CN102483342B - 一种确定地面标高的方法和土壤湿度感测器 - Google Patents

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Abstract

一种确定经受漫灌、沟灌或地面灌溉的区域的地面标高的方法，包括提供位于地面标高以下但在所述区域内的至少一个测量杯以及提供在所述至少一个测量杯内或与所述至少一个测量杯成一体的水位感测器的步骤。利用由水位感测器提供的水位通过确定当灌溉水的水前锋经过水位感测器时监测的水位的迅速升高之间的拐点来计算地面标高。本发明的另一方面提供一种土壤湿度感测器，所述感测器包括能够以对土壤最小的干扰插入土地的螺旋钻，所述螺旋钻具有用来测量土壤湿度的装置。

Description

一种确定地面标高的方法和土壤湿度感测器
技术领域
本发明涉及一种确定在经受漫灌(flood irrigation)、沟灌(furrow irrigation)或地面灌溉(surface irrigation)的区域的某一位置的地面标高的方法，尤其但并非只涉及确定地面以上的水的高度和水的体积的方法。所述方法也确定了地面灌溉的水的前锋何时到达所述位置。
背景技术
漫灌、沟灌或地面灌溉是一种使大量的水从限定的地面经过以达到期望的土壤入渗的方法。现代激光分级技术(laser-grading techniques)已经能够限定大的区域(即坡田(bay))和精确地确定这些大的区域的坡度，因此能够实现效率的提高。此外，水向坡田的大量流入导致了对许多土壤类型的供水效率的提高。大多数坡田呈矩形且被平整成一致的坡度。
利用漫灌或地面灌溉如下地将适量的水供给被灌溉的农作物是一种挑战：
1.在整个坡田的每一处，入渗深度与农作物所需的入渗深度一致。
2.无过度的浇灌，使得没有多余的水从坡田尾端排出，并且无不足的浇灌，使得水不到达坡田的尾端——停止水流入坡田的精确时刻。
这种挑战的困难之处在于：
a.土壤的入渗率未知，因此，尽管施加的水的体积(通过将施水时间与测量的水流速度相乘)已知，但是已入渗的体积未知，所以必须测量地面以上的水的剩余的体积。尽管坡田每处的入渗率可能是一致的，但是会随不同的灌溉而不同。
b.要确定地面上水的体积，必须测量地面上水的高度并乘以覆盖面积。测量高度的困难在于规定地面标高，或在其上测量高度的基准面。由于诸如农作物的密度和农作物对水流产生的阻力或已存在的土壤湿度的各种因素的缘故，水流的高度会随灌溉的不同而不同。
c.地面标高的传统测量不是简单或可靠的工序，因为需要详细的勘测以确定平均地面标高。由于土壤的局部不平的缘故，难于达到要求的准确度并且难于确定记录勘测的地面标高的测量结果的位置。为了减小这种误差，需要进行许多测量以获得平均地面标高。
发明目的
本发明的目的在于提供一种确定在经受漫灌或地面灌溉的区域的地面标高的方法，所述方法克服了这些问题并且允许对地面标高进行准确的测量。
本发明的又一目的在于能够计算进行期望的灌溉所需的水的体积。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种确定经受漫灌、沟灌或地面灌溉的区域的地面标高的方法，所述方法包括以下步骤：提供位于地面标高以下但在所述区域内的至少一个测量杯；提供在所述至少一个测量杯内或与所述至少一个测量杯成一体的水位感测器；监测由所述水位感测器提供的水位；以及通过确定当所述灌溉水的前锋经过所述水位感测器时所述监测的水位的迅速升高之间的拐点来计算所述地面标高。
本发明的另一方面提供了一种土壤湿度装置，所述土壤湿度装置包括能够以对土壤最小的干扰插入土地的螺旋钻以及在所述螺旋钻上以测量土壤湿度的装置。
本发明的又一方面提供了一种确定经受漫灌、沟灌或地面灌溉的区域的水的体积的方法，所述方法包括以下步骤：提供位于地面标高以下但在所述区域内的至少一个测量杯；提供在所述至少一个测量杯内或与所述至少一个测量杯成一体的水位感测器；监测由所述水位感测器提供的水位；以及通过确定当所述灌溉水的前锋经过所述水位感测器时所述监测的水位的迅速升高之间的拐点来计算所述地面标高；以及通过利用土地的计算的地面标高和在所述灌溉水的前锋经过后来自所述水位感测器的检测的水位之间的差来计算所述水的体积。
附图说明
在说明书中的并构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施方式，与文字描述一起用来解释本发明的优点和原理。附图中：
图1是在本发明的优选实施例中使用的测量杯和水位感测器的例子的截面图；
图2是与图1相似的图，表示经受漫灌的区域的水流以及就位的测量杯和水位感测器；
图3是图2中的水位感测器的水位测量结果随时间变化的图示；
图4是表示根据本发明的方法能够进行的计算的比图2更大的图；
图5是能够与图1中示出的测量杯成一体的螺旋钻的第一实施例的平面图；
图6是图5中示出的螺旋钻的侧视图；
图7是图5中示出的螺旋钻的顶透视图；
图8是能够与图1中示出的测量杯结合的螺旋钻的第二实施例；
图9是图8中示出的螺旋钻的侧视图；以及
图10是图8中示出的螺旋钻的顶透视图。
具体实施方式
以下对本发明详细的描述参照附图。尽管描述包括示范性实施例，其他实施例也是可能的，并且在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以对描述的实施例进行改变。尽可能地，相同的标号将用在全部的附图和以下的描述中，以指代相同和相似的部分。为了此说明书的目的，术语“包括”意思是“包括但不限于”，并且术语“包括”具有对应的意思。此外，此说明书对文件或现有技术的引用并不被视为承认在此的公开构成了澳大利亚公知的公共常识。
在附图的图1至图4中示出包括了本发明的特征的灌溉系统10。灌溉系统10具有坡田12，坡田12具有平整成具有坡度的地14。水16能够从敞口渠20流过闸或一些闸18。水沿着地14的坡度流，并且任何多余的水将由在坡田12的尾端的敞口渠22接收。原理在于提供足够的水以向正在生长农作物的地提供一致的入渗，而不造成不足或过量的水排进敞口渠22。可准确地测量进入闸或一些闸18的水的量，以确保不超出水配额。但是，难于确定是否发生浇灌不足或浇灌过度。本发明提供设置在地14中并低于地平面的测量杯24。测量杯24能够呈任何形状，例如圆柱形，并且具有杯底26和侧壁28。在图1中，侧壁28逐渐变窄以形成截锥形。位于测量杯24中的是能够持续检测通过该位置的水16的水位的水位感测器30。利用能够监控闸或一些闸18的操作的计算机控制的系统(未示出)持续监测水位。
本发明提供一种通过测量在测量杯24中的水的升高来确定地面标高42的方法。当水前锋34到达测量杯24时被灌水的测量杯24中的水位将迅速升高。一旦测量杯24被灌满，则局部效应消失，流动的水前锋34的运动控制水位的升高。在测量杯24被灌水时水位的迅速升高36与水前锋34流过时水位的较缓慢升高38之间的拐点40是测量杯24所在位置处的地14的地面标高42。图1也示出测量杯24在地中的深度可发生变化。图1示出典型的地平面14，但是地平面可以如14A和14B示出的那样更高。在14A和14B的高度，在随着水前锋通过而水流过水位感测器30之前，有更长的灌水时间。
类似地，水前锋的通过(尾水44)是向地面标高42的位置渐近的。这种尾水方法对于检查和校正根据水前锋方法确定的位置是有用的。
如在此描述的，需要用水前锋方法计算当水流过时水在地14上的高度32，以及需要用水前锋方法计算流过的稳定高度。一旦实现了稳定高度，就能够确定地上回到流入坡田12的位置水的体积。来自监测水位感测器30的输入使在灌水法则的局部速率之间的拐点40能够确定平均地面标高的测量点。一旦测得平均地面标高42为在感测器30的测量范围内的值，则通过从感测器测量值中减去地面标高测得值，就能够确定水在地14上的高度32。
这一方法不需要知道水位感测器30相对于平均地面标高的绝对高度，因为此时水位感测器30测量水的高度32和平均地面标高42，并且提供与水位感测器30的绝对位置无关的差异测量结果。如果测量杯24在平均地面标高以下，则测量杯24的安装深度不影响在平均地面标高以上的高度的测量。
当水位感测器30放置在某个位置(通常在沿着位于渠20和渠22之间的坡田12的中途)并且通常沿着坡田12的中线时，一旦达到了最大高度，就能够确定：
1.水前锋34到达感测器位置这一刻为止，施加给坡田12的水的体积。
2.水前锋34到达感测器位置这一刻为止，地面42上水的体积。
3.水前锋34到达感测器位置这一刻为止的入渗(上面的1与2之差)。
4.完成灌溉至坡田12尾端所需的入渗体积。
5.沿着坡田12水前锋34到达和向坡田12的流入应当停止的切断点46的推导。
6.水前锋34到达切断点46以及因此关闭闸或一些闸18并停止向坡田12的流入的时刻。
图4示出用来确定切断点46的参数。
这些参数如下：
a；从闸18到感测器30的距离
b；从闸18到切断点46的距离
c；从闸18到敞口渠22的距离
ta；水前锋34到达感测器30的时间
tb；水前锋34到达切断点46的时间
tc；水前锋34到达敞口渠22的时间
ds；地面14上水的高度
di；渗入坡田12的地的水的入渗深度
w；坡田的宽度(尽管可能有变化，但假设一致)
Q；流入坡田12的流速(尽管可能有变化，但假设一致)
Qw；单位宽度的流速(Qw＝Q/w)
Vw；楔体积(图2)——在水前锋34和达到完全高度48的位置之间的水的体积。(为了本例子、即完全高度48位于水前锋34处的目的，假设楔体积可忽略)
当水前锋34到达感测器30时；
1.单位宽度施加的水的总体积＝Qw×ta
2.单位宽度地面上的水的体积＝a×ds
3.单位宽度入渗体积＝a×di
因此；
d i = ( Q w × t a a ) - d s
在ta时刻，准确完成灌溉所需的(单位宽度的)水的剩余体积；
＝di×(c-a)
在tb时刻，准确完成灌溉所需的(单位宽度的)水的剩余体积；
＝di×(c-b)
＝在tb时刻在地面标高以上的(单位宽度的)水的体积
＝b×ds
因此；
b×ds＝di×(c-b)
b＝(di×c)/(ds+di)
假设水前锋以匀速移动；
＝a/ta＝b/tb
tb＝b/a×ta
或者，从水前锋到达感测器的时刻到需要停止向坡田的流入的时刻的时间；
＝tb-ta
＝(b/a×ta)-ta
以上描述的方法是用于在坡田12中使用一个感测器30。使用多个感测器(未示出)能够对水位和水前锋的行进速率进行更详细的测量。
图5至10示出本发明的另一个方面，即一体的土壤湿度感测器50。测量土壤湿度的能力能够确定对农作物进行灌溉或施加水的最佳时间。如前面参照图4论述的，土壤湿度感测器50能够用来测量和校正渗入坡田12的地的水的入渗深度di。
传统直接读取土壤湿度的装置垂直埋入土壤中。测量土壤湿度的技术是电容或时域反射器(TDR)。垂直埋入的土壤湿度感测器(电容或TDR)存在的问题是水顺着垂直埋入的感测器的侧壁(以及被干扰的土壤的区域)向下流的倾向。
图5至图7表示具有与中心管或柱52固定或成一体的外部螺旋54的中心管或柱52，形成了螺旋钻。在此实施例中，中心管或柱52的顶部56形成具有内部底(未示出)的测量杯24。作为替代方案，也可以独立地将测量杯24固定至中心管或柱52。
外部螺旋54可以包括配合的至少一对：
1.彼此面对的电容板；或
2.在螺旋边缘处固定至外部螺旋54的TDR探头。
这两种替代方案都可以具有多对或两对的组合。所述对可以利用交替或偏置的螺旋来安装配合的电容板或TDR探头的优点。优选的选择是使两个平行的板以180度分开。
所述螺旋钻的优势在于，与和土壤的垂直界面相比，水较弱倾向于沿着螺旋54的倾斜的表面向下流。
在图8至图10中，螺旋54具有间断部分或缺口58，使得土壤将在间断部分58的位置处粘结，防止水沿着土壤干扰的线向下流。每段或每部分的间断的螺旋将形成用于给定深度的限定的土壤湿度装置——这种土壤湿度装置对于理解土壤水分含量是有用的信息。通常，间断58具有任意需要的弧度。
本发明不限于参照附图描述的优选的实施例。测量杯24可被打孔，使得测量杯24可在完成灌溉时被缓慢清空。这将确保测量杯24将被清空，以用于下一次灌溉。
在不偏离本发明的范围的情况下可对本发明很好地进行进一步的优势发掘和改进。尽管已经以被设想为最实用和优选的实施例的方式表示和描述了本发明，但在本发明的范围和精神内可进行改变，这种改变不局限于此处公开的详述但是要与权利要求书的全范围一致，以致包含任何以及所有等效装置和设备。

Claims (15)

1.一种确定经受地面灌溉的区域的地面标高的方法，所述方法包括以下步骤：提供位于地面标高以下但在所述区域内的至少一个测量杯；提供在所述至少一个测量杯内或与所述至少一个测量杯成一体的水位感测器；监测由所述水位感测器提供的水位;以及通过确定当灌溉水的前锋经过所述水位感测器时监测的水位迅速升高的速率曲线的拐点来计算所述地面标高。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述地面灌溉是漫灌。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述地面灌溉是沟灌。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个测量杯向下朝向所述至少一个测量杯的杯底逐渐变窄。
5.如权利要求1所述的方法，其中在所述至少一个测量杯上流过的水的高度可根据在所述至少一个测量杯上流过的水的水位的监测的测量值与在所述拐点处的测量值之间的差来确定。
6.如权利要求4所述的方法，其中在所述至少一个测量杯上流过的水的高度可根据在所述至少一个测量杯上流过的水的水位的监测的测量值与在所述拐点处的测量值之间的差来确定。
7.如在前的任一项权利要求所述的方法，其中所述至少一个测量杯包括在其杯底上的能够使所述至少一个测量杯以对土壤最小的干扰插入土地的螺旋钻。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述螺旋钻包括测量土壤湿度的装置。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述螺旋钻的螺旋的任一侧包括能够对所述土壤湿度进行测量的电容板。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述螺旋钻的螺旋的边缘包括能够对所述土壤湿度进行测量的时域反射器探头。
11.如权利要求8所述的方法，其中对所述土壤湿度的测量是通过具有电容板的所述螺旋钻的螺旋的任一侧和/或具有时域反射器探头的所述螺旋钻的螺旋的边缘来进行的。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述螺旋包括间断部分。
13.一种确定经受地面灌溉的区域的水的体积的方法，所述方法包括以下步骤：提供位于地面标高以下但在所述区域内的至少一个测量杯；提供在所述至少一个测量杯内或与所述至少一个测量杯成一体的水位感测器；监测由所述水位感测器提供的水位；以及通过确定当灌溉水的前锋经过所述水位感测器时监测的水位迅速升高的速率曲线的拐点来计算所述地面标高;以及通过利用土地的计算的地面标高和在所述灌溉水的前锋经过后来自所述水位感测器的检测的水位之间的差来计算所述水的体积。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述地面灌溉是漫灌。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述地面灌溉是沟灌。
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