个直径为10cm，深度为2m的圆柱形钻孔。

②在钻孔周边架设安装试验装置用的三脚架平台12，两块多晶硅太阳能板7安装在三脚架平台12的顶部，便于充分接受太阳光照；无线数据发射终端11和三元聚合物锂电池8安装在三脚架平台12的置物架上，并用抱箍等连接件进一步固定。

③根据研究九段沙湿地自然保护区内水热盐耦合过程研究的数据需要，确定主要的监测参数为地面以下2m内竖直方向上不同深度的地下水温度、盐度，以及地下水水位变化，故选取3个A级高精度，分辨率为0.05℃的温度传感器1，3个测量精度为1％FS盐度传感器2和1个外壳为316L密封为氟-硅橡胶，综合精度±0.1％FS(±5mm)的大平膜压力传感器3，将设置有传感器的各部分探头通过快接防水接头和柱状外壳连接成监测探头4主体，各传感器的数据线5由监测探头4顶部引出。

④将从监测探头4顶部引出的数据线5与无线数据发射终端11内置的采集、存储、传输模块连接。

⑤太阳能供电系统10利用多晶硅太阳能板7通过光伏效应将太阳能转换成电能，通过外部电路为监测探头4和无线数据发射终端11提供工作所需电能，并将富余的电能以化学能的形式储存在三元聚合物锂电池8中。

⑥将组装完整的监测探头4插入半径为10cm，深度为2m的圆柱形钻孔内，静放30min，待开挖圆柱形钻孔内的水文条件不再受人为因素扰动后，闭合试验装置电路，太阳能供电系统10同时为温度1、盐度2、水位传感器3和无线数据发射终端11供电，各内置传感器同时开始工作，实时同步开始数据的监测，将监测得到的数据，通过数据线传至无线数据发射终端11，并通过TF无线通讯，将采集到的数据发送给滩点基站，借由滩点基站上传用户端和云端服务器。

⑦通过办公室电脑和手机实时访问数据库，实现数据可视化，基于现场监测数据，结合相关的数学模型进行滨海湿地水热盐耦合运移规律的研究。

本发明中：所述研究滨海湿地水热盐耦合过程的装置中三脚架平台12设计，既出于装置安装布置需求，又使太阳能供电系统10和无线数据发射终端11远离地面，防止仪器损坏；所述的监测探头4组合长度、各传感器的相对位置，可以根据实际需要进行调整，根据试验具体要求进行选择；所述太阳能供电系统10，利用太阳能发电保证整个装置持续稳定运行；所述的无线数据发射终端11，在开始工作后，可通过滩点基站自动向用户端和云端服务器实时发送数据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。