CN112730810A - 土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统、方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污染物水文学技术领域，公开了一种土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统、方法与应用，水文过程观测：数据采集系统自动采集水势计、雨量计和翻斗计数据；雨水和径流样品通过氢氧同位素的分析测定，判断产流机理并获取土壤水分运动过程动态数据；地表径流和地下渗漏水收集：降雨过程中采集样品，降雨结束后在收集器内采集总样和泥沙样品；目标污染物分析检测：分析测定pH、电导率、DOC/TOC、总氮、氨氮、硝氮、总磷、磷酸盐、颗粒态磷、土壤胶体、新型污染物浓度等。本发明为土壤中复合污染物迁移研究提供经济可行、设计科学合理的野外在线观测、采样设备及试验方法，实验数据可为污染物迁移的水文过程研究及模型计算提供参考。

Description

土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统、方法与应用
技术领域
本发明属于污染物水文学技术领域，尤其涉及一种土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统、方法与应用。
背景技术
传统水文学方法在针对新型污染物迁移行为研究方面的应用不足，而土壤水分运动过程复杂，是影响污染物运移的核心驱动过程。与室内模拟实验方法不同，污染物在自然降雨过程中的径流响应特别是土壤中大孔隙流存在下的迁移特征是研究的难点所在。尤其在我国长江中上游典型紫色土丘陵区，土壤中含有丰富大孔隙优先流，会加剧污染物向地下水迁移的风险。目前，针对新型污染物迁移研究的原位监测与采样因缺乏技术手段而难以实现。因此，在传统土壤物理、水文学及环境化学原理基础上，需要开发针对自然降雨过程的原位监测采样系统与试验方法体系，以精细刻画土壤中复合污染物对水文过程的响应及其迁移特征，为污染物水文学模型计算提供研究方法与关键参数。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：针对新型污染物迁移研究的原位监测与采样因缺乏技术手段而难以实现。
解决以上问题及缺陷的难度为：同时实现原位降雨径流的观测和采样。采样系统兼顾过程样品和最终样品的收集。新型污染物如抗生素类物质为痕量浓度，需要收集较大体积样品以实现其分析检测。
解决以上问题及缺陷的意义为：提供系统化设备及方法，实现对传统碳氮磷与新型有机污染物的同步观测，满足进行复合污染物迁移行为研究的技术需求，为环境水体中复合污染物的监测与控制提供科学方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统、方法与应用。
本发明是这样实现的，一种土壤中污染物迁移的原位监测采样控制方法，所述土壤中污染物迁移的原位监测采样控制方法包括：
数据采集系统自动采集水势计数据，获取土壤水分运动过程动态，根据土壤饱和过程判断产流机理；自动获取雨量计数据，描述降雨事件中降雨量变化；自动获取翻斗计数据，用于计算地表径流和地下渗漏水流量，描述峰值流量及退水过程动态；雨水和土壤水样品通过氢氧同位素分析测定并基于二元混合模型计算水流分割，获取事件水(雨水)和前期土壤水比例变化，用于描述土壤中雨水驱替过程；
降雨过程中，每隔15min使用玻璃采样瓶通过连接收集器内翻斗计收集过程水样，每个样品收集500mL(时间间隔与采样体积可随雨强调整)；
降雨结束后，在收集器内采集地表径流和渗漏水总样各2L与泥沙样品；
所采集水样分析测定pH、电导率、DOC/TOC、总氮、氨氮、硝氮、总磷、磷酸盐、颗粒态磷、土壤胶体及新型污染物(包括抗生素、抗性基因等)浓度。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
数据采集系统自动采集水势计、雨量计和翻斗计数据，雨水和径流样品通过氢氧同位素的分析测定，描述土壤中雨水驱替过程，判断产流机理并获取土壤水分运动过程动态数据；
降雨过程中，采集样品，降雨结束后在收集器内采集总样和泥沙样品；
分析测定pH、电导率、DOC/TOC、总氮、氨氮、硝氮、总磷、磷酸盐、颗粒态磷、土壤胶体、新型污染物浓度。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
数据采集系统自动采集水势计、雨量计和翻斗计数据，雨水和径流样品通过氢氧同位素的分析测定，描述土壤中雨水驱替过程，判断产流机理并获取土壤水分运动过程动态数据；
降雨过程中，采集样品，降雨结束后在收集器内采集总样和泥沙样品；
分析测定pH、电导率、DOC/TOC、总氮、氨氮、硝氮、总磷、磷酸盐、颗粒态磷、土壤胶体、新型污染物浓度。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述土壤中污染物迁移的原位监测采样控制方法的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统，所述土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统包括：
观测系统，用于实现降雨事件下产流原理及动态变化、测定目标污染物浓度及土壤孔隙水的氢氧同位素、实时监测净空条件下和林下降雨量的动态变化、实时记录降雨事件过程中的产流量动态数据；
采样系统，用于收集土壤50cm深处的渗漏水样品、收集产生的地表径流和地下渗漏水样品。
进一步，所述观测系统还包括：隔水板、水势计、土壤溶液采集器、雨量计、翻斗计、数据采集设备、渗漏计、集水槽、地表径流水收集器(含10孔分流板和分流桶)、地下渗漏水收集器、导流管。其中，翻斗计分别与地表径流收集器和地下渗漏水收集器配套使用。水势计、雨量计和翻斗计都通过数据线连接到数据采集设备上。渗漏计与地下渗漏水收集器通过导流管连接。隔水板置于试验小区外围(左侧、右侧及小区坡顶一侧)，小区坡底一侧连接集水槽。集水槽出口连接地表径流收集器。土壤溶液采集器安装于试验小区内不同位置、不同土壤深度处，独立使用。
进一步，所述隔水板隔离试验小区外围的地表来水；水势计通过土壤水分探头实时监测不同深度土壤水分变化，刻画降雨事件下的产流原理及动态变化；土壤溶液采集器通过陶土管内一定真空度获取降雨事件前后不同土壤深度的土壤孔隙水样品，用于测定目标污染物浓度及土壤孔隙水的氢氧同位素；雨量计实时监测净空条件下和林下降雨量的动态变化；翻斗计通过脉冲信号计数实时记录降雨事件过程中的产流量动态数据。
进一步，所述采样系统包括渗漏计、集水槽、地表径流水收集器、地下渗漏水收集器；
渗漏计获取50*50*50cm立方体原状土柱，底部设有砂石仓布水底座，底座中间连接出水导管，收集土壤50cm深处的渗漏水样品；集水槽将试验小区内的地表径流汇聚在槽内，槽顶覆盖以隔离降雨干扰，槽口连接地表径流收集器。
进一步，所述地表径流水收集器和地下渗漏水收集器包括翻斗计、10孔分流板和分流桶，收集试验小区内产生的地表径流和地下渗漏水样品。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明实现了野外条件下土壤水文过程观测及复合污染物(传统碳、氮、磷与新型有机污染物)在土壤中的迁移特征研究。本发明为土壤中复合污染物迁移研究提供经济可行、设计科学合理的野外在线观测、采样设备及试验方法，实现了降雨事件中过程样品与最终样品的同时采集及数据获取，实验数据可为污染物迁移的水文过程研究及模型计算提供参考。
本发明包含了基于土壤物理和水文学原理构建的原位监测系统，可获取自然降雨条件下土壤水分运动动态数据；可同时获取田间真实条件下的地表径流和地下渗漏水样品，获取土壤中复合污染物对水文过程的响应规律及迁移形态、通量数据，相比室内模拟实验更真实、合理；试验结果可为污染物迁移水文过程模型模拟与预测提供关键参数，亦可为水土环境中污染物的生态风险评估与污染控制策略提供科学依据。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制方法流程图。
图2是本发明实施例提供的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统的结构示意图；
图2中：1、观测系统；2、采样系统。
图3是本发明实施例提供的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统的原理图；
图3中：3、隔水板；4、水势计；5、土壤溶液采集器；6、雨量计；7、翻斗计；8数据采集设备；9、渗漏计；10、集水槽；11、地表径流水收集器(含10孔分流板和分流桶)；12、地下渗漏水收集器；13、导流管。
图4是本发明实施例提供的单次降雨事件(2020.8.12)下试验小区土壤水分动态、产流过程及地表径流中氮磷等水质指标与抗生素类污染物浓度对降雨过程的响应示意图。
图5是本发明实施例提供的单次降雨事件(2020.8.12)下试验小区地表径流与地下渗流中复合污染物的迁移通量示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统、方法与应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制方法包括以下步骤：
S101：水文过程观测：数据采集系统自动采集水势计、雨量计和翻斗计数据。雨水和径流样品通过氢氧同位素的分析测定，描述土壤中雨水驱替过程，判断产流机理并获取土壤水分运动过程动态数据。
S102：地表径流和地下渗漏水收集：降雨过程中，时间间隔不固定，采样体积视雨量而定，暴雨时段可间隔15min采集500mL，退水期采样间隔延长，降雨结束后在收集器内采集总样和泥沙样品。
S103：目标污染物分析检测：可分析测定pH、电导率、DOC/TOC、总氮、氨氮、硝氮、总磷、磷酸盐、颗粒态磷、土壤胶体、新型污染物(抗生素、抗性基因)浓度等。
本发明提供的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制方法仅仅是一个具体实施例而已。
如图2所示，本发明提供的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统包括：观测系统1、采样系统2。
观测系统1，用于实现降雨事件下产流原理及动态变化、测定目标污染物浓度及土壤孔隙水的氢氧同位素、实时监测净空条件下和林下(穿透雨)降雨量的动态变化、实时记录降雨事件过程中的产流量动态数据。
采样系统2，用于收集土壤50cm深处的渗漏水样品、收集产生的地表径流和地下渗漏水样品。
如图3所示，本发明提供的观测系统1还包括：隔水板3、水势计4、土壤溶液采集器5(陶土管)、雨量计6、翻斗计7、数据采集设备8、渗漏计9、集水槽10、地表径流水收集器(含10孔分流板和分流桶)11、地下渗漏水收集器12、导流管13。
隔水板3，不锈钢板，深度50cm，隔离试验小区外围的地表来水。
水势计4，通过土壤水分探头实时监测不同深度土壤水分变化，用于刻画降雨事件的动态变化与产流原理。
土壤溶液采集器5(陶土管)：通过陶土管内一定真空度获取降雨事件前后不同土壤深度的土壤孔隙水样品，可用于测定目标污染物浓度及土壤孔隙水的氢氧同位素。
雨量计6：实时监测净空条件下和林下(穿透雨)降雨量的动态变化。
翻斗计7：通过脉冲信号计数实时记录降雨事件过程中的产流量动态数据。
采样系统2，主要包括渗漏计9、集水槽10、地表径流水收集器11和地下渗漏水收集器12。
渗漏计9：获取50*50*50cm立方体原状土柱，底部设有砂石仓布水底座，底座中间连接出水导管，可收集土壤50cm深处的渗漏水样品。
集水槽10：将试验小区内的地表径流汇聚在槽内，槽顶覆盖以隔离降雨干扰，槽口连接地表径流收集器。
地表径流水收集器11和地下渗漏水收集器12：包括翻斗计7、10孔分流板、地表径流分流桶，可收集试验小区内产生的地表径流和地下渗漏水样品。
下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。
如图4-图5所示，本实验通过上述观测与采样系统获取了单次降雨事件(以2020.8.12为例)过程中试验小区内降雨量、土壤水分及产流量的动态数据，根据监测结果可判断地下多孔介质达到饱和状态，地表径流为蓄满产流机制，雨强到达峰值后发生退水过程。通过过程样品的采集，查明了试验小区地表径流中氮磷等水质指标与抗生素类新型污染物的浓度对降雨过程的动态响应。同时，通过地表径流与地下渗流最终样品的采集，测定并计算了目标污染物在单次降雨事件中的迁移通量(图中以总氮、总磷及8种抗生素类污染物为例)。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种土壤中污染物迁移的原位监测采样控制方法，其特征在于，所述土壤中污染物迁移的原位监测采样控制方法包括：
数据采集系统自动采集水势计、雨量计和翻斗计数据，雨水和径流样品通过氢氧同位素的分析测定，描述土壤中雨水驱替过程，判断产流机理并获取土壤水分运动过程动态数据；
降雨过程中，采集样品，降雨结束后在收集器内采集总样和泥沙样品；
分析测定pH、电导率、DOC/TOC、总氮、氨氮、硝氮、总磷、磷酸盐、颗粒态磷、土壤胶体、新型污染物浓度。
2.如权利要求1所述的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制方法，其特征在于，所述土壤中污染物迁移的原位监测采样控制方法降雨过程中，时间间隔不固定，采样体积视雨量而定，暴雨时段可间隔15min采集500mL，退水期采样间隔延长，降雨结束后在收集器内采集总样和泥沙样品。
3.如权利要求1所述的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制方法，其特征在于，所述土壤中污染物迁移的原位监测采样控制方法的新型污染物包括抗生素、抗性基因。
4.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
数据采集系统自动采集水势计、雨量计和翻斗计数据，雨水和径流样品通过氢氧同位素的分析测定，描述土壤中雨水驱替过程，判断产流机理并获取土壤水分运动过程动态数据；
降雨过程中，采集样品，降雨结束后在收集器内采集总样和泥沙样品；
分析测定pH、电导率、DOC/TOC、总氮、氨氮、硝氮、总磷、磷酸盐、颗粒态磷、土壤胶体、新型污染物浓度。
5.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
数据采集系统自动采集水势计、雨量计和翻斗计数据，雨水和径流样品通过氢氧同位素的分析测定，描述土壤中雨水驱替过程，判断产流机理并获取土壤水分运动过程动态数据；
降雨过程中，采集样品，降雨结束后在收集器内采集总样和泥沙样品；
分析测定pH、电导率、DOC/TOC、总氮、氨氮、硝氮、总磷、磷酸盐、颗粒态磷、土壤胶体、新型污染物浓度。
6.一种实施权利要求1～3任意一项所述土壤中污染物迁移的原位监测采样控制方法的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统，其特征在于，所述土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统包括：
观测系统，用于实现降雨事件下产流原理及动态变化、测定目标污染物浓度及土壤孔隙水的氢氧同位素、实时监测净空条件下和林下降雨量的动态变化、实时记录降雨事件过程中的产流量动态数据；
采样系统，用于收集雨水、土壤10cm和30cm深处的孔隙水、收集产生的地表径流和50cm深处的地下渗漏水样品。
7.如权利要求6所述的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统，其特征在于，所述观测系统还包括：隔水板、水势计、雨量计、翻斗计、数据采集设备、土壤溶液采集器、渗漏计、集水槽、地表径流水收集器、地下渗漏水收集器、导流管。
8.如权利要求7所述的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统，其特征在于，所述隔水板为不锈钢板，深度50cm，隔离试验小区外围的地表来水；水势计通过土壤水分探头实时监测10～50cm不同深度土壤水分变化，刻画降雨事件下的产流原理及动态变化；雨量计实时监测净空条件下和林下降雨量的动态变化；翻斗计分别安装在地表径流和地下渗漏水收集器内，通过脉冲信号计数实时记录降雨事件过程中的产流量动态数据。
9.如权利要求7所述的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统，其特征在于，所述采样系统包括渗漏计、集水槽、地表径流水收集器、地下渗漏水收集器、土壤溶液采集器；
渗漏计在试验小区内获取50*50*50cm立方体原状土柱，底部设有砂石仓布水底座，底座中间连接出水导管，导管延伸至试验小区外侧连接渗漏水收集器，收集土壤50cm深处的渗漏水样品；集水槽将试验小区内的地表径流汇聚在槽内，槽顶覆盖以隔离降雨干扰，槽内设不锈钢网兜拦截凋落物等杂物以避免堵塞槽口和径流收集器，槽口连接地表径流收集器。
10.如权利要求9所述的土壤中污染物迁移的原位监测采样控制系统，其特征在于，所述地表径流水收集器包括顶盖、翻斗计、缓冲板与分流孔，收集试验小区内产生的地表径流；收集器中的10孔分流设计，保证在大暴雨事件发生溢流情况下收集具有代表性的径流水样品；地下渗漏水收集器包括小型翻斗计，收集试验小区内产生的地下渗漏水样品；土壤溶液采集器安装在试验小区不同坡位处，通过采集器内的真空度自动采集降雨事件前后不同土壤深度处的土壤孔隙水样品，用于测定目标污染物浓度及土壤孔隙水的氢氧同位素。
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