CN108709771A - 用于农业面源污染监测的连续性水样采集器及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于农业面源污染监测的连续性水样采集器及其监测方法，将取样点断面数据输入单片机，单片机根据水位流量关系以及水位传感器测得的实时水位数据计算得到实时断面流量，根据设定的取样比计算出实时取样流量，并转换为脉冲频率控制调速蠕动泵的实时取样速率，水样最终流入集水瓶中。本发明结构简单、工作可靠、取样准确、成本较低，能根据区域水流动态连续取样，使采集的水量在时间上的微分即采集器集水速率与农田排水口流量呈正比例函数关系，使所取水样更能代表取样时间内的水体整体状况，从而计算得到排水口的污染物的排放浓度和排放总量。

Description

用于农业面源污染监测的连续性水样采集器及其监测方法

技术领域

本发明涉及农业面源污染监控领域，具体涉及一种连续性水样采集器及其监测方法。

背景技术

以农业面源污染监控为例，在某个监测点，一次降雨或农田排水过后，农业面源排放过程中，其排水量是动态变化的，同时排水中污染物浓度也是变化的。如何准确的获得一次排水过程的污染排放量需要连续监测排放水量及其中的浓度，这就需要非常频繁的取样。一些研究者在选取污染物监测采样频率的时候比较随意，而且常常没有统计学依据，而另一些研究者试图找到一个合适的监测采样频率来建立一个能广泛使用的水质监测程序，但由于研究条件的不同，往往得到不同的结果。因此，到目前为止，学界对于农田面源污染过程的监测程序还没有一个统一的认识。

面源污染物化验分析需要实地定时采样，而目前常用的离散型的定时采样机制不能应对面源污染物浓度随时间变化的不确定性。如在一次降雨过程中，农田的排水口流量、污染物浓度均随时间做不确定性变化，若采用定时取样方式，则只能了解污染物浓度变化过程，无法测算污染物总量。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提出一种用于农业面源污染监测的连续性水样采集器及其监测方法，使所取水样能最大程度代表取样区域水体的真实情况。

技术方案：本发明提供了一种用于农业面源污染监测的连续性水样采集器，包括置于受纳水体中的水位传感器、与水位传感器相连的单片机、连接单片机的调速蠕动泵以及连接调速蠕动泵的集水瓶。

进一步，所述水位传感器可由流速传感器代替。

一种用于农业面源污染监测的连续性水样采集器的监测方法，将取样点断面数据输入单片机，单片机根据水位流量关系以及水位传感器测得的实时水位数据计算得到实时断面流量，根据设定的取样比计算出实时取样流量，并转换为脉冲频率控制调速蠕动泵的实时取样速率，水样最终流入集水瓶中。

进一步，对于规则过水断面，输入单片机的取样点断面数据包括断面的形状、尺寸、沟道的底坡和糙率，单片机根据以下水位流量关系计算得到实时断面流量：

式中，q_实为实时断面流量(m³/s)，i为底坡，A为断面面积(m²)，R为湿周(m)，n为糙率。

进一步，对于不同的规则过水断面，向单片机输入对应的取样点断面数据得到断面面积A和湿周R代入水位流量关系：

对于矩形断面，输入断面底宽b，得到：

A＝bh

对于梯形断面，输入断面底宽b和边坡系数m，得到：

A＝(b+mh)h

进一步，对于不规则断水面，向单片机设定水位流量关系q_实-h，单片机通过水位传感器测得的实时水位数据h计算得到实时断面流量q_实。

进一步，对于测流堰的沟渠，选择不同流堰的类型，向单片机输入对应的流堰参数，单片机根据对应堰形的水位流量关系和水位传感器测得的实时水位数据计算得到实时断面流量计算断面实时流量：

对于矩形薄壁堰，输入矩形堰的宽度B和堰顶高度a，计算得到：

式中，m₀为流量系数，由实时水位数据h和堰顶高度a确定，g为重力加速度；

对于二角形薄壁堰，输入堰口夹角θ和堰顶高度a，计算得到：

式中，α为比例系数，由堰口夹角θ确定；θ为90°时，C近似取1.4。

进一步，当所述水位传感器由流速传感器代替时，单片机根据流速传感器采集的实时流速v结合断面形状计算得到过水断面实时流量：

q_实＝v·A

式中，q_实为实时断面流量，A为断面面积。

进一步，由于调速蠕动泵的实时取样流量q_样与过水断面的实时断面流量q_实始终呈固定正比，且Q_样＝∫q_样dt、Q_实＝∫q_实dt，Q_样为取样水体体积，Q_实为断面过流水体积，因此，集水瓶在一段时间内采集的取样水体体积与该断面的断面过流水体积同样满足固定比例关系：

Q_实＝Q_样/k

一段时间内过流断面某物质排放总量M_总为集水瓶中该物质混合浓度C_ave与该断面过流水体积Q_实之积，可计算水体中某物质总量M_总为：

M_总＝C_aveQ_实。

有益效果：本发明结构简单、工作可靠、取样准确、成本较低，能根据区域水流动态连续取样，使采集的水量在时间上的微分即采集器集水速率与农田排水口流量呈正比例函数关系，使所取水样更能代表取样时间内的水体整体状况，从而计算得到排水口的污染物的排放浓度和排放总量。

附图说明

图1为本发明连续性水样采集器的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

传统的水体采样方法中，对于水体中某污染物，理论上估算排放总量方法为：

式中，n为一段排水时间内传统方法取样次数，q_i为第i时段内过水断面平均流量，t_i为i时段时长，C_i为i时段内过水断面水体某物质平均浓度。

该方法存在的问题在于q_i与C_i无法准确代表i时段内的过水断面平均流量与水体某物质平均浓度；其次需要化验分析的样品多达n个，工作量巨大。

本实施例一种用于农业面源污染监测的连续性水样采集器，如图1所示，包括置于受纳水体中的水位传感器1、与水位传感器1相连的单片机2、连接单片机2的调速蠕动泵3以及连接调速蠕动泵3的集水瓶4，调速蠕动泵3具有电源6。用户通过控制面板5输入取样点断面数据给单片机2，单片机2根据水位流量关系以及水位传感器1测得的实时水位数据计算得到实时断面流量，根据设定的取样比计算出实时取样流量，并转换为脉冲频率控制调速蠕动泵3的实时取样速率，水样最终流入集水瓶4中，整个过程根据水流变化连续动态取样。

由于蠕动泵取样流量与过水断面流量比例固定，因此一段时间内集水瓶4中的混合水样各物质浓度与断面过流水体混合后各物质浓度相等，且根据集水瓶4中水体体积结合取样流量与断面过水流量比例，可计算过水断面在该时段内的过水总量。根据集水瓶4中某物质混合浓度，乘以过水断面的该时段过水总量，即可计算该时段内，该物质的总排放量。

本实施例以取样点断面为梯形断面进行说明：

①用户通过控制面板5输入取样点断面为梯形断面，底宽b＝1.5m，边坡系数m＝1.0，沟道底坡i＝0.0002，糙率n＝0.0275，取样比k＝0.00002‰；

②点击开始后，单片机2根据水位传感器1测得的水位数据h和用户输入的参数，计算实时断面流量q_实：

A＝(b+mh)h

q_样＝kq_实

计算实时断面流量q_实和取样流量q_样，计算过程如表1：

表1水位流量计算表

③单片机2将实时取样流量转换为脉冲频率控制调速蠕动泵3的电机实时调整取样速率，水样最终流入集水瓶4中，一段时间(8h)后，停止采样。

④将样品取回实验室化验分析，测得样品总体积为428.2ml，NH₄ ⁺-N含量0.04mg/L，即可计算出沟道内8h时内共排放污水：

Q_实＝Q_样/k＝428.2×10^-6/(0.00002×10^-3)＝21410m³

共排放NH₄ ⁺-N：

M_总＝C_aveQ_实＝0.04×10^-3×21410＝0.856kg

Claims (9)

1.一种用于农业面源污染监测的连续性水样采集器，其特征在于：包括置于受纳水体中的水位传感器、与水位传感器相连的单片机、连接单片机的调速蠕动泵以及连接调速蠕动泵的集水瓶。

2.根据权利要求1所述的用于农业面源污染监测的连续性水样采集器，其特征在于：所述水位传感器可由流速传感器代替。

3.一种用于农业面源污染监测的连续性水样采集器的监测方法：将取样点断面数据输入单片机，单片机根据水位流量关系以及水位传感器测得的实时水位数据计算得到实时断面流量，根据设定的取样比计算出实时取样流量，并转换为脉冲频率控制调速蠕动泵的实时取样速率，水样最终流入集水瓶中。

4.根据权利要求3所述的用于农业面源污染监测的连续性水样采集器的监测方法，其特征在于：对于规则过水断面，输入单片机的取样点断面数据包括断面的形状、尺寸、沟道的底坡和糙率，单片机根据以下水位流量关系计算得到实时断面流量：

式中，q_实为实时断面流量，i为底坡，A为断面面积，R为湿周，n为糙率。

5.根据权利要求4所述的用于农业面源污染监测的连续性水样采集器的监测方法，其特征在于：对于不同的规则过水断面，向单片机输入对应的取样点断面数据得到断面面积A和湿周R代入水位流量关系：

对于矩形断面，输入断面底宽b，得到：

A＝bh

对于梯形断面，输入断面底宽b和边坡系数m，得到：

A＝(b+mh)h

6.根据权利要求3所述的用于农业面源污染监测的连续性水样采集器的监测方法，其特征在于：对于不规则断水面，向单片机设定水位流量关系q_实-h，单片机通过水位传感器测得的实时水位数据h计算得到实时断面流量q_实。

7.根据权利要求3所述的用于农业面源污染监测的连续性水样采集器的监测方法，其特征在于：对于测流堰的沟渠，选择不同流堰的类型，向单片机输入对应的流堰参数，单片机根据对应堰形的水位流量关系和水位传感器测得的实时水位数据计算得到实时断面流量计算断面实时流量：

对于矩形薄壁堰，输入矩形堰的宽度B和堰顶高度a，计算得到：

式中，m₀为流量系数，由实时水位数据h和堰顶高度a确定，g为重力加速度；

对于三角形薄壁堰，输入堰口夹角θ和堰顶高度a，计算得到：

式中，α为比例系数，由堰口夹角θ确定；θ为90°时，C近似取1.4。

8.根据权利要求3所述的用于农业面源污染监测的连续性水样采集器的监测方法，其特征在于：当所述水位传感器由流速传感器代替时，单片机根据流速传感器采集的实时流速v结合断面形状计算得到过水断面实时流量：

q_实＝v·A

式中，q_实为实时断面流量，A为断面面积。

9.根据权利要求3所述的用于农业面源污染监测的连续性水样采集器的监测方法，其特征在于：由于调速蠕动泵的实时取样流量q_样与过水断面的实时断面流量q_实始终呈固定正比，且Q_样＝∫q_样dt、Q_实＝∫q_实dt，Q_样为取样水体体积，Q_实为断面过流水体积，因此，集水瓶在一段时间内采集的取样水体体积与该断面的断面过流水体积同样满足固定比例关系：

Q_实＝Q_样/k

一段时间内过流断面某物质排放总量M_总为集水瓶中该物质混合浓度C_ave与该断面过流水体积Q_实之积，可计算水体中某物质总量M_总为：

M_总＝C_aveQ_实。