CN102305813B - 一种土壤水盐运移过程的原位实时自动监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种土壤水盐运移过程的原位实时自动监测系统及方法，包括上位机、带有GPRS模块的采集发射装置和由可插拔尼龙模块及其之间的铜电极环构成的电阻率测量装置；每个铜电极环通过导线与采集发射装置内的中央控制单元连接。其监测方法包括选取样点；测定样点土样在不同盐度下的电阻率值而绘制盐度-电阻率曲线；上位机实时接收电阻率测量装置的信号，并根据预设的对应曲线判断水盐运移过程。本发明结构简单、使用方便，可以根据监测地点的具体情况进行组合以降低监测成本，结合无线传输技术通过上位机远程操控采集发射装置的以达到监测过程的远程、原位、实时、自动化，能够广泛应用于各种土壤条件，对于水盐运移过程的监测尤为适用。

Description

一种土壤水盐运移过程的原位实时自动监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种远程原位实时自动监测土壤盐渍化灾害的系统及方法，具体涉及一种土壤水盐运移过程的原位实时自动监测方法及系统，属于地质灾害预警领域。

背景技术

土壤盐渍化是指土壤底层或地下水的盐分随毛管水上升到地表，水分蒸发后，使盐分积累在表层土壤中的过程。发生土壤盐渍化后会造成土壤生态系统失衡，耕地资源退化，自然生态环境恶化，从而影响工农业生产以及人口素质和社会稳定。在盐渍化研究工作中，土壤水盐运移的过程和水盐运移的机理是研究的核心问题。

目前对于水盐运移的研究开展了很多工作，包括对土壤取样分析其水盐含量，水盐模型的建立及验证，TDR技术的研究与应用以及3S技术的运用来分析水盐分布等。取样分析方法虽然操作简单，但是其消耗时间和人力并且对取样地点具有一定的破坏性，建模方式能够简化研究过程，但其对具体条件的适用性较差。TDR使用方便、精度高、测定快速，但是由于其探头的限定，其只能测定某一处的水盐含量，未能动态监测土壤水盐的运移。3S技术可以分析出水盐分布，但其不能对水盐的动态运移进行监测，且需要完善的遥感数据。

因此一种能够原位自动准确监测土壤水盐运移的简便方法对于研究土壤水盐运移过程显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供了一种土壤水盐运移的原位实时自动监测系统及方法，以克服现有技术的不足。

本发明的技术构思是通过远程、原位、实时、自动地测量土壤一定范围内的电阻率值，根据电阻率的实时变动判断水盐的运移，从而实现水盐运移过程的原位自动监测。具体是铸造一定规格尺寸的可插拔的尼龙模块以及铜电极环，将其插接组成电阻率测量装置，测量装置的铜电极环与采集发射装置通过导线相连接，形成现场采集发射装置。现场采集发射装置实时采集土壤中垂向的电阻率，并将信号发射至远程接收分析装置。根据土壤水盐运移过程中电阻率的实时变化，经过软件分析可判断土壤中水盐的分布，从而原位实时自动监测土壤水盐运移过程。

一种土壤水盐运移过程的原位实时自动监测系统，包括带有信号接收器的上位机，其特征在于还包括底部和顶部分别设有锥头和采集发射装置的电阻率测量装置；所述的电阻率测量装置包括至少5个中空的可插拔的圆筒状尼龙模块和夹在相邻两个尼龙模块对接缝内的铜电极环；所述的采集发射装置包括通过导线与每个铜电极环连接的内含控制程序的中央控制单元，和与中央控制单元相连的带有发射天线的GPRS模块。

上述电阻率测量装置由5～201个中空的可插拔的尼龙模块和夹在相邻两个尼龙模块的对接缝内的铜电极环插接而成。

为了保证电极之间的间距一致，使测量位置与高程的换算更加方便，每个铜电极环的厚度相同，为0.5～1mm。

为了便于组装并有利于贯入，上述可插拔的尼龙模块可以套置在1根或2根承力轴上，承力轴表面可以带有螺纹，且管腔内浇筑有硫化橡胶，而使尼龙模块、铜电极环以及导线成为整体。

GPRS模块是在900MHz/1800MHz网络环境下的，天线为GSM天线。

所述的作为远程接收分析装置的上位机内含客户端服务程序。

一种利用上述监测系统对土壤水盐运移过程进行原位实时自动监测的方法，包括：(1)在土壤盐渍化易发地点选取样点，

其特征在于还包括以下步骤：

(2)对上述样点取土样，测定该土样在不同盐度下的电阻率值，绘制该样点土壤盐度及电阻率的对应曲线并得到土壤盐度与电阻率的关系式；

(3)将铜电极环与尼龙模块相互插接而构成电阻率测量装置；

(4)在样点处垂直贯入电阻率测量装置；

(5)通过上位机客户端服务程序设置采集参数，并启动原位实时自动监测；

(6)通过GPRS模块将电阻率信号实时传至上位机；

(7)上位机经信号接收器接收原位传输的实时电阻率信号，上位机的客户端服务程序将实时信号绘制成电阻率动态变化曲线，并根据预设的对应曲线判断水盐运移过程。

步骤1中，需要对盐渍化易发生地点进行盐渍化风险勘查评估；样点的地质条件，土壤类型，尤其是样点的土壤电学性质可作为制备电阻率测量装置的规格与数目的依据。

步骤2中，通过对样点的土样进行淋洗或加盐得到不同盐度的土样，分别对其电阻率进行测量，绘制盐度与电阻率的对应曲线并求得其相关的土壤盐度与电阻率的关系式作为判断此地水盐运移过程的标准。

步骤3中，将尼龙模块进行插接，每两个尼龙模块对接缝内夹一个铜电极环，每个铜电极环引出导线从尼龙模块组成的管内通过与中央控制单元连接，管内可以插有1或2根承力轴，再将管内浇注硫化橡胶，形成电阻率测量装置，在其下部插接锥头，在其上部插接采集发射装置形成现场采集发射装置。

上述尼龙模块的数量、高度与内外直径可分别在5～201个、5～100mm、20～60mm和30～70mm范围内选取；尼龙模块可以通过模具采用尼龙浇注的方法制作。上述铜电极环厚度为0.5～1mm；外径31～71mm，需略大于尼龙模块的外径以便使铜电极环露出；内径27～67mm，需大于尼龙模块的内径从而可以夹在两个尼龙模块对接缝内。

步骤4中，根据步骤1中调查的样点情况垂直贯入相应数量的电阻率测量装置，其中贯入方式为液压贯入。

步骤5中，采集参数包括采集频率和铜电极环测量的起始位置，启动原位实时自动监测之后，电阻率测量装置开始实时连续测量土壤电阻率。

步骤7中，上位机将每个样点每轮采集的实时电阻率信号根据深度(即不同深度的铜电极环)绘制成电阻率曲线，将每个样点各轮电阻率曲线叠加到同一个电阻率曲线图中，可以动态分析不同深度处的土壤随着水盐运移的发生其电阻率的实时变化，再根据步骤2中绘制的盐度与电阻率的对应曲线和相关的土壤盐度与电阻率的关系式判断各处的土壤含盐率，从而原位实时监测土壤的水盐运移。

本发明可以根据样点的具体情况设置尼龙模块与铜电极环的规格与数目来改变电阻率测量装置的长度，从而降低监测成本。通过上位机远程设置监测起始时间、位置和监测时间间隔实现了监测过程的自动化。采集发射装置将电阻率测量装置测量的原位电阻率信号实时变化传输至客户端，实现远程原位监测。本发明通过土壤电阻率的实时变化曲线直观监测土壤水盐运移动态过程具有直观性和实时性，且土壤水盐含量与土壤电阻率具有良好相关关系，因而监测结果具有准确性，因此本发明对于水盐运移过程的监测尤为适用。

附图说明

图1本发明的电阻率测量装置与采集发射装置的结构示意图。

图2本发明的监测系统的总体结构示意图。

图3本发明的两个尼龙模块及其之间的铜电极环的分解结构示意图。

图4本发明的尼龙模块的俯视图(图中含有承力轴)。

图5本发明的数据采集过程流程图。

图6本发明的数据接收程序流程图。

图7东营海滨一处样点的土壤盐度及电阻率对应曲线。

图8本发明对图7样点的水盐运移实时变化监测曲线。

其中，1.锥头，2.铜电极环，3.尼龙模块，4.导线，5中央控制单元，6.GPRS模块，7.发射天线，8.承力轴，9.电阻率测量装置，10.采集发射装置，11.信号接收器，12.上位机。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的监测系统包括带有信号接收器11的上位机12，和底部与顶部分别设有锥头1和采集发射装置10的电阻率测量装置9；所述的电阻率测量装置9包括至少5个中空的可插拔的圆筒状尼龙模块3和夹在相邻两个尼龙模块3对接缝内的铜电极环2；所述的采集发射装置10包括通过导线4与每个铜电极环2连接的内含控制程序的中央控制单元5，和与中央控制单元5相连的带有发射天线7的GPRS模块6。

上述电阻率测量装置9由5～201个中空的可插拔的尼龙模块3和夹在相邻两个尼龙模块3的对接缝内的铜电极环2插接而成，如图3所示。尼龙模块的高度与内外直径可分别在5～100mm、20～60mm和30～70mm范围内选取；尼龙模块3可以通过模具采用尼龙浇注的方法制作。

为了保证电极之间的间距一致，使测量位置与高程的换算更加方便，每个铜电极环2的厚度相同，为0.5～1mm；外径31～71mm，需略大于尼龙模块3的外径以便使铜电极环2露出；内径27～67mm，需大于尼龙模块3的内径从而可以夹在两个尼龙模块对接缝内。

为了便于组装并有利于贯入，如图4所示，上述可插拔的尼龙模块3可以套置在1根或2根承力轴8上，承力轴8表面可以带有螺纹，且管腔内浇筑有硫化橡胶，而使尼龙模块3、铜电极环2以及导线4成为整体。

GPRS模块6是在900MHz/1800MHz网络环境下的，发射天线7为GSM天线。

所述的作为远程接收分析装置的上位机12内含客户端服务程序。

利用上述监测系统对土壤水盐运移过程进行原位实时自动监测的方法，包括以下步骤：(1)对盐渍化易发生地点进行盐渍化风险勘查评估，选取样点；根据样点的地质条件，土壤类型，尤其是样点的土壤电学性质，确定电阻率测量装置9的规格与数目。

(2)通过对样点的土样进行淋洗或加盐得到不同盐度的土样，分别对其电阻率进行测量，绘制盐度与电阻率的对应曲线并求得其相关的土壤盐度与电阻率的关系式作为判断此地水盐运移过程的标准。

(3)将铜电极环2与尼龙模块3相互插接而构成电阻率测量装置9；步骤3中，将尼龙模块3进行插接，每两个尼龙模块3对接缝内夹一个铜电极环2，每个铜电极环2引出导线4从尼龙模块3组成的管内通过与中央控制单元5连接，管内可以插有1或2根承力轴8，再将管内浇注硫化橡胶，形成电阻率测量装置9，在其下部插接锥头1，在其上部插接采集发射装置10形成现场采集发射装置。

(4)根据步骤1中调查的样点情况垂直贯入相应数量的电阻率测量装置9，其中贯入方式为液压贯入。

(5)通过上位机客户端服务程序设置包括采集频率和铜电极环2测量的起始位置的采集参数，并启动原位实时自动监测，之后电阻率测量装置9开始实时连续测量土壤电阻率。

(6)通过GPRS模块6将电阻率信号实时传至上位机；

(7)上位机12经信号接收器11接收原位传输的实时电阻率信号，将每个样点每轮采集的实时电阻率信号根据深度(即不同深度的电极环)绘制成电阻率曲线，将每个样点各轮电阻率曲线叠加到同一个电阻率曲线图中，可以动态分析不同深度处的土壤随着水盐运移的发生其电阻率的实时变化，再根据步骤2中绘制的盐度与电阻率的对应曲线和关系式判断各处的土壤含盐率，从而原位实时监测土壤的水盐运移。

根据图1电阻率测量装置9测量电阻率的原理如下：

一组Wenner装置由相邻的四个电极组成，分别称为A、M、N、B极，其中A、B为供电电极，M、N为测量电极，测量M、N电极之间的介质导电性，计算电阻率ρ如公式(1)、(2)所示。当一组Wenner装置采集完毕后，向上依次滚动测量。

$\mathrm{\ρ}=K\·\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{MN}}}{I}---\left(1\right)$

$K=\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{AM}\·\mathrm{AN}}{\mathrm{MN}}---\left(2\right)$

式中，K为装置系数，ΔU_MN为测量电极间的电压，I为供电电极间的电流强度，ρ为介质的视电阻率值，AM、AN、MN分别为对应电极间的距离。

中央控制单元5的数据采集过程如图5所示，首先由上位机12通过初始化端口设置采集初始参数，设定起始时间，起始位置等，将数据采集模块以及发射模块初始化，当到达起始时间后，电阻率测量装置9从起始位置开始测量，测量过程不断切换电极，依次向上连续循环采集。测量到的实时数据通过采集发射装置10传输至上位机12；当到达测量结束时间时测量停止。

接收器11工作流程如图6所示，其与上位机12间采用RS232接口连接，接收的数据传入上位机12进行储存，然后采用上位机12客户端服务程序将垂向的电阻率值绘制成电阻率曲线予以显示，根据已建立的盐度与电阻率的对应曲线以及相关关系式判断不同位置的盐分实时分布状况，从而监测水盐运移。

实施例：选取东营海滨为样点，首先对盐渍化易发地点进行风险勘查评估并选取样点，测量样点不同盐度下的电阻率并建立盐度与电阻率对应曲线及相关系式：y＝0.565x^-1.06，R²＝0.952如图7所示。根据样点的地质条件(地下水埋深约1m)，设计电阻率测量装置9长度为1m。制备外径为50mm，内径为40mm，高度为10mm的圆环柱形的模具，采用尼龙浇筑形成尼龙模块3，锻造外径为51mm，内径47mm，厚度为0.5mm的铜电极环2。选择101个尼龙模块3插接组成探杆，100个铜电极环2均匀安装在尼龙模块3之间，采用硫化橡胶密封，电阻率测量装置9上部安装采集发射装置10与铜电极环2通过导线4联接，将电阻率测量装置9垂直贯入土壤中，埋深为0.9m，设置监测开始时间为10min后，监测起始位置为电阻率采集装置9底部第一个铜电极环2，每两轮监测时间间隔为1min，启动监测服务。监测开始后，从电阻率测量装置9底部第一个铜电极环2依次向上测量土壤电阻率，并将测量存储的数据通过采集发射装置10实时传输至远程接收分析装置。

实验中，用蒸馏水对土壤进行淋洗以动态地降低盐分，远程接收分析装置的客户服务程序将实时电阻率绘制成对电阻率动态曲线如图8，可以明显的监测到土壤中盐峰的产生、下移且逐渐消失的过程，在淋洗结束后土壤盐分重新分布，含盐量含盐量由上到下逐渐增大。此时由土壤表层的第90个铜电极环向下，每十个铜电极环为一组平均这一段的电阻率值，其读数也呈现此趋势。(见表1)通过化学方法进行全盐量的测定，并将结果与监测数据进行比对，可以发现由监测数据推算出的全盐量与土壤实际全盐量呈现良好的相关性，相关系数为0.981，说明监测数据的准确性。

表1土柱各层电阻率与全盐量的比对表

Claims (9)

1.一种土壤水盐运移过程的原位实时自动监测系统，包括带有信号接收器(11)的上位机(12)，以及底部和顶部分别设有锥头(1)和采集发射装置(10)的电阻率测量装置(9)；其特征在于所述的电阻率测量装置(9)包括至少5个中空的可插拔的圆筒状尼龙模块(3)和夹在相邻两个尼龙模块(3)对接缝内的铜电极环(2)；所述的采集发射装置(10)包括通过导线(4)与每个铜电极环(2)连接的内含控制程序的中央控制单元(5)，和与中央控制单元(5)相连的带有发射天线(7)的GPRS模块(6)。

2.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于上述电阻率测量装置(9)由5～201个中空的可插拔的尼龙模块(3)和夹在相邻两个尼龙模块(3)的对接缝内的铜电极环(2)插接而成。

3.如权利要求1或2所述的监测系统，其特征在于上述尼龙模块的高度与内外直径分别在5～100mm、20～60mm和30～70mm范围内。

4.如权利要求1或2所述的监测系统，其特征在于上述铜电极环厚度为0.5～1mm，外径为31～71mm，内径为27～67mm。

5.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于上述可插拔的尼龙模块(3)套置在1根或2根承力轴(8)上，且尼龙模块(3)套成的管腔内浇筑有硫化橡胶，而使尼龙模块(3)、铜环电极(2)以及导线(4)成为整体。

6.一种利用权利要求1所述监测系统对土壤水盐运移过程进行原位实时自动监测的方法，包括：(1)在土壤盐渍化易发地点选取样点，

其特征在于还包括以下步骤：

(2)对上述样点取土样，测定该土样在不同盐度下的电阻率值，绘制该样点土壤盐度及电阻率的对应曲线及相关关系式；

(3)将铜电极环与尼龙模块相互插接而构成电阻率测量装置；

(4)在样点处垂直贯入电阻率测量装置；

(5)通过上位机客户端服务程序设置采集参数，并启动原位实时自动监测；

(6)通过GPRS模块将电阻率信号实时传至上位机；

(7)上位机经信号接收器接收原位传输的实时电阻率信号，上位机的客户端服务程序将实时信号绘制成电阻率动态变化曲线，并根据预设的对应曲线判断水盐运移过程。

7.如权利要求6所述的监测方法，其特征在于上述步骤2中，通过对样点的土样进行淋洗或加盐得到不同盐度的土样，分别对其电阻率进行测量，绘制盐度与电阻率的对应曲线及相关关系式作为判断此地水盐运移过程的标准。

8.如权利要求6所述的监测方法，其特征在于上述步骤5中，设置的采集参数包括采集频率和电极环测量的起始位置。

9.如权利要求6所述的监测方法，其特征在于上述步骤7中，上位机首先将每个样点每轮采集的实时电阻率信号根据深度绘制成电阻率曲线，再将每个样点各轮电阻率曲线叠加到同一个电阻率曲线图中，并动态分析不同深度处的土壤随着水盐运移的发生其电阻率的实时变化，然后根据步骤2中绘制的盐度与电阻率的对应曲线和关系式判断各处的土壤含盐率，从而原位实时监测土壤的水盐运移。

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