CN113932862B - 一种感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法 - Google Patents

一种感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法。该方法将多普勒流量计应用于旱地农田沟渠入河口水体的测量，能够判断水体的流动方向，并通过高频率实时监测得出一段时间内水体的流入流出总量，同时依据农田排水口产流数据和产流时沟渠水位数据，设置水质自动采样器的采样触发和停止条件来实现沟渠入河口与农田排水口同步采样。本发明能够解决感潮河网地区水体流向不定的流量测量问题，测量精准，根据产流时间设置高频率采样，并结合高频率的单位时间内流量数据，使所取水样更能够代表降雨产流时农业面源污染入河的过程，而沟渠入河口与农田排水口进行趋于同步的采样，使得对农田农业面源污染的排放分析更为方便，更为系统。

Description

一种感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法
技术领域
本发明涉及农业面源污染监测领域，具体涉及一种感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法。
背景技术
旱地农田在降雨条件下对外界河道氮磷的贡献是一个农业面源污染输出的过程，如何对其进行有效的监测是解决农业面源污染问题的重要环节。农业面源污染的防控需要协同监测农田径流产生到入河的过程，目前，针对农田排水口的监测方法较为成熟，而将农田沟渠入河口与农田排水口进行协同监测的方法亟需建立。在我国长江中下游平原，地势低平，河网密布，受到潮汐作用影响的地区，经常出现上游来水、本地降雨和下游强潮顶托的“三碰头”情形，农田排水沟与河道水体没有稳定的流向，呈现往复运动的特征，加上农田沟渠排水流速较低，导致大多数测水体流速的设备如测流堰等不能够适用于感潮河网地区旱地农田沟渠入河口，也造成对感潮河网地区农业面源污染入河过程的监测具有特殊性和复杂性。
在感潮河网地区内的某个旱地农田监测点位，农田径流在降雨条件下从农田产生到进入沟渠再到进入河道是农田氮磷进入河道的主要过程，在此过程中，农田排水量(从农田排水口排出的水量)和沟渠排水量(从农田沟渠入河口排出的水量)是动态变化的，同时排水中的氮磷浓度也是变化的，对农业面源污染的监测实际上是对排水量的连续监测和对水体的高频率取样来监测氮磷浓度，难点在于农田沟渠入河口的水量监测以及农田沟渠入河口如何与农田排水口在相隔较远的情况下趋于同步地采集到一场降雨在农田产流情况下的水样，用以反映所监测农田降雨产流后对外界水环境的影响。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提出一种能实现对农田沟渠入河口与农田排水口进行同步采样和协同监测的感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法。该方法基于高频在线监测设备多普勒流量计与水质自动采样器，通过对农田沟渠入河流量实时监测，并设置“农田排水口-农田沟渠入河口”同步监测采样启动、停止触发条件和采样频率等相关操作参数，实现对农田沟渠入河水量(从农田沟渠入河口排出的水量)的精准测量和农田沟渠入河口与农田排水口水样的同步采样，实时反映一场降雨中监测农田污染物排放量与排放的变化规律以及对外界水环境的影响。
本发明的技术构思：在农田沟渠入河口布设多普勒流量计测量农田沟渠的水位和水体的流动速度以及判断水体的流动方向，根据农田沟渠类型的不同，运用不同的公式对沟渠入河流量进行计算，设置数据采集频率，实现不同沟渠入河流量的精准测量，并通过电导率传感器测量水体电导率，通过电导率与流量关系来筛除测量流量的异常值。同时，在农田沟渠入河口布置水质自动采样器对降雨产生农田径流时的沟渠入河径流进行高频率采样，基于在农田排水口布设雨量筒监测到的降雨量、布设三角测流堰监测到的农田径流量等相关参数，分析确定农田沟渠入河口的水质自动采样器的采样触发条件和停止条件，使其能够与农田排水口的水质自动采样器趋于同步地采集到一场降雨中农田径流与沟渠入河径流的水样，用以分析所监测农田的氮磷输出对外界水环境的影响；沟渠流量计算公式和水质自动采样器的采样触发条件和停止条件的输入均通过数据采集器来完成，流量数据和采样时间均可在云平台显示并保存。
本发明采用下述技术方案：
一种感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法，包括以下步骤：
①在农田沟渠入河口布设沟渠流量在线监测设备多普勒流量计，并布设水质自动采样器和数据采集器；多普勒流量计、水质自动采样器均与数据采集器连接；对设备进行供电；
②根据所监测的农田沟渠类型，确定实时沟渠断面流量计算公式，测量计算公式中所需参数；将农田沟渠的实时沟渠断面流量计算公式及所需参数通过编程输入数据采集器；通过多普勒流量计上的压力传感器和超声波传感器对农田沟渠入河口水体的流动速度和流动方向进行实时测量；并且，通过多普勒流量计测量沟渠入河口处的沟渠水位高度；通过人工编程控制数据采集器将测得的沟渠水位高度计算成沟渠入河口处的横截面积，并结合测得的流速(带有方向)，根据实时沟渠断面流量计算公式，计算得到实时沟渠断面流量，即一个测量周期内测量的农田沟渠入河水量(流量)；
针对不同类型的农田沟渠，通过不同的实时沟渠断面流量计算公式进行计算。
③通过高频率监测的实时沟渠断面流量数据结合流向判断，累加计算得到所需的一段时间内的农田沟渠入河水量(流量)。
④依据已监测获得的农田排水口产流数据和产流时沟渠水位或流速数据，进行采样启动和停止触发条件的设置；
亦即，对已监测获得的农田排水口产流数据和产流时沟渠水位高度或流速数据进行分析，确定水质自动采样器的采样启动和采样停止触发条件，以满足沟渠入河口和农田排水口趋于同步采样，并将所需参数输入数据采集器；
⑤根据样品需求及农田氮磷排放规律，通过数据采集器设置水样采集的采样频率(亦即，将水样采集的频率等参数输入数据采集器)；通过数据采集器控制水质自动采样器自动进行水样采集；
⑥对水样的污染物(氮磷)浓度进行检测，并结合流量分析污染物的入河特征；
亦即，根据云平台上的流量数据和采集样品的时间和检测水样的氮磷浓度，分析氮磷入河的浓度变化与输出负荷。
进一步地，步骤①中，对于土质不规则沟渠，在旱地农田沟渠入河口的地下涵管内布设多普勒流量计，在沟渠旁布设水质自动采样器，并将数据采集器安装在水质自动采样器内。
进一步地，步骤③中，将数据采集器采集多普勒流量计测量水体流量的数据采集频率(数据采集频率为每5min采集一次)等参数输入数据采集器；数据采集器首先按照实时沟渠断面流量计算公式计算多普勒流量计(多普勒流量计设备自动每几秒钟或一分钟测一次)每次测量的流量值(即一个测量周期内测量的流量值)，通过设置所需数据采集频率即数据采集时间间隔(5min)，数据采集器将数据采集时间间隔内(5min内)所包含的各测量周期内的流量值进行累加处理，设置的数据采集时间间隔内(5min内)的流量为各测量周期内的流量值的累加，累加处理后得到的累加流量值为正值时表示沟渠水体流入河道，得到的累加流量值为负值时表示河道水体流入沟渠。
进一步地，步骤③中，数据采集器最终获得的所设数据采集时间间隔(5min内)内的累加流量数据，利用无线数据传输终端(DTU)通过4G网络将数据传输到云平台。将所需的一段时间(如30-40min)内包含的若干个所设数据采集时间间隔(5min)内的累加流量数据再进行累加，计算得到所需的一段时间(30-40min)内的农田沟渠入河水量(流量)。
进一步地，步骤④中，基于已开展的农田产流监测(即对农田排水口的监测)，统计多次降雨产流事件降雨量和产流时间，计算多次降雨产流事件产流前1小时连续降雨的累计降雨量的平均值，作为启动水质自动采样器采集样品的主要触发条件之一；根据农田沟渠入河口水位或农田沟渠入河口流速，基于已开展的农田沟渠入河口监测，统计多次降雨产流事件中农田径流产生前沟渠水位或流速数据，得出所有降雨产流事件中沟渠水位或流速的最小值，将沟渠水位或流速高于最小值作为水质自动采样器采集样品的另一主要触发条件；将水质自动采样器采集样品的触发条件参数输入数据采集器，并设置当两个主要触发条件均满足时，水质自动采样器开始采样。
进一步地，步骤④中，基于已开展的农田产流监测，统计多次降雨产流事件降雨停止后农田产流时长，汇总后求得农田产流时长平均值，将任意时刻该农田产流时长平均值时间内无降雨作为水质自动采样器停止采样的触发条件。将水质自动采样器采集样品的停止条件参数输入数据采集器，当停止采样的触发条件满足时，水质自动采样器停止采样。
进一步地，步骤⑤中，设置沟渠入河口水质自动采样器的采样频率与农田排水口一致；采样频率的设置根据所需样品体积、采样泵的采样速度确定最小的时间间隔；采样频率的设置采取产流前期采样间隔密集，产流后期采样间隔分散的模式。
进一步地，步骤⑥中，根据云平台上的流量数据和采集样品的时间和检测水样的氮磷浓度，通过对不同时段降雨过程中农田径流和沟渠入河口径流流量和污染物浓度的同步分析与精确计算，分析氮磷入河的浓度变化与输出负荷，确定降雨过程中“农田径流-沟渠-入河口”的农业面源污染变化规律和输出负荷，分析所监测农田氮磷的输出对外界水环境的影响，得出所监测农田对面源污染物的输出负荷和输出规律。
进一步地，在农田沟渠入河口同时还布设电导率传感器，将电导率传感器与数据采集器连接；设置电导率传感器测量水体电导率的频率与数据采集器采集多普勒流量计测量水体流速的频率相同；在用多普勒流量计测量水的流速的同时用电导率传感器测量水的电导率；通过电导率与流速的关系对多普勒流量计测定的流速可能出现的异常值进行判断并剔除，并根据相邻测量时间间隔测量的电导率值所对应的流速值确定此测量时刻流速的大致范围。
所述的感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法，具体内容如下：
(一)农田沟渠流量监测
(1)水体流速测量及流向判断：农田沟渠水体流动速度和流动方向通过多普勒流量计上的压力传感器和超声波传感器进行实时测量，多普勒流量计通过探头在水中发射超声波，与悬浮在水体中的颗粒物接触后产生回波，并对其进行接受和分析，提取出流速大小和方向等信息，可以解决河道水在潮汐作用下会回灌入农田沟渠以及潮汐作用下农田沟渠水流入与流出的速度较低的问题，实现沟渠流量的精确计量。
(2)流量监测：通过多普勒流量计测量沟渠水位高度。沟渠水位高度的测量可通过超声波传感器或压力传感器进行测量，超声波传感器将超声波信号向上发射到水面，并测量仪器接收水面回波所需的时间，水深与声波在水中的传播时间和速度成正比(根据温度和密度进行校正)，根据该原理测得沟渠水位高度，最大超声波深度测量限于5m；而对于含有大量杂质的水体，更适合用压力传感器对水位进行测量。可通过人工编程控制数据采集器将测得的沟渠水位高度计算成沟渠入河口处的横截面积，并结合流速(带有方向)计算得到沟渠入河水量，而针对不同类型的沟渠，需通过不同的公式进行计算。
对于水泥制规则沟渠，将沟渠的底宽和侧面倾斜角度通过编程输入数据采集器，结合多普勒流量计测得的流速和水位数据，根据以下水位流量关系计算得到实时沟渠断面流量：
Q＝V*S
式中Q为实时沟渠断面流量(m3)，V为测得的流速(m·s-1)，S为沟渠横截面积(m2)，a为沟渠底面宽(m)，h为沟渠水位高度(m)，θ为沟渠侧面与地面的夹角(°)即侧面倾斜角度。
对于土质不规则沟渠，多数土质沟渠通过地下涵管与外界河道相连将沟渠水排入外河道，将涵管半径通过编程输入数据采集器，结合多普勒流量计测得的流速和水位数据，根据以下水位流量关系计算得到实时沟渠断面流量：
对于不满管充水的实时沟渠断面流量：
Q＝V*S1
对于满管充水的实时沟渠断面流量：
Q＝V*S2
S2＝π*r2
式中Q为实时沟渠断面流量(m3)，V为测得的流速(m·s-1)，S1、S2分别为不满管和满管充水的沟渠横截面积(m2)，r为涵管半径(m)，h为涵管内水位高度(m)。
(3)数据采集：将数据采集器采集多普勒流量计测量水体流量的数据采集频率等参数输入数据采集器；数据采集器首先按照实时沟渠断面流量计算公式计算多普勒流量计(多普勒流量计设备自动每几秒钟或一分钟测一次)每次测量的流量值(即一个测量周期内测量的流量值)，通过设置所需数据采集频率(数据采集频率为每5min采集一次)即数据采集时间间隔(5min)，数据采集器将数据采集时间间隔内所包含的各测量周期内的流量值进行累加处理，设置的数据采集时间间隔内的流量为各测量周期内的流量值的累加，累加处理后得到的累加流量值为正值时表示沟渠水体流入河道，得到的累加流量值为负值时表示河道水体流入沟渠。数据采集器最终获得的所设数据采集时间间隔内的累加流量数据，利用无线数据传输终端(DTU)通过4G网络将数据传输到云平台。最后，将所需的一段时间(如30-40min)内包含的若干个所设数据采集时间间隔(5min)内的累加流量数据再进行累加，计算得到所需的一段时间(30-40min)内的农田沟渠入河水量(流量)。
(4)异常值筛除：针对沟渠入河口复杂的水环境，水体流动方向在某些时候变化频繁，导致多普勒流量计测定的流速可能出现异常值，针对个别异常值的出现，通过电导率与流速的关系图(图3)进行判断，设置电导率传感器测量水体电导率的频率与数据采集器采集多普勒流量计测量水体流速的频率相同，电导率的值相对流速更加稳定，流速的异常值可通过电导率的变化判断出，并根据相邻测量间隔时间测量的电导率值所对应的流速值确定此测量时刻流速的大致范围。
(二)“农田排水口-农田沟渠入河口”同步采样
(1)采样启动触发设置：基于已开展的农田产流监测(即对农田排水口的监测)，统计多次降雨产流事件降雨量和产流时间(数据采集频率为每5min采集一次)，不间断的连续降雨才会产生农田径流，间歇降雨雨水会迅速被土壤吸收和高温蒸发。因此，计算多次降雨产流事件产流前1小时连续降雨的累计降雨量的平均值，作为启动水质自动采样器采集样品的主要触发条件之一；根据农田沟渠入河口水位或农田沟渠入河口流速，基于已开展的农田沟渠入河口监测，统计多次降雨产流事件中农田径流产生前的沟渠水位或流速数据(数据采集频率为每5min采集一次)，得出所有降雨产流事件中沟渠水位或流速的最小值，将沟渠水位或流速高于最小值作为水质自动采样器采集样品的另一主要触发条件。
将水质自动采样器采集样品的触发条件参数输入数据采集器，并设置当两个主要触发条件均满足时，水质自动采样器开始采样。
(2)采样频率设置：水质自动采样器采集样品通过细软皮管将产生的径流样品采集到水质自动采样器1L的采样瓶中。采样频率的设置根据所需样品体积、采样泵的采样速度确定最小的时间间隔。由于旱地农田氮磷污染物的排放可能存在初期冲刷效应，为确定单次降雨产流事件中径流排放过程中污染物浓度变化规律，采样频率的设置采取产流前期采样间隔密集，产流后期采样间隔分散的模式。设置沟渠入河口水质自动采样器的采样频率与农田排水口一致，以便于分析农田中氮磷污染物从产生到入河的整个过程的分布与变化规律。
(3)采样停止触发设置：采样程序的停止通过降雨量进行控制，针对农田排水口在降雨停止后仍会产生一段时间的径流，为了防止采集不到径流后期样品，基于已开展的农田产流监测，统计多次降雨产流事件降雨停止后农田产流时长，汇总后求得平均值，将任意时刻该平均值时间内无降雨作为水质自动采样器停止采样的触发条件。将水质自动采样器采集样品的停止条件参数输入数据采集器，当停止采样的触发条件满足时，水质自动采样器停止采样。
(三)“农田排水口-农田沟渠入河口”样品采集与分析
(1)样品采集与保存：水质自动采样器最多可采集24瓶样品，并可设置4摄氏度低温保存。每次降雨产流事件结束后，及时将采样瓶内的样品按序号和时间收集，并及时送进实验室检测相关指标，复位后重新启动进行下一个取样循环。
(2)数据采集与分析：通过数据采集器将所有监测数据上传至云平台，所有降雨产流事件的降雨量、径流流量、采样时间数据可在云平台导出，各污染物浓度数据通过将自动采集的样品送进实验室检测获得，并通过对不同时段降雨过程中农田径流和沟渠入河口径流流量和污染物浓度的同步分析与精确计算，得出其对面源污染物的输出负荷和输出规律。
本发明的有益效果：
本发明一种感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法，适用于包括雨量筒、水质自动采样器、多普勒流量计和数据采集器的水量水质监测系统。该方法将多普勒流量计应用于旱地农田沟渠入河口水体的测量，能够判断水体的流动方向，并通过高频率实时监测得出一段时间内水体的流入流出总量，同时，设置水质自动采样器的采样触发条件和停止条件来实现沟渠入河口与农田排水口趋于同步的采样模式。本发明能够解决感潮河网地区水体流向不定的流量测量问题，测量精准，根据产流时间设置高频率采样，并结合高频率的单位时间内流量数据，使得所取水样更能够代表降雨产流时农业面源污染入河的过程，而沟渠入河口与农田排水口进行趋于同步的采样，使得对农田农业面源污染的排放分析更为方便，更为系统。
与现有技术相比，本发明的感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法，具有以下有益效果：
1)将多普勒流量计运用到圩区入河口监测(因为圩区的水向变化很频繁，所以监测也比较难，而目前还没有很好的圩区入河口水量监测方法)，能够解决感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水体流向不定的流量测量问题，并精准测量入河流量。
2)针对沟渠入河口水环境复杂、水体流动方向在某些时候变化频繁等导致多普勒流量计测定的流速可能出现异常值的情况，通过电导率传感器辅助判断多普勒流量计的异常值，设置电导率传感器测量水体电导率的频率与数据采集器采集多普勒流量计测量水体流速的频率相同；通过电导率与流速的关系对多普勒流量计测定的流速可能出现的异常值进行判断并剔除，并根据相邻测量时间间隔测量的电导率值所对应的流速值确定此测量时刻流速的大致范围。由此可使监测结果更准确。
3)通过降雨量、沟渠流速和沟渠水位等多种参数，设置农田沟渠入河口高频率自动采样的启动与停止触发条件，解决了沟渠入河口与农田排水口由于距离远无法通过数据采集器设置进行同步取样的问题。根据通过设置高频率自动采样方式结合单位时间内的径流流量，更加能够确定降雨过程中“农田径流-沟渠-入河口”的农业面源污染变化规律和输出负荷，这样能更好地分析所监测农田氮磷的输出对外界水环境的影响，能够较为精确地掌握所监测农田径流中污染物对外界水环境的贡献率，可为农业面源提出可行的污染物防治措施提供相应的数据支持。
附图说明
图1为实施例中感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法流程框图。
图2为实施例中采样频率变化图。
图3为实施例1中农田降雨产流期间一段时间内农田沟渠入河口水体流速与电导率随时间变化关系图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本发明一种感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法，该方法包括以下流程：
①在农田沟渠入河口布设沟渠流量在线监测设备多普勒流量计，并布设水质自动采样器和数据采集器；多普勒流量计、水质自动采样器均与数据采集器连接；对设备进行供电；
②根据所监测的农田沟渠类型，确定实时沟渠断面流量计算公式，测量计算公式中所需参数；将农田沟渠的实时沟渠断面流量计算公式及所需参数通过编程输入数据采集器；通过多普勒流量计上的压力传感器和超声波传感器对农田沟渠入河口水体的流动速度和流动方向进行实时测量；并且，通过多普勒流量计测量沟渠入河口处的沟渠水位高度；通过人工编程控制数据采集器将测得的沟渠水位高度计算成沟渠入河口处的横截面积，并结合测得的流速(带有方向)，根据实时沟渠断面流量计算公式，计算得到实时沟渠断面流量，即一个测量周期内测量的农田沟渠入河水量(流量)；针对不同类型的农田沟渠，通过不同的实时沟渠断面流量计算公式进行计算。
③通过高频率监测的实时沟渠断面流量数据结合流向判断，累加计算得到所需的一段时间内的农田沟渠入河水量(流量)。
将数据采集器采集多普勒流量计测量水体流量的数据采集频率(数据采集频率为每5min采集一次)等参数输入数据采集器；数据采集器首先按照实时沟渠断面流量计算公式计算多普勒流量计(多普勒流量计设备自动每几秒钟或一分钟测一次)每次测量的流量值(即一个测量周期内测量的流量值)，通过设置所需数据采集频率即数据采集时间间隔(5min)，数据采集器将数据采集时间间隔内(5min内)所包含的各测量周期内的流量值进行累加处理，设置的数据采集时间间隔内(5min内)的流量为各测量周期内的流量值的累加，累加处理后得到的累加流量值为正值时表示沟渠水体流入河道，得到的累加流量值为负值时表示河道水体流入沟渠。数据采集器最终获得的所设数据采集时间间隔内(5min内)的累加流量数据，利用无线数据传输终端(DTU)通过4G网络将数据传输到云平台。
最后，将所需的一段时间(如30-40min)内包含的若干个所设数据采集时间间隔(5min)内的累加流量数据再进行累加，计算得到所需的一段时间(30-40min)内的农田沟渠入河水量(流量)。
④依据已监测获得的农田排水口产流数据和产流时沟渠水位或流速数据，进行采样启动和停止触发条件的设置。
亦即，对已监测获得的农田排水口产流数据和产流时沟渠水位高度或流速数据进行分析，确定水质自动采样器的采样启动和采样停止触发条件，以满足沟渠入河口和农田排水口趋于同步采样，并将所需参数输入数据采集器；
⑤根据样品需求及农田氮磷排放规律，设置水样采集的采样频率。
将水样采集的采样频率等参数输入数据采集器；亦即，通过数据采集器设置水样采集的采样频率；通过数据采集器控制水质自动采样器自动进行水样采集；
⑥对水样的污染物(氮磷)浓度进行检测，并结合流量分析污染物的入河特征；
亦即，根据云平台上的流量数据和采集样品的时间和检测水样的氮磷浓度，分析氮磷入河的浓度变化与输出负荷。
亦即，根据云平台上的流量数据和采集样品的时间和检测水样的氮磷浓度，通过对不同时段降雨过程中农田径流和沟渠入河口径流流量和污染物浓度的同步分析与精确计算，分析氮磷入河的浓度变化与输出负荷，确定降雨过程中“农田径流-沟渠-入河口”的农业面源污染变化规律和输出负荷，分析所监测农田氮磷的输出对外界水环境的影响，得出所监测农田对面源污染物的输出负荷和输出规律。
实施例1
本实施例以农田沟渠为土质不规则沟渠类型进行说明：
①选定崇明岛(感潮河网地区)某旱地农田沟渠(土质不规则沟渠)入河口为监测点，在该旱地农田沟渠入河口处的地下涵管内布设多普勒流量计，在沟渠旁布设水质自动采样器(FC-24C型在线分采冰箱式水质自动采样器)，并将数据采集器安装在水质自动采样器内，多普勒流量计、水质自动采样器均与数据采集器连接；对设备进行供电；(该农田排水口已进行为期半年的监测，包括雨量筒、三角堰、水质自动采样器等)；
②测量沟渠入河口涵管所需参数，测得涵管半径r，将土质不规则沟渠的实时沟渠断面流量计算公式及涵管半径通过编程输入数据采集器；多普勒流量计上的压力传感器和超声波传感器对农田沟渠入河口水体的流动速度和流动方向进行实时测量；并且，通过多普勒流量计测量沟渠入河口处的沟渠水位高度；数据采集器根据多普勒流量计测得的流速和水位数据，计算实时沟渠断面流量。
所述土质不规则沟渠的流量计算公式如下，数据采集器根据以下流量计算公式计算得到实时沟渠断面流量：
Q＝V*S1
式中Q为实时沟渠断面流量(m3)，V为测得的流速(m·s-1)，S1为不满管充水的沟渠横截面积(m2)，r为涵管半径(m)，h为涵管内水位高度(m)。
将多普勒流量计测量水体流速的数据采集频率等参数输入数据采集器，数据采集频率设为每5min采集一次。
测量及计算结果见表1，最终得到的流量数据在云平台上显示并可导出：
表1
③在云平台上导出每五分钟测量一次的流量数据(每五分钟的流量累加值)，依据降雨产流事件时长(12:30-13:10)，将此段时间(40分钟)内每次测量的流量数据累加，其中，流量累加值数值为正表明沟渠水流出，数值为负表明沟渠连通的外界河道水流入，一段时间内的流量认为是流出水量与流入水量的差值，可计算得到2021/7/31 12:30-13:10的农田沟渠入河口流量数据累加值约为42.53m3。
在农田沟渠入河口同时还布设电导率传感器，将电导率传感器与数据采集器连接；通过数据采集器设置电导率传感器测量水体电导率的频率(每五分钟测一次)与多普勒流量计测量水体流速的频率(数据采集器每五分钟采集一次多普勒流量计的流速值)相同；在用多普勒流量计测量水体流速的同时用电导率传感器测量水体电导率；通过如图3所示的电导率与流速的关系图对多普勒流量计测定的流速可能出现的异常值进行判断并进行剔除；电导率的值相对流速更加稳定，流速的异常值可通过电导率的变化判断出，并根据相邻测量时间间隔测量的电导率值所对应的流速值确定此测量时刻流速的大致范围。
图3为2021/7/4(A)和2021/7/25(B)农田降雨产流期间一段时间内农田沟渠入河口水体流速与电导率随时间变化的情况，可以看出图3A(图3上图)中流速无明显的异常值，且流速与电导率成完全相反的关系，而图3B(图3下图)中在某一测量时刻(在150-200min之间的180min左右)出现一个明显的异常值，根据电导率变化可以看出异常值时刻电导率是逐渐增大的，而流速则应该是逐渐减小的，相邻流速测量值分别为0.013m/s和0.010m/s，可以判断出异常值时刻流速的范围为0.013-0.010m/s。
④对已监测获得的农田排水口产流数据和产流时沟渠水位高度数据进行分析，确定水质自动采样器的采样启动和采样停止触发条件，以满足沟渠入河口和农田排水口趋于同步采样，并通过编程的方式将水质自动采样器的采样触发条件和停止条件输入数据采集器。
基于已开展的农田产流监测(即对农田排水口的监测)，统计多次降雨产流事件降雨量和产流时间(数据采集频率为每5min采集一次)，计算多次降雨产流事件产流前1小时连续降雨的累计降雨量的平均值，作为启动水质自动采样器采集样品的主要触发条件之一；根据农田沟渠入河口水位，基于已开展的农田沟渠入河口监测，统计多次降雨产流事件中农田径流产生前的沟渠水位数据(数据采集频率为每5min采集一次)，得出所有降雨产流事件中沟渠水位的最小值，将沟渠水位高于最小值作为水质自动采样器采集样品的另一主要触发条件；将水质自动采样器采集样品的触发条件参数输入数据采集器，并设置当两个主要触发条件均满足时，水质自动采样器开始采样。
根据已测多次的农田产流数据和沟渠水位数据，确定沟渠入河口水质自动采样器的触发条件，统计至少五场降雨产流事件中产流前一小时内的降雨量以及产流时沟渠水位(见表2)：
表2
由此，可将沟渠入河口水质自动采样器采样程序的两个主要触发条件设为1h内降雨量为5.0mm和沟渠水位达到0.175m，当降雨过程中这两个主要触发条件均满足时，进行沟渠入河口水体样品的采集。
基于已开展的农田产流监测，统计多次降雨产流事件降雨停止后农田产流时长，汇总后求得平均值，将任意时刻该平均值时间内无降雨作为水质自动采样器停止采样的触发条件。将水质自动采样器采集样品的停止条件参数输入数据采集器，当停止采样的触发条件满足时，水质自动采样器停止采样。
根据已测多次的农田产流数据(见表3)，确定沟渠入河口水质自动采样器的停止条件：
表3
由此，可设任意时刻之前4h内无降雨则停止采样程序。
⑤设置采样频率为前三小时每30min采集一次水样、之后四小时每60min采集一次水样，采样间隔逐渐增大(如图2所示)。
⑥2021/7/31的降雨产流事件中，农田产流时间为11:40-17:05，采样情况见表4，农田排水口共采集9瓶水样，沟渠入河口共采集10瓶水样，可以看出：农田排水口和沟渠入河口均能够采集到整个降雨产流事件过程中的水样，且沟渠入河口与农田排水口基本实现了同步采样。
表4
⑦将采集的水样放入实验室进行检测，测得氮磷浓度，并将各取样时刻氮磷浓度作为下一采样时间点入河水体的平均浓度，如2021-07-31的12:40:00-13:10:00计算得流量Q＝41.51m3，测得沟渠入河口采样瓶号3中的总氮浓度C＝2.61mg/L，则12:40:00-13:10:00总氮入河输出负荷W＝CQ＝41.51×2.61×1000＝108.34mg。
实施例2
本实施例以农田沟渠为水泥质规则沟渠类型进行说明：
①选定上海市青浦区(感潮河网地区)某旱地农田沟渠(水泥质规则沟渠)入河口为监测点，在该旱地农田沟渠入河口处布设多普勒流量计，在该旱地农田沟渠旁布设水质自动采样器(FC-24C型在线分采冰箱式水质自动采样器)，并将数据采集器安装在水质自动采样器内，多普勒流量计、水质自动采样器均与数据采集器连接；对设备进行供电；(该农田排水口已进行为期五个月的监测，包括雨量筒、三角堰、水质自动采样器等)；
②测量沟渠横截面积所需参数，测得沟渠底面宽为0.305m，侧面倾斜角度为64°，将水泥制规则沟渠的实时沟渠断面流量计算公式以及沟渠的底宽和侧面倾斜角度通过编程输入数据采集器；多普勒流量计上的压力传感器和超声波传感器对农田沟渠入河口水体的流动速度和流动方向进行实时测量；并且，通过多普勒流量计测量沟渠入河口处的沟渠水位高度；数据采集器根据多普勒流量计测得的流速和水位数据，计算实时沟渠断面流量；
所述水泥制规则沟渠的实时沟渠断面流量计算公式如下，数据采集器根据以下流量计算公式计算得到实时沟渠断面流量：
Q＝V*S
式中Q为实时沟渠断面流量(m3)，V为测得的流速(m·s-1)，S为沟渠横截面积(m2)，a为沟渠底面宽(m)，h为沟渠水位高度(m)，θ为沟渠侧面与地面的夹角(°)即侧面倾斜角度。
将多普勒流量计测量水体流速的数据采集频率等参数输入数据采集器，数据采集频率设为每5min采集一次。
测量及计算结果见表5，最终得到的流量数据在云平台上显示并可导出：
表5
③在云平台上导出每五分钟测量一次的流量数据(每五分钟的流量累加值)，依据降雨产流事件时长(7:05-7:35)将此段时间(30分钟)内的每次测量的流量数据累加，其中，流量累加值数值为正表明沟渠水流出，数值为负表明沟渠连通的外界河道水流入，一段时间内的流量认为是流出水量与流入水量的差值，可计算得到2021/7/9 7:05-7:35的农田沟渠入河口流量数据累加值约为45.829m3。
④对已监测获得的农田排水口产流数据和产流时沟渠水位高度数据进行分析，确定水质自动采样器的采样启动和采样停止触发条件，以满足沟渠入河口和农田排水口趋于同步采样，并通过编程的方式将水质自动采样器的采样触发条件和停止条件输入数据采集器。
基于已开展的农田产流监测(即对农田排水口的监测)，统计多次降雨产流事件降雨量和产流时间(数据采集频率为每5min采集一次)，计算多次降雨产流事件产流前1小时连续降雨的累计降雨量的平均值，作为启动水质自动采样器采集样品的主要触发条件之一；根据农田沟渠入河口水位，基于已开展的农田沟渠入河口监测，统计多次降雨产流事件中农田径流产生前的沟渠水位数据(数据采集频率为每5min采集一次)，得出所有降雨产流事件中沟渠水位的最小值，将沟渠水位高于最小值作为水质自动采样器采集样品的另一主要触发条件；将水质自动采样器采集样品的触发条件参数输入数据采集器，并设置当两个主要触发条件均满足时，水质自动采样器开始采样。
根据已测多次的农田产流数据和沟渠流速数据，确定沟渠入河口水质自动采样器的触发条件，统计至少五场降雨产流事件中产流前一小时内的降雨量以及产流时沟渠流速(见表6)：
表6
由此，可将沟渠入河口水质自动采样器采样程序的主要触发条件设为1h内降雨量为5.5mm和沟渠流速达到0.040m/s，当降雨过程中两个主要条件均满足时进行沟渠入河口水体样品的采集。
基于已开展的农田产流监测，统计多次降雨产流事件降雨停止后农田产流时长，汇总后求得平均值，将任意时刻该平均值时间内无降雨作为水质自动采样器停止采样的触发条件。将水质自动采样器采集样品的停止条件参数输入数据采集器，当停止采样的触发条件满足时，水质自动采样器停止采样。
根据已测多次的农田产流数据(见表7)，确定沟渠入河口水质自动采样器的停止条件：
表7
由此，可设任意时刻之前2h内无降雨则停止采样程序。
⑤设置采样频率为前三小时每30min采集一次水样、之后四小时每60min采集一次水样，采样间隔逐渐增大(如图2所示)。
⑥2021/7/9的降雨产流事件中农田产流时间为5:37-8:07，采样情况见表8，农田排水口共采集9瓶水样，沟渠入河口共采集10瓶水样，可以看出农田排水口和沟渠入河口均能够采集到整个降雨产流事件过程中的水样，且沟渠入河口与农田排水口基本实现了同步采样。
表8
农田排水口采样时间 采样瓶号 沟渠入河口采样时间 采样瓶号
2021/7/9 5:37 1 2021/7/9 5:33 1
2021/7/9 6:07 2 2021/7/9 6:03 2
2021/7/9 6:37 3 2021/7/9 6:33 3
2021/7/9 7:07 4 2021/7/9 7:03 4
2021/7/9 7:37 5 2021/7/9 7:33 5
2021/7/9 8:07 6 2021/7/9 8:03 6
⑦将采集的水样放入实验室进行检测，测得氮磷浓度，并将各取样时刻氮磷浓度作为下一采样时间点入河水体的平均浓度，如2021/7/9的7:05-7:35计算得流量Q＝45.829m3，测得沟渠入河口采样瓶号4中的总磷浓度C＝0.235mg/L，则7:05-7:35总磷入河输出负荷W＝CQ＝45.829×0.235＝10.770mg。

Claims (9)

1.一种感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法，其特征在于，
包括以下步骤：
①在农田沟渠入河口布设沟渠流量在线监测设备多普勒流量计，并布设水质自动采样器和数据采集器；多普勒流量计、水质自动采样器均与数据采集器连接；对设备进行供电；
②根据所监测的农田沟渠类型，确定实时沟渠断面流量计算公式，测量计算公式中所需参数；将农田沟渠的实时沟渠断面流量计算公式及所需参数通过编程输入数据采集器；通过多普勒流量计上的压力传感器和超声波传感器对农田沟渠入河口水体的流动速度和流动方向进行实时测量；并且，通过多普勒流量计测量沟渠入河口处的沟渠水位高度；通过人工编程控制数据采集器将测得的沟渠水位高度计算成沟渠入河口处的横截面积，并结合测得的带有方向的流速，根据实时沟渠断面流量计算公式，计算得到实时沟渠断面流量，即一个测量周期内测量的农田沟渠入河水量；
对于水泥制规则沟渠，将沟渠的底宽和侧面倾斜角度通过编程输入数据采集器，结合多普勒流量计测得的流速和水位数据，根据以下公式计算得到实时沟渠断面流量：
Q＝V*S
式中Q为实时沟渠断面流量(m3)，V为测得的流速(m·s-1)，s为沟渠横截面积(m2)，a为沟渠底面宽(m)，h为沟渠水位高度(m)，θ为沟渠侧面与地面的夹角(°)即侧面倾斜角度；
对于土质不规则沟渠，将涵管半径通过编程输入数据采集器，结合多普勒流量计测得的流速和水位数据，根据以下公式计算得到实时沟渠断面流量：
对于不满管充水的实时沟渠断面流量：
Q＝*S1
对于满管充水的实时沟渠断面流量：
Q＝V*S2
S2＝π*r2
式中Q为实时沟渠断面流量(m3)，V为测得的流速(m·s-1)，S1、S2分别为不满管和满管充水的沟渠横截面积(m2)，r为涵管半径(m)，h为涵管内水位高度(m)；
③通过高频率监测的实时沟渠断面流量数据结合流向判断，累加计算得到所需的一段时间内的农田沟渠入河水量；
④依据已监测获得的农田排水口产流数据和产流时沟渠水位或流速数据，进行采样启动和停止触发条件的设置；
对已监测获得的农田排水口产流数据和产流时沟渠水位高度或流速数据进行分析，确定水质自动采样器的采样启动和采样停止触发条件，以满足沟渠入河口和农田排水口趋于同步采样，并将所需参数输入数据采集器；
⑤根据样品需求及农田氮磷排放规律，通过数据采集器设置水样采集的采样频率；通过数据采集器控制水质自动采样器自动进行水样采集；
⑥对水样的污染物氮磷浓度进行检测，并结合流量分析污染物的入河特征；
根据云平台上的流量数据和采集样品的时间和检测水样的氮磷浓度，分析氮磷入河的浓度变化与输出负荷。
2.如权利要求1所述的感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法，其特征在于，步骤①中，对于土质不规则沟渠，在旱地农田沟渠入河口的地下涵管内布设多普勒流量计，在沟渠旁布设水质自动采样器，并将数据采集器安装在水质自动采样器内。
3.如权利要求1所述的感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法，其特征在于，步骤③中，将数据采集器采集多普勒流量计测量水体流量的数据采集频率参数输入数据采集器；数据采集器首先按照实时沟渠断面流量计算公式计算多普勒流量计每次测量的流量值即一个测量周期内测量的流量值，通过设置所需数据采集频率即数据采集时间间隔，数据采集器将数据采集时间间隔内所包含的各测量周期内的流量值进行累加处理，设置的数据采集时间间隔内的流量为各测量周期内的流量值的累加，累加处理后得到的累加流量值为正值时表示沟渠水体流入河道，得到的累加流量值为负值时表示河道水体流入沟渠。
4.如权利要求3所述的感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法，其特征在于，数据采集器最终获得的所设数据采集时间间隔内的累加流量数据，利用无线数据传输终端通过网络传输到云平台；将所需的一段时间内包含的若干个所设数据采集时间间隔内的累加流量数据再进行累加，计算得到所需的一段时间内的农田沟渠入河水量。
5.如权利要求1所述的感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法，其特征在于，步骤④中，基于已开展的农田产流监测，统计多次降雨产流事件降雨量和产流时间，计算多次降雨产流事件产流前1小时连续降雨的累计降雨量的平均值，作为启动水质自动采样器采集样品的主要触发条件之一；根据农田沟渠入河口水位或农田沟渠入河口流速，基于已开展的农田沟渠入河口监测，统计多次降雨产流事件中农田径流产生前沟渠水位或流速数据，得出所有降雨产流事件中沟渠水位或流速的最小值，将沟渠水位或流速高于最小值作为水质自动采样器采集样品的另一主要触发条件；将水质自动采样器采集样品的触发条件参数输入数据采集器，并设置当两个主要触发条件均满足时，水质自动采样器开始采样。
6.如权利要求1所述的感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法，其特征在于，步骤④中，基于已开展的农田产流监测，统计多次降雨产流事件降雨停止后农田产流时长，汇总后求得农田产流时长平均值，将任意时刻该农田产流时长平均值时间内无降雨作为水质自动采样器停止采样的触发条件；将水质自动采样器采集样品的停止条件参数输入数据采集器，当停止采样的触发条件满足时，水质自动采样器停止采样。
7.如权利要求1所述的感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法，其特征在于，步骤⑤中，设置沟渠入河口水质自动采样器的采样频率与农田排水口一致；采样频率的设置根据所需样品体积、采样泵的采样速度确定最小的时间间隔；采样频率的设置采取产流前期采样间隔密集，产流后期采样间隔分散的模式。
8.如权利要求1所述的感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法，其特征在于，步骤⑥中，根据云平台上的流量数据和采集样品的时间和检测水样的氮磷浓度，通过对不同时段降雨过程中农田径流和沟渠入河口径流流量和污染物浓度的同步分析与精确计算，分析氮磷入河的浓度变化与输出负荷，确定降雨过程中“农田径流-沟渠-入河口”的农业面源污染变化规律和输出负荷，分析所监测农田氮磷的输出对外界水环境的影响，得出所监测农田对面源污染物的输出负荷和输出规律。
9.如权利要求1所述的感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法，其特征在于，在农田沟渠入河口同时还布设电导率传感器，将电导率传感器与数据采集器连接；设置电导率传感器测量水体电导率的频率与数据采集器采集多普勒流量计测量水体流速的频率相同；在用多普勒流量计测量水的流速的同时用电导率传感器测量水的电导率；通过电导率与流速的关系对多普勒流量计测定的流速出现的异常值进行判断并剔除，并根据相邻测量时间间隔测量的电导率值所对应的流速值确定此测量时刻流速的范围。
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