CN108426612A - 一种多筒式湿地蒸散发分离监测装置 - Google Patents

Abstract

一种多筒式湿地蒸散发分离监测装置，属于植物生理、生态监测及湿地气象水文量测装置领域，包括蒸散发测筒、传感器数据采集单元、中央控制单元、远程发送单元、水位调节单元及太阳能电源管理单元。利用由三角支架固定于筒内水下的压力传感器进行水下原位监测，根据各测筒之间的补偿关系实现分离式组合监测。中央控制单元集配合其它单元实现蒸散发数据定时自动采集、处理、存储、无线传输并可定时自动实现各测筒水位初值设定，通过与远程端信息管理系统交互实现装置的远程控制。本发明在不破坏原生植物生长状态下，同时监测多筒的蒸散发，满足智能化自动采集、存储、及数据传输的监测需求，适用于多领域；装置精简、稳定性和可靠性高、野外适应性好、精度高等特点。

Description

一种多筒式湿地蒸散发分离监测装置

技术领域

本发明属于植物生理、生态监测及湿地气象水文量测装置领域，涉及到一种多筒式湿地蒸散发分离监测装置，特别涉及到对湿地环境下水生植物的蒸散发量、水面蒸发量、湿地环境中土壤垂向通量进行自动分离式组合监测、对比研究的装置。

背景技术

湿地广泛分布于世界各地，是自然界最富有生物多样性的生态景观，也是人类最重要的生存环境之一，与森林、海洋一起被并称为全球三大生态系统。湿地具有巨大的环境功能和经济效益，在涵养水源、净化水质、调蓄洪水、控制土壤侵蚀、保护生物多样性、调节气候、维持碳循环、防浪固岸和提供可利用资源等生态功能方面有其它系统不可代替的作用，被誉为“地球之肾”。但由于长期的人类活动及气候变化的影响，湿地面积减小，功能退化的趋势愈发严重。基于以上研究背景，当前对湿地效用和保护及湿地监测与管理研究已成为一个研究焦点，是水文、气象、农业、林业、土壤等相关学科共同关注的一个重点问题。

湿地生态系统监测是获取湿地生态系统以及环境信息的重要途径，其结果是对生态系统的变化做出科学预测和合理保护措施的重要依据。其中，湿地耗水是了解湿地的开发利用状况、受威胁状况以及管理现状的重要内容。现阶段湿地管理中，建设湿地生态监测站获取湿地蒸散发耗水量数据是非常重要的任务，为制定科学的湿地管理政策，进而采取有利的保护措施提供了关键的科学依据。

目前，对于植物蒸散发、水面蒸发、湿地垂向通量研究常用的量测方法主要包括气孔计法、称重式蒸渗仪法、涡动相关法、植物径流法、补偿式蒸渗仪法等，国内外已有学者通过上述有关方法建立专门蒸散发监测装置进行数据获取，但是目前的量测装置仍存在很多不足。例如，使用气孔计法制作的气孔表，其通过物理探测方法对植物叶片进行蒸腾测定，推广至整株植物或大面积蒸散发测算时产生的误差较大；刘士平等的《新型蒸渗仪及其在农田水文过程研究中的应用》中使用蒸渗仪进行观测，需要投入大量的人力物力资源，此外，设备需要长期维护，而且实际测量时要对植物进行采样、二次培养，只能近似模拟植物的生存环境；涡动相关法虽物理理论最为完善可靠、精度很高，但其需要昂贵的投入，很难进行普及应用；植物径流系统利用热平衡原理进行植物茎秆蒸散发的量测，实验过程中对植物茎秆粗细有所限制，且设备以进口为主，价格昂贵；许士国等的《多筒补偿式水面蒸渗仪及其使用方法》中使用补偿式方法进行量测，可实现蒸散发的分离监测，但装置忽略了降雨影响，且采用的超声波水位传感器，需配合水位转移装置和动力装置使用，结构复杂且灵敏度较差，精确性较低，易受温度影响，设备维护不便。

现有湿地耗水方面的测量装置，主要存在三个问题。其一，设备少且大多造价昂贵，普及难度大，广泛采用的理论推算方法仍存在较大误差，缺乏先进性。其二，目前针对现场蒸散发原位监测装置多为点上测量，尺度扩展时往往无法保证数据代表性，不能获取有效的区域资料，缺乏可行性。其三，现有装置自动化程度低，需投入大量人力物力进行后期维护，无法实现设备的远程控制，野外适应性较差。

综上所述，现存的湿地蒸散发监测装置不能满足当今智能化监测需求。考虑到湿地特殊的潮湿环境，急需一种装置精简、稳定性和可靠性高、野外适应性好的高精度多筒式湿地蒸散发分离监测装置。

本发明专利受到“国家自然科学基金仪器基础专项-水源水库水质多维保真采样设备项目(51327004)”的资助。

发明内容

本发明的目的是解决现有的湿地蒸散发监测装置的不足，提供一种在湿地特殊环境中，不破坏植物生长状态的前提下能够连续、自动、同时采集湿地挺水植物的散发量、水面蒸发量和垂向通量损失数据，并实现量测数据的基本处理和远程无线传输的装置。此装置可解决湿地特殊环境中挺水植物的散发量、水面蒸发量及垂向通量损失量同时监测问题，从而为湿地蒸散发量数据的获取提供一种成本低廉、装置精简、稳定性和自动化程度高、节省人力物力的实验设备。

本发明解决上述问题的技术方案如下：

一种多筒式湿地蒸散发分离监测装置，主要包括传感器数据采集单元1、蒸散发测筒2、中央控制单元3、水位调节单元4、太阳能电源管理单元5、远程发送单元6、信号接收天线7、物联网8、远程端服务器9。

所述的传感器数据采集单元1、中央控制单元3、远程发送单元6位于控制箱内部，信号接收天线7通过底部配设的强磁铁固定于控制箱顶部外壁。所述的中央控制单元3分别通过串口线与传感器数据采集单元1相连，根据Modbus通信协议进行信息传输，将各测筒内的水位信息量传输到中央控制单元3。中央控制单元3通过串口线与远程发送单元6相连，进行信息交互，远程发送单元6可通过信号接收天线7接入物联网8，通过TCP/IP协议与远程端服务器9进行连接。中央控制单元3通过继电器驱动模块控制水位调节单元4，实现蒸散发测筒2水位初值设定。所述的水位调节单元4与蒸散发测筒2通过管体连通，控制其内部水位，蒸散发测筒2内有原生植物2-5或经处理后的植物2-15。所述的太阳能电源管理单元5与传感器数据采集单元1、压力传感器2-1、中央控制单元3、水位调节装置4、远程发送单元6相连，对整个装置进行供电。

所述的蒸散发测筒2由多个测筒组合构成，根据蒸散发测筒2所起的作用，可将其划分为三种类型：包括蒸散发测筒2a、蒸发测筒2b、垂向通量测筒2c。蒸散发测筒2a内部具有不同种类原生植物2-5，蒸散发测筒2a可按需求进行数量扩展；蒸发测筒2b内部具有经处理后的植物2-15；垂向通量测筒2c内部具有经处理后的植物2-15，上设筒盖2-18。多蒸散发测筒2的应用可以实现多种植物的蒸散发量测以及结果校正。

所述每个蒸散发测筒2的规格相同，筒高1200mm，筒壁2-14厚1.5-2mm，筒口面积3000cm²，直径618mm，等同于标准E-601蒸发皿的面积和直径。筒壁2-14上距筒口300mm处留有直径20mm小孔，每个蒸散发测筒2的筒身均为三片式结构，即筒壁2-14按圆心角120度分为三片，各片筒壁2-14外侧设有把手2-9，各片筒壁2-14之间以大小套管嵌套连接，大套管2-19与小套管2-20间隙通过黄泥2-21浇灌密封，分片组装方式便于仪器的安装、拆卸及运输，并可根据实际需求进行数量、位置上的扩展，以满足监测不同植物种类蒸散发耗水量的需求，且能保证数据区域有效性及代表性，另考虑降雨影响，在补偿测筒顶部设置筒盖2-18。

所述的蒸散发测筒2内部设有支架2-2，筒壁2-14内侧支架2-2支点处设有竖向调节标尺2-4和多个螺栓2-3，支架2-2通过螺栓2-3固定在筒壁2-14内侧。根据竖向调节标尺2-4刻度，竖向调节标尺2-4的可调范围为0-200mm，调整螺栓2-3的位置使支架2-2平面与水面2-12保持平行。筒壁2-14上方设有筒壁预留孔2-6、通气孔2-13，下方设有通水孔2-7；所述传感器数据采集单元1中的压力传感器2-1固定在支架2-2中部，其连接线通过筒壁预留孔2-6与中央控制单元3相连。压力传感器2-1的探头垂直于水面2-12且位于其下方100～400mm处，并保持在淤泥面2-11以上；所述通水孔2-7通过紧固件2-8与软管2-10相连，软管2-10接入连通管，通过电磁阀打开连通管，使各测筒2内水位与自由水位保持一致；所述通气孔2-13调节垂向通量测筒2c内外大气压力，使筒盖2-18中收集的雨水通过连接筒盖通气孔2-16与测筒通气孔2-17的软管流入垂向通量测筒2c内。

所述传感器数据采集单元1由多个压力传感器2-1和一个多通道数据采集卡构成，压力传感器安装于测筒内的支架2-2上，多通道数据采集卡可同时采集多个压力传感器2-1量测数据，使用串口连接中央控制单元3，根据Modbus通信协议进行信息传输，可将各蒸散发测筒2内的水位信息量传输到中央控制单元3。

所述水位调节单元4包括多个管体，各管口一端与软管2-10相连，另一端与自然水体连通，管体中部位于水面以下且安装电磁阀，电磁阀与中央控制单元3的继电器驱动模块连接，通过中央控制单元3控制电磁阀的通断，根据连通器原理实现水位初值设定过程，同时，测筒内的压力传感器2-1通过多通道数据采集卡可将水位初值设定过程中的水位信息反映给中央控制单元3。

所述的中央控制单元3是集电源稳压模块、时钟模块、双MCU处理器模块、数据存储模块、显示模块、继电器驱动模块、串口通信模块于一体的PCB电路板，用于实现数据的定时采集、存储及远程交互功能。其中，电源稳压模块使用稳压芯片实现控制单元12-24VDC宽电压供电，时钟模块为中央控制单元3提供稳定可靠的时间信息，双MCU处理器模块根据时钟完成对整个控制单元的控制，数据存储模块对外提供大容量数据存储器接口，包括U盘接口、SD卡接口、TF卡接口，显示模块用于显示中央控制单元3的运行状态及蒸散发测筒2内的水位信息，双MCU处理器通过继电器驱动模块驱动继电器接通水位调节单元4可实现测筒内的水位调整，串口通信模块用于实现中央控制单元3与传感器数据采集单元1、远程发送单元6的交互。

所述远程发送单元6为GPRS DTU，通过信号接收天线7连接GPRS网络接入物联网8，并与远程端服务器9进行连接。

所述太阳能电源管理单元5由太阳能电池板、蓄电池和电源控制器构成，太阳能电源管理单元5对传感器数据采集单元1、压力传感器2-1、中央控制单元3、水位调节装置4、远程发送单元6供电，供电电压为12VDC和24VDC自动识别。整个系统采用太阳能电源管理单元供电，装置运行所需能源稳定、可靠，满足持续采样要求。

本发明的益处与优点在于：直接对原生状态的水生植物进行量测，不破坏植物的生长状态；压力传感器安装方式简单，分片式测筒结构投放容易，实验平台的搭建方便、易行；压力传感器和多通道数据采集卡可同时满足高精度的数据采集要求，数据传输稳定、可靠；中央控制单元结合传感器数据采集单元和远程发送单元可提供一种通用的数据采集和传输方案，只需更换传感器的类型，装置适用于多领域；整套装置运行功耗低，采用太阳能电源管理单元进行供电，能源稳定、可靠，后期维护成本低；远程端服务器发送指令码到装置的中央控制单元，可实现装置的远程控制；远程端服务器采用信息管理系统对数据进行分析处理，装置的智能化和信息化水平高。

附图说明

图1是多筒式湿地蒸散发分离监测装置整体示意图。

图2是内部具有挺水植物的蒸散发监测筒示意图。

图3是内部具有植物处理后只有水面的蒸散发监测筒示意图。

图4是加盖的蒸散发监测筒示意图。

图5是蒸散发测筒的俯视图。

图6是装置的硬件电路结构示意图。

图中：1数据采集单元；2蒸散发测筒；3中央控制单元；4水位调节单元；5太阳能电源管理单元；6远程发送单元；7信号接收天线；8物联网；9远程端服务器；2a蒸散发监测筒；2b蒸发监测筒；2c垂向通量监测筒；2-1压力传感器；2-2支架；2-3螺栓；2-4调节标尺；2-5原生植物；2-6筒壁预留孔；2-7通水孔；2-8紧固件；2-9把手；2-10软管；2-11淤泥面；2-12水面；2-13通气孔；2-14筒壁；2-15处理后的植物；2-16筒盖通气孔；2-17测筒通气孔；2-18筒盖；2-19大套管；2-20小套管；2-21黄泥。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

一种多筒式湿地蒸散发分离监测装置，主要包括传感器数据采集单元1、蒸散发测筒2、中央控制单元3、水位调节单元4、太阳能电源管理单元5、远程发送单元6、信号接收天线7、物联网8、远程端服务器9。所述的传感器数据采集单元1、中央控制单元3、远程发送单元6位于控制箱内部，信号接收天线7通过底部配设的强磁铁固定于控制箱顶部外壁。所述的中央控制单元3分别通过串口线与传感器数据采集单元1相连，根据Modbus通信协议进行信息传输，将各测筒内的水位信息量传输到中央控制单元3。中央控制单元3通过串口线与远程发送单元6相连，进行信息交互，远程发送单元6可通过信号接收天线7接入物联网8，通过TCP/IP协议与远程端服务器9进行连接。中央控制单元3通过继电器驱动模块控制水位调节单元4，实现蒸散发测筒2水位初值设定。所述的水位调节单元4与蒸散发测筒2通过管体连通，控制其内部水位，蒸散发测筒2内有原生植物2-5或经处理后的植物2-15。所述的太阳能电源管理单元5与传感器数据采集单元1、压力传感器2-1、中央控制单元3、水位调节装置4、远程发送单元6相连，对整个装置进行供电。蒸散发测筒包括三种状态：上部开口筒内为原生植物，上部开口筒内有处理植物杆茎的自由水面，上部密封带雨水收集装置筒内为常压的自由水面。测筒内通过可调节高度的三角支架将压力传感器固定于水下相同深度以实现原位测量，并通过各水位变化的补偿关系确定同一地点水面蒸发量、不同植物散发量和垂向通量。

本发明能实现与远程端服务器9的信息交互，即数据远程传输及系统控制，且根据时钟信号，中央控制单元3可驱动各模块自动完成水位初值设定、采样及休眠等任务。水位初值设定过程中，中央控制单元3连续与数据采集单元1信息交互，监测水位变化，实现各测筒2水位状态与自由水体水位一致。采样过程中，中央控制单元3通过Modbus协议获取经中位值滤波、限幅滤波预处理后的水位信息，根据补偿关系对比分析水下原位数据，实现多个测筒2的分离式组合监测。休眠过程中，中央控制单元3控制装置进入休眠状态，直至时钟到达其它工作状态时刻装置被唤醒。该装置以太阳能为电源，可实现在野外条件下长期稳定地监测水面蒸发量、不同种类植物散发量和垂向通量。具体实施步骤如下：

步骤1：据湿地的植物的具体分布情形，安装五个蒸散发测筒2。其中三个测筒为植物蒸散发测筒2a(如图2所示)，一个为内部植物经处理后的净水面蒸发测筒2b(如图3所示)，最后一个为内部植物经处理后的垂向通量测筒2c(如图4所示)。各蒸散发测筒2安装时，首先选择蒸散发测筒2的一片筒壁2-14按把手2-9压入淤泥面2-11以下，第二片筒壁2-14安装时先将大套管2-19套入第一片筒壁2-14小套管2-20中，第三片筒壁2-14以同样的方式安装，安装完成蒸散发测筒2后使用黄泥2-21密封大套管2-19与小套管2-20之间的缝隙，蒸散发测筒2的压入淤泥面2-11以下的深度为850mm。

步骤2：在各蒸散发测筒2内放入支架2-2，并将压力传感器2-1连接线通过筒壁预留孔2-6穿入嵌于支架2-2中进行固定。根据竖向调节标尺2-4刻度，调整三个螺栓2-3的位置使支架2-2平面与水面2-12保持平行，压力传感器2-1探头垂直于水面2-12且位于其下方100mm，上紧螺栓2-3使支架2-2固定。各蒸散发测筒2的压力传感器2-1安装完毕后，在垂向通量测筒2c(如图4所示)安装筒盖2-18，通气孔2-13可保持垂向通量测筒2c内外气压一致，筒盖2-18中收集的雨水可通过连接筒盖通气孔2-16及测筒通气孔2-17之间的软管流入垂向通量测筒2c内。

步骤3：各蒸散发测筒2的通水孔2-7插入软管2-10，使用紧固件2-8将软管2-10固定，各蒸散发测筒2软管2-10的另一端接入连通管，通过电磁阀打开连通管，使各测筒2内水位与自由水位保持一致。

步骤4：安装蒸散发测量装置控制箱，箱体内安装有空气开关、电源稳压器、多通道数据采集卡(传感器数据采集单元1)、中央控制单元3、远程发送单元6。空气开关负责控制箱体内各部分电源的通断，多通道数据采集卡连接多个压力传感器2-1并通过串口与中央控制单元3相连，中央控制单元3还通过串口连接远程发送单元6。远程发送单元6通过信号接收天线7接入物联网8，其信号接收天线7安装在控制箱顶部外侧。

步骤5：安装太阳能电源管理单元5，对传感器数据采集单元1、压力传感器2-1、中央控制单元3、水位调节装置4、远程发送单元6进行供电。

步骤6：查看中央控制单元3显示模块的时间信息，调整时间与北京时间一致，向中央控制单元3存储模块中插入已格式化完成的SD卡，重新启动中央控制单元3。

步骤7：配置控制箱中远程发送单元6，调整GPRS DTU的工作状态，并对远程端服务器9的IP及端口信息进行配置。

步骤8：控制箱调试完成后，启动装置进入自动工作状态。

步骤9：在数据采集一段时间后，运行远程端服务器9的信息管理系统，装置与远程端服务器9进行通信，实现数据的远程发送。数据按照采样时间逐条发送，在数据发送完毕后中央控制单元3发送预设指令提示远程端服务器9数据发送结束。采集数据永久保存在大容量存储器中，并经过加密处理，设备存储空间可保证约33年的数据存储要求。

最后应该说明：本说明书虽然通过具体的实施方式详细描述了本发明的具体结构，但是本领域的技术人员应该清楚，本发明并不局限于上述实施例的描述范围，在本专利的实质范围内，进行的各种修改和替换，都应属于本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种多筒式湿地蒸散发分离监测装置，其特征在于，所述的多筒式湿地蒸散发分离监测装置包括传感器数据采集单元(1)、蒸散发测筒(2)、中央控制单元(3)、水位调节单元(4)、太阳能电源管理单元(5)、远程发送单元(6)、信号接收天线(7)、物联网(8)、远程端服务器(9)；

所述的传感器数据采集单元(1)、中央控制单元(3)、远程发送单元(6)位于控制箱内部，信号接收天线(7)固定在控制箱顶部；所述的中央控制单元(3)通过串口线与传感器数据采集单元(1)相连，进行信息传输，将各测筒内的水位信息量传输到中央控制单元(3)；中央控制单元(3)通过串口线与远程发送单元(6)相连，进行信息交互，远程发送单元(6)通过信号接收天线(7)接入物联网(8)，通过TCP/IP协议与远程端服务器(9)进行连接；中央控制单元(3)通过继电器驱动模块控制水位调节单元(4)，实现蒸散发测筒(2)水位初值设定；所述的水位调节单元(4)与蒸散发测筒(2)通过管体连通，控制其内部水位；所述的太阳能电源管理单元(5)对整个装置进行供电；

所述的蒸散发测筒(2)由多个测筒组合构成，根据蒸散发测筒(2)所起的作用，将其划分为三种类型：包括蒸散发测筒(2a)、蒸发测筒(2b)、垂向通量测筒(2c)；蒸散发测筒(2a)内部具有不同种类原生植物(2-5)，蒸散发测筒(2a)按需求进行数量扩展；蒸发测筒(2b)内部具有经处理后的植物(2-15)；垂向通量测筒(2c)内部具有经处理后的植物(2-15)，且上设筒盖(2-18)；多蒸散发测筒(2)的应用可以实现多种植物的蒸散发量测以及结果校正；

所述每个蒸散发测筒(2)的筒身均为三片式结构，各片筒壁(2-14)外侧设有把手(2-9)，各片筒壁(2-14)之间以大小套管嵌套连接，大小套管间隙通过黄泥(2-21)浇灌密封；所述的蒸散发测筒(2)内部设有支架(2-2)，支架(2-2)的支点处设有竖向调节标尺(2-4)和多个螺栓(2-3)，支架(2-2)通过螺栓(2-3)固定在筒壁(2-14)内侧；根据竖向调节标尺(2-4)刻度，调整支架(2-2)与螺栓(2-3)的位置，使支架(2-2)平面与水面(2-12)保持平行；筒壁(2-14)上方设有筒壁预留孔(2-6)、通气孔(2-13)，下方设有通水孔(2-7)；所述传感器数据采集单元(1)中的压力传感器(2-1)固定在支架(2-2)中部，并与中央控制单元(3)相连；压力传感器(2-1)的探头垂直于水面(2-12)且位于其下方处，并保持在淤泥面(2-11)以上；所述通水孔(2-7)与软管(2-10)相连，软管(2-10)接入连通管，通过电磁阀打开连通管，使各测筒内水位与自由水位保持一致；所述通气孔(2-13)调节垂向通量测筒(2c)内外大气压力，使筒盖(2-18)中收集的雨水流入垂向通量测筒(2c)内。

2.根据权利要求1所述的一种多筒式湿地蒸散发分离监测装置，其特征在于，所述的中央控制单元(3)是集电源稳压模块、时钟模块、双MCU处理器模块、数据存储模块、显示模块、继电器驱动模块、串口通信模块于一体的PCB电路板，用于实现数据的定时采集、存储及远程交互功能。

3.根据权利要求1或2所述的一种多筒式湿地蒸散发分离监测装置，其特征在于，所述水位调节单元(4)包括多个管体，各管口一端与软管(2-10)相连，另一端与自然水体连通，管体中部位于水面以下且安装电磁阀，电磁阀与中央控制单元(3)的继电器驱动模块连接，通过中央控制单元(3)控制电磁阀的通断，根据连通器原理实现水位初值设定过程，同时，测筒内的压力传感器(2-1)通过多通道数据采集卡可将水位初值设定过程中的水位信息反映给中央控制单元(3)。

4.根据权利要求1或2所述的一种多筒式湿地蒸散发分离监测装置，其特征在于，所述每个蒸散发测筒(2)的规格相同，筒高1200mm，筒壁(2-14)厚1.5-2mm，筒口面积3000cm²，直径618mm，等同于标准E-601蒸发皿的面积和直径。

5.根据权利要求3所述的一种多筒式湿地蒸散发分离监测装置，其特征在于，所述每个蒸散发测筒(2)的规格相同，筒高1200mm，筒壁(2-14)厚1.5-2mm，筒口面积3000cm²，直径618mm，等同于标准E-601蒸发皿的面积和直径。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种多筒式湿地蒸散发分离监测装置，其特征在于，所述的竖向调节标尺(2-4)的可调范围为0-200mm。

7.根据权利要求3所述的一种多筒式湿地蒸散发分离监测装置，其特征在于，所述的竖向调节标尺(2-4)的可调范围为0-200mm。

8.根据权利要求4所述的一种多筒式湿地蒸散发分离监测装置，其特征在于，所述的竖向调节标尺(2-4)的可调范围为0-200mm。