CN106226128B - 一种稻麦农田径流分时采集及定量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种稻麦农田径流分时采集及定量装置及方法，属于农业面源污染研究技术领域，包括多孔排水管、分层径流收集箱和翻斗式流量计，其中径流分层箱体按需求将径流箱分为不同高度的多层，不同层体同一垂直线上设置径流进水孔，每层底部设置有排水阀门，利用多孔排水管道将田间径流部分导入径流箱体和流量计，实现不同时间段径流量和发生时间的精确计量。本发明在稻麦农田瞬时径流进入环境污染负荷评价研究时，精确计量瞬时径流产生量、发生时间和氮、磷浓度。本发明使稻麦农田径流监测具有计量精确、分时采集、结果可靠、实施方便等特点。

Description

一种稻麦农田径流分时采集及定量装置及方法
技术领域
本发明属于农业面源污染研究技术领域，具体涉及稻麦农田瞬时径流进入环境污染负荷评价研究时，精确计量瞬时径流产生量、发生时间和不同时段径流氮、磷浓度的装置和方法。
背景技术
农业面源污染是水环境污染的重要来源，肥料施用为粮食增产做出了巨大贡献，但过量和不合理的肥料施用不仅增加了肥料投入成本，也通过各种途径排放到环境中加大环境污染风险。农田地表径流是农田养分损失和水环境污染的主要途径，对其进行监测研究是农业面源污染减排的重要依据和理论基础。
目前农田径流监测研究主要是对径流总量及其浓度进行监测，方法上包括修建径流池或放置径流箱。这种方法采集的径流液属于混匀样品，通过对污染物浓度测定可以得出整个监测区的污染物浓度(水旱轮作条件下的径流收集管和径流收集装置(专利公开号CN101246093)；一种淹水稻田径流收集系统及其方法(专利公开号CN103698156A))。从径流产生的现实浓度及治理策略考虑，不同时间段产生的农田径流尤其是径流浓度差异较大，如何实现对不同时段径流量及其浓度监测成为亟需解决的问题，对研究农田径流排放规律也有重要意义。专利公告号为CN105004577A名称为“一种分流式原位径流瞬时及混合样品采集装置及其方法”的发明专利通过单片机与电磁阀的应用实现了对径流的混合样品与瞬时样品的自动收集，有助于了解农田径流污染物质迁移转化规律，但也存在一些不足：1、制作工艺复杂，成本偏高；2、未实现对径流总量的监测；3、无法对阶段瞬时径流进行精确定量。因此，有必要开发农田径流分时收集的简易、经济收集装置及方法。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种简易、经济的稻麦农田径流分时采集及定量装置及方法，为了解农田径流污染物迁移转化规律提供解决思路。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种稻麦农田径流分时采集及定量装置，包括多孔排水管、分层径流箱、翻斗式流量计，其特征在于，所述多孔排水管设置于地表农田排水口处，多孔排水管形成孔径相同的径流液流量相同的若干分流孔，若干分流孔的各孔径中心处于同一水平高度，分流孔包括与分层径流箱连接的第一分流孔和与翻斗式流量计连接的第二分流孔，所述的分层径流箱分成不同高度的多层结构，分层径流箱的各层径流箱体在同一垂直线上均设有分层进水装置，各层径流箱体的分层进水装置在同一垂直线上设有分层径流箱进水口，分层进水装置的底部设有下水口，分层进水装置的侧壁设有若干溢水孔；所述的分层径流箱各层径流箱体侧壁底部设有可控制开闭的径流箱排水孔。
径流进入分层径流箱的最上层径流箱体后，经由分层进水装置底部的下水口优先进入最下层径流箱体，待最下层径流箱体溢满后径流经由溢水孔进入下层径流箱体，待下层径流箱体溢满后，上层径流箱体中的分层进水装置开始工作，经由上层径流箱体的分层进水装置的溢水孔进入上层箱体，径流在分层径流箱中按照下层优先收集原则由下至上依次收集于各层径流箱体，直至填满最上层径流箱体。值得一提的是，径流不一定收集于每一层径流箱体。
所述的若干分流孔还包括备用分流孔，备用分流孔由孔盖封闭。
所述的翻斗式流量计包括径流汇集面、整流槽、双侧翻斗式测量器、电子记录仪，经由第二分流孔流出后通过径流汇集面进入翻斗式流量计的径流经整流槽进入双侧翻斗式测量器，并通过电子记录仪对径流产生时间和径流量进行精确计量。
所述多孔排水管由若干平行管路连接而成，管路的一端为设置于排水沟内的进水口，另一端为分流孔；所述分流孔连接导流管，通过导流管与分层径流箱或翻斗式流量计连通；第一导流管一端与分层径流箱进水口连通，另一端与第一分流孔连通；第二导流管一端与翻斗式流量计进水口连通，另一端与第二分流孔连通。
分层径流箱最上层径流箱体上部预留径流箱溢水口，用于径流箱体遇特大径流时径流箱满后从径流箱溢水口排出。
分层径流箱顶部进水口(即最上层箱体分层进水装置的进水口)略低于多孔排水管水平高度，分层径流箱的底座固定于排水沟渠中；翻斗式流量计顶部进水口略低于多孔排水管水平高度，且水平固定于排水沟渠中。
稻麦农田径流分时采集及定量方法，包括如下步骤：由所述的多孔排水管分流的径流分别汇入多层径流箱和翻斗式流量计，径流产生过程通过翻斗式流量计详细记录每分钟径流产生量，分时径流样品采集按从上到下分层顺序进行，打开径流箱排水孔取某层径流样品，在该层径流排空后顺次取下层分时径流样品；通过径流箱排水孔对分层径流箱每层箱体实际收集径流量进行计量和径流样品收集，并通过翻斗式流量计的计量数据回算每层径流实际发生时间；将所述的径流产生量由下往上折算对应分层体积径流溢满时间，即为该层分时样品产生时间。分时样品产生时间等同于径流实际发生时间。
本发明的地表径流发生量及分层径流采集装置，主要涉及分流原理，即在排水口同一高度位置设计孔径完全相同的若干分流孔，使进入本发明的径流液在分流孔位置从每个孔洞流出的径流液体积均相等，这样流进装置的径流液经过分流孔后被分成若干等份。利用导流管将其中一个孔洞排出的径流液导入翻斗流量计，另一孔洞径流导入分层径流箱。其余分流孔的径流直接进入沟渠排出。
由所述的多孔排水管分流的径流分别汇入多层径流收集箱和翻斗式流量计，径流产生过程通过翻斗式流量计详细记录每分钟径流产生量，分时径流样品采集按从上到下分层顺序进行，打开控制径流箱排水孔的阀门取该层径流样品，在该层径流排空后顺次取下层分时径流样品。
通过本发明设计的稻麦农田分时径流采集装置及定量方法，与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明结构简单、造价低廉，便于安装、实施，占地面积小，计量精确，能够同时实现径流过程产生量的精确计量和分时段径流样品采集。本发明基于的分流原理，解决了多雨地区降雨集中期径流量过大而无法精确收集问题。
附图说明
图1为多孔排水管的结构图；
图2为分层径流箱的结构图；
图3为翻斗式流量计的结构图；
图4为分层进水装置的结构图。
图5为稻麦农田径流分时采集及定量装置的整体结构图；
其中，1多孔排水管，2第二分流孔，3第一分流孔，4孔盖，5分层径流箱，6分层径流箱进水口，7径流箱排水孔，8径流箱溢水口，9径流箱底座，10分层进水装置，11溢水孔，12下水口，13翻斗式流量计，14径流汇集面，15整流槽，16双侧翻斗式测量器，17电子记录仪。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1：
本发明实施例1如附图1-5所示，以下参照附图对本发明进行详细说明。
本发明由多孔排水管1、分层径流箱5和翻斗式流量计13组成。多孔排水管1按固定高度水平安装在农田排水口处，分层径流箱5顶部略低于多孔排水管水平高度，将径流箱底座9固定于排水沟渠中，翻斗式流量计13按照相同原则固定于排水沟渠中。其中第二分流孔2通过软管(导流管)与翻斗式流量计径流汇集面14相连，第一分流孔3与分层径流箱进水口6相连。径流产生时，一部分通过第二分流孔2和径流汇集面14进入翻斗式流量计13，一部分通过第一分流孔3和分层径流箱进水口6进入分层径流箱，其余随管路直接排出(不使用的分流孔用配套的孔盖4盖好)。通过径流汇集面14进入翻斗式流量计13的径流经整流槽15进入双侧翻斗式测量器16，对径流产生时间和径流量通过电子记录仪17进行精确计量。径流箱内部同一垂直面上每层安装有分层进水装置10，径流进入分层径流箱的最上层径流箱后，经由各层径流箱体的分层进水装置底部的下水口12优先进入最下层径流箱体(最下层箱体不设分层进水装置10)，待最下层箱体溢满，下层径流箱体的水位达到分层进水装置10的下水口12水平位置后，径流经由下层径流箱体的分层进水装置的溢水孔11进入下层径流箱体(分层进水装置仅占单层径流箱体的一小部分空间，下层是指在最下层上面的那层径流箱体，且下层或者上层箱体均可以不仅仅为1层)，待下层箱体溢满后，上层箱体中的分层进水装置开始工作，经由上层箱体的分层进水装置的溢水孔11进入上层箱体。分层径流箱最上层箱体上部预留径流箱溢水口8，用于径流箱体遇特大径流时径流箱满后从径流箱溢水口8排出。
所述的多孔排水管由多根相同规格PVC管焊接组装而成，所述的分层径流箱为圆柱形，并根据需要分成不同高度的多层，其上部及分层部同一垂直线上开有分层径流箱进水口6，所述的翻斗式流量计由径流汇集面、整流槽、双侧翻斗式测量器、电子记录仪构成，上部留有进水口。双侧翻斗式测量器为翻斗式流量计的主体，测量器结构参见双翻斗流量计(申请号为200520033510.5)的技术方案。双侧翻斗式测量器与电子记录仪通过磁片感应连接。值得一提的是，翻斗式流量计不局限于实施例中的结构，任何可以实现流量测量功能的翻斗式流量计均可以用在本发明中。
所述多孔排水管设置于地表农田排水口处，进水口一端设置于排水沟内，每个分流孔孔径完全相同，且各孔径中心处于同一水平高度，所述分流孔出水端设置有导流管；第一导流管一端与分层径流箱进水口连通，另一端与第一分流孔连通，第二导流管一端与翻斗式流量计进水口连通，另一端与第二分流孔连通。
所述的分层径流箱和翻斗式流量计水平固定安装到排水沟内，分层径流收集箱和翻斗式流量计进水孔的水平高度低于多孔排水管出水孔水平高度。所述的多孔排水管每个分流孔配套有孔盖，不使用的分流孔用配套孔盖盖好。所述的分层径流箱不同层进水口必须在同一垂直线上。所述的分层径流箱顶层侧面顶端需开有径流箱溢水口8。所述的分层径流箱每层下部开有径流箱排水孔7，并预装阀门，便于分层取样及径流排放和径流箱清洗。所述分层径流收集箱进水口及翻斗式流量计进水口处安装有挡雨板。
径流收集完成后，按照自上而下原则，通过径流箱排水孔7对分层径流箱每层箱体实际收集径流量进行计量和径流样品收集，并通过翻斗式流量计13的计量数据回算每层径流产生时间。
以下通过具体实施方式对本发明作进一步说明。
实施例2：众所周知，农田径流实际产生过程中，径流浓度一般呈现为降低趋势。为了测试分层径流箱分层效果和分层径流箱不同层体间是否存在串流现象，申请人在室内条件下通过配置不同氮浓度溶液，对分层径流箱实际分层效果进行了测试。
从测试结果来看(表1)，不同形态氮浓度径流在进入分层箱体后的4h和16h均不存在串流现象，不同箱体氮浓度能够很好的反映径流实时浓度。
表1分层径流装置稳定性测试结果
Figure BDA0001117694520000051
Figure BDA0001117694520000061
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种稻麦农田径流分时采集及定量装置，包括多孔排水管、分层径流箱、翻斗式流量计，其特征在于，所述多孔排水管设置于地表农田排水口处，多孔排水管形成孔径相同的径流液流量相同的若干分流孔，若干分流孔的各孔径中心处于同一水平高度，分流孔包括与分层径流箱连接的第一分流孔和与翻斗式流量计连接的第二分流孔，所述的分层径流箱分成不同高度的多层结构，分层径流箱的各层径流箱体在同一垂直线上均设有分层进水装置，各层径流箱体的分层进水装置在同一垂直线上设有分层径流箱进水口，分层进水装置的底部设有下水口，分层进水装置的侧壁设有若干溢水孔；所述的分层径流箱各层径流箱体侧壁底部设有可控制开闭的径流箱排水孔；由所述的多孔排水管分流的径流分别汇入分层径流箱和翻斗式流量计，径流产生过程通过翻斗式流量计详细记录每分钟径流产生量，分时径流样品采集按从上到下分层顺序进行，打开径流箱排水孔取某层径流样品，在该层径流排空后顺次取下层分时径流样品；通过径流箱排水孔对分层径流箱每层箱体实际收集径流量进行计量和径流样品收集，并通过翻斗式流量计的计量数据回算每层径流实际发生时间；将所述的径流产生量由下往上折算对应分层体积径流溢满时间，即为该层分时样品产生时间。
2.根据权利要求1所述的一种稻麦农田径流分时采集及定量装置，其特征在于，径流进入分层径流箱的最上层径流箱体后，经由分层进水装置底部的下水口优先进入最下层径流箱体，待最下层径流箱体溢满后径流经由溢水孔进入下层径流箱体，待下层径流箱体溢满后，上层径流箱体中的分层进水装置开始工作，经由上层径流箱体的分层进水装置的溢水孔进入上层箱体，径流在分层径流箱中按照下层优先收集原则由下至上依次收集于各层径流箱体，直至填满最上层径流箱体。
3.根据权利要求1所述的一种稻麦农田径流分时采集及定量装置，其特征在于，所述的若干分流孔还包括备用分流孔，备用分流孔由孔盖封闭。
4.根据权利要求1所述的一种稻麦农田径流分时采集及定量装置，其特征在于，所述的翻斗式流量计包括径流汇集面、整流槽、双侧翻斗式测量器、电子记录仪，经由第二分流孔流出后通过径流汇集面进入翻斗式流量计的径流经整流槽进入双侧翻斗式测量器，并通过电子记录仪对径流产生时间和径流量进行精确计量。
5.根据权利要求1所述的一种稻麦农田径流分时采集及定量装置，其特征在于，所述多孔排水管由若干平行管路连接而成，管路的一端为设置于排水沟内的进水口，另一端为分流孔；所述分流孔连接导流管，通过导流管与分层径流箱或翻斗式流量计连通；第一导流管一端与分层径流箱进水口连通，另一端与第一分流孔连通；第二导流管一端与翻斗式流量计进水口连通，另一端与第二分流孔连通。
6.根据权利要求2所述的一种稻麦农田径流分时采集及定量装置，其特征在于，分层径流箱最上层径流箱体上部预留径流箱溢水口，用于径流箱体遇特大径流时径流箱溢满后从径流箱溢水口排出。
7.根据权利要求2所述的一种稻麦农田径流分时采集及定量装置，其特征在于，分层径流箱顶部进水口略低于多孔排水管水平高度，分层径流箱的底座固定于排水沟渠中；翻斗式流量计顶部进水口略低于多孔排水管水平高度，且水平固定于排水沟渠中。
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