CN109377848A - 一种模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置及方法 - Google Patents

一种模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置及方法，包括蒸渗仪、补水瓶、透水管、土壤含水率数据采集系统、第一水位计、第二水位计、雨量计、控制中心、定位水箱和蒸发皿，蒸渗仪上部种植植物并与土壤含水率数据采集系统相连，底部通过透水管与定位水箱底部的一侧连接，定位水箱的侧壁与补水瓶相连，定位水箱底部开设出水口并与第一水位计相连，土壤含水率数据采集系统、雨量计和蒸发皿与控制中心相连。补水瓶内加装深至底部的第二水位计以测量补水量，补水瓶顶部开设补水口。本发明提供的节水灌溉稻田水量平衡各要素的模拟装置及方法，适用于科研、节水、环保等领域，为研究稻田作物需水和优化田间水管理奠定了基础。

Description

一种模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种水量平衡的模拟，尤其涉及一种模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置及方法。
背景技术
水稻是我国主要的粮食作物之一，传统的落后稻田灌溉模式浪费了大量水资源，因此有必要推广节水灌溉技术。而节水灌溉的水分调控措施使得稻田反复经历干湿交替的过程，此外，当土壤失水收缩时会产生土壤裂隙，土壤裂隙也是一个重要的肥力评价指标，如何模拟稻田地下水的运动和转化已经成为进一步优化稻田水肥调控与管理的制约因素，具有十分重要的意义。
目前的研究主要集中在稻田水入渗等方面，有关地下水运动的研究多数为，不能实时反映土壤水、地下水、渗漏量与蒸发量、渗漏量等的变化及转化关系，例如，专利CN201621142144提供了一个补水连续的控制水位平衡装置，但是不能及时反映出各水量随时间的变化及互相之间的转化关系。专利CN201620997160公布了一种测定地下水位变化与氮素淋溶关系的装置，但是关注点在不同高度土壤淋溶水样，缺乏有效的措施分析反馈地下水的变化进而模拟其运动情况。
发明内容
发明目的：为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置及方法。
技术方案：本发明提供的模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置包括蒸渗仪、土壤含水率数据采集系统、雨量计、控制中心、透水管、流量计、马氏瓶系统、蒸发皿。所述马氏瓶系统包括定位水箱和补水箱。土壤含水率数据采集系统、雨量计和蒸发皿与控制中心相连。蒸渗仪上部种植水稻并与土壤含水率数据采集系统相连，土壤含水率数据采集系统每隔一定距离加装探头，以测得不同深度土壤的含水率，蒸渗仪底部通过透水管与定位水箱底部的一侧连接，定位水箱的侧壁与补水瓶相连组成马氏瓶系统，当平衡时维持水位和保持流速。补水瓶内加装水位计，水位计深至底部以测量水位进而求得补水量。补水瓶顶部设置补水口并与控制中心相连。所述蒸发皿内部加装液位测量仪，测得实时蒸发量并反馈给控制中心。控制中心包括传感器、单片机、人机交互设备、计算机和电源，传感器收集土壤含水率、降雨量、蒸发量、渗漏量并传递给单片机，再反馈至计算机中，也可以通过人机交互设备传达指令至计算机以调控灌水。
本发明还提供一种模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的方法，包括如下步骤：
步骤1，搭建地下水运动模拟装置，并根据当地实际情况确定定位水箱的埋深；
步骤2，关闭补水瓶下方的阀门b、定位水箱下方的阀门c，关闭阀门a，通过补水口将补水瓶加满水后完全密封，打开定位水箱下方的阀门c，补水瓶向定位水箱补水至平衡；
步骤3，打开补水瓶下方的阀门b进入测量状态，根据流量计测量稻田渗漏水量、根据水位计测量地下水补给量，根据土壤含水率数据采集系统测定土壤含水率，根据蒸发皿的液位测量仪计算蒸发量，根据雨量计测量降雨，并通过控制中心将以上数据传给计算机，当补水瓶缺水时补水重复以上步骤。
步骤4，水量平衡各要素的校核：设蒸渗仪的底面积为A，定位水箱的底面积为S，补水瓶的底面积S1，第一水位计测得定位水箱的水位变化为Δh1，补水瓶的第二水位计测得水位变化为Δh2，则渗漏量为(A+S)Δh1，补水量为
定位水箱与补水瓶形成一个马氏瓶系统，当平衡时维持水位和保持流速。
控制中心内部依次连接有人机交互设备、传感器、单片机、计算机及电源，电源提供持续稳定的能源，由传感器收集土壤含水率、降雨量、渗漏量、蒸发量等数据并实时反馈给计算机，使用时可通过人机交互设备传达指令至计算机，并通过单片机控制电磁阀门的起闭。
土壤含水率数据采集系统选用基于频率反射(FDR)的土壤含水率测量仪，且每隔一定间距加装探头，以测量不同深度的土壤含水率。
补水瓶内加装水位计，水位计深至底部以测量补水瓶的水位变化进而求得补水量，补水瓶顶部设补水口，补水口打开补充补水箱内的水体。
补水瓶的补水口处和底部分别设置阀门a和阀门b，定位水箱底部设有阀门c，以切换装置的平衡状态和供水状态。
蒸渗仪选用底式排水蒸渗仪，便于自动测量稻田渗漏水量和地下水补给量。
蒸发皿内部加装液位仪，测得实时蒸发量并反馈给控制中心。
除了水稻，葛仙米等作物可以在稻田内生长，还能套种西瓜、马铃薯、玉米等经济作物，实行水稻、小麦轮作的制度，均适用于本发明。
工作原理：稻田地下水运动满足以下方程：h1+P+m-E-S-d＝h2，其中，h1是稻田初始水位，P是降雨量，m是灌水量，E是蒸发量，S是渗漏量，d是排水量，h2是稻田末期水位。节水灌溉稻田田间水层很浅，水位变化可以忽略不计。通过将底式排水蒸渗仪与定位水箱、补水瓶构成的马氏瓶系统相连，实现了地下水运动的流速均匀和液位恒定，定位水箱的设置使得平衡时定位水箱的水位与稻田的地下水位齐平，溢流时利用流量计测量流量从而求出渗漏量，补水瓶的水位计可以测量补水量的多少，蒸发皿和雨量计记录了实时的降雨和蒸发情况，以上水量均实时反馈给控制中心，确保可以得到水量的实时变化情况，从而为今后高效调控稻田灌排管理提供了依据。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著效果在于，通过将定位水箱和补水瓶构成马氏瓶系统，再将蒸渗仪、马氏瓶系统、雨量计和蒸发皿结合，完整地测量和评估了各水量的实时变化情况，还能够及时反馈，相比现有的地下水运动模拟装置和水量平衡模拟装置具有精度高、反馈及时、性能可靠等优点。此外，节水灌溉是当前国家大力推广的农业措施，水稻同小麦、玉米等作为我国主要的粮食作物，稻麦轮作和水稻、玉米水旱轮作模式均得到了广泛的推广和运用，因此，模拟节水灌溉稻田的水量平衡具有重要意义。地下水运动满足水量平衡方程，地下水埋深、降雨和补水是稻田土壤水、地下水转化的重要因素，提供了切实有效的研究水量平衡各要素的装置和方法，为研究节水灌溉稻田作物需水和优化田间水管理提供了重要的保障，也为今后提高节水灌溉稻田水分利用率奠定了基础，可广泛用于科研、节水、环保等领域的相关研究和发展。
附图说明
图1是本发明模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素装置的结构示意图；
图2是本发明的马氏瓶系统的工作原理图；
图3是本发明的控制中心的示意图；
图4是本发明实施例的工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括底式排水蒸渗仪2、土壤含水率数据采集系统5、雨量计6、控制中心7、透水管1、第一水位计15、定位水箱16、补水瓶10、蒸发皿12、补水口9、液位测量仪13、第二水位计11、阀门b 14、阀门a 8、阀门c 17。土壤含水率数据采集系统5、雨量计6和蒸发皿12与控制中心7相连。底式排水蒸渗仪2上部种植水稻4并与基于FDR的土壤含水率数据采集系统5相连，蒸渗仪2底部通过透水管1与定位水箱16底部连接并设有阀门c 17，定位水箱16的侧壁与补水瓶10相连，定位水箱16底部开设溢流口并与第一水位计15相连，补水瓶10的补水口9处和底部分别设置阀门a 8和阀门b 14，以切换装置的平衡状态和供水状态。补水瓶10内加装深至底部的第二水位计11以测量水位变化进而求得补水量，补水瓶10顶部设补水口9并与控制中心7相连。土壤含水率数据采集系统5每隔一定距离加装探头3，以测量不同深度的土壤含水率。蒸发皿12内部加装液位测量仪13，测得实时蒸发量并反馈给控制中心7。定位水箱16与补水瓶10形成一个马氏瓶系统，原理如图2所示，当平衡时维持水位和保持流速。
如图3所示，本发明的控制中心7包括传感器71、单片机(MSP430)72、人机交互设备73、计算机74和电源75，使用时，传感器71收集土壤含水率、降雨量、蒸发量、渗漏量等参数并传递给单片机(MSP430)72，再反馈至计算机74中，也可以通过人机交互设备73传达指令至计算机74，控制电磁阀门的起闭等调控灌水，电源75为上述部件提供能源。
本发明提供一种模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的方法，如图4所示，包括以下步骤：
步骤1，搭建水量平衡模拟装置，并根据当地实际情况确定定位水箱16的埋深；
步骤2，关闭补水瓶10下方的阀门b 14、定位水箱16下方的阀门c 17，打开阀门a8，通过补水口9将补水瓶10加水至最大量程后完全密封，打开定位水箱16下方的阀门c 17，补水瓶10向定位水箱16补水至平衡；
步骤3，打开补水瓶10下方的阀门b 14进入测量状态，根据第一水位计15测量稻田渗漏水量，根据第二水位计11测量地下水补给量，根据土壤含水率数据采集系统5测定土壤含水率，根据蒸发皿12的液位测量仪13计算蒸发量，根据雨量计6测量降雨，并通过控制中心7将以上数据传给计算机，当补水瓶10缺水时补水并重复以上步骤；
步骤4，水量平衡各要素的校核：设蒸渗仪2的底面积为A，定位水箱16的底面积为S，补水瓶的底面积S1，第一水位计15测得定位水箱16的水位变化为Δh1，补水瓶10的第二水位计11测得水位变化为Δh2，则渗漏量为(A+S)Δh1，补水量为

Claims (9)

1.一种模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置，包括蒸渗仪(2)、土壤含水率数据采集系统(5)、雨量计(6)、控制中心(7)、透水管(1)、第一水位计(15)、定位水箱(16)、补水瓶(10)和蒸发皿(12)，其特征在于：所述蒸渗仪(2)上部种植植物(4)并与土壤含水率数据采集系统(5)相连，所述蒸渗仪(2)底部通过透水管(1)与定位水箱(16)底部的一侧连接，所述定位水箱(16)底部的侧壁与补水瓶(10)相连以形成平衡时维持水位和流速平衡的马氏瓶系统，所述定位水箱(16)底部开设出水口，出水口与第一水位计(15)相连，所述土壤含水率数据采集系统(5)、雨量计(6)和蒸发皿(12)与控制中心(7)相连。
2.根据权利要求1所述的模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置，其特征在于：所述控制中心(7)包括传感器(71)、单片机(72)、人机交互设备(73)、计算机(74)和电源(75)，所述传感器(71)收集土壤含水率、降雨量、蒸发量、渗漏量并传递给单片机(72)以调控灌水。
3.根据权利要求1所述的模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置，其特征在于：所述补水瓶(10)内加装第二水位计(11)，第二水位计(11)深至底部以测量补水瓶(10)的水位变化进而求得补水量。
4.根据权利要求1所述的模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置，其特征在于：所述补水瓶(10)顶部设补水口(9)，并与控制中心(7)相连。
5.根据权利要求4所述的模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置，其特征在于：所述补水瓶(10)的补水口(9)处和出水口处分别设置阀门a(8)和阀门b(14)，定位水箱(16)底部设有阀门c(17)，以控制马氏瓶切换平衡和供水状态。
6.根据权利要求1所述的模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置，其特征在于：所述土壤含水率数据采集系统(5)每隔设定距离加装探头(3)，以测量不同深度的土壤含水率。
7.根据权利要求1所述的模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置，其特征在于：所述蒸发皿(12)内部加装液位测量仪(13)，测得实时蒸发量并反馈给控制中心(7)。
8.一种采用如权利要求1所述的模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的装置的模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)，搭建水量平衡模拟装置，并根据当地情况确定定位水箱(16)的埋深；
步骤(2)，关闭补水瓶(10)的阀门b(14)、定位水箱(16)的阀门c(17)，打开阀门a(8)，通过补水口(9)将补水瓶(10)加水至最大量程后完全密封，打开定位水箱(16)的阀门c(17)，补水瓶(10)向定位水箱(16)补水至平衡；
步骤(3)，打开补水瓶(10)的阀门b(14)进入测量状态，分别测量稻田渗漏水量、地下水补给量和土壤含水率，计算蒸发量，测量降雨量，并通过控制中心(7)将数据传给计算机，当补水瓶(10)缺水时补水并重复以上步骤；
步骤(4)，水量平衡各要素的校核：设蒸渗仪(2)的底面积为A，定位水箱(16)的底面积为S，补水瓶的底面积S1，第一水位计(15)测得定位水箱(16)的水位变化为Δh1，补水瓶(10)的第二水位计(11)测得水位变化为Δh2，则渗漏量为(A+S)Δh1，补水量为
9.根据权利要求8所述的模拟节水灌溉稻田水量平衡各要素的方法，其特征在于：步骤(3)中，根据第一水位计(15)测量稻田渗漏水量、根据第二水位计(11)测量地下水补给量，根据土壤含水率数据采集系统(5)测定土壤含水率，根据蒸发皿(12)的液位测量仪(13)计算蒸发量，根据雨量计(6)测量降雨量，并通过控制中心(7)将以上数据传给计算机，当补水瓶(10)缺水时补水并重复以上步骤。
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