CN112577999A - 一种海水入侵与土壤盐渍化一体化实时监测评价系统 - Google Patents

一种海水入侵与土壤盐渍化一体化实时监测评价系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海水入侵与土壤盐渍化一体化实时监测评价系统，采用对称四极测深法测量监测点垂向土壤视电阻率，再依据视电阻率与地下水中氯化物的含量关系以及视电阻率与土壤中全盐量的函数关系，监测海水入侵和土壤盐渍化情况，并根据测量结果，自动完成海水入侵与土壤盐渍化评价并生成评价报告。由此，本发明的海水入侵与土壤盐渍化一体化实时监测评价系统能够同时完成海水入侵和土壤盐渍化的监测与评价，大大减少了工作量，提高了监测效率；省去了实验室分析环节，能够方便、快捷的获得监测结果；测量点不局限于现有的水井等，保证了监测点的代表性和结果的正确性。

Description

一种海水入侵与土壤盐渍化一体化实时监测评价系统
技术领域
本发明涉及环境监测与评价领域，尤其涉及一种海水入侵与土壤盐渍化一体化实时监测评价系统。
背景技术
海水入侵灾害污染地下淡水资源，造成生态环境恶化，人畜饮用劣质水导致疾病增加，工农业生产使用被污染的地下水加速工业管道、设备的腐蚀和老化；另外，海水入侵使深层土壤矿化度升高，海水中的可溶盐类也会随着地下水的使用被带至土壤表层，造成整个地表的盐渍化，导致土壤板结、植被衰败和农作物减产，最终整片土壤退化，给海岸带区域的生产生活造成了严重影响。开展海水入侵和土壤盐渍化灾害的监测与评价，对提高海岸带地区防灾减灾能力和经济、社会可持续发展具有重要意义。
目前海水入侵和土壤盐渍化的监测，通常是野外采集监测点的地下水样和土样，回到实验室中对其中的氯化物和全盐量等进行化验分析。一方面，监测点地下水样和土样需分别采集，且地下水样多是利用现有农业用水井或者居民饮用水井，大大局限了监测范围；另一方面，实验室化验分析工作量大、操作复杂、分析速度慢，对操作人员也有一定要求。而海水入侵和土壤盐渍化评价是专业技术人员在获得监测数据后，依据相关评价技术规程，对数据进行处理和分析，工作量大且得出评价结果需要耗费较长时间。亟需开发一套海水入侵和土壤盐渍化一体化实时监测与评价系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种海水入侵与土壤盐渍化实时监测评价系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种海水入侵与土壤盐渍化实时监测评价系统，包括：视电阻率测量模块、传输模块、评价模块。
所述视电阻率测量模块包括电源、DC-DC变换器、电流调节器、接线柱组件、直流放大器、双积分A/D变换电路、逻辑控制电路；所述接线柱组件包括第一供电接线柱(A)、第二供电接线柱(B)、第一测量接线柱(M)、第二测量接线柱(N)，所述第一供测量接线柱(M)与第二测量接线柱(N)相对于待监测点对称设置。
所述第一测量接线柱(M)和第二测量接线柱(N)电连接直流放大器，所述直流放大器电连接双积分A/D变换电路，所述双积分A/D变换电路电连接逻辑控制电路。
所述电源用于提供工作电能；所述电源模块电连接DC-DC变换器，所述DC-DC变换器经电流调节器电连接第一供电接线柱(A)和第二供电接线柱(B)，并为其提供恒定电流；
所述第一测量接线柱(M)和第二测量接线柱(N)用于采集其所在位置的电压值。
所述直流放大器用于将第一测量接线柱(M)和第二测量接线柱(N)检测到的电压差Δ∪MN进行放大；
所述双积分A/D变换电路将电压差Δ∪MN由模拟量变换为数字量；
所述逻辑控制电路将数字化表示的Δ∪MN、供电接线柱之间的距离组合成为测量结果。
所述传输模块用于通过有线或者无线的方式将测量结果传输给评价模块；
所述评价模块根据地下水位以下2m处的视电阻率作为海水入侵的检测数据，根据视电阻率与孔隙水盐度的函数关系、盐度与氯度的函数关系，确定地下水中的氯化物含量；
所述评价模块根据土壤表层0-100cm的视电阻率平均值作为土壤的盐渍化检测数据，根据视电阻率与土壤中全盐量的函数关系确定土壤中全盐量；
所述评价模块计算得到地下水中氯化物含量及土壤中全盐量后，可以根据依据《海水入侵监测与评价技术规程(试行)》(国海环字〔2014〕20号)和《土壤盐渍化监测与评价技术规程(试行)》(国海环字〔2014〕21号)，直接对海水入侵和土壤盐渍化状况进行分析，自动生成评价报告。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
优选地，视电阻率与孔隙水盐度的函数关系为y＝6309x-0.8324，所述盐度与氯度的函数关系为x＝1.80655×Cl，其中y表示视电阻率，单位为欧姆米，x表示盐度，单位为mg/kg，Cl表示氯度，单位为mg/L。
优选地，视电阻率与土壤中全盐量的函数关系为y＝0.3715x'-1.296，式中，y表示视电阻率，单位为欧姆米，x’表示土壤中全盐量，为重量百分比。
优选地，所述视电阻率测量模块操作步骤如下：
S1、测量第一供电接线柱(A)与第一测量接线柱(M)之间的距离AM、第一供电接线柱(A)与第二测量接线柱(N)之间的距离AN、第二供电接线柱(B)与第一测量接线柱(M)之间的距离BM、第二供电接线柱(B)与第二测量接线柱(N)之间的距离BN。
S2、计算
Figure BDA0002833833230000031
S3、调节电流调节器使供电电流I＝K
S4、读取测量接线柱M和测量接线柱N之间的电压差Δ∪MN，则y＝Δ∪MN，y为视电阻率。
进一步的，所述逻辑控制电路还具有LED显示屏，用于实时显示测得的视电阻率。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
①常规海水入侵和土壤盐渍化的监测需要分开进行，海水入侵需要采集监测点的地下水样，土壤盐渍化需要采集监测点的土样，本发明通过测量监测点垂向的土壤视电阻率，能够同时完成海水入侵、地下水位和土壤盐渍化的监测，大大减少了工作量，提高了监测效率。
②常规海水入侵和土壤盐渍化的监测需要野外采集样品回到实验室中进行化验分析。实验室化验分析工作量大、操作复杂、分析速度慢，对操作人员也有一定要求，本发明能够实时读取监测点垂向的土壤视电阻率，根据土壤视电阻率与地下水氯化物和土壤全盐量的相关关系公式，实时得到监测指标的数值，省去了实验室分析环节，能够方便、快捷的获得监测结果，同时节省了实验仪器及耗材的费用。
③常规海水入侵和地下水位监测需利用现有农业用水井或者居民饮用水井，大大局限了监测范围，影响了样品的代表性和质量，进而影响监测结果及评价结果的正确性。本发明采用对称四极测深法测量监测点垂向土壤视电阻率，方法上对监测区域没有限制。对于海水入侵监测区域滨海地区均可适用，保证了监测点的代表性和结果的正确性。
④常规海水入侵和土壤盐渍化评价需要专业技术人员对数据进行处理和分析，工作量大且得出评价结果需要耗费较长时间。本发明开发了软件并与监测仪器集成到一个系统中，能够直观快速的得出评价结果，省时省力。
附图说明
图1为本发明的海水入侵与土壤盐渍化实时监测评价系统的结构示意图；
图2为视电阻率与孔隙水盐度的函数关系图；
图3为视电阻率与土壤全盐量的函数关系图；
在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：
1、视电阻率测量模块；1-1、电源；1-2、DC-DC变换器；1-3、电流调节器；1-4、逻辑控制电路；1-5、双积分A/D变换电路；1-6、直流放大器；A、第一供电接线柱；B、第二供电接线柱；M、第一测量接线柱；N、第二测量接线柱；o、检测点；TT、待测土体；2、传输模块；3、评价模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
请参照图1所示，其为本发明的海水入侵与土壤盐渍化实时监测评价系统的结构示意图。所述海水入侵与土壤盐渍化实时监测评价系统包括：视电阻率测量模块1、传输模块2、评价模块3。
所述视电阻率测量模块1包括电源1-1、DC-DC变换器1-2、电流调节器1-3、接线柱组件、直流放大器1-6、双积分A/D变换电路1-5、逻辑控制电路1-4；所述接线柱组件包括第一供电接线柱A、第二供电接线柱B、第一测量接线柱M、第二测量接线柱N，所述第一供测量接线柱M与第二测量接线柱N相对于待监测点o对称设置。
所述第一测量接线柱M和第二测量接线柱N电连接直流放大器1-6，所述直流放大器1-6电连接双积分A/D变换电路1-5，所述双积分A/D变换电路1-5电连接逻辑控制电路1-4。
所述电源1-1用于提供工作电能；所述电源1-1电连接DC-DC变换器1-2，所述DC-DC变换器1-2经电流调节器1-3电连接第一供电接线柱A和第二供电接线柱B，并为其提供恒定电流；
所述第一测量接线柱M和第二测量接线柱N用于采集其所在位置的电压值。
所述直流放大器1-6用于将第一测量接线柱M和第二测量接线柱N检测到的电压差Δ∪MN进行放大；
所述双积分A/D变换电路1-5将电压差Δ∪MN由模拟量变换为数字量；
所述逻辑控制电路1-4将数字化表示的Δ∪MN、第一供电接线柱M与第二供电接线柱N之间的距离MN组合成为测量结果。
所述传输模块2用于通过有线或者无线的方式将测量结果传输给评价模块3；
所述评价模块3根据地下水位以下2m处的视电阻率作为海水入侵的检测数据，根据视电阻率与地下水中氯化物含量的函数关系，确定地下水中的氯化物含量；
所述评价模块3根据土壤表层0-100cm的视电阻率平均值作为土壤的盐渍化检测数据，根据视电阻率与土壤中全盐量的函数关系确定土壤中全盐量。
本发明的海水入侵与土壤盐渍化实时监测评价系统采用对称四极测深法。A、B为供电电极，M、N为测量电极。将监测点o置为M、N中点，保持M、N间距不变，不断增大供电电极A、B的间距，测量监测点垂向土壤视电阻率。
仪器电源1-1经过DC-DC变换器1-2，由恒流源电路产生一个高稳定恒定直流电流，数值连续可调，输送到供电接线柱A、B上，在监测土壤上产生一个电位差，此直流电压信号由测量接线柱M、N输送回电气箱内。经直流放大器1-6将直流信号放大，再经过双积分A/D变换将模拟量变换为数字量，经由逻辑控制电路1-4将视电阻率和供电电极之间的距离AB组合成测量结果传输给评价模块3。
电流从第一供电接线柱A经过避开高阻介质和通过低阻介质到达第二供电接线柱B，每条电流线的路径都按所受阻力最小运行，服从最小能量原理。实际应用的地表不是水平，地下也不是均匀各向同性的，通过仪器测量得到的电阻率不是土体的真实电阻率，而被称为视电阻率。
土壤中的水溶性盐是强电介质，具有导电作用。在一定浓度范围内，土体的含盐量与土体的电阻率呈负相关，含盐量愈高，电阻率愈小，经过研究实验发现土体的视电阻率与地下水的盐度呈良好的幂指数相关，如图2所示，测量得到了视电阻率后，可以由视电阻率y与孔隙水盐度x的关系公式转化为盐度数值，再由盐度与氯度的转化公式x＝1.80655×Cl，计算出表征地下水中氯化物含量的指标—氯度，从而作为评价海水入侵的指标。
另外，土体的视电阻率和土体的全盐量也具有良好的相关性，测量得到土体的视电阻率后，可以由相关关系公式转化为土体的全盐量，作为评价土壤盐渍化的指标。
由此，本发明的评价模块3取地下水位以下2m处的视电阻率值作为海水入侵的监测数据，取土壤表层0-100cm的视电阻率平均值作为土壤盐渍化的监测数据，然后根据上述相关关系公式进行盐度、氯度的转化以及全盐量的转化，从而得到用以评价海水入侵情况及土壤盐渍化情况的评价指标，评价模块3依据《海水入侵监测与评价技术规程(试行)》(国海环字〔2014〕20号)和《土壤盐渍化监测与评价技术规程(试行)》(国海环字〔2014〕21号)，对海水入侵和土壤盐渍化状况进行分析，自动生成评价报告，避免了传统方式中需要专业人员对数据进行处理和分析，工作量大且得出评价结果耗费较长时间的弊端，能够直观快速的得出评价结果，省时省力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海水入侵与土壤盐渍化实时监测评价系统，其特征在于，包括：视电阻率测量模块、传输模块、评价模块；
所述视电阻率测量模块采用四极测深法测量土壤的视电阻率，并将测得的视电阻率及两个供电接线柱之间的距离作为测量结果输出；
所述传输模块用于通过有线或者无线的方式将测量结果传输给评价模块；
所述评价模块根据地下水位以下2m处的视电阻率作为海水入侵的检测数据，根据视电阻率与空隙水盐度的函数关系以及盐度与氯度的函数关系，确定地下水中氯化物的含量；
所述评价模块根据土壤表层0-100cm的视电阻率平均值作为土壤的盐渍化检测数据，根据视电阻率与土壤中全盐量的函数关系确定土壤中全盐量的数值。
2.根据权利要求1所述的海水入侵与土壤盐渍化实时监测评价系统，其特征在于，所述视电阻率测量模块包括电源、DC-DC变换器、电流调节器、接线柱组件、直流放大器、A/D变换电路、逻辑控制电路；所述接线柱组件包括供第一电接线柱(A)、第二供电接线柱(B)、第一测量接线柱(M)、第二测量接线柱(N)，所述第一测量接线柱(M)与所述测量接线柱(N)相对于待监测点对称设置；
所述第一测量接线柱(M)和第二测量接线柱(N)电连接直流放大器，所述直流放大器电连接A/D变换电路，所述A/D变换电路电连接逻辑控制电路；
所述电源用于提供工作电能；所述电源模块电连接DC-DC变换器，所述DC-DC变换器经电流调节器电连接第一供电接线柱(A)和第二供电接线柱(B)，并为其提供恒定电流；
所述第一测量接线柱(M)和第二测量接线柱(N)用于采集其所在位置的电压值；
所述直流放大器用于将第一测量接线柱(M)和第二测量接线柱(N)检测到的电压差Δ∪MN进行放大；
所述A/D变换电路将电压差Δ∪MN由模拟量变换为数字量；
所述逻辑控制电路将数字化表示的Δ∪MN、供电接线柱之间的距离组合成为测量结果。
3.根据权利要求1所述的海水入侵与土壤盐渍化实时监测评价系统，其特征在于，所述视电阻率与孔隙水盐度的函数关系为y＝6309x-0.8324，盐度与氯度的函数关系为x＝1.80655×Cl，其中y表示视电阻率，单位为欧姆米，x表示盐度，单位为mg/kg，Cl表示氯度，单位为mg/L。
4.根据权利要求1或2所述的海水入侵与土壤盐渍化实时监测评价系统，其特征在于所述视电阻率与土壤中全盐量的函数关系为y＝0.3715x'-1.296，式中，y表示视电阻率，单位为欧姆米，x’表示土壤中全盐量，为重量百分比。
5.根据权利要求1或2所述的海水入侵与土壤盐渍化实时监测评价系统，其特征在于，所述视电阻率测量模块操作步骤如下：
S1、测量AM、AN、BM、BN的距离；
S2、计算
Figure FDA0002833833220000021
S3、调节电流调节器使供电电流I＝K；
S4、读取第一测量接线柱(M)和第二测量接线柱(N)之间的电压差Δ∪MN，则y＝Δ∪MN，y即为视电阻率。
6.根据权利要求1或2所述的海水入侵与土壤盐渍化实时监测评价系统，其特征在于，所述A/D变换电路为双积分A/D变换电路。
7.根据权利要求2所述的海水入侵与土壤盐渍化实时监测评价系统，其特征在于，所述逻辑控制电路还具有LED显示屏，用于实时显示测得的视电阻率。
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