CN108956950A - 一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统 - Google Patents

一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统 Download PDF

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刘姗姗
严登华
史婉丽
翁白莎
王浩
何珊
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Abstract

本发明公开一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统，包括：用于监测实验小区雨量及降雨过程的雨量监测子系统(10)；用于监测实验小区产流量的流量监测子系统(20)；用于实验小区出流口取样的径流取样子系统(30)；用于实验小区土壤水取样的土壤水取样子系统(40)；用于监测面源污染指标的面源污染监测子系统(50)，与径流取样子系统(30)和所述土壤水取样子系统(40)相连接以获取样品来监测面源污染指标；用于监测垄沟高度及深度变化的垄沟高程监测子系统(60)；控制子系统(70)，用于对各子系统进行控制及从各子系统获取数据并对数据进行处理；以及用于为各子系统提供电力供应的供电系统(80)。

Description

一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统
技术领域
本发明涉及农业面源污染监测，更具体地，涉及一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统。
背景技术
我国现有坡耕地面积为3.59亿亩，其中97％的坡耕地分布在水力侵蚀区；坡耕地年均土壤流失量达14.15亿吨，约占全国土壤流失总量的1/3。垄沟耕作改变了坡耕地单元的微地貌特征，进而影响到坡耕地的降雨产流特性和化肥、农药的流失过程，但目前缺少针对坡耕地的面源污染实时监测系统。
发明内容
本发明的目的在于为研究垄沟布局对降雨产流和面源污染产生过程提供一种面源污染实时监测系统，为研究坡耕地面源污染问题提供技术支撑。
本发明的目的在于为研究垄沟布局对降雨产流和面源污染产生过程提供一种面源污染实时监测系统，对坡耕地农田面源污染实现自动实时监测。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统，包括：
用于监测实验小区雨量及降雨过程的雨量自动监测子系统，所述雨量监测子系统将自动监测的数据传输给所述控制子系统；
用于监测实验小区产流量的水沙混合物体积自动监测子系统，包括：用于收集实验小区水沙混合物的收集箱，用于读取收集箱中水沙混合物体积变化过程并将数据传输给控制子系统的水量监测设备；
用于实验小区出流口取样的径流自动取样子系统，所述径流取样子系统安装在实验小区出流口一侧，通过其控制系统设定取样间隔，取径流水样后通过0.45μm微孔膜将水样与泥沙分离后传输给面源污染自动监测子系统，进行径流水样面源污染指标监测；
用于实验小区土壤水取样的土壤水自动取样子系统，通过将取样装置埋设在实验小区土壤中，定时取土壤水样，传输给面源污染实时监测子系统进行面源污染指标监测；
用于监测面源污染指标的面源污染自动监测子系统，包括接收样品模块、试剂模块、监测模块、数据处理及存储模块，所述控制子系统将径流和土壤水测试的面源污染指标传达给所述面源污染自动监测子系统后，所述面源污染自动监测子系统对接收的径流和土壤水面源污染指标进行监测；
用于监测垄沟高度及深度变化的垄沟高程自动监测子系统，通过将监测探头埋设在预定的垄上和沟中，定时读取数据，传输给控制子系统；
用于对各子系统进行控制及数据处理的控制子系统，属于该系统的核心子系统，接收雨量自动监测子系统后，对其他各子系统发出开始监测指令，记录各子系统的工作日志，对各子系统传输的数据进行储存和处理，并将数据通过无线网络传输回终端设备；以及
用于为各子系统提供电量供应的太阳能供电子系统。
在一实施例中，所述太阳能供电子系统用于将太阳的辐射能转换成电能，存蓄在各系统蓄电池中或直接供给各子系统。在一优选实施例中，各子系统均配备蓄电池，并可支持蓄电池和太阳能供电两种用电方式。
在另一实施例中，所述雨量监测子系统、流量监测子系统、径流取样子系统、土壤水取样子系统、垄沟高程自动监测子系统各自配备独立的太阳能供电系统。
附图说明
在下文中将参照附图更完全地描述本发明的一些示例实施例；然而，本发明可以以不同的形式体现，不应当被认为限于本文所提出的实施例。相反，附图与说明书一起例示本发明的一些示例实施例，并用于解释本发明的原理和方面。
在图中，为了例示清楚，尺寸可能被夸大。贯穿全文，相同的附图标记指代相同的元件。
图1示意性示出根据本发明的一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统的结构图。
其中：S：实验小区(坡耕地径流小区)；1：垄:2：沟；10：雨量监测子系统；20：流量监测子系统；21：集流槽；22：导流槽；30：径流取样子系统；40：土壤水取样子系统；50：面源污染监测子系统；60：垄沟高程监测子系统；70：控制子系统；80：供电系统。
具体实施方式
在下面的详细描述中，本发明的某些示例性实施例简单地通过例示的方式被示出和描述。如本领域技术人员将认识到的那样，所描述的实施例可以以各种不同的方式修改，所有这些都不脱离本发明的精神或范围。因此，图和描述将被视为在本质上是例示性的，而不是限制性的。
本发明的实施例针对现有技术中未能有效监测不同垄沟布局下的坡耕地农业面源污染的问题，提供一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统，能够对坡耕地农业面源过程产生过程进行自动取样与监测。
如图1所示，图1为本发明实施例的基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统的结构示意图，一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统，包括：
用于监测实验小区雨量及降雨过程的雨量自动监测子系统10；
用于监测实验小区产流量的流量自动检测子系统(或称水沙混合物体积自动监测子系统)20；
用于实验小区出流口取样的径流自动取样子系统30；
用于实验小区土壤水取样的土壤水自动取样子系统40；
与径流自动取样子系统30、土壤水自动取样子系统40相连接，用于从相连的子系统获取样品并获取样品来监测面源污染指标的面源污染自动监测子系统50；
用于监测垄沟高度及深度变化的垄沟高程自动监测子系统60，通过将监测探头埋设在预定的垄1上和沟2中，定时读取数据，传输给控制子系统70；
与雨量自动监测子系统10、流量自动监测子系统20、面源污染自动监测子系统50分别相连接，用于对相连的子系统进行控制、获取数据并对获取到的数据进行处理的控制子系统70；
与控制子系统70相连接，并为该子系统提供电量供应的太阳能供电子系统80；
雨量自动监测子系统10包括翻斗式自动雨量计、控制器、数据存储模块、网络传输设备，将降雨量及降雨过程数据存储在数据存储模块并通过网络传输模块实时传送给控制子系统，其中，为保证降雨监测的精度，雨量计的最小监测雨量为0.1mm。
流量自动监测子系统(水沙混合物体积自动监测子系统)20包括集流槽21、安装在集流槽上的探头、导流槽22、径流收集装置(用于收集实验小区水沙混合物的收集箱)、安装在径流收集装置上的液位计(用于读取收集箱中水沙混合物体积变化过程)、液位计数据存储模块、网络传输设备，将径流量实时变化过程储存在液位计数据存储设备中，并通过网络传输设备数据实时传送给控制子系统70；
本实施例中，当集流槽21上的探头探测到有水流产生时，发送产流开始信号至控制子系统70，控制子系统记录产流时间，并将开始测量命令到流量自动监测子系统20，水沙混合物体积自动监测子系统开始工作。
当控制子系统70接收到产流时间时，发送工作开始命令至径流自动取样子系统30，径流自动取样子系统30按照设定的取样间隔取样存储在取样瓶中，传输给面源污染自动监测子系统50进行监测。
土壤水自动取样子系统40，通过将取样装置埋设在实验小区土壤中，定时取土壤水样，传输给面源污染实时监测子系统50进行面源污染指标监测。
控制子系统70，接收雨量自动监测子系统后，对其他各子系统发出开始监测指令，记录各子系统的工作日志，对各子系统传输的数据进行储存和处理，并将数据通过无线网络传输回终端设备。
本实施例中，当降雨发生，水分入渗进入土壤，当土壤水自动取样子系统40探头监测到土壤水变化幅度为设定的阈值时，土壤水自动取样子系统开始工作，并将土壤水样传输给面源污染自动监测子系统50进行监测。
面源污染自动监测子系统50包括样品收集模块、样品检测模块和数据传输模块，样品收集模块通过径流及土壤水样传递给样品检测模块，样品检测模块对径流和土壤水样进行标准处理，并测定农业面源污染指标(总氮、总磷、PH值等)，数据传输模块是将测定的农业面源污染指标数据传输给控制子系统70；控制子系统70将径流和土壤水测试的面源污染指标传达给面源污染自动监测子系统50后，面源污染自动监测子系统50对接收的径流和土壤水面源污染指标进行监测。
在降雨过程中，由于雨水冲刷作用，田垄上的土壤会随径流进入田沟或随径流流失，因此设置垄沟高程自动监测子系统60。垄沟高程自动监测子系统60安装在实验径流小区典型垄沟中，用于监测田垄高程的降低值及田沟高程的增加值。
太阳能供电子系统80主要包括：太阳能电池组件(阵列)、控制器、蓄电池、逆变器等。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源模块，控制器和逆变器为控制保护模块，通过与其他各子系统相连为其他各子系统提供电源。在一实施例中，所述太阳能供电子系统用于将太阳的辐射能转换成电能，存蓄在各系统蓄电池中或直接供给各子系统。在一优选实施例中，各子系统均配备蓄电池，并可支持蓄电池和太阳能供电两种用电方式。在另一实施例中，所述雨量监测子系统、流量监测子系统、径流取样子系统、土壤水取样子系统、垄沟高程自动监测子系统各自配备独立的太阳能供电系统。
控制子系统70包括：接收数据模块、控制模块、数据存储模块、数据传输模块。主要功能为：数据接收：通过无线网络接收各子系统的数据，进行数据存储并数据通过无线网络传输给终端设备，以便科研人员对数据进行统计分析；系统控制：通过接收雨量自动监测子系统10的降雨信号、水沙混合物体积自动监测子系统20的径流信号以及土壤水自动取样子系统40的土壤含水量变化信号，控制上述三个系统及径流自动取样子系统30的监测及与取样工作。
本发明的局域坡垄沟布设的面源污染实时监测系统，根据坡耕地耕作特点及观测重点，实现了野外无人监管下的面源污染自动实时监测，为坡耕地农业面源污染监测和控制提供技术支撑。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统，其特征在于，包括
用于监测实验小区雨量及降雨过程的雨量监测子系统(10)；
用于监测实验小区产流量的流量监测子系统(20)；
用于实验小区出流口取样的径流取样子系统(30)；
用于实验小区土壤水取样的土壤水取样子系统(40)；
用于监测面源污染指标的面源污染监测子系统(50)，与所述径流取样子系统(30)和所述土壤水取样子系统(40)相连接以获取样品来监测面源污染指标；
用于监测垄沟高度及深度变化的垄沟高程监测子系统(60)；
控制子系统(70)，用于对各子系统进行控制及从各子系统获取数据并对数据进行处理；以及
用于为各子系统提供电力供应的供电系统(80)。
2.根据权利1所述的一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统，其特征在于，所述雨量监测子系统(10)将自动监测的数据传输给所述控制子系统(70)。
3.根据权利1所述的一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统，其特征在于，所述流量监测子系统(20)包括：用于收集实验小区水沙混合物的收集箱，用于读取收集箱中水沙混合物体积变化过程并将数据传输给控制子系统(70)的水量监测设备。
4.根据权利1所述的一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统，其特征在于，所述径流取样子系统(30)安装在实验小区出流口一侧，通过其控制系统设定取样间隔，取径流水样后通过0.45μm微孔膜将水样与泥沙分离后传输给面源污染自动监测子系统(50)，进行径流水样面源污染指标监测。
5.根据权利1的所述的一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统，其特征在于，所述土壤水自动取样子系统(40)，通过将取样装置埋设在实验小区土壤中，定时取土壤水样，传输给面源污染实时监测子系统(50)进行面源污染指标监测。
6.根据权利1所述的一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统，其特征在于，所述用于监测面源污染指标的面源污染自动监测子系统(50)，包括样品收集模块、样品检测模块和数据传输模块，所述控制子系统(70)将径流和土壤水测试的面源污染指标传达给所述面源污染自动监测子系统(50)后，所述面源污染自动监测子系统(50)对接收的径流和土壤水面源污染指标进行监测。
7.根据权利1所述的一种基于坡垄沟布设的面源污染实时监测系统，其特征在于，所述垄沟高程自动监测子系统(60)，通过将监测探头埋设在预定的垄(1)上和沟(2)中，定时读取数据，传输给所述控制子系统(70)。
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