CN108107172A - 稻田氮磷径流流失监测与预警装置及其使用方法 - Google Patents

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刘宏斌
庄艳华
翟丽梅
钱佳伟
李旭东
王洪媛
范先鹏
杜耘
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Abstract

本发明公开了一种稻田氮磷径流流失监测与预警装置,涉及环境监测技术领域。该装置由采样检测器(1)、监测传感器(2)、数据处理器(3)和用户终端(4)组成。本发明针对稻田氮磷径流流失发生的随机性和不确定性,克服了稻田排水中氮磷总氮、总磷监测困难的问题,直接测量稻田排水径流中的pH、溶解氧、氧化还原电位、温度、电导率、盐度、叶绿素和悬浮固体参数,间接测量总氮和总磷,并依据总氮、总磷浓度实时预警,实现了稻田排水水质的实时监测和氮磷流失风险预警,为环境管理者的决策提供科学依据,为农业面源污染防治提供装备支持。

Description

稻田氮磷径流流失监测与预警装置及其使用方法
技术领域
[0001] 本发明涉及环境监测技术领域,更具体涉及稻田氮磷径流流失监测与预警装置。
背景技术
[0002] 氮磷径流流失作为农田面源污染发生的主要形式,是造成地表水环境恶化的重要 原因,近年来己成为国内外关注的热点。稻田地表径流水质监测主要是对水体的氮磷等水 质参数进行定期或实时的监测,通过测量径流水质量,为环境管理者的决策提供准确有效 的数据(吴靓,马友华,付碧玉,等.农田面源污染监测技术与方法[J].农业科学与技 术:英文版,2014,15 (12) :2214-2217)。
[0003] 目前,国内外主要存在的水质自动在线监测系统主要有两种工作模式:一种是运 动机械手臂式在线自动监测系统,该系统利用实验室化学分析法的自动化与智能化原理, 通过野外自动采样、自动测试完成相应水质指标的定量监测,该方法具有精度高的特点,但 是存在整个系统部署周期长、占用空间大、费用昂贵、维护复杂及监测频率低等缺点(钱国 明,吴崇友.水质在线监测及其在农业中的应用[J] •中国农机化学报,2〇〇8(i) wees)。另一种是利用电极传感器法对水质进行实时连续监测,该方法具有测定精度较高、测 定频率高、操作简便、维护简单等特点,具有代表性的是哈希公司的Hydrolab多参数水质分 析仪和美国YSI公司的EX02多参数水质分析仪,该分析仪均能对水体溶解氧、pH、电导率、氧 化还原电位、叶绿素等多种水质参数的测定,但目前还无法实现对水体两种重要指标总氮、 总磷的测定,从而一定程度上限制了其应用。总体来说,由于利用电极传感器原理的多参数 水质仪具有使用方便,检测准确、价格低的特点,较适宜于稻田地表径流的数值监测。在氮 磷浓度测量方面,可以利用pH、溶解氧、氧化还原电位、温度、电导率和盐度等参数,预测水 体氮磷浓度(Zhang L, Scholz M,Mustafa A,et al. Assessment of the nutrient removal performance in integrated constructed wetlands with the self-organizingmap[J]. Water Research, 2008, 42(13):3519-27)。
[0004]由于稻田地表径流具有径流量与污染物浓度时空变化幅度大、径流深较小等特 点,现有的水质在线监测仪直接用于稻田径流中污染物的实时监测存在局限,无法实现对 水体氮磷的精准监测,尤其是总氮总磷的在线监测。以人工采样和实验室分析为主的地表 径流测量方面人力投入大、时效性差,导致基础监测数据缺乏,从而无法实现氮磷径流流失 污染风险预警。
[0005]综上所述,在稻田径流水质在线监测与预警设备方面,目前还缺少经济、方便、适 用的监测设备,尤其是水体氮磷的在线快速监测与预警设备,急需集成氮磷在线监测与预 警设备,实现了稻田径流中氮磷的实时监测和氮磷流失风险预警,为环境管理者的决策提 供科学依据,为农业面源污染防治提供装备支持。
发明内容
[0006]本发明的目的在于,针对上述问题,提供稻田氮磷径流流失监测与预警装置,该装 置结合稻田排tK彳5流特点,实时监测細径流主要:^染_旨标,尤其是总氮⑽的监测,并 实现氮磷流失风险预警,为环境管理者的决策提供科学依据,为农业面源污染防治提供技 术支撑。
[0007]为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案: 1、稻田氮磷径流流失监测与预警装置由采样检测器、监测传感器、数据处理器和用户 终端组成。采样f测器设有进水口、出水口和活动式监测传感器保护装置,进水口下部设有 挡泥板,挡泥^高度为进水口高度的2/5,出水口设置排水阀门,监测传感器垂直放置于采 样检测器1/2尚度处,监测传感器与数据处理器无线连接、数据处理器和用户终端无线连 接。
[0008] 2、稻田氮磷径流流失监测与预警装置使用方法包含下列步骤. a、开展准备工作: ’ ’ al、将采样检测器安装于稻田排水口; a2、将监测传感器安装在采样检测器的活动式监测传感器保护装置内; a3、,监测传感器与数据处理器无线连接,将数据处理器和用户终端无线连接; a4、采用人工同步取样监测的方式测量总氮、总磷浓度;监测传感器采集到的pH、溶解 氧、氧化还原电位、温度、电导率、盐度、叶绿素和悬浮固体参数,通过无线传输至数据处理 器,采用Matlab7_0软件、利用SOM工具箱建立总氮浓度GV、总磷浓度CP值与监测传感器测量 到的参数之间的函数关系,依据该函数关系,在数据处理器植入GV和CP值的计算程序。
[0009] b、依据地方水环境保护目标,由农业环保专家确定氮排放阈值(:尾和磷排放阈值 CPm-, c、 在稻田排水时,打开排水阀门,测传感器将测量到的pH、溶解氧、氧化还原电位、温 度、电导率、盐度、叶绿素和悬浮固体参数,通过无线传输至数据处理器,数据处理器计算出 稻田排水的实时0V和CP值;数据处理器将实测的PH、溶解氧、氧化还原电位、温度、电导率、 盐度、叶绿素和悬浮固体参数以及计算出的GV和CP值,通过无线传输至用户终端; d、 当GV彡GV™或CP彡寸,用户终端自动报警。
[0010] 本发明的优点: 本装置本发明针对稻田氮磷径流流失发生的随机性和不确定性,克服了稻田径流中氮 磷总氮、总磷监测困难的问题,直接测量稻田排水径流pH、溶解氧、氧化还原电位、温度、电 导率、盐度、叶绿素和悬浮固体,间接测量总氮和总磷;并且,适用于径流深较小、氮磷浓度 时空变化幅度大的稻田排水水质监测;在水分短缺时能保持传感器处于湿润环境;在径流 量较大时,挡泥板和活动式监测传感器保护装置能保护传感器免受高强度水流的冲击和泥 沙的破坏;通过多种水质参数的实时采集与传输,实现对稻田排水水质实时监测和氮磷流 失风险预警。
附图说明
[0011] 图1为稻田氮磷径流流失监测与预警装置的结构示意图。
[0012] 其中:1为采样检测器,2为数据传输器,3为数据处理器,4为用户终端,5为采样检 测器进水口、6为采样检测器出水口、7为活动式监测传感器保护装置,8为采样检测器挡泥 板,9为排水阀门。 L〇〇13]图2米样检测器的侧视图。
[0014]图3采样检测器的俯视图。
具体实施方式
[0015]以下结合附图对本发明作进一步的说明: 由图1、图2及图3可知,稻田氮磷径流流失监测与预警装置由采样检测器1、监测传感器 2、数据处理器3和用户终端4组成。采样检测器1设有进水口 5、出水口6和活动式监测传感器 保护装置7,进水口5下部设有挡泥板8,挡泥板8高度为进水口5高度的2/5,出水口6设置排 水阀门9,监测传感器2垂直放置于采样检测器1/2高度处,监测传感器2与数据处理器3无线 连接、数据处理器3和用户终端4无线连接;挡泥板S可阻挡底部的泥沙进入采样检测器丄破 坏监测传感器2;活动式监测传感器保护装置7保护监测传感器2免受高强度水流的冲击,可 拆卸活动式监测传感器保护装置7对装置进行定期清理和维护; 2、稻田氮磷径流流失监测与预警装置使用方法包含下列步骤: a、开展准备工作: al、将采样检测器1安装于稻田排水口; a2、将监测传感器2安装在采样检测器1的活动式监测传感器保护装置7内; a3、f监测传感器2与数据处理器3无线连接,将数据处理器3和用户终端4无线连接; a4、采用人工同步取样监测的方式测量总氮、总磷浓度;监测传感器2将测量到的pH、溶 解氧、氧化还原电位、温度、电导率、盐度、叶绿素和悬浮固体参数,通过无线传输至数据处 理器3,米用MatlabLO软件、利用s〇M工具箱建立总氮浓度(3V、总磷浓度CP值与监测传感器2 测量到的参数之间的函数关系,依据该函数关系,在数据处理器3植入〇V和值的计算程 序。
[0016] b、依据地方水环境保护目标,由农业环保专家确定氮排放阈值和磷排放阈值 CPm; c、 在稻田排水时,打开排水阀门,测传感器2将测量到的pH、溶解氧、氧化还原电位、温 度、电导率、盐度、叶绿素和悬浮固体参数,通过无线传输至数据处理器3,数据处理器3计算 出稻田排水的实时0V和CP值;数据处理器3将实测的pH、溶解氧、氧化还原电位、温度、电导 率、盐度、叶绿素和悬浮固体参数以及计算出的0V和CP值,实现对总氮和总磷间接测量,通 过无线传输至用户终端4,为环境管理者的科学决策提供数据支撑; ' d、 当CA^OV^^CP彡£^时,用户终端4自动报警。

Claims (2)

1. 稻田氮憐径流流失监测与预警装置,其特征在于,该装置由采样检测器(1)、监测传 感器(2)、数据处理器(3)和用户终端(4)组成;采样检测器(1)设有进水口(5)、出水口(6)和 活动式监测传感器保护装置(7),进水口(5)下部设有挡泥板(8),挡泥板(8)高度为进水口 (5)高度的2/5,出水口(6)设置排水阀门(9),监测传感器(2)垂直放置于采样检测器1/2高 度处,监测传感器(2)与数据处理器(3)无线连接、数据处理器(3)和用户终端(4)无线连接。
2. 根据权利要求1所述的稻田氮磷径流流失监测与预警装置,其使用方法包含下列步 骤: a、 开展准备工作: al、将采样检测器(1)安装于稻田排水口; a2、将监测传感器(2)安装在采样检测器(1)的活动式监测传感器保护装置(7)内; a3、将监测传感器(2)与数据处理器(3)无线连接,将数据处理器(3)和用户终端(4)无 线连接; a4、采用人工同步取样监测的方式测量总氮、总磷浓度;监测传感器⑵采集到的PH、溶 解氧、氧化还原电位、温度、电导率、盐度、叶绿素和悬浮固体等参数,通过无线传输至数据 处理器(3),采用MatlaW.O软件、利用S0M工具箱建立总氮浓度〇v、总磷浓度CP值与监测传 感器(2)测量到的参数之间的函数关系,依据该函数关系,在数据处理器(3)植入CiV和⑶值 的计算程序; b、 依据地方水环境保护目标,由农业环保专家确定氮排放阈值和磷排放阈值 c、 在稻田排水时,打开排水阀门(9),测传感器(2)将测量到的pH、溶解氧、氧化还原电 位、温度、电导率、盐度、叶绿素和悬浮固体参数,通过无线传输至数据处理器(3),数据处理 器(3)计算I稻田排水的实时⑺和CP值;数据处理器(3)将实测的_、溶解氧、氧化还原电 位、温度、电导率、盐度、叶绿素和悬浮固体参数以及计算出的(^和⑶值,通过无线传输至用 户终端⑷; d、 当CA^C/Vis或CP>CPffl时,用户终端⑷自动报警。
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