CN105973307A - 圩垸农田面源污染主要水过程监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圩垸农田面源污染主要水过程监测装置及方法，该装置包括适于安装在农田圩垸的排水口处的排水监测装置、适于安装在农田圩垸的灌溉水口的第一水量传感器及适于设置在农田圩垸的作物区内的雨量监测器，排水监测装置包括容置腔及设置在容置腔内的若干个第二水量传感器；容置腔的一个侧壁上开设有进水口，各个第二水量传感器呈阵列排布，且各个第二水量传感器的中心轴与进水口的进水方向平行。本发明可以实现对主要水过程‑排水量、降雨量和灌溉水量的监测，而且相对于现有技术提高主要水过程的监测精度。

Description

圩垸农田面源污染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技术领域，尤其是涉及一种圩垸农田面源污染主要水过程监测装置及方法。

背景技术

我国农田面源污染已成为环境污染的主要来源之一，农田氮磷流失作为农田面源污的一种重要形式，而农田水量循环监测是农田氮磷流失监测中重要工作之一。圩垸指四周有圩堤围护，内有灌排系统的农业区。圩堤将农田与外水隔开，通过灌排渠系及操纵圩堤上的水闸以调节内水和外水的进出。农田圩垸的主要水过程包括排水、降水、灌溉水，主要水过程监测即是指对排水、降水、灌溉水的监测。

排水监测是针对农田地表径流排水从田间到末级排水沟道汇流进入排水支沟的过程进行监测。目前，排水监测主要采用大口径流量计法，但是大口径流量计法存在以下问题：农田排水具有较大变幅，并且以小流量排放为主。而大口径流量计法的监测精度较低，无法在小流量时监测到圩垸排水，因此具有较大误差。

目前的灌溉水监测主要是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。

目前的降水监测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

针对以上缺陷，本发明提供一种圩垸农田面源污染主要水过程监测装置及方法，可以提高农田圩垸的主要水过程监测精度。

第一方面，本发明提供的圩垸农田面源污染主要水过程监测装置包括适于安装在农田圩垸的排水口处的排水监测装置、适于安装在农田圩垸的灌溉水口的第一水量传感器及适于设置在农田圩垸的作物区内的雨量监测器，其中：

所述排水监测装置包括容置腔及设置在所述容置腔内的若干个第二水量传感器；所述容置腔的一个侧壁上开设有进水口，各个第二水量传感器呈阵列排布，且各个第二水量传感器的中心轴与所述进水口的进水方向平行。

可选的，该主要水过程监测装置还包括无线传输模块和远程监控平台，其中：

所述无线传输模块，与所述第一水量传感器、所述排水监测装置中的各个第二水量传感器及所述雨量监测器连接，用于将所述第一水量传感器检测到的灌溉水量、各个第二水量传感器检测到的水量值及所述雨量监测器检测到的降雨量发送至所述远程监控平台；

所述远程监控平台，用于接收所述无线传输模块发送的数据，根据各个第二水量传感器检测到的水量值确定所述农田圩垸的排水量，并对所述排水量、所述第一水量传感器检测到的灌溉水量及所述雨量监测器检测到的降雨量进行展示。

可选的，该主要水过程监测装置还包括：

太阳能供电模块，与所述第一水量传感器、各个第二传感器连接，用于为所述第一水量传感器和各个第二传感器提供电能。

可选的，所述容置腔的顶壁上开设有通孔，所述通孔用于穿设所述无线传输模块与各个第二水量传感器之间的信号线，和/或，所述太阳能供电模块与各个第二水量传感器之间的电源线。

可选的，所述容置腔的顶壁与侧壁之间活动连接。

可选的，所述容置腔的材质为铝。

第二方面，本发明提供的圩垸农田面源污染主要水过程监测装置的安装方法包括：

在农田圩垸的每一个排水口设置一个上述的排水监测装置，且每一排水口处设置的排水监测装置的进水口与该排水口位置对应；

在农田圩垸的灌溉水口设置第一水量传感器；

在农田圩垸的作物区内设置雨量监测器。

可选的，该方法还包括：

将所述第一水量传感器和所述排水监测装置中的各个第二传感器与上述无线传输模块连接，并将所述无线传输模块的数据传输频率设置为预设频率。

可选的，该方法还包括：

将所述第一水量传感器和所述排水监测装置中的各个第二传感器与上述太阳能供电模块连接。

本发明提供的圩垸农田面源污染主要水过程监测装置及方法中，采用第一水量传感器对灌溉水进行监测，相对于现有技术中通过估测或者通过普通水表进行测量的方式，能够减小灌溉水的监测误差。而且，采用雨量监测器相对于现有技术中采用区县气象站或雨量站的降水替代法或人工监测记录法，可以避免由于监测不及时、计量误差、人工读数误差等问题，提高监测精度。还有，本发明采用排水监测装置监测排水口的排水量，在容置腔中设置若干个水量传感器，且各个水量传感器的中心轴与进水口的进水方向平行，当将进水口与排水口相对设置时，若排水口的流量较小，则只有位于较低位处的水量传感器能检测到水量；若排水口的流量较大，则容置腔内较低和较高位置处的水量传感器都检测到水量；因此不管排水口流量的大小，根据容置腔内各个水量传感器输出的水量，就可以确定容置腔内的水位，进而确定排水口的排水量。可见相对于现有技术中采用大口径流量计法，流量监测的精度较高，而且能够在小流量时监测到圩垸排水。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征信息和优点，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示出了本发明一实施例中主要水过程监测装置的结构示意图；

图2示出了本发明一实施例中排水监测模块的结构示意图；

图3示出了本发明一实施例中排水监测模块的内部示意图；

附图标记说明：

1-容置腔；2-进水口；3-第二水量传感器。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提供一种圩垸农田面源污染主要水过程监测装置，如图1、2、3所示，该装置包括适于安装在农田圩垸的排水口处的排水监测装置、适于安装在农田圩垸的灌溉水口的第一水量传感器及适于设置在农田圩垸的作物区内的雨量监测器，其中：

排水监测装置包括容置腔1及设置在容置腔1内的若干个第二水量传感器3；容置腔1的一个侧壁上开设有进水口2，各个第二水量传感器3呈阵列排布，且各个第二水量传感器3的中心轴与进水口2的进水方向平行。

本发明提供的主要水过程监测装置中，采用第一水量传感器对灌溉水进行监测，相对于现有技术中通过估测或者通过普通水表进行测量的方式，能够减小灌溉水的监测误差。而且，采用雨量监测器相对于现有技术中采用区县气象站或雨量站的降水替代法或人工监测记录法，可以避免由于监测不及时、计量误差、人工读数误差等问题，提高监测精度。还有，本发明采用排水监测装置监测排水口的排水量，在容置腔1中设置若干个水量传感器，且各个水量传感器的中心轴与进水口2的进水方向平行，当将进水口2与排水口相对设置时，若排水口的流量较小，则只有位于较低位处的水量传感器能检测到水量；若排水口的流量较大，则容置腔1内较低和较高位置处的水量传感器都检测到水量；因此不管排水口流量的大小，根据容置腔1内各个水量传感器输出的水量，就可以确定容置腔1内的水位，进而确定排水口的排水量。可见相对于现有技术中采用大口径流量计法，流量监测的精度较高，而且能够在小流量时监测到圩垸排水。

在具体实施时，可以将排水监测装置、第一水量传感器和雨量监控器与现场监控平台连接，利用现场监控平台根据各个第二水量传感器3检测到的水量确定排水口的排水量，进而根据各个排水口的排水量确定整个农田圩垸的排水量。同时，利用现场监控平台对农田圩垸的排水量、降雨量和灌溉水量进行监控。当然，为了实现对农田圩垸排水情况、降水量和灌溉水情况的远程监控，本发明提供的主要水过程监测装置还可以包括无线传输模块和远程监控平台，其中：

无线传输模块，与第一水量传感器、排水监测装置中的各个第二水量传感器3及雨量监测器连接，用于将第一水量传感器检测到的灌溉水量、各个第二水量传感器3检测到的水量值及雨量监测器检测到的降雨量发送至远程监控平台；

远程监控平台，用于接收无线传输模块发送的数据，根据各个第二水量传感器3检测到的水量值确定农田圩垸的排水量，并对排水量、第一水量传感器检测到的灌溉水量及雨量监测器检测到的降雨量进行展示。

这里，利用无线传输模块将第一水量传感器、第二水量传感器3及雨量监控器的检测数据发送至远程监控平台，利用远程监控平台对接收到的数据进行接收、处理、展示等，以实现对农田圩垸的主要水过程进行远程监控，为农田面源污染负荷监测提供技术支持。

在具体实施时，根据第一水量传感器、第二水量传感器3的数量选择无线传输模块，例如

在具体实施时，为第一水量传感器和第二水量传感器3提供电源，本发明提供的主要水过程监测装置还可以包括：

太阳能供电模块，与第一水量传感器、各个第二传感器连接，用于为第一水量传感器和各个第二传感器提供电能。

这里，利用太阳能供电模块为第一水量传感器和第二水量传感器3进行供电，绿色、环保。

在实际应用时，可以根据第一水量传感器、第二水量传感器3的数量、规格，农田圩垸得到日照情况，合理计算出用电总量，确定太阳能板的大小和蓄电池容量。

在具体实施时，为了将第二水量传感器3与无线传输模块、太阳能供电模块连接，可以在容置腔1的顶壁上开设有通孔，以便于穿设无线传输模块与各个第二水量传感器3之间的信号线，和/或，太阳能供电模块与各个第二水量传感器3之间的电源线。在实际应用时，可以将容置腔1内的所有第二水量传感器3所连接的信号线和电源线汇总后从容置腔1的顶壁的通孔穿出，然后信号线连接无线传输模块，电源线连接太阳能供电模块。

在具体实施时，为了能对容置腔1内部的第二水量传感器3进行校准、检修等，可以将容置腔1的顶壁与侧壁之间进行活动连接，以方便打开容置腔1。

在具体实施时，容置腔1的材质可以但不限于铝。当然，在实际测量时还可以将容置腔1进行密封防水处理，以提高检测精度。

在具体实施时，可以根据所需的排水监测精度确定合适内径和检测精度的第二水量传感器3。

在具体实施时，可以根据农田圩垸的最大排水量及一个第二水量传感器3的量程确定每一样排水口需要的第二水量传感器3的数量。

在具体实施时，可以根据第二水量传感器3的大小及数量确定容置腔1的大小，容置腔1的进水口2的大小可以根据排水口以往的排水情况进行选择。

本发明提供一种上述圩垸农田面源污染主要水过程监测装置的安装方法，该方法包括：

在农田圩垸的每一个排水口设置一个上述的排水监测装置，且每一排水口处设置的排水监测装置的进水口2与该排水口位置对应；

在农田圩垸的灌溉水口设置第一水量传感器；

在农田圩垸的作物区内设置雨量监测器。

本发明提供的安装方法中，在排水口设置排水监测装置，以实现对排水量的监测，在灌溉水口设置第一水量传感器，以实现对灌溉水的监测，在作物区内设置雨量监测器，以实现对降雨量的检测。其中，由于排水监测装置的进水口2与排水口位置对应，因此排水口排出的水会进入容置腔1内，容置腔1内的第二水量传感器3对水量进行检测，便于后续对该排水口的排水量进行确定。而且，在每一个排水口设置一个排水监测装置，以便于对每一个排水口的排水量进行监测，这样便于后续根据各个排水口的排水量，确定整个农田圩垸的排水量。

当然，若主要水过程监测装置中还包括无线传输模块和远程监控平台的话，本发明提供的安装方法还包括：

将第一水量传感器和排水监测装置中的各个第二传感器与无线传输模块连接，并将无线传输模块的数据传输频率设置为预设频率。

其中，将无线传输模块的数据传输频率设置为预设频率，例如1天，则无线传输模块会按照该预设频率发送第一水量传感器和第二水量传感器3的检测数据。

当然，若主要水过程监测装置中还包括太阳能供电模块的话，本发明提供的安装方法还包括：

将第一水量传感器和排水监测装置中的各个第二传感器与太阳能供电模块连接。

利用太阳能供电模块为第一水量传感器和第二水量传感器3供电，绿色、环保。

以湖北省武汉市潜江的圩垸农田面源污染监测点为例进行说明：

该圩垸监测点位于潜江市浩口镇柳洲村6组，周年轮作模式为：水稻-小麦。在圩垸农田历史监测中，潜江年平均降水为1100mm，丰水年最高为1400mm，最大单场降水量为200mm，灌溉水量约为500mm。人工观测的排水发生次数呈现较大差异，年排水量约为120mm。历史监测结果表明圩垸排水由于降水的突发性，加之灌溉的变化，圩垸排水的发生具有突发性、短时性和随机性，人工监测难度极大。在该圩垸内有1个灌溉口、3个排水口。

在作物区域内布设1个降水监测装置，在灌溉口设置一个第一水量传感器，对于第一水量传感器：根据农田灌溉以及降水环境与监测精度需求，筛选内径为200mm、测量精度为1L的水量传感器。

在每一个排水口设置一个排水监测装置，对于排水监测装置：根据调研农田圩垸的排水概况，确定圩垸排水口管径大小为50cm，获取排水水量变化特征。根据农田排水水环境与监测精度需求，筛选内径为40mm、测量精度为0.1L的第二水量传感器。根据圩垸农田排水最大值，结合第二水量传感器3量程范围，确定第二水量传感器3集群数量为16个。根据第二水量传感器大小与数量，焊接铝制容置腔1，以容纳全部第二水量传感器。

对于无线传输模块，筛选用于排水和降水数据传输的容纳49个接口的一个无线传输模块和一个用于灌溉数据传输的无线传输模块，调试并组网传感器，实现排水监测装置、第一水量传感器和雨量监测器检测数据的信息通信。设定无线传输模块数据自动发送频率为1天，实现定时存储并远程发送检测数据，解决数据远程传输问题。

对于远程监控平台，对排水量、灌溉量和降水量数据的接收、展示与汇总，为圩垸农田面源污染负荷监测提供技术支撑。

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)

1.一种圩垸农田面源污染主要水过程监测装置，其特征在于，包括适于安装在农田圩垸的排水口处的排水监测装置、适于安装在农田圩垸的灌溉水口的第一水量传感器及适于设置在农田圩垸的作物区内的雨量监测器，其中：

所述排水监测装置包括容置腔及设置在所述容置腔内的若干个第二水量传感器；所述容置腔的一个侧壁上开设有进水口，各个第二水量传感器呈阵列排布，且各个第二水量传感器的中心轴与所述进水口的进水方向平行。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括无线传输模块和远程监控平台，其中：

所述无线传输模块，与所述第一水量传感器、所述排水监测装置中的各个第二水量传感器及所述雨量监测器连接，用于将所述第一水量传感器检测到的灌溉水量、各个第二水量传感器检测到的水量值及所述雨量监测器检测到的降雨量发送至所述远程监控平台；

所述远程监控平台，用于接收所述无线传输模块发送的数据，根据各个第二水量传感器检测到的水量值确定所述农田圩垸的排水量，并对所述排水量、所述第一水量传感器检测到的灌溉水量及所述雨量监测器检测到的降雨量进行展示。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：

太阳能供电模块，与所述第一水量传感器、各个第二传感器连接，用于为所述第一水量传感器和各个第二传感器提供电能。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述容置腔的顶壁上开设有通孔，所述通孔用于穿设所述无线传输模块与各个第二水量传感器之间的信号线，和/或，所述太阳能供电模块与各个第二水量传感器之间的电源线。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容置腔的顶壁与侧壁之间活动连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容置腔的材质为铝。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的圩垸农田面源污染主要水过程监测装置的安装方法，其特征在于，包括：

在农田圩垸的每一个排水口设置一个如权利要求1-6任一所述的排水监测装置，且每一排水口处设置的排水监测装置的进水口与该排水口位置对应；

在农田圩垸的灌溉水口设置第一水量传感器；

在农田圩垸的作物区内设置雨量监测器。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述第一水量传感器和所述排水监测装置中的各个第二传感器与权利要求2所述的无线传输模块连接，并将所述无线传输模块的数据传输频率设置为预设频率。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述第一水量传感器和所述排水监测装置中的各个第二传感器与权利要求3所述的太阳能供电模块连接。