CN101241120B - 农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置，属于环境科学、土壤学和植物营养学研究领域。本发明装置包含径流池，淋溶盘，出水管，采样瓶，和径流收集管；淋溶盘水平安装于径流池竖直土壤剖面的目标深度，采样瓶通过出水管和淋溶盘的出水口相连，收集淋溶液；径流收集管为一“上”字形四通管，含有一个出水口和三个可以封闭的进水口，三个进水口的高度不同；每个径流池与至少一个径流收集管的出水口连通。本发明装置特别适用于监测氮、磷、农药等土壤溶质的淋溶对地下水的影响，特别是在实现原位监测的条件下，可以同时同地监测土壤淋溶和径流状况，提高了准确度，且采样过程简单快捷。

Description

农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置

技术领域

本发明涉及一种农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置，属于环境科学、土壤学和植物营养学研究领域。该装置特别适用于监测氮、磷、农药等土壤溶质的淋溶对地下水的影响，特别是在实现原位监测的条件下，可以同时同地监测土壤淋溶和径流状况，提高了准确度，且采样过程简单快捷。

背景技术

水土流失、面源污染、农林地养分流失、污染物和养分的壤中迁移是目前我国生态、环境、农林业所面临的严峻问题，而径流和淋溶是这些过程的引发者和主要载体。土壤中氮素淋失对地下水的污染不但是重要的农业问题，而且是威胁到人类健康和生存的重要问题。有研究表明，全世界施入土壤中的肥料约有30％～50％经土壤淋失而进入地下水(毕经伟，张佳宝，陈效民，等：“农田土壤中土壤水渗漏与硝态氮淋失的模拟研究”，《灌溉排水学报》，2003，22[6])。一般认为，土壤中的磷淋溶损失量极少，主要流失途径是地表径流和土壤侵蚀。近年来，许多学者报道出农田土壤磷素以淋溶形式损失的量与以地表径流和土壤侵蚀形式损失的量相当或更大(吕家珑，Fortune S，Brookes PC：“土壤磷淋溶状况及其Olsen磷‘突变点’研究”，《农业环境科学学报》，2003，22[2])。根据联合过粮农组织的估计，太湖地区农田磷流失量中，渗漏量占31％。因此，作为富营养化的关键养分因素，磷元素的淋失问题越来越被关注。农药残留问题已成为一个世界性问题。农药不仅残留在表层土壤中，还会淋溶到地下水中。即使非常小的一部分(所施用农药)淋溶脂地下水，都可能对地下水的安全构成威胁(唐浩，李振红：“对地下水域农药转化定量方法的评价”，《世界农药》，2002，24[5])。为了保护水资源和水生生态系统，世界各国都在寻求新的途径和方法，以监测、治理和解决环境问题。

目前对于径流和淋溶的监测大多分别进行的，未能同时对同一地块类型进行同一的全面的监测，一般采用的方法包括：径流，1)流量计法；2)量水堰法；3)全集流法等。淋溶，1)室内土著模拟法；2)渗漏池法；3)田间土柱法；4)陶土吸力杯法等。以上方法只是分别测定地表径流或土壤淋溶，不能形成可靠的对比性和连续性。因此，在目前国内外还没有确立土壤淋溶径流相结合的监测标准方法的情况下，研究一种相对精确、简便、经济的农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置将在土壤环境研究领域有广阔的发展前景。

发明内容

本发明目的在于提供一种可以同时原位监测田间土壤淋溶和径流的装置，且适于水旱轮作制度地区的监测。

该装置包括：径流池，淋溶盘，出水管，采样瓶，和径流收集管；

径流池包含至少一个竖直的土壤剖面，该土壤剖面上含有水平方向的与淋溶盘外形相适应但深度大于淋溶盘长度的洞穴；

淋溶盘为一不透水容器，上部开口，用于收集淋溶液；淋溶盘下部设有出水口；淋溶盘可以具有规则的几何结构，比如是规则的无顶扁平长方体(无顶盒子)，可将出水口设置于盘底长边的中间位置；出水口通过螺母水嘴与出水管相连；淋溶盘位于上述土壤剖面的洞穴内；

出水管为一不透水的双通导水管，一端连接淋溶盘的出水口，另一端连接采样瓶的进水口，淋溶盘中的淋溶液能自动通过出水管流入采样瓶；出水管上还可以配有夹子，这个夹子能够将出水管夹住，停止淋溶液流向采样瓶，方便取用或更换采样瓶。

采样瓶为一不透水容器，上设进水口，用于收集来自淋溶盘的淋溶液；

径流收集管为一“上”字形四通管，含有一个出水口和三个可以封闭的进水口，所述三个进水口的高度不同；每个径流池与至少一个所述径流收集管的出水口连通。

本发明农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置的淋溶盘部分设计特点是：淋溶盘形状为规则的无顶扁平长方体，由PVC压缩板焊接而成。淋溶盘盘底一长边的中间位置含有一个出水口、一个带有双层防松螺母的PVC螺口水嘴和一个出水管。出水口镶嵌在盘底，并带有内螺纹，用于连接PVC螺口水嘴。出水口以高度安装PVC水嘴后，水嘴的内壁最低点低于盘底平面为宜，以便于淋溶液顺畅流入集液管，不残留存液。PVC螺口水嘴为L形或直形，两端均带有螺口，其中一端与淋溶盘出水口相连，另一端连接带配套的双层防松螺母。淋溶盘通过防松螺母与出水管相连，出水管的外径与防松螺母内径配套，拧紧螺母后可确保出水管与淋溶盘连接紧密。淋溶盘通过出水管穿过径流池墙体同采样瓶相连，在不用时出水管用夹子夹住。淋溶盘还含有滤布和砂滤层，第一层滤布设在出水口处，第二层滤布设在盘口，两层滤布之间设置石英砂，石英砂的厚度为距淋溶盘盘口3mm左右为宜。

本发明农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置的“上”字型四通管部分设计特点是：由两个三通管和五根直管组合成具有四个进排水口的四通管，进水口一的进水高度和田埂的排水高度一致，其管口一般在地平面以上6-10cm；进水口二的进水高度和地面高度一致；当田间有排水沟时，进水口三的进水高度与田间排水沟的排水高度一致，我国南方地区一般沟深为15cm左右。所谓的进水高度指的是能使进水设备开始进水的最低水位高度(距离地面)，排水高度指的是能使排水设备开始排水的最低水位高度(距离地面)。在具体使用时应当根据具体情况调节各进水口的高度使之满足使用需要。此四通管的创新点是适应于水旱轮作地区的原位监测，而无需改变装置。

本发明农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置的径流池部分设计特点是：在墙壁上刻划记录线，用于直接记录读取径流量，准确度根据具体需要而定。容积大于当地最大一次径流量而定。

本发明农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置的抽排池部分设计特点是：位于径流池最外侧，一般较径流池深20cm左右，地面以上高度与径流池高度相同。抽排池宽度与径流池相同，长度可短于径流池，具体尺寸可根据实际情况而定。

本发明农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置各接口均用PVC胶水或其他防水胶密封固定，以防漏水、漏气。

附图说明

图1.本发明实施例装置示意图；

图2.为平原地区淋溶径流收集示意图；

图3.为山地丘陵地区淋溶径流收集示意图；

图4.径流收集管示意图

其中：

1-淋溶盘；2-出水管；3-采样瓶；4-防渗塑料布；5-墙体；6-台阶；

7-防水盖子；8-出水口；9-进水口三；10-进水口二；11-进水口一；12-盖子；

A.径流收集管；B.径流池；C.小区；D.抽排池

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置进行详细说明。

1、径流池建设

1.1径流池

1.1.1径流池数量与排列：不论平原区还是山地丘陵区，每个小区均对应一个径流池，用来收集小区径流水(图2、图3)。为迅速排空径流池内的积水，便于清洗径流池，平原区或山地丘陵区稻田、坝地可在径流池最外侧加做一个抽排池(图2)。山地丘陵区坡耕地则无需抽排池，直接利用排水凹槽排水。

1.1.2径流池容积：以能够容纳当地单场最大暴雨所产生的径流量来确定径流池的大小。根据径流小区的面积、单场暴雨量及其产流量来确定径流池的大小。如小区面积30m²，单场最大暴雨以80mm、产流量按50mm计(根据各地的产流系数确定)，池容积为30×50÷1000＝1.5m³。径流池的长、宽、深可根据实际情况而定，一般地表以下池深为100～120cm，地表以上高度为20cm。径流池长度为小区长度的一半，宽度一般为80～120cm。

1.1.3径流池结构：径流池壁为砖、水泥墙体，池底用混凝土浇筑而成；池壁为单砖或双砖结构，用水泥粉砌砖墙的内、外壁，粉砌厚度为1.5cm。粉刷过程中必须做好防渗处理，务必确保各个径流池规格完全相同，不漏水、不渗水。

1.1.4排水凹型槽：用混凝土浇筑径流池底时，沿径流池串联方向，在紧贴墙壁一侧做一条10cm宽、10cm深的凹型槽，在两个径流池之间的池壁对应位置，埋设直径为5cmPVC管，连通到抽排池。此凹型槽用来排空每一个径流池的积水。正常情况下，PVC管两侧用盖旋紧；排水时拧开，使各个径流池的积水排至抽排池，然后用抽水机排水。

1.1.5标杆尺：为方便、准确计量径流水量，应配备一个标杆尺(最小刻度为mm)，或者在一根PVC管(确保垂直、不打弯)上绑缚一个钢卷尺，或在径流池壁上标记刻划尺度。径流池底部面积与径流水高度的乘积，再加上凹型槽部分的体积，即为径流水量。根据径流量、径流液中的氮、磷、农药的浓度，即可算出流失的氮、磷和农药量。

1.1.6径流池盖：径流池表面应铺设硬质、防雨遮盖设施，既可防止雨水、灰尘落入，也防止人和动物不慎跌落。例如使用石棉水泥盖板，防止雨水及杂物进入径流池。

1.2径流收集管

径流收集管是本发明的主要部分，其安装位置的恰当与否直接关系到地表径流监测试验的成败。一般来讲，径流收集管安装在监测小区与径流池相连一边、靠近小区中间的位置(如图2、图3)。任何类型监测试验中，各个小区的径流收集管高度必须保持一致。

1.2.1水旱轮作监测试验：径流收集管可由直径为5cm的PVC管和两个三通管连接而成(图4)。三个排水口均带盖子。自上而下的三个排水口分别用于收集水稻灌水期、晒田期(或休闲期)和旱作生长期(如小麦、油菜等)产生的径流水。在某一时期，只用其中一个排水口，其余两个排水口务必用盖子旋紧。

1.2.2水田监测试验：对于单季稻、双季稻等全年只种水稻的地块，只需将上述径流收集管的进水口三封闭即可，进水口一和进水口二分别用于水稻生长期、晒田期(或休闲期)。在某一时期，只用其中一个进水口，另一个进水口务必用盖子旋紧。

1.2.3旱地平原与坡耕地监测试验：对于没有田间排水沟的旱地平原区和山地丘陵区来讲，只需将上述径流收集管的进水口一和进水口三封闭即可，保证进水口二的底壁内表面与地平面高度相同；对于田间有排水沟的地块，只需将进水口一和进水口二封闭，保证进水口三底壁内表面应与沟底相平。我国南方田间一般挖有宽10cm、深15cm左右的排水沟，则径流收集管底壁内表面应在地表之下15cm处。

1.3抽排池

抽排池位于径流池最外侧，一般较径流池深20cm左右，在地表以下120～150cm，地面以上高度与径流池高度相同，为20cm。抽排池宽度与径流池相同，长度可短于径流池，具体尺寸可根据实际情况而定。

2、淋溶装置建设

淋溶装置按照下述步骤建设：

(1)选择大田的中央位置，在地表划出用于安装淋溶盘的土壤剖面的水平占地范围，并开挖沟槽。挖掘一个长150cm、宽100m、深150m的土壤剖面，在每个剖面的两端安装两套淋溶盘。在挖掘过程中要保证土壤剖面整齐不塌方，挖出的土壤分层(0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm......)堆放，以便能分层回填。

(2)在监测小区一面的纵剖面距地表95cm深处(确保淋溶盘上表面在地面下90cm深处)朝被监测土壤的水平方向挖深50cm，宽55cm左右的方形洞，并力使洞的上表面平整。

(3)将PVC螺口水嘴分别与淋溶盘出水口和出水管连接紧密，然后在淋溶盘内出水口处覆两层100目尼龙纱网，并将尼龙纱网用硅胶或其他防水胶稍加固定后，再向盘内装满用清水洗净的粗砂，装粗砂量以距淋溶盘盘口2～3mm为宜，最后在粗砂表层覆盖一层100目尼龙纱网，并用取自90cm深处的土壤调制的粗泥浆铺在纱网上，将PVC盘放入挖好的水平方洞中使泥浆尽量与洞的上平面紧密接触，以模拟原土壤基质势，最后将洞口回填压实，在洞口处，布置防侧渗塑料布。

(4)在水平洞口用粗厚泥浆封严洞口，只将连在淋溶盘的出水管露出，出水管穿过上述径流池墙体，以备和采样瓶相连。在分层填土时，应逐层回填压实，并多次灌溉使土壤尽量恢复原状。

Claims (10)

1.一种农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置，其特征在于，包含：径流池，淋溶盘，出水管，采样瓶，和径流收集管；

径流池包含至少一个竖直的土壤剖面，该土壤剖面上含有水平方向的与淋溶盘外形相适应但深度大于淋溶盘长度的洞穴；

淋溶盘为一不透水容器，上部开口，用于收集淋溶液；淋溶盘下部设有出水口；淋溶盘位于上述土壤剖面的洞穴内；

出水管为一不透水的双通导水管，一端连接淋溶盘的出水口，另一端连接采样瓶的进水口，淋溶盘中的淋溶液能自动通过出水管流入采样瓶；

采样瓶为一不透水容器，上设进水口，用于收集来自淋溶盘的淋溶液；

径流收集管为一“上”字形四通管，含有一个出水口和三个可以封闭的进水口，所述三个进水口的高度不同；每个径流池与至少一个所述径流收集管的出水口连通。

2.如权利要求1所述的农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置，其特征在于，所述的淋溶盘下部出水口上方设有过滤层，所述过滤层自下而上分别是滤布层，石英砂层和滤布层。

3.如权利要求1所述的一种农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置，其特征在于，所述的淋溶盘的出水口位于淋溶盘的最低处。

4.如权利要求1所述的农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置，其特征在于，所述的出水管配有夹子，所述的夹子能够将出水管夹住，停止淋溶液流向采样瓶。

5.如权利要求1所述的农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置，其特征在于，所述的径流收集管的三个进水口中的进水口一的进水高度和田埂的排水高度一致；进水口二的进水高度和地面高度一致；进水口三的进水高度与田间排水沟的排水高度一致。

6.如权利要求1所述的农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置，其特征在于径流池底部设有排水凹槽，该排水凹槽连通径流池外部。

7.如权利要求6所述的农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置，其特征在于所述径流池为多个，各个径流池中的排水凹槽互相连接。

8.如权利要求1所述的农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置，其特征在于所述径流池含有水面高度刻度线。

9.如权利要求6所述的农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置，其特征在于还包含至少一个抽排池，和所述排水凹槽的出水口相连接，用于收纳所述径流池排出的径流液。

10.如权利要求1所述的农田地下淋溶和地表径流原位监测一体化装置，其特征在于，该装置的各个环节均采用防水、防漏材料，各个连接环节均采用防水胶粘结。

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