CN105973306A - 农田面源污染地下淋溶主要水过程监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种农田面源污染地下淋溶主要水过程监测装置及方法，该装置包括：地下淋溶量监测装置，用于获取各个地下淋溶监测小区的淋溶量数据，并将获取到的淋溶量数据发送至无线测控模块；灌溉水监测装置，用于获取各个淋溶监测小区的灌溉量数据，并将获取到的灌溉量数据发送至无线测控模块；雨量自动监测器，用于获取地下淋溶监测小区的降水量数据，并将获取到的降水量数据发送至无线测控模块；无线测控模块，用于接收所述淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据，并将接收到数据发送至远程接收模块；远程接收模块，用于接收所述无线测控模块发送的数据。本发明能够实现农田面源污染地下淋溶主要水过程的监测结果更精确。

Description

农田面源污染地下淋溶主要水过程监测装置及方法

技术领域

本发明涉及农田面源污染监测技术领域，尤其涉及一种农田面源污染地下淋溶主要水过程监测装置及方法。

背景技术

随着我国集约化农业的快速发展，不合理的农业生产方式所引起的面源污染问题日益突出，成为我国北方地下水硝酸盐污染的一个重要原因。长期以来，由于缺乏准确、可行、统一的信息化监测方法，一直难以准确把握我国农田面源污染的变化特点和主控因素，给有效防治农田面源污染带来了极大困难。

农田地下淋溶是借助降水、灌水或冰雪融水将农田土壤表面或土体中的氮、磷等水污染物向地下水淋洗的过程，该流失途径主要发生在北方旱地上。在农田面源污染地下淋溶监测上，渗滤计是较为成熟的监测方法，渗滤装置最初用于水文学研究中蒸发量的测定。基于氮素渗滤抽滤原理，发展起来的田间原位渗滤计、渗滤池、淋溶盘、田间渗滤池等监测设备及技术不断应用于农田面源污染监测。

虽然经过多年积累地下淋溶监测方法已有所改进，但这些监测设备尚存在以下不足：(1)多数监测设备是通过人工判断农田面源污染地下淋溶产流，因此不能第一时间监测地下淋溶产流，更不能获得地下淋溶产流过程。(2)现有监测设备中的传感器具有自动监测地下淋溶水量的能力，然而传感器需要每1年左右进行精度校准，但现有方案不能对深埋至地下淋溶桶中的传感器取出到地面进行校准精度，影响了监测数据的准确性。(3)现有地下淋溶桶的监测设备具有抽水管和通气管，设计垂直连接到地面，影响了大田或保护地的耕作，制约了农业机械的工作效率。

灌溉、降水是农田面源污染地下淋溶两大驱动因素。在灌溉水量监测方面，目前主要通过估测，或者采用普通水表测量，容易产生农田地下淋溶灌溉水量的计量误差、人工读数误差以及监测不及时等问题带来的灌溉水量监测误差。在降水水量监测方面，主要通过使用监测点所在区县气象站或雨量站的降水量替代法，或者采用人工监测记录的方法。由于大部分监测点与区县降水量监测点相距较远，具有较大空间差异，使用所在区县降水量替代法，容易产生较大的降水量数据误差；由于很多农田地下淋溶监测点位于远村落地区，采用人工监测法，容易产生农田降水量监测不及时、计量误差以及人工读数误差等问题带来的降水量监测误差。

发明内容

如何克服现有的农田面源污染地下淋溶主要水过程无法实时监测、监测结果误差大等不足成为当前需要解决的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明一方面提出了一种农田面源地下淋溶主要水过程监测装置，该装置包括：

地下淋溶量监测装置，设于各个地下淋溶监测小区的地下，用于获取各个地下淋溶监测小区的淋溶量数据，并将获取到的淋溶量数据发送至无线测控模块；

灌溉水监测装置，设于各个地下淋溶监测小区灌溉水口的灌溉水管出口处，用于获取各个淋溶监测小区发生的灌溉量数据，并将获取到的灌溉量数据发送至无线测控模块；

雨量自动监测器，设于预设监测点，用于获取地下淋溶监测小区发生的降水量数据，并将获取到的降水量数据发送至无线测控模块；

无线测控模块，用于接收所述地下淋溶量监测装置发送的淋溶量数据、所述灌溉水监测装置发送的灌溉量数据和所述雨量自动监测器发送的降水量数据，并将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据发送至远程接收模块；

远程接收模块，用于接收所述无线测控模块发送的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据。

可选地，所述无线测控模块，还用于将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据以预设频率定期进行保存。

可选地，所述远程接收模块，还用于将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据进行展示和/或汇总。

可选地，所述无线测控模块为通用无线分组业务GPRS测控模块。

可选地，该装置还包括：

供电模块，与所述地下淋溶量监测装置、所述灌溉水监测装置、所述雨量自动监测器以及所述无线测控模块分别连接，用于为所述地下淋溶量监测装置、所述灌溉水监测装置、所述雨量自动监测器以及所述无线测控模块提供电源。

可选地，所述供电模块为太阳能供电模块，所述太阳能供电模块包括：太阳能板和蓄电池；

所述蓄电池，用于为所述地下淋溶量监测装置、所述灌溉水监测装置、所述雨量自动监测器以及所述无线测控模块提供电源。

本发明另一方面提出了一种农田面源地下淋溶主要水过程监测方法，该方法包括：

地下淋溶量监测装置获取各个地下淋溶监测小区的淋溶量数据，并将获取到的淋溶量数据发送至无线测控模块；

灌溉水监测装置获取各个淋溶监测小区发生的灌溉量数据，并将获取到的灌溉量数据发送至无线测控模块；

雨量自动监测器获取地下淋溶监测小区发生的降水量数据，并将获取到的降水量数据发送至无线测控模块；

无线测控模块接收所述地下淋溶量监测装置发送的淋溶量数据、所述灌溉水监测装置发送的灌溉量数据和所述雨量自动监测器发送的降水量数据，并将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据发送至远程接收模块；

远程接收模块接收所述无线测控模块发送的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据。

可选地，在所述无线测控模块接收所述地下淋溶量监测装置发送的淋溶量数据、所述灌溉水监测装置发送的灌溉量数据和所述雨量自动监测器发送的降水量数据之后，还包括：

无线测控模块将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据以预设频率定期进行保存。

可选地，在所述远程接收模块接收所述无线测控模块发送的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据之后，还包括：

远程接收模块将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据进行展示和/或汇总。

本发明提出的农田面源地下淋溶主要水过程监测装置及方法，能够实现农田面源污染地下淋溶主要水过程(包括地下淋溶、降水量和灌溉量)的实时、自动监测及监测数据的远程传输，监测结果更精确。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一个实施例的地下淋溶量监测装置的结构示意图；

图2示出了本发明一个实施例的农田面源污染地下淋溶主要水过程监测装置的原理图；

图3示出了本发明一个实施例的农田面源污染地下淋溶主要水过程监测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1示出了本发明一个实施例的地下淋溶量监测装置结构示意图。如图1所示，该地下淋溶量监测装置包括：

淋溶桶1和第一热熔管2；

淋溶桶1内设有液位传感器11，用于监测地下淋溶水量；

第一热熔管2一端穿过淋溶桶1的顶盖，另一端与第一三通阀3的第一接口相连；

第一热熔管2的内径大于液位传感器11的内径。

本实施例的地下淋溶量监测装置，通过设置内径大于液位传感器内径的热熔管，提供了更换所述液位传感器的管道，实现定期对所述液位传感器进行校准或更换，提高了农田面源污染地下淋溶量监测的准确性。

在一种可选的实施方式中，第一三通阀3的第二接口通过顶盖密封。在实际应用中，液位传感器11连接有电源线、数据通信线等线路，通过打开第一三通阀3的顶盖并拖拉与液位传感器11相连的线路，将所述液位传感器11拖拉至第一三通阀3的顶盖外进行校准或更换。

该地下淋溶量监测装置还包括：

第二三通阀4、通气管和抽水管5；

第二三通阀4的第一接口与第一三通阀3的第三接口相连；

第二三通阀4的第二接口与通气管和抽水管5相连；

通气管和抽水管5穿过所述淋溶桶的顶盖，用于排除淋溶液。

在实际应用中，通气管可使淋溶桶与外界形成气压差，淋溶液在气压差的作用下通过抽水管排出。

该装置还包括：

第二热熔管6和弯管7；

第二热熔管6的一侧与第二三通阀4的第三接口相连；

第二热熔管6的另一侧与弯管7相连。

在实际应用中，第一三通阀3、第二三通阀4和第二热熔管6均位于耕层之下，第二热熔管6平行与地面，且远离地下淋溶小区监测范围；第二热熔管6接至弯管7，露出地面，避免了现有的淋溶量监测装置对农田耕地的影响。

进一步地，第一热熔管2与淋溶桶1的顶盖的连接处密封。

该装置还包括供电装置(图中未示出)；

所述供电装置与液位传感器11相连，用于对液位传感器11供电。

优选地，所述供电装置为太阳能电板。

该装置还包括无线测控模块(图中未示出)，用于接收所述液位传感器的信号。

图2示出了本发明一个实施例的农田面源污染地下淋溶主要水过程监测装置的原理图。如图2所示，该农田面源污染地下淋溶主要水过程监测装置包括：

地下淋溶量监测装置2’，设于各个地下淋溶监测小区1’的地下，用于获取各个地下淋溶监测小区的淋溶量数据，并将获取到的淋溶量数据发送至无线测控模块；

灌溉水监测装置3’，设于各个地下淋溶监测小区1’灌溉水口的灌溉水管出口处，用于获取各个淋溶监测小区发生的灌溉量数据，并将获取到的灌溉量数据发送至无线测控模块；

雨量自动监测器4’，设于预设监测点，用于获取地下淋溶监测小区1’发生的降水量数据，并将获取到的降水量数据发送至无线测控模块；

无线测控模块7’，用于接收所述地下淋溶量监测装置发送的淋溶量数据、所述灌溉水监测装置发送的灌溉量数据和所述雨量自动监测器发送的降水量数据，并将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据发送至远程接收模块；

远程接收模块8’，用于接收所述无线测控模块发送的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据。

本实施例的农田面源地下淋溶主要水过程监测装置，能够实现农田面源污染地下淋溶主要水过程(包括地下淋溶、降水量和灌溉量)的实时、自动监测及监测数据的远程传输，监测结果更精确。

在一种可选的实施方式中，无线测控模块7’，还用于将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据以预设频率定期进行保存。

远程接收模块8’，还用于将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据进行展示和/或汇总。

进一步地，无线测控模块7’为通用无线分组业务GPRS测控模块。

该装置还包括：供电模块6’，与地下淋溶量监测装置2’、灌溉水监测装置3’、雨量自动监测器4’以及无线测控模块7’分别连接，用于为地下淋溶量监测装置2’、灌溉水监测装置3’、雨量自动监测器4’以及无线测控模块7’提供电源。图2所示，5’为电源连接线和数据通讯线。

优选地，为便于野外供电，供电模块6’为太阳能供电模块，所述太阳能供电模块包括：太阳能板和蓄电池；

所述蓄电池，用于为地下淋溶量监测装置2’、灌溉水监测装置3’、雨量自动监测器4’以及无线测控模块7’提供电源。

下面以一个具体的实施方式说明本发明实施例的农田面源污染地下淋溶量监测装置。该实施方式中，以北京市大兴区农田面源污染地下淋溶为监测点。该监测点位于北京市大兴区长子营镇留民营基地，共设5个处理，每个处理重复三次。随机区组排列设计。随机排列，小区面积为30m²。监测目的在于摸清黄淮海平原区保护地栽培种植条件下，农田地下淋溶面源污染排放特征及减排途径。周年轮作模式为：蔬菜-蔬菜-蔬菜。

北京大兴地下淋溶国控监测点2008-2011历史监测结果表明各小区淋溶量在6.6mm-149mm区间内大小不等，并且发生时间受降雨或灌溉、土壤湿度、种植作物等诸多影响因素。总体来看地下淋溶发生具有突发性、短时性和随机性，人工监测难度极大。因此，需要精确、实时的地下淋溶量监测装置。

地下淋溶量监测装置的详细说明如下：

(1)采用液位传感器11监测地下淋溶水量。液位传感器的直径为28.5mm。

(2)由于液位传感器需每年取出至地面校准精度，因此设置传感器更换管道，即第一热熔管2。

(3)更换管道为管道内径32mm的热熔管。

(4)更换管道下部穿过淋溶桶1顶盖，至底部20cm处。

(5)更换管道上部与第一三通阀3连接，距地面40cm。

(6)第一三通阀的下部与更换管道连接，上部用三通顶盖密封，另一接口与第二三通阀4连接。

(7)第二三通阀4左侧与第一三通阀3连接，右侧与平行地面的热熔管6连接，下侧接入通气管和抽水管5，最终平行地面的热熔管包括液位传感器线路、通气管和抽水管等三条线路。

(8)两个三通以及平行地面热熔管均距地面40cm。

(9)平行地面的热熔管远离地下淋溶小区监测范围，接至90°弯管7，露出地表面。传感器线路、通气管和抽水管等三条线路穿出地面。

(10)更换管道与淋溶桶1顶盖的连接处密封，并需做防水处理。所有连接处均作防水处理。

(11)抽水管放置于地面用于取出淋溶液。

(12)传感器线路连接至控制箱用于联通电源和监测信号，实现地下淋溶量数据的实时监控。

对农田面源污染灌溉收集口基于最大农田产水量进行规范性改造，根据农田灌溉以及降水环境与监测精度需求，筛选灌溉水监测装置，在各个农田地下淋溶监测小区灌溉水口安装灌溉水监测装置，在预设监测点安装雨量自动监测器，实现灌溉量、降水量数据的实时监控。

根据地下淋溶监测小区数量，确定购置15个液位传感器、15个灌溉水量传感器、1个雨量自动监测器。

根据农田地下淋溶监测小区水量传感器安装数量，筛选容纳31个接口的GPRS测控模块，调试并组网31个传感器，实现各个监测小区地下淋溶量、灌溉量和降水量数据的信息通信。

在GPRS测控模块实现数据汇总后，设定模块数据自动发送频率为1天，实现定时存储并远程发送各监测小区地下淋溶量、灌溉量和降水量数据，解决数据远程传输问题。

开发农田面源污染地下淋溶主要水过程监测数据远程接收系统，实现各个农田面源污染地下淋溶监测小区地下淋溶量、灌溉量和降水量数据的接收、展示与汇总，为农田面源污染地下淋溶负荷监测提供技术支撑。

图3示出了本发明一个实施例的农田面源污染地下淋溶主要水过程监测方法的流程示意图。如图3所示，该农田面源污染地下淋溶主要水过程监测方法包括：

S31：地下淋溶量监测装置获取各个地下淋溶监测小区的淋溶量数据，并将获取到的淋溶量数据发送至无线测控模块；

S32：灌溉水监测装置获取各个淋溶监测小区发生的灌溉量数据，并将获取到的灌溉量数据发送至无线测控模块；

S33：雨量自动监测器获取地下淋溶监测小区发生的降水量数据，并将获取到的降水量数据发送至无线测控模块；

S34：无线测控模块接收所述地下淋溶量监测装置发送的淋溶量数据、所述灌溉水监测装置发送的灌溉量数据和所述雨量自动监测器发送的降水量数据，并将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据发送至远程接收模块；

S35：远程接收模块接收所述无线测控模块发送的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据。

本实施例的农田面源地下淋溶主要水过程监测方法，能够实现农田面源污染地下淋溶主要水过程(包括地下淋溶、降水量和灌溉量)的实时、自动监测及监测数据的远程传输，监测结果更精确。

在一种可选的实施方式中，在所述无线测控模块接收所述地下淋溶量监测装置发送的淋溶量数据、所述灌溉水监测装置发送的灌溉量数据和所述雨量自动监测器发送的降水量数据之后，还包括：

无线测控模块将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据以预设频率定期进行保存。

进一步地，在所述远程接收模块接收所述无线测控模块发送的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据之后，还包括：

远程接收模块将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据进行展示和/或汇总。

本发明提出的农田面源地下淋溶主要水过程监测装置及方法，能够实现农田面源污染地下淋溶主要水过程(包括地下淋溶、降水量和灌溉量)的实时、自动监测及监测数据的远程传输，监测结果更精确。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种农田面源污染地下淋溶主要水过程监测装置，其特征在于，包括：

地下淋溶量监测装置，设于各个地下淋溶监测小区的地下，用于获取各个地下淋溶监测小区的淋溶量数据，并将获取到的淋溶量数据发送至无线测控模块；

灌溉水监测装置，设于各个地下淋溶监测小区灌溉水口的灌溉水管出口处，用于获取各个淋溶监测小区发生的灌溉量数据，并将获取到的灌溉量数据发送至无线测控模块；

雨量自动监测器，设于预设监测点，用于获取地下淋溶监测小区发生的降水量数据，并将获取到的降水量数据发送至无线测控模块；

无线测控模块，用于接收所述地下淋溶量监测装置发送的淋溶量数据、所述灌溉水监测装置发送的灌溉量数据和所述雨量自动监测器发送的降水量数据，并将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据发送至远程接收模块；

远程接收模块，用于接收所述无线测控模块发送的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据。

2.根据权利要求1所述的农田面源污染地下淋溶主要水过程监测装置，其特征在于，所述无线测控模块，还用于将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据以预设频率定期进行保存。

3.根据权利要求1所述的农田面源污染地下淋溶主要水过程监测装置，其特征在于，所述远程接收模块，还用于将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据进行展示和/或汇总。

4.根据权利要求1所述的农田面源污染地下淋溶主要水过程监测装置，其特征在于，所述无线测控模块为通用无线分组业务GPRS测控模块。

5.根据权利要求1所述的农田面源污染地下淋溶主要水过程监测装置，其特征在于，还包括：

供电模块，与所述地下淋溶量监测装置、所述灌溉水监测装置、所述雨量自动监测器以及所述无线测控模块分别连接，用于为所述地下淋溶量监测装置、所述灌溉水监测装置、所述雨量自动监测器以及所述无线测控模块提供电源。

6.根据权利要求5所述的农田面源污染地下淋溶主要水过程监测装置，其特征在于，所述供电模块为太阳能供电模块，所述太阳能供电模块包括：太阳能板和蓄电池；

所述蓄电池，用于为所述地下淋溶量监测装置、所述灌溉水监测装置、所述雨量自动监测器以及所述无线测控模块提供电源。

7.一种应用权利要求1-6任一项所述装置的农田面源污染地下淋溶主要水过程监测方法，其特征在于，包括：

地下淋溶量监测装置获取各个地下淋溶监测小区的淋溶量数据，并将获取到的淋溶量数据发送至无线测控模块；

灌溉水监测装置获取各个淋溶监测小区发生的灌溉量数据，并将获取到的灌溉量数据发送至无线测控模块；

雨量自动监测器获取地下淋溶监测小区发生的降水量数据，并将获取到的降水量数据发送至无线测控模块；

无线测控模块接收所述地下淋溶量监测装置发送的淋溶量数据、所述灌溉水监测装置发送的灌溉量数据和所述雨量自动监测器发送的降水量数据，并将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据发送至远程接收模块；

远程接收模块接收所述无线测控模块发送的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据。

8.根据权利要求7所述的农田面源污染地下淋溶主要水过程监测方法，其特征在于，在所述无线测控模块接收所述地下淋溶量监测装置发送的淋溶量数据、所述灌溉水监测装置发送的灌溉量数据和所述雨量自动监测器发送的降水量数据之后，还包括：

无线测控模块将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据以预设频率定期进行保存。

9.根据权利要求7所述的农田面源污染地下淋溶主要水过程监测方法，其特征在于，在所述远程接收模块接收所述无线测控模块发送的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据之后，还包括：

远程接收模块将接收到的淋溶量数据、灌溉量数据和降水量数据进行展示和/或汇总。