CN108827405A - 农业面源污染径流监测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农业面源污染径流监测装置与方法。所述装置包括控制系统和采样容器，其中控制系统包括雨量传感器、流量计和进水口，其中，雨量传感器连接流量计，当雨量传感器监测到溶液流过后，开启流量计；流量计连接至进水口，控制进水口开闭；进水口连通采样容器，溶液通过进水口流入采样容器。利用本发明提供的农业面源污染径流监测装置与方法，能够克服现有技术耗时、费力和无法自动、连续采样的问题，为农业面源污染防治和生态环境保护提供可靠参考和创造有利时机。

Description

农业面源污染径流监测装置与方法

技术领域

本发明属于农业科技领域，特别是涉及到农业面源污染的监测和防控技术。

背景技术

农田面源污染是导致水质环境恶化的主要原因之一。农田面源污染的产生是由自然过程引发的，并在人类活动影响下不断强化。降雨径流过程是造成面源污染的最主要的自然原因。土地利用方式、农田耕作、农事活动、田间水肥管理、地形地貌、土壤植被和气候、水文特征等都会影响面源污染的产生。尤其是农田的化肥施用，过度施用的化肥随降雨过程经径流流入水沟，进而流入河流，增加农业生产的同时对水体环境造成了巨大的危害。面源污染的排放具有间隙性和偶然性，面源污染的产生具有复杂性和随机性。同时，农民施用氮肥中的氨挥发进入大气，通过降雨返回地面，一部分被作物吸收或留在土壤中，另一部分进入地表水增加水体的氮素负荷；氮肥的使用会使土壤中硝酸盐增加，一部分硝酸盐随径流入江河、湖泊，被浇灌的植物将会吸收到叶、茎、根和花中，人体实用含硝酸盐植物后，硝酸盐在人体胃中被还原成有毒物质亚硝酸盐，危害人体健康；肥料等经径流进入水体，造成自然界水体富营养化，将会造成水体中细菌、藻类大量繁殖，严重影响水质。因此，连续而准确的监测土壤径流溶液中污染物量，不仅有利于明确农田面源污染对水体环境的污染贡献，而且有助于指导农民合理施用化肥农药，从而减少农业面源污染对水体环境及人体健康造成的危害。

如图1所示，农田的污染物随着雨水和径流冲刷先分散进入水沟，然后水沟的水流进河流、水库或湖泊，造成大面积污染。因此，需要监测农田中的水流向水沟的量，就是上图中红圈处，从而明确农田面源污染造成的水体污染贡献。需要设计一个自动取水装置，通过计算收集到的农田向水沟排出的污染物，再减去降雨中的污染物，从而计算得到农田面源污染贡献。但是，现有技术中并没有一种有效的监测手段能够收集到农田向水沟排出的污染物，因此污染难以得到防治。

目前，农业面源污染径流溶液监测采用在田间设置径流池、采用人工采样方法：采样前，用洁净工具充分搅匀径流池中的径流水，然后用取样瓶在径流池不同部位、不同深度多点采样(至少8点)，将多点采集的水样充分混匀后放到冰柜冷冻保存，待整个作物生长完成后送样检测，采用这种方法耗时、费力、采样周期长，无法及时处理农业生产中导致的面源污染问题。此外，已公布的“一种地表径流装置及其使用方法”发明专利中，公布了一种包括收集器、导水管和容量器的地表径流采集装置，但该装置只能一次性采样且不适用连续的高频率径流监测。

发明内容

为解决现有技术中的技术问题，本发明中提出了一种农业面源污染径流监测装置与方法，能够克服现有技术耗时、费力和无法自动、连续采样的问题，为农业面源污染防治和生态环境保护提供可靠参考和创造有利时机。

为了实现这一目标，本发明采取了如下的技术方案。

一种农业面源污染径流监测装置，所述装置包括控制系统和采样容器，其中控制系统包括雨量传感器、流量计和进水口，其中，

雨量传感器连接流量计，当雨量传感器监测到溶液流过后，开启流量计；

流量计连接至进水口，控制进水口开闭；

进水口连通采样容器，溶液通过进水口流入采样容器。

其中所述农业面源污染径流监测装置的控制系统还包括定时器，所述定时器连接至雨量传感器和流量计，当雨量传感器监测到溶液流过时，根据溶液的流量大小确定采样时间间隔，随后定时器根据采样时间间隔定时开启流量计。

另外，所述流量计包括电磁阀，流量计检测到预定流量的溶液流入进水口时，通过所述电磁阀关闭进水口。

另外，所述农业面源污染径流监测装置还包括存储模块，所述存储模块连接至定时器和流量计，用于存储采样时间间隔。

特别地所述农业面源污染径流监测装置还包括提醒模块，提醒模块与流量计相连，位于控制系统的下部，用于当采样过程完成后，发出提醒警示音。

所述农业面源污染径流监测装置还包括太阳能电池模块，所述太阳能电池模块位于控制系统的中上部，所述雨量传感器位于太阳能电池模块上面，所述流量计和进水口位于太阳能电池模块的中部，定时器、存储模块和提醒模块位于太阳能电池模块之下，太阳能电池模块用于为控制系统提供电力。

所述农业面源污染径流监测装置的采样容器包括七个采样容器，所述七个采样容器为第七采样容器至第一采样容器，从上到下依次摆放，进水口的底端插入第七采样容器的顶端；相邻采样容器之间具有活动隔板，所述活动隔板连接至流量计，当流量计检测到流入采样容器的溶液的流量达到预定量时，依次关闭七个采样容器之间的活动隔板。

一种农业面源污染径流监测方法，所述方法包括步骤：

A、在农业面源污染径流监测点地下40厘米处以及地表面分别设置农业面源污染径流监测装置；

B、分别利用农业面源污染径流监测点地下40厘米处以及地表面设置的农业面源污染径流监测装置采集径流监测点样本。

其中，所述步骤B中进一步包括：

B1、当雨量传感器监测到溶液流过时，根据溶液的流量大小选择采样时间间隔，随后定时器根据采样时间间隔定时开启流量计；

B2、流量计检测到预定流量的溶液流入进水口时，通过所述电磁阀关闭进水口，以停止溶液进入采样容器，直至下一个采样时间间隔经过后流量计被打开时，再次打开进水口；

另外，所述步骤B2之后，进一步包括：

B3、当所有的采样容器均采集满时，利用提醒模块发出提醒警示音。

这样，通过采用本发明的农业面源污染径流监测装置与方法，可以实现对农田径流溶液的自动采集过程。相比于现有技术，本发明所述的方法和装置具有准确采集、高频取样、自动提醒和记录功能，避免了人工采样、取样的不准确性和不连续性。

附图说明

图1为发生农业面源污染的原理示意图。

图2为根据本发明具体实施方式中设置农业面源污染径流监测装置的方式的示意图。

图3为根据本发明具体实施方式中农业面源污染径流监测装置的结构示意图。

图4为根据本发明具体实施方式中农业面源污染径流监测装置中控制系统的结构示意图。

图5为根据本发明具体实施方式中农业面源污染径流监测装置中控制系统的结构示意图。

图6为根据本发明具体实施方式中农业面源污染径流监测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。

图2为根据本发明具体实施方式中设置农业面源污染径流监测装置的方式的示意图。如图2所示，农田101连接至径流102，径流102会汇流至水沟104，在径流102进入水沟104处为农业面源污染径流监测点103，也就是本发明具体实施方式中设置农业面源污染径流监测装置的地点。

在本发明具体实施方式中，分别在在农业面源污染径流监测点103的地下40厘米处以及地表面设置农业面源污染径流监测装置；这样通过地下40厘米处采样到的溶液的氮的总通量，减去地表面处采样到的氮的总通量(该氮的总通量实际由降雨样本所产生)，就能够获得农业面源污染径流产生的氮的总通量。

图3为根据本发明具体实施方式中农业面源污染径流监测装置的结构示意图。图4为根据本发明具体实施方式中农业面源污染径流监测装置中控制系统的结构示意图。而图5为根据本发明具体实施方式中农业面源污染径流监测装置中控制系统的结构示意图。下面结合图3、图4和图5来说明本发明具体实施方式中农业面源污染径流监测装置的结构。

如图3所示，所述农业面源污染径流监测装置包括控制系统201和采样容器202～208，如图4和图5所示，其中控制系统201包括雨量传感器304、流量计303和进水口302，其中，

雨量传感器304连接流量计303，当雨量传感器304监测到溶液流过后，开启流量计303；

流量计303连接至进水口302，控制进水口302的开闭；

进水口302连通采样容器202～208，溶液通过进水口302流入采样容器202～208。

特别地，所述采样容器为PVC塑料制备，长度为8厘米，宽度为5厘米，高度为5厘米，因此采样容器202～208中的每一个的容积为200毫升。全部采样容器202～208的高度为35厘米，长度为8厘米，宽度为5厘米。

本发明另一具体实施方式中，所述农业面源污染径流监测装置的控制系统201还包括定时器305，所述定时器305连接至雨量传感器304和流量计303，当雨量传感器304监测到溶液流过时，根据溶液的流量大小确定采样时间间隔，随后定时器305根据采样时间间隔定时开启流量计303。

利用雨量传感器304监测根据溶液的流量大小确定采样时间间隔的原理是：当流量大时，判断为雨量较大，因此预测到收集满采样容器202～208较为迅速，为此可以选择较长的采样时间间隔，以尽量使得不同采样容器202～208采集到的溶液有所区别。而当溶液流量较小时，判断为雨量较小，这样可以选择较短的采样时间间隔，优先保证采样容器202～208都能采集到足够的溶液。

本发明另一具体实施方式中，所述流量计303包括电磁阀，流量计303检测到预定流量的溶液流入进水口302时，通过所述电磁阀关闭进水口302。例如，当流量计303检测到预定流量为200毫升的溶液流入进水口302时，判断采样容器202～208中的一个已经采集满，这时可以关闭进水口302，直至下次采样时间间隔到来时，再打开进水口302。

其中，所述进水口302用于向采样容器202～208灌入溶液，其位于控制系统201的中部，直径为1厘米，高度为3厘米，进水口302的顶端略低于控制系统的上表面，底端进入采样容器202。

通过电磁阀来关闭或开启进水口302，能够自由控制进入采样容器202～208的溶液的量。

本发明另一具体实施方式中，所述农业面源污染径流监测装置还包括存储模块306，所述存储模块306连接至定时器305和流量计303，用于存储采样时间间隔。

特别地，本发明另一具体实施方式中，所述农业面源污染径流监测装置还包括提醒模块307，提醒模块307与流量计303相连，位于控制系统201的下部，用于当采样过程完成后，发出提醒警示音。

特别地，本发明另一具体实施方式中，所述农业面源污染径流监测装置还包括太阳能电池模块308，所述太阳能电池模块308位于控制系统201的中上部，所述雨量传感器304位于太阳能电池模块308上面，所述流量计303和进水口302位于太阳能电池模块308的中部，定时器305、存储模块306和提醒模块307位于太阳能电池模块308之下，太阳能电池模块308用于为控制系统201提供电力。

所述雨量传感器304位于太阳能电池模块308上面，这样雨量传感器304能够充分地监测溶液的流量。而所述流量计303和进水口302位于太阳能电池模块308的中部，这样可以让溶液顺利地进入采样容器202～208；定时器305、存储模块306和提醒模块307位于太阳能电池模块308之下，可以使得这些单元避免被溶液污染。

如图4或者图5所示，所属控制系统201的形状基本上为圆柱形，特别地，直径为5厘米，高度为3厘米。

所述农业面源污染径流监测装置的采样容器包括七个采样容器202～208，所述七个采样容器202～208为第七采样容器202至第一采样容器208，从上到下依次摆放，进水口302的底端插入第七采样容器202的顶端；七个采样容器202～208中相邻采样容器之间具有活动隔板209，所述活动隔板209连接至流量计303，当流量计303检测到流入采样容器的溶液的流量达到预定量时，依次关闭七个采样容器202～208之间的活动隔板209。

这样，首先流量计303检测到流入200毫升溶液后，判断为已采集满第一采样容器208，因此关闭第一采样容器208和第二采样容器207之间的活动隔板，第一采样容器208采样完成。接下来经过采样时间间隔后，再次开启进水口302，再接着流量计303检测到流入200毫升溶液后，判断为已采集满第二采样容器207，因此关闭第二采样容器207和第三采样容器206之间的活动隔板，第二采样容器208也采样完成，依次采样，直至七个采样容器202～208全部采样完成。

如图6所示，与本发明的农业面源污染径流监测相对应或者相关，本发明具体实施方式中公开了一种农业面源污染径流监测方法，所述方法包括步骤：

A、在农业面源污染径流监测点地下40厘米处以及地表面分别设置农业面源污染径流监测装置；

B、分别利用农业面源污染径流监测点地下40厘米处以及地表面设置的农业面源污染径流监测装置采集径流监测点样本。

其中，所述步骤B中进一步包括：

B1、当雨量传感器监测到溶液流过时，根据溶液的流量大小选择采样时间间隔，随后定时器根据采样时间间隔定时开启流量计；

B2、流量计检测到预定流量的溶液流入进水口时，通过所述电磁阀关闭进水口，以停止溶液进入采样容器，直至下一个采样时间间隔经过后流量计被打开时，再次打开进水口；

另外，所述步骤B2之后，进一步包括：

B3、当所有的采样容器均采集满时，利用提醒模块发出提醒警示音。

分别对采集的径流样本和降雨样本进行理化分析，分别计算获得径流样本和降雨样本中的氮通量，通过各自7个样品点可分析获得整个降雨过程氮的总通量，将径流样本的氮总通量减去降雨样本的氮总通量，即可获得农田面源污染径流产生氮的总通量。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本说明书所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本说明书所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种农业面源污染径流监测装置，所述装置包括控制系统和采样容器，其中控制系统包括雨量传感器、流量计和进水口，其中，

雨量传感器连接流量计，当雨量传感器监测到溶液流过后，开启流量计；

流量计连接至进水口，控制进水口开闭；

进水口连通采样容器，溶液通过进水口流入采样容器。

2.根据权利要求1中所述的农业面源污染径流监测装置，其特征在于，所述控制系统还包括定时器，所述定时器连接至雨量传感器和流量计，当雨量传感器监测到溶液流过时，根据溶液的流量大小确定采样时间间隔，随后定时器根据采样时间间隔定时开启流量计。

3.根据权利要求2中所述的农业面源污染径流监测装置，其特征在于，所述流量计包括电磁阀，流量计检测到预定流量的溶液流入进水口时，通过所述电磁阀关闭进水口。

4.根据权利要求2中所述的农业面源污染径流监测装置，其特征在于，所述装置还包括存储模块，所述存储模块连接至定时器和流量计，用于存储采样时间间隔。

5.根据权利要求4中所述的农业面源污染径流监测装置，其特征在于，所述装置还包括提醒模块，提醒模块与流量计相连，位于控制系统的下部，用于当采样过程完成后，发出提醒警示音。

6.根据权利要求5中所述的农业面源污染径流监测装置，其特征在于，所述装置还包括太阳能电池模块，所述太阳能电池模块位于控制系统的中上部，所述雨量传感器位于太阳能电池模块上面，所述流量计和进水口位于太阳能电池模块的中部，定时器、存储模块和提醒模块位于太阳能电池模块之下，太阳能电池模块用于为控制系统提供电力。

7.根据权利要求1中所述的农业面源污染径流监测装置，其特征在于，所述采样容器包括七个采样容器，所述七个采样容器为第七采样容器至第一采样容器，从上到下依次摆放，进水口的底端插入第七采样容器的顶端；相邻采样容器之间具有活动隔板，所述活动隔板连接至流量计，当流量计检测到流入采样容器的溶液的流量达到预定量时，依次关闭七个采样容器之间的活动隔板。

8.一种农业面源污染径流监测方法，所述方法包括步骤：

A、在农业面源污染径流监测点地下40厘米处以及地表面分别设置农业面源污染径流监测装置；

B、分别利用农业面源污染径流监测点地下40厘米处以及地表面设置的农业面源污染径流监测装置采集径流监测点样本。

9.根据权利要求8中所述的农业面源污染径流监测方法，其特征在于，所述步骤B中进一步包括：

B1、当雨量传感器监测到溶液流过时，根据溶液的流量大小选择采样时间间隔，随后定时器根据采样时间间隔定时开启流量计；

B2、流量计检测到预定流量的溶液流入进水口时，通过电磁阀关闭进水口，以停止溶液进入采样容器，直至下一个采样时间间隔经过后流量计被开启时，再次打开进水口。

10.根据权利要求9中所述的农业面源污染径流监测方法，其特征在于，所述步骤B2之后，进一步包括：

B3、当所有的采样容器均采集满时，利用提醒模块发出提醒警示音。