CN102818758A - 一种土壤侧渗量的自动测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种土壤侧渗量的自动测量系统和方法，系统包括：侧渗测量装置通过三通管接与渗滤液储管连接的渗滤液收集管，埋在土壤单侧不同土深的渗滤液收集管获取的土壤侧渗水通过三通管接流入渗滤液储管，由水位传感器将实时测得的渗滤液储管中渗滤液的水位测量值输出给数据采集处理装置；数据采集处理装置根据输入的水位测量值和水位与流量之间的函数关系实时计算出侧渗量，并记录实时计算出的侧渗量；太阳能供电装置将太阳能转换成电能并为侧渗测量装置和数据采集处理装置提供工作电源。本发明能够实时快速准确获得侧渗量测量结果，大大节省了人力和物力。

Description

一种土壤侧渗量的自动测量系统和方法

技术领域

本发明涉及农业水土工程学中土壤侧渗性能的评估技术，尤其涉及土壤渗漏量的自动测量系统和方法。

背景技术

农田土壤渗漏量或侧渗量的测量是农田水循环系统中的一个重要环节，它涉及到灌溉或降雨后土壤水分分布、化肥以及农药等污染物随水分迁移情况的监测等。研究这一测量过程对于减少农田排水和污染物排放、增加土壤入渗和养分截留以及农田污染防治等方面具有非常重要的意义。

现有的水量平衡法属于间接计算河道渗漏量的一种方法，具体实施包括：在试验田周边堵截水渠使该水渠两端封闭，根据水渠中水量变化、降雨量、蒸发量来计算农田土壤的侧渗量。

水量平衡法虽然简单直观，但测量精度比较低，其缺陷在于测量需要根据其他一些参数来估算，因而不能直接获得侧渗量数据，且增加了计算的误差，也因为测量时限的滞后导致不能实时获得侧渗量动态数据。

因此，需要对现有的水量平衡法加以改进，能够从根本上改变子现有方法自动测量功能少、不能实时测量的问题，且具有操作简单、运输移动便利、大大节省人力和物力以及实时准确获得侧渗量动态数据等优点，既适用于室内测试，也适用于野外测试，不受地形限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种土壤侧渗量的自动测量系统及方法，能够实时精确获得侧渗量动态数据。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种土壤侧渗量的自动测量系统，包括侧渗测量装置、数据采集处理装置以及太阳能供电装置，其中：

侧渗测量装置，包括渗滤液储管及其堵头、水位传感器以及通过三通管接与渗滤液储管连接的渗滤液收集管，埋在土壤单侧不同土深的渗滤液收集管获取的土壤侧渗水通过三通管接流入渗滤液储管，由水位传感器将实时测得的渗滤液储管中渗滤液的水位测量值输出给数据采集处理装置；

数据采集处理装置，用于根据输入的水位测量值和水位与流量之间的函数关系实时计算出侧渗量，并记录实时计算出的侧渗量；

太阳能供电装置，用于将太阳能转换成电能并储存起来，为侧渗测量装置和数据采集处理装置提供工作电源。

优选地，侧渗测量装置的所述水位传感器包括浮子和重锤，由一柔性管将该浮子和该重锤连接进入渗滤液收集管，该水位传感器的分辨率为0.8mm，读数频率范围设为25～35min/次；重锤行程管的内径范围为25mm±5mm。

优选地，将重锤置于一重锤行程管内，由柔性管将浮子和置有重锤的该重锤行程管连接进入渗滤液收集管。

优选地，侧渗测量还包括拉力传感器，其中：

浮子通过钢丝绳悬于该拉力传感器之下，该拉力传感器的两个拉力传递部分的两端分别固定在一起，用于调控浮子的行程，该拉力传感器的量程为1000mm±10mm，该拉力传感器的精度为0.1mm。

优选地，渗漏液收集管的长度根据侧渗水平距离设计，该渗漏液收集管的直径范围为100mm±10mm；该渗漏液收集管与土面接触的进水口段做成斜面打入土层内，且该渗漏液收集管与渗滤液储管的三通接口处用无纺布缠绕作为过滤层。

优选地，数据采集处理装置包括依次连接的采集控制模块、计算模块以及存储模块，其中：

采集控制模块，用于分时间段通过多路信号输入单元采集多路水位传感器信号，通过信号调理单元对采集的多路信号进行信号调理，通过信号转换单元将调理的多路信号转换为参与计算的水位数据，并将各时间段的水位数据保存在存储模块中；

计算模块，用于设定条件参数初值，根据设定的条件参数初值和各时间段的水位数据，按下列公式表达的水位测量值与流量之间的函数关系循环计算不同灌水量条件下的所述侧渗量，并将计算出的侧渗量数据保存在存储模块中；

$V_{\mathrm{tn}}=\underset{\mathrm{tn}=t1}{\overset{\mathrm{tn}=\mathrm{tm}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\πr}}^2(d_{\mathrm{tn}}-d_{t(n-1)})$

将开始收集土壤侧渗滤液的时间分为m个时间段，即有t₁，t₂，t₃...，t_m时刻，其中t_n时刻小于或等于t_m时刻；式中V_tn为t_n时刻对应的土壤侧渗量；

存储模块，用于通过条件参数存储单元保存计算模块在不同灌水量下设定的条件参数初值，通过采集数据存储单元保存采集控制模块采集处理的水位数据，通过结果数据存储单元保存计算模块计算的侧渗量数据。

优选地，数据采集处理装置还包括显示模块，用于显示各时间段的测量时间、多路水位数据以及适应不同侧渗速率情况下各时间段侧渗量数据。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种土壤侧渗量的自动测量方法，其特征在于，涉及侧渗测量装置和数据采集处理装置，该方法包括；

侧渗测量装置将实时采集的水位输出给数据采集处理装置；

数据采集处理装置根据输入的水位测量值和水位与流量之间的函数关系实时计算出侧渗量，并记录计算出的侧渗量。

优选地，侧渗测量装置将实时采集的水位输出给数据采集处理装置，具体包括：

通过埋在土壤单侧不同土深的渗滤液收集管获取土壤侧渗水，该土壤侧渗水通过三通管接流入渗滤液储管，通过水位传感器实时测得渗滤液储管中渗滤液的水位，并将测得的水位测量值输出给数据采集处理装置；水位传感器包括浮子和重锤，由一柔性管将该浮子和该重锤连接进入渗滤液收集管。

优选地，侧渗测量装置将实时采集的水位输出给数据采集处理装置，还具体包括：

将重锤置于一重锤行程管内，由该柔性管将浮子和置有重锤的该重锤行程管连接进入渗滤液收集管；该水位传感器的分辨率为0.8mm，读数频率范围设为25～35min/次；该重锤行程管的内径范围为25mm±5mm。

优选地，侧渗测量装置将实时采集的水位输出给数据采集处理装置，还具体包括：

将浮子通过钢丝绳悬于该拉力传感器之下，该拉力传感器的两个拉力传递部分的两端分别固定在一起，用于调控浮子的行程，该拉力传感器的量程为1000mm±10mm，该拉力传感器的精度为0.1mm。

优选地，数据采集处理装置根据输入的水位测量值和水位与流量之间的函数关系实时计算出侧渗量，并记录计算出的侧渗量，具体包括：数据采集处理装置

采集多路水位传感器信号，对采集的多路信号进行信号调理，将调理的多路信号转换为参与计算的水位数据，并将各时间段的水位数据保存；

设定条件参数初值，根据设定的条件参数初值和各时间段的水位数据，按下列公式表达的水位测量值与流量之间的函数关系循环计算不同灌水量条件下的侧渗量，并将计算出的侧渗量数据保存；

$V_{\mathrm{tn}}=\underset{\mathrm{tn}=t1}{\overset{\mathrm{tn}=\mathrm{tm}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\πr}}^2(d_{\mathrm{tn}}-d_{t(n-1)})$

将开始收集土壤侧渗滤液的时间分为m个时间段，即有t₁，t₂，t₃...，t_m时刻，其中t_n时刻小于或等于t_m时刻；式中V_tn为t_n时刻对应的土壤侧渗量。

优选地，该方法还包括：

数据采集处理装置显示各时间段的测量时间、多路水位数据，以及适应不同侧渗速率情况下各时间段侧渗量数据。

本发明的土壤侧渗量的自动测量系统通过数据获取装置在测量过程中获取渗漏量推进体积的同时记录具体时刻，通过数据智能处理系统处理获取的图像数据，输出给显示土壤侧渗量数值大小的显示器。本发明从根本上解决了现有方法功能少且不能实时自动测量的问题，能够实时快速准确获得测量结果，具有操作简单及移动便利等优点，大大节省了人力和物力。本发明对于农田产排污系数计算、土壤污染负荷估算、水文过程、作物水分利用、灌溉管理、水体污染防控等方面的研究领域，具有广泛的推广和应用价值。

附图说明

图1为本发明的土壤侧渗量的自动测量系统实施例结构框图；

图2a为本发明的侧渗测量装置实施例的安装正面示意图；

图2b为本发明的侧渗测量装置实施例的安装侧面示意图；

图3为本发明的数据采集处理装置实施例的结构框图；

图4为本发明的土壤侧渗量的自动测量方法实施例流程图。

具体实施方式

以下结合附图和优选实施例对本发明的技术方案进行详细地阐述。应该理解，以下列举的实施例仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。

如图1所示，是本发明的土壤侧渗量的自动测量系统实施例的结构，包括侧渗测量装置、数据采集处理装置以及太阳能供电装置，其中：

侧渗测量装置实施例的结构如图2a所示，包括渗滤液储管及其堵头、水位传感器以及通过三通管接与渗滤液储管连接的渗滤液收集管；该侧渗测量装置通过埋在土壤单侧不同土深的渗滤液收集管获取土壤侧渗水，通过三通管接流入渗滤液储管，通过水位传感器实时测得渗滤液储管中渗滤液的水位，并将实时测得的水位测量值输出给数据采集处理装置；

数据采集处理装置，用于根据实时输入的水位测量值和水位与流量之间的函数关系实时计算出侧渗量，并记录实时计算出的侧渗量；

太阳能供电装置，用于将太阳能转换成电能并储存起来，为侧渗测量装置和数据采集处理装置提供电源。

在上述系统实施例中，

数据采集处理装置根据水位与流量之间的下列函数关系实时计算出侧渗量：

Q∝Vⁿ           (1)

式中：Q为侧渗量，V是渗滤采集管中水的体积，n是与侧渗观测装置材料、尺寸以及土壤性质有关的参数，是常量。

对于物理结构、材料、尺寸既定的侧渗观测装置，除了渗滤液采集管中水的体积V外，其它参数都是常量，因此，Q是单一变量V的函数。

如果将开始收集土壤侧渗滤液的时间分为m个时间段，即有t₁，t₂，t₃...，t_m时刻，其中t_n(n≤m)时刻对应的土壤侧渗量由公式(2)估算不同灌水量条件下不同时间的侧渗量。

$V_{\mathrm{tn}}=\underset{\mathrm{tn}=t1}{\overset{\mathrm{tn}=\mathrm{tm}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\πr}}^2(d_{\mathrm{tn}}-d_{t(n-1)})---\left(2\right)$

式中：d_tn、d_t(n-1)分别对应为t_n、t_n-1时刻渗滤采集管中对应的水位，r为渗滤采集管半径；V_tn为t_n时刻对应的渗滤采集管中水的体积。

在上述系统实施例中，侧渗测量装置的水位传感器包括浮子(图中未示出)和重锤(图中未示出)，由一柔性管将浮子和重锤连接进入渗滤液收集管；为增强侧渗测量的稳定性，减少水流引起的浮子晃动，将该重锤置于重锤行程管内，该重锤行程管再置于渗滤液收集管中，如图2b所示。该水位传感器的分辨率为0.8mm，读数频率范围设为25～35min/次；重锤行程管的内径范围为(25±5)mm。

在上述系统实施例中，渗滤液收集管是聚丙烯无规共聚物(PPR，PolyproPylene Random)套管，柔性管是该PPR管防止水分蒸发的软性盖子(中心开孔，浮子钢丝绳可以通过)，该PPR管是集成浮子水位传感器、重锤行程管的安装支架。

在上述系统实施例中，侧渗测量装置实施例还包括拉力传感器，如图2a所示，浮子通过钢丝绳悬于拉力传感器之下，拉力传感器的两个拉力传递部分的两端分别固定在一起，用于调控浮子的行程，以提高系统的测量精度。该拉力传感器的量程为(1000±10)mm，精度为0.1mm。

在上述系统实施例中，渗漏液收集管和渗滤液储管通过三通以卡扣式或丁字型连接方式连通，该连接方式使得侧渗测量装置具有良好的密封性和维护性。

在上述系统实施例中，渗漏液收集管的长度根据侧渗水平距离设计，其直径范围为Φ＝(100±10)mm；渗漏液收集管与土面接触的进水口段做成斜面打入土层内，如图2a所示；渗漏液收集管与渗滤液储管的三通接口处用无纺布缠绕作为过滤层。

这里，渗漏液收集管与土面接触的进水口段做成斜面，既有利于管打进土面，也尽可能降低对土层的扰动；该管从土面打入土层内，尽量保持管内土壤不扰动。三通接口处用无纺布缠绕作为过滤层，以隔离土壤颗粒进入渗漏液收集管，保证过滤水样清澈。

在上述系统实施例中，侧渗测量装置还包括不锈钢外罩和角铁支架，用于起保护和固定作用。

在上述系统实施例中，数据采集处理装置包括依次连接的采集控制模块、计算模块以及存储模块，如图3所示，其中：

采集控制模块，用于分时间段通过多路信号输入单元采集多路水位传感器信号，通过信号调理单元对采集的多路信号进行信号调理，通过信号转换单元将调理的多路信号转换为可参与计算的水位数据，并将各时间段的水位数据保存在存储模块中；

计算模块，用于设定条件参数初值，根据设定的条件参数初值和各时间段的水位数据，按公式(2)循环计算不同灌水量条件下的侧渗量，并将估算的侧渗量数据保存在存储模块中；

存储模块，用于通过条件参数存储单元保存计算模块在不同灌水量下设定的条件参数初值，通过采集数据存储单元保存采集控制模块采集处理的水位数据，通过结果数据存储单元保存计算模块计算的侧渗量数据。

在上述系统实施例中，数据采集处理装置还包括显示模块，用于显示各时间段的测量时间、多路水位数据，以及适应不同侧渗速率情况下各时间段侧渗量数据。

本发明针对上述系统实施例，相应地还提供了土壤侧渗量的自动测量方法实施例，其流程如图4所示，包括以下步骤：

110：读入采集的水位数据；

侧渗测量装置通过埋在土壤单侧不同土深的渗滤液收集管获取土壤侧渗水，通过三通管接流入渗滤液储管，通过水位传感器实时测得渗滤液储管中渗滤液的水位，并将实时测得的水位参数值输出给数据采集处理装置，由数据采集处理装置读入采集的水位数据。

120：将水位数据进行归一化处理；

由数据采集处理装置将水位数据进行归一化处理，包括采集多路水位传感器信号，对采集的多路信号进行信号调理，将调理的多路信号转换为参与计算的水位数据，并将各时间段的水位数据保存。

130：设定条件参数初值；

由数据采集处理装置设定条件参数初值，并将设定的条件参数初值保存。

140：进行循环计算，使计算值与实测值的误差最小；

由数据采集处理装置根据设定的条件参数初值和各时间段的水位数据，按公式(2)循环计算不同灌水量条件下的侧渗量。

150：存储并显示计算结果。

由数据采集处理装置存储并显示计算出的侧渗量。

本发明在测量过程中获取渗漏量推进体积的同时记录具体时刻，并处理获取的图像数据，以显示土壤侧渗量数值大小。本发明从根本上解决了现有方法功能少且不能实时自动测量的问题，能够实时快速准确地获得测量结果，具有操作简单及移动便利等优点，大大节省了人力和物力。本发明对于农田产排污系数计算、土壤污染负荷估算、水文过程、作物水分利用、灌溉管理、水体污染防控等方面的研究领域，具有广泛的推广和应用价值。

Claims (13)

1.一种土壤侧渗量的自动测量系统，包括侧渗测量装置、数据采集处理装置以及太阳能供电装置，其特征在于：

侧渗测量装置，包括渗滤液储管及其堵头、水位传感器以及通过三通管接与渗滤液储管连接的渗滤液收集管，埋在土壤单侧不同土深的渗滤液收集管获取的土壤侧渗水通过三通管接流入渗滤液储管，由水位传感器将实时测得的渗滤液储管中渗滤液的水位测量值输出给数据采集处理装置；

数据采集处理装置，用于根据输入的水位测量值和水位与流量之间的函数关系实时计算出侧渗量，并记录实时计算出的侧渗量；

太阳能供电装置，用于将太阳能转换成电能并储存起来，为所述侧渗测量装置和所述数据采集处理装置提供工作电源。

2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述侧渗测量装置的所述水位传感器包括浮子和重锤，由一柔性管将该浮子和该重锤连接进入所述渗滤液收集管，该水位传感器的分辨率为0.8mm，读数频率范围设为25～35min/次；重锤行程管的内径范围为25mm±5mm。

3.按照权利要求2所述的系统，其特征在于，

将所述重锤置于一重锤行程管内，由所述柔性管将所述浮子和置有所述重锤的该重锤行程管连接进入所述渗滤液收集管。

4.按照权利要求2所述的系统，其特征在于，所述侧渗测量还包括拉力传感器，其中：

所述浮子通过钢丝绳悬于该拉力传感器之下，该拉力传感器的两个拉力传递部分的两端分别固定在一起，用于调控浮子的行程，该拉力传感器的量程为1000mm±10mm，该拉力传感器的精度为0.1mm。

5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述渗漏液收集管的长度根据侧渗水平距离设计，该渗漏液收集管的直径范围为100mm±10mm；该渗漏液收集管与土面接触的进水口段做成斜面打入土层内，且该渗漏液收集管与渗滤液储管的三通接口处用无纺布缠绕作为过滤层。

6.按照权利要求1至5任一项所述的系统，其特征在于，所述数据采集处理装置包括依次连接的采集控料模块、计算模块以及存储模块，其中：

采集控制模块，用于分时间段通过多路信号输入单元采集多路水位传感器信号，通过信号调理单元对采集的多路信号进行信号调理，通过信号转换单元将调理的多路信号转换为参与计算的水位数据，并将各时间段的水位数据保存在存储模块中；

计算模块，用于设定条件参数初值，根据设定的条件参数初值和各时间段的水位数据，按下列公式表达的所述水位测量值与流量之间的函数关系循环计算不同灌水量条件下的所述侧渗量，并将计算出的侧渗量数据保存在存储模块中：

$V_{\mathrm{tn}}=\underset{\mathrm{tn}=t1}{\overset{\mathrm{tn}=\mathrm{tm}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\πr}}^2(d_{\mathrm{tn}}-d_{t(n-1)})$

将开始收集土壤侧渗滤液的时间分为m个时间段，即有t₁，t₂，t₃...，t_m时刻，其中t_n时刻小于或等于t_m时刻；式中V_tn为t_n时刻对应的土壤侧渗量；

存储模块，用于通过条件参数存储单元保存计算模块在不同灌水量下设定的所述条件参数初值，通过采集数据存储单元保存采集控制模块采集处理的水位数据，通过结果数据存储单元保存计算模块计算的侧渗量数据。

7.按照权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数据采集处理装置还包括显示模块，用于显示所述各时间段的测量时间、多路水位数据以及适应不同侧渗速率情况下各时间段侧渗量数据。

8.一种土壤侧渗量的自动测量方法，其特征在于，涉及侧渗测量装置和数据采集处理装置，该方法包括：

侧渗测量装置将实时采集的水位输出给数据采集处理装置；

数据采集处理装置根据输入的水位测量值和水位与流量之间的函数关系实时计算出侧渗量，并记录计算出的侧渗量。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，所述侧渗测量装置将实时采集的水位输出给数据采集处理装置，具体包括：

通过埋在土壤单侧不同土深的渗滤液收集管获取土壤侧渗水，该土壤侧渗水通过三通管接流入渗滤液储管，通过水位传感器实时测得渗滤液储管中渗滤液的水位，并将测得的水位测量值输出给所述数据采集处理装置；所述水位传感器包括浮子和重锤，由一柔性管将该浮子和该重锤连接进入所述渗滤液收集管。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述侧渗测量装置将实时采集的水位输出给数据采集处理装置，还具体包括：

将所述重锤置于一重锤行程管内，由所述柔性管将所述浮子和置有所述重锤的该重锤行程管连接进入所述渗滤液收集管；所述水位传感器的分辨率为0.8mm，读数频率范围设为25～35min/次；所述重锤行程管的内径范围为25mm±5mm。

11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所述侧渗测量装置将实时采集的水位输出给数据采集处理装置，还具体包括：

将所述浮子通过钢丝绳悬于该拉力传感器之下，该拉力传感器的两个拉力传递部分的两端分别固定在一起，用于调控浮子的行程，该拉力传感器的量程为1000mm±10mm，该拉力传感器的精度为0.1mm。

12.按照权利要求8至11任一项所述的方法，其特征在于，所述数据采集处理装置根据输入的水位测量值和水位与流量之间的函数关系实时计算出侧渗量，并记录计算出的侧渗量，具体包括：所述数据采集处理装置

采集多路水位传感器信号，对采集的多路信号进行信号调理，将调理的多路信号转换为参与计算的水位数据，并将各时间段的水位数据保存；

设定条件参数初值，根据设定的条件参数初值和各时间段的水位数据，按下列公式表达的所述水位测量值与流量之间的函数关系循环计算不同灌水量条件下的所述侧渗量，并将计算出的侧渗量数据保存；

$V_{\mathrm{tn}}=\underset{\mathrm{tn}=t1}{\overset{\mathrm{tn}=\mathrm{tm}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\πr}}^2(d_{\mathrm{tn}}-d_{t(n-1)})$

将开始收集土壤侧渗滤液的时间分为m个时间段，即有t₁，t₂，t₃...，t_m时刻，其中t_n时刻小于或等于t_m时刻：式中V_tn为t_n时刻对应的土壤侧渗量。

13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括；

所述数据采集处理装置显示所述各时间段的测量时间、多路水位数据，以及适应不同侧渗速率情况下各时间段侧渗量数据。

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