CN113804858B - 一种坡地土壤多指标的多维自动监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坡地土壤多指标的多维自动监测系统，其结构特点是：由径流小区、监测廊道、土壤水分测量装置、土壤水势测量装置、土壤温度测量装置、土壤水位测量装置、土壤溶质取样装置构成。监测廊道建设于2个径流小区中间的地下，每个径流小区中均埋设若干个土壤水分传感器、水势传感器、温度传感器、水位传感器、水样取样器，各传感器输出端口位于监测廊道中与相关监测仪器连接。本发明的优点是：在一个野外的坡地上做一个大型的土壤多指标、多维监测试验装置，能够实现全天候土壤水分、水势、温度、水位自动监测，能够监测壤中流，能够采集土壤溶质，能够随时编辑采集方案，对采集到的数据实时统计和分析。

Description

一种坡地土壤多指标的多维自动监测系统

技术领域

本发明属于自动监测领域，涉及一种野外土壤水分、水势、温度、水位、水样监测装置，具体为一种坡地土壤多指标的多维自动监测系统。

背景技术

土壤水分、水势、温度和水位是反映坡地土壤物理状况的重要指标，土壤溶质是土壤可溶性物质迁移转化的介质。准确监测土壤水分、水势、温度、水位、溶质是土壤水分运动和溶质迁移转化的基础，是土壤水文、化学研究的热点。当前土壤要素监测一维、单要素监测较多，无多指标、多维自动监测系统，更是缺乏随时编辑采集方案实时统计、分析功能。

发明内容

本发明的目的在于一种坡地土壤多指标的多维自动监测系统，该系统能够实现全天候土壤水分、水势、温度和水位的自动监测，能够实时获取土壤溶质，能够多维度多因素的监测土壤，能够随时编辑采集方案，对采集到的数据实时统计和分析，本发明实质为一种测量装置。

本发明采用如下的技术方案：一种坡地土壤多指标的多维自动监测系统，其特征在于，包括径流小区、监测廊道、土壤水分测量装置、土壤水势测量装置、土壤温度测量装置、土壤水位测量装置、土壤溶质取样装置；

监测廊道建设于2个径流小区中间的地下，每个径流小区土体中均埋设若干个水分传感器、水势传感器、温度传感器、水位传感器、水样取样器，若干个传感器输出端口位于监测廊道中与相关监测仪器连接；

其中径流小区为水平投影长20m、宽5m、深280cm的长方体坡耕地小区，左、右二端、上端设置围埂，下端设置挡土墙，土壤底层设置底板；在径流小区距坡顶1.25m处设置为1号坡位，顺坡而下每隔2.5m，分别划分为1号坡位、2号坡位、3号坡位、4号坡位、5号坡位、6号坡位、7号坡位、8号坡位，每个坡位在距离地表土壤下20,40,60,80,130,180,230cm的深度埋设水分传感器、水势传感器和温度传感器，在每个坡位埋设水位传感器，以完成对坡地土体不同坡位和不同深度的土壤水分、土壤水势、土壤温度监测，完成对坡地土体不同坡位土壤水位监测；

监测廊道宽3m、长22m，作为观测通道和相关仪器的连接安放处；

土壤水分测量装置由同轴多路器扩展板、时域反射计、数据采集器构成；同轴多路器扩展板、时域反射计、数据采集器、安装在监测廊道内，水分传感器输出端口和土壤水分测量装置的同轴多路器扩展板连接，同轴多路器扩展板与时域反射计连接，时域反射计与数据采集器连接。

传感器的数据输出端位于监测廊道墙壁上，土壤水分数据监测系统、土壤水势数据监测系统、土壤温度数据监测系统、土壤溶质取样装置、土壤水位数据监测系统以及相应的供电设备安装在廊道中，同时承担左右2个径流小区的数据监测；水分传感器采用CS630TDR探头、同轴多路器扩展板SDMX50同轴多路器扩展板、时域反射计TDR100时域反射计、数据采集器采用CR1000数据采集器。

进一步的，同轴多路器扩展板通过同轴电缆连接构成三级扩展系统，分为第一级同轴多路器扩展板、第二级同轴多路器扩展板、第三级同轴多路器扩展板；第三级同轴多路器扩展板分别与同一个坡位的7个深度的水分传感器连接；第二级同轴多路器扩展板与该小区8个坡位的第三级同轴多路器扩展板连接；第一级同轴多路器扩展板是将监测廊道两边的两个小区的第二级同轴多路器扩展板连接；时域反射计与第一级同轴多路器扩展板连接。通过在同轴线缆系统中发射高频电磁脉冲来进行土壤水分的测量，随后对采集和数字化反射回来的波形进行分析和或存储，最后内置处理器根据传播的时间和返回脉冲信号的振幅信息快速而精确的获得土壤水分数据。

进一步的，土壤水势测量装置由水势传感器、水势接线盒、数据采集器组成；每个坡位处的水势接线盒与该坡位剖面的7个不同深度的土壤水势传感器输出端连接，8个坡位的水势接线盒安装在监测廊道的一侧，监测廊道二侧共计16个水势接线盒与数据采集器连接。水势传感器采用高负压水势传感器TensioMark。数据采集器型号是CSI CR1000数据采集器，支持模拟信号和数字信号，时域反射计、水势接线盒与数据采集器的信号端口连接；数据采集器将采集到的水分、水势数据储存在储存卡内，同时将可以通过数据传输线实时传输到数据控制中心。

进一步的，土壤温度测量装置由温度传感器、温度监测采集器构成；每个坡位处的温度监测采集器与该坡位剖面的7个不同深度的温度传感器输出端连接，8个坡位的温度监测采集器安装在监测廊道的一侧，监测廊道二侧共计16个温度监测采集器通过数据线直接与数据控制中心的工控机连接。温度传感器采用PT100温度感测器、温度监测采集器采用16路温度巡检仪。

进一步的，土壤水位测量装置由水位传感器，水位数显仪构成，水位数显仪与水位传感器输出端连接，水位数显仪安装在监测廊道内，并通过数据线直接与数据控制中心的工控机连接。水位传感器采用FW-V20，水位数显仪型号采用上润精密水位仪WP-D-809-00。

进一步的，土壤溶质取样装置由土壤溶质取样器、导管、抽负压装置、负压真空泵、存样管组成；土壤溶质取样器埋设于每个径流小区第8坡位中的距离地表土壤下20,40,60,80,130,180,230cm的深度位置，土壤溶质取样器通过导管与抽负压装置连接，抽负压装置与负压真空泵装置连接，抽负压装置下部配有存样管，其中导管、抽负压装置、负压真空泵、存样管安装在监测廊道内。

进一步的，本监控系统还在土壤内部安装壤中流收集管，壤中流收集管口连接壤中流组合式流量计，壤中流组合式流量计设置在监测廊道内面。所述壤中流组合式流量计由水表后接一个翻斗式流量计组成，当水量足够大时，水表能准确记录壤中流流量；当水量较小，不易触动水表时，翻斗式流量计能准确记录壤中流流量，两相结合能都得到更为进准的壤中流数据，并将数据通过数据采集器模板传输至数据控制中心。

进一步的，监测系统还设有供电装置，供电装置采用UPS电源，具有交流转直流和蓄电池供电2种供电模式，保证系统有不间断的电源供给，监测廊道中共有两台UPS电源，一台UPS电源与时域反射计、数据采集器、水势接线盒分别连接，另一台UPS电源与温度监测采集器、负压真空泵、水位数显仪分别连接。

进一步的，监测系统还设有数据控制中心，数据控制中心内有工控机，负责接收和处理各项监测数据，数据控制中心工控机通过数据线与数据采集器、温度监测采集器、水位数显仪连接，能对采集的水分、水势、温度、水位数据进行编辑与分析，并能实时调控采集方案以供需求。

本发明的优点是：本技术在于在一个野外的坡地上做一个大型的土壤多指标、多维监测实验，本技术能够在实现全天候土壤多指标的自动监测，能够多维度的监测土壤水分、水势、温度、水位，能够随时编辑采集方案，对采集到的数据实时统计和分析。

传统土壤的监测，往往一个小区只采用一个点位，获得的数据不够全面和精确，主机有若干个，数据收集不集中。多维监测实现了不同坡位和深度的监测，每个小区的监测点位更多，获得的数据更加全面和精确。传统的监测，往往只监测某项指标，或监测多项指标而不加以整合，获得的数据不够全面和整体。多指标的监测实现了不同因子的监测，能获得更加全面的数据，除能支持传统课题的需求外，还能探究不同因子在同种措施下的变化及变化过程，从多角度的监测措施对土壤相关因子的影响。

附图说明

图1为本发明的径流小区示意图。

图2为本发明的监测廊道里面的结构示意图。

图3为本发明的监测廊道侧面示意图。

图4为本发明的传感器结构示意图。

图5为本发明的土壤溶质取样装置结构示意图。

图6为本发明的组合式流量计结构示意图。

在图中，径流小区1、监测廊道2、传感器3、传感器输出端口4、传感器的埋设点位5、同轴多路器扩展板11、时域反射计12、数据采集器13、供电装置14、水势接线盒21、温度监测采集器31、水位数显仪41、导管51、抽负压装置52、负压真空泵53、存样管54、壤中流导管61、水表62、漏斗式流量计63、第一级同轴多路器扩展板111、第二级同轴多路器扩展板112、第三级同轴多路器扩展板113。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明采用的技术方案如下：一种坡地土壤多指标的多维自动监测系统，主要包括径流小区1、监测廊道2、传感器3、土壤水分测量装置、土壤水势测量装置、土壤温度测量装置、土壤水位测量装置；其特征在于：若干个径流小区1设置在若干个监测廊道2上层，每个监测廊道2建设于2个径流小区1中间的地下，若干个传感器3和土壤溶质取样装置中的土壤溶质取样器埋设于每个径流小区中，传感器输出端口4分别和土壤水分测量装置、土壤水势测量装置、土壤温度测量装置、土壤水位测量装置连接，传感器输出端口4和土壤水分测量装置、土壤水势测量装置、土壤温度测量装置、土壤水位测量装置、土壤溶质取样装置位于地下的监测廊道2中；

其中径流小区1为深280cm，长20m宽5m的四周地下与外封闭的坡耕地小区，在径流小区距坡顶1.25m处设置为1号坡位，顺坡而下每隔2.5m，划分为2号坡位、3号坡位、4号坡位、5号坡位、6号坡位、7号坡位、8号坡位（图2中有传感器的埋设点位5），每个坡位在距离地表土壤下20,40,60,80,130,180,230cm的深度埋设水分传感器、水势传感器和温度传感器，在8号坡位埋设水位传感器；以完成对坡地土体不同坡位和深度的土壤水分、土壤水势、土壤温度和土壤水位监测；

监测廊道2宽3m长15m，作为观测通道和相关仪器的安装处。传感器的数据输出端位于监测廊道墙壁上，土壤水分数据监测系统、土壤水势数据监测系统、土壤温度数据监测系统、土壤溶质取样装置、土壤水位数据监测系统以及相应的供电设备安装在廊道中，同时承担左右2个径流小区的数据监测。

进一步的，土壤水分测量装置由同轴多路器扩展板11、时域反射计12、数据采集器13构成；同轴多路器扩展板11、时域反射计12、数据采集器13、供电装置14安装在监测廊道内，水分传感器输出端口和土壤水分测量装置的同轴多路器扩展板11连接，同轴多路器扩展板11与时域反射计12连接，时域反射计12与数据采集器13连接。其中水分传感器采用CS630 TDR探头、同轴多路器扩展板SDMX50同轴多路器扩展板、时域反射计TDR100时域反射计、数据采集器采用CR1000数据采集器。

进一步的，同轴多路器扩展板通过同轴电缆连接构成三级扩展系统，分为第一级同轴多路器扩展板111、第二级同轴多路器扩展板112、第三级同轴多路器扩展板113；第三级同轴多路器扩展板113分别与8个坡位的7个深度的水分传感器连接；第二级同轴多路器扩展板112与该小区8个坡位的第三级同轴多路器113连接；第一级同轴多路器扩展板111与监测廊道的2个第二级同轴多路器扩展板112连接；时域反射计12与第一级同轴多路器扩展板111连接。通过在同轴线缆系统中发射高频电磁脉冲来进行土壤水分的测量，随后对采集和数字化反射回来的波形进行分析和存储，最后内置处理器根据传播的时间和返回脉冲信号的振幅信息快速而精确的获得土壤水分数据。

进一步的，土壤水势测量装置由水势传感器、水势接线盒21、数据采集器组成；8个坡位处的水势接线盒21与该坡位剖面的7个不同深度的土壤水势传感器输出端连接，水势接线盒21安装在监测廊道内，监测廊道2二侧共计16个水势接线盒21与数据采集器连接。水势传感器采用高负压水势传感器TensioMark。数据采集器型号是CSI CR1000数据采集器，支持模拟信号和数字信号，时域反射计12、水势接线盒21与数据采集器的信号端口连接；数据采集器13将采集到的水分、水势数据储存在储存卡内，同时将可以通过数据传输线实时传输到数据控制中心。

进一步的，土壤温度测量装置由温度传感器、温度监测采集器31构成；8个坡位处的温度监测采集器31与该坡位剖面的7个不同深度的温度传感器输出端连接，温度监测采集器31安装在监测廊道2内，监测廊道2二侧共计16个温度监测采集器通过数据线直接与数据控制中心的工控机连接。温度传感器采用PT100温度感测器、温度监测采集器采用16路温度巡检仪。

进一步的，土壤水位测量装置由水位传感器，水位数显仪41构成，水位数显仪41与水位传感器输出端连接，水位数显仪41安装在监测廊道2内，并通过数据线直接与数据控制中心的工控机连接。水位传感器采用FW-V20，水位数显仪型号41采用上润精密水位仪WP-D-809-00。

进一步的，土壤溶质取样装置由土壤溶质取样器、导管51、抽负压装置52、负压真空泵53、存样管54组成；土壤溶质取样器埋设于每个径流小区中的距离地表土壤下20,40,60,80,130,180,230cm的深度位置，土壤溶质取样器通过导管51与抽负压装置52连接，抽负压装置52与负压真空泵53装置连接，抽负压装置下部配有存样管54，其中导管、抽负压装置、负压真空泵、存样管安装在监测廊道2内。

进一步的，本监控系统还在土壤内部安装壤中流收集管，壤中流收集管口连接壤中流组合式流量计，壤中流组合式流量计设置在监测廊道内面。所述壤中流组合式流量计由水表后接一个翻斗式流量计组成，当水量足够大时，水表能准确记录壤中流流量；当水量较小，不易触动水表时，翻斗式流量计能准确记录壤中流流量，两相结合能都得到更为进准的壤中流数据，并将数据通过数据采集器模板传输至数据控制中心。

进一步的，监测系统还设有供电装置，供电装置采用UPS电源，具有交流转直流和蓄电池供电2种供电模式，保证系统有不间断的电源供给，监测廊道中共有两台UPS电源，一台UPS电源与时域反射计、数据采集器、水势接线盒分别连接，另一台UPS电源与温度监测采集器、负压真空泵、水位数显仪分别连接。

进一步的，监测系统还设有数据控制中心，数据控制中心内有工控机，负责接收和处理各项监测数据，数据控制中心工控机通过数据线与数据采集器、温度监测采集器、水位数显仪连接，能对采集的水分、水势、温度、水位数据进行编辑与分析，并能实时调控采集方案以供需求。

Claims (6)

1.一种坡地土壤多指标的多维自动监测系统，包括径流小区、监测廊道、土壤水分测量装置、土壤水势测量装置、土壤温度测量装置、土壤水位测量装置、土壤溶质取样装置；其特征在于：

监测廊道建设于2个径流小区中间的地下，每个径流小区土体中均埋设若干个水分传感器、水势传感器、温度传感器、水位传感器、水样取样器，若干个传感器输出端口位于监测廊道中与相关监测仪器连接；

其中径流小区为水平投影长20m、宽5m、深280cm的长方体坡耕地小区，左、右二端、上端设置围埂，下端设置挡土墙，土壤底层设置底板；在径流小区距坡顶1.25m处设置为1号坡位，顺坡而下每隔2.5m，分别划分为1号坡位、2号坡位、3号坡位、4号坡位、5号坡位、6号坡位、7号坡位、8号坡位，每个坡位在距离地表土壤下20,40,60,80,130,180,230cm的深度埋设水分传感器、水势传感器和温度传感器，在每个坡位埋设水位传感器，以完成对坡地土体不同坡位和不同深度的土壤水分、土壤水势、土壤温度监测，完成对坡地土体不同坡位土壤水位监测；

监测廊道宽3m、长22m，作为观测通道和相关仪器的连接安放处；

土壤水分测量装置由同轴多路器扩展板、时域反射计、数据采集器构成；同轴多路器扩展板、时域反射计、数据采集器安装在监测廊道内，水分传感器输出端口和土壤水分测量装置的同轴多路器扩展板连接，同轴多路器扩展板与时域反射计连接，时域反射计与数据采集器连接；

同轴多路器扩展板通过同轴电缆连接构成三级扩展系统，分为第一级同轴多路器扩展板、第二级同轴多路器扩展板、第三级同轴多路器扩展板；第三级同轴多路器扩展板分别与径流小区同一个坡位的7个深度的水分传感器连接；第二级同轴多路器扩展板与该径流小区8个坡位的第三级同轴多路器扩展板连接；第一级同轴多路器扩展板是将监测廊道两边的两个小区的第二级同轴多路器扩展板连接；时域反射计与第一级同轴多路器扩展板连接；

土壤溶质取样装置由土壤溶质取样器、导管、抽负压装置、负压真空泵、存样管组成；土壤溶质取样器埋设于每个径流小区八个坡位的7个深度处，土壤溶质取样器通过导管与抽负压装置连接，抽负压装置与负压真空泵连接，下部配有存样管，其中导管、抽负压装置、负压真空泵、存样管安装在监测廊道内；

监控系统还在土壤内部安装壤中流收集管，壤中流收集管口连接壤中流组合式流量计，壤中流组合式流量计设置在监测廊道内面；所述壤中流组合式流量计由水表后接一个翻斗式流量计组成，当水量足够大时，水表能准确记录壤中流流量；当水量较小，不易触动水表时，翻斗式流量计能准确记录壤中流流量，两相结合能都得到更为精准的壤中流数据，并将数据通过数据采集器模板传输至数据控制中心。

2.根据权利要求1所述的一种坡地土壤多指标的多维自动监测系统，其特征在于：土壤水势测量装置由水势传感器、水势接线盒、数据采集器组成；每个坡位处的水势接线盒与该坡位剖面的7个不同深度的土壤水势传感器输出端连接，8个坡位的水势接线盒安装在监测廊道一侧，监测廊道二侧共计16个水势接线盒与数据采集器连接。

3.根据权利要求1所述的一种坡地土壤多指标的多维自动监测系统，其特征在于：土壤温度测量装置由温度传感器、温度监测采集器构成；每个坡位处的温度监测采集器与该坡位剖面的7个不同深度的温度传感器输出端连接，8个坡位的温度监测采集器安装在监测廊道一侧，监测廊道二侧共计16个温度监测采集器通过数据线直接与数据控制中心的工控机连接。

4.根据权利要求1所述的一种坡地土壤多指标的多维自动监测系统，其特征在于：土壤水位测量装置由水位传感器，水位数显仪构成，水位数显仪与水位传感器输出端连接，水位数显仪安装在监测廊道内，并通过数据线直接与数据控制中心的工控机连接。

5.根据权利要求1所述的一种坡地土壤多指标的多维自动监测系统，其特征在于：监测系统还设有供电装置，供电装置采用UPS电源，具有交流转直流和蓄电池供电2种供电模式，保证系统有不间断的电源供给，监测廊道中共有两台UPS电源，一台UPS电源与时域反射计、数据采集器、水势接线盒分别连接，另一台UPS电源与温度监测采集器、负压真空泵、水位数显仪分别连接。

6.根据权利要求1所述的一种坡地土壤多指标的多维自动监测系统，其特征在于：监测系统还设有数据控制中心，数据控制中心内有工控机，负责接收和处理各项监测数据，数据控制中心工控机通过数据线与数据采集器、温度监测采集器、水位数显仪连接，能对采集的水分、水势、温度、水位数据进行编辑与分析，并能实时调控采集方案以供需求。

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