CN114208627B - 一种稻田智能灌排及土壤剖面溶液采集监测系统 - Google Patents

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Abstract

一种稻田智能灌排及土壤剖面溶液采集监测系统，属于农业技术领域。包括控制模块及与其连接的分别设置于稻田的土壤剖面溶液自动采集模块、田面蒸腾蒸发渗漏监测模块和稻田灌溉排水决策模块，控制模块通过定时控制器连接土壤剖面溶液自动采集模块，控制其定时采样；控制模块根据田面蒸腾蒸发渗漏监测模块的水位差，控制稻田灌溉排水决策模块的灌溉或排水，控制模块检测并跟踪记录采集的数据。本发明可以实现不同空间位置同步采集功能，可用于灌区土壤养分、盐分和重金属等溶质的全时段监测；可实现原位稻田渗漏通量动态跟踪功能，显著提高稻田灌溉精度、助力智慧水利发展；且功能丰富、造价低廉、经久耐用、维护方便。

Description

一种稻田智能灌排及土壤剖面溶液采集监测系统
技术领域
本发明属于农业技术领域，特别是涉及一种稻田智能灌排及土壤剖面溶液 采集监测系统。
背景技术
稻田渗漏是稻田水分平衡过程中的重要组成部分，其渗漏总量高达稻田耗 水量的50％～80％，是导致稻田水分利用率低下的根本原因。而在稻田发生渗 漏的同时，必然会伴随着土壤养分、农药、重金属和盐分等溶质的淋失，这不 仅会造成水肥资源的浪费，还会产生地下水污染，造成一系列农业面源污染问 题。因此，稻田渗漏和稻田养分、农药、重金属和盐分等溶质的淋溶损失一直 都是全球学者和政府部门关注的重点。
原位稻田溶质淋失准确检测的两个难题分别是：①不同深度土壤剖面溶液 的采集，②稻田渗漏通量的准确测定。现有的离心法、提取法、置换柱法和压 滤法均属于破坏性采样，无法实现原位观测。而测渗法，安装时对土壤的扰动 较大，盐基离子在测渗漏计中容易积累，导致结果往往偏大。常用的蒸渗仪法 不仅成本昂贵，而且蒸渗仪检测结果多为模拟条件下人为控制的结果，难以反 映原位稻田实际淋失情况。
发明内容
针对上述存在的技术问题，提供一种稻田智能灌排及土壤剖面溶液采集监 测系统，拟解决原位稻田渗漏和溶质淋失观测的问题。该系统集数据采集、监 控、传输和决策于一体的智能交互系统，实现了土壤水平位置和垂直深度土壤 溶液精准、及时和批量采样，不同养分、盐分和重金属等淋失通量观测，功能 丰富、造价低廉、经久耐用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明一种稻田智能灌排及土壤剖面溶液采集监测系统，包括控制模块及 与其连接的分别设置于稻田的土壤剖面溶液自动采集模块、田面蒸腾蒸发渗漏 监测模块和稻田灌溉排水决策模块，所述控制模块通过定时控制器连接土壤剖 面溶液自动采集模块，控制其定时采样；控制模块根据田面蒸腾蒸发渗漏监测 模块的水位差，控制稻田灌溉排水决策模块的灌溉或排水，控制模块检测并跟 踪记录采集的数据。
进一步地，在稻田无外排水的情况下，所述田面蒸腾蒸发渗漏监测模块包 括有底桶和物联网超声波水位计A、B，在有底桶内外分别设置物联网超声波水 位计A、B，监测生育期内有底桶内外水位，同时确保有底桶内外水稻种植密度 和水肥管理方式一致；扣除降水量后，有底桶内每日水位差即为原位稻田蒸腾 蒸发量，有底桶外每日水位差即为原位稻田的耗水量，有底桶内外二者之差即 为渗漏通量，实际稻田水位差即为原位稻田的耗水量。
进一步地，在稻田水外排存在横向渗漏的情况下，所述田面蒸腾蒸发渗漏 监测模块包括有底桶、无底桶及物联网超声波水位计A、B，在有底、无底桶内 分别设置物联网超声波水位计A、B，监测生育期内有底、无底桶内水位，同时 确保有底、无底桶内水稻种植密度和水肥管理方式一致；扣除降水量后，有底 桶内每日水位差即为原位稻田蒸腾蒸发量，无底桶内每日水位差即为原位稻田 的耗水量，有底、无底桶内水位之差即为渗漏通量。
进一步地，所述有底桶、无底桶高度、直径及埋入深度相同。
进一步地，所述有底桶的高度60cm，直径40～100cm，埋入深度为35～45 cm。
进一步地，所述稻田灌溉排水决策模块包括田面蒸腾蒸发渗漏监测模块的 超声波水位计B、超声波智能水表、水位控制阀、灌水管路、排水管路、灌水 电磁阀、排水电磁阀，所述超声波水位计B置于待测稻田内，连接控制模块的 电路板传输信号，超声波智能水表安装在灌水管路上，用于观测计量整个水稻 生育期的实时流量，并与控制模块的电路板连接传递信号，用于监控整个水稻 生育期灌溉情况；控制模块的电路板信号输出端分别连接灌、排水管路上的灌 水电磁阀和排水电磁阀，根据水位情况和灌水情况，实时启闭排水或灌水电磁 阀；水位控制阀设置于灌水管路靠近稻田面的端部，用于出现故障时强制止 水。
进一步地，所述超声波水位计A、超声波水位计B外设有超声波护罩。
进一步地，所述超声波护罩为不透明管，沿纵向开有缝隙，所述缝隙从地 面至地面下35～55cm，所述缝隙宽度为8-10mm，且入土端为楔形、锥台形或 锥形结构。
进一步地，所述控制模块的控制方法为：
当田面水位L>稻田蓄水上限时，启动排水电磁阀，开始排水，排至蓄水上 限；
当灌水上限<L≤蓄水上限，且遇到强降水时，则再次排水至蓄水上限；
当L≤灌水下限时，启动灌水电磁阀开始灌溉，灌至灌溉上限，关闭灌水电 磁阀。
进一步地，所述土壤剖面溶液自动采集模块包括采样探头、单向阀Ⅰ、单 向阀Ⅱ、加压泵、负压泵、管路A、管路B和集液瓶，所述采样探头由陶土头 和PVC管通过密封胶密封连接，在PVC管顶部设置堵头构成，管路A一端伸 入陶土头底部，另一端伸出PVC管顶部，其上依次连接管路接头和单向阀 Ⅱ，管路接头连接加压泵；管路B一端置于密封胶处，另一端伸出PVC管， 其上连接单向阀Ⅰ，PVC管端部连接集液瓶，集液瓶通过管路连接负压泵。
本发明的有益效果为：
1.本发明切实地解决了原位稻田渗漏测定误差大、土壤剖面溶液取样难等 问题。第一，不同空间位置同步采集功能，可为农业和环境领域土壤养分、盐 分和重金属等溶质运移研究提供了一种重要的手段；第二，定负压、定时和自 动采样功能，可用于灌区土壤养分、盐分和重金属等溶质的全时段监测；第 三，原位稻田渗漏通量动态跟踪功能，可显著提高稻田灌溉精度、助力智慧水 利发展；第四，智能灌排决策模块的实现，为灌区现代化和信息化提供一种途 径。同时具有功能丰富、造价低廉、经久耐用和维护方便等优势。由此可见， 本发明具有广阔的应用前景和市场潜力。
2.本发明通过控制模块可以实时监测到稻田水位情况，当水位低于系统预 设的灌水下限时就能够自动打开灌溉系统进行灌溉，而当监测到水位达到灌水 上限时，就能够自动关闭灌溉系统，此外还设置集蓄雨水的功能，将雨水资源 得到很好的利用。这种灌溉模式，改变了传统灌溉的弊端，根据水稻需水特 性，实现适时、适量、可控的精准灌溉，避免产生深层渗漏及地面径流，减少 蒸发损失，可节水40-70％。
3.本发明通过控制模块可实现完全自动精准灌溉，一个人即可轻松呵护成 百上千亩稻田，并准确获取到灌水时间、灌水次数、灌水定额等多项数据，通 过预设取样时间，可自动实现取样，免于传统的人工手动抽取土壤溶液，且可 实现批量作业，节省时间。通过物联网高端控制、智能自动化，劳动强度大幅 降低，可节省70％左右人工。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明田面蒸腾蒸发渗漏监测模块示意图。
图4为本发明稻田灌溉排水决策模块示意图。
图5为本发明采用探头结构示意图。
图中：1.稻田灌溉排水决策模块，11.灌水管路，12.排水管路，13.灌水电 磁阀，14.排水电磁阀，15.水位控制阀，16.超声波智能水表；
2.控制模块；
3.自动采集模块，31.采样探头，311.陶土头，312.密封胶，313.PVC管，32. 单向阀Ⅰ、33.单向阀Ⅱ、34.管路A，35.管路B，36.集液瓶，37.管路接头；
4.田面蒸腾蒸发渗漏监测模块，41.超声水位计A，42.超声水位计B，43.有 底桶，44.无底桶，45.护罩，46.缝隙。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
实施例1：如图1所示，本发明一种稻田智能灌排及土壤剖面溶液采集监测 系统，包括控制模块2及与其连接的分别设置于稻田的土壤剖面溶液自动采集 模块3、田面蒸腾蒸发渗漏监测模块4和稻田灌溉排水决策模块1，所述控制模 块2通过定时控制器连接土壤剖面溶液自动采集模块3，控制其定时采样；控制 模块2根据田面蒸腾蒸发渗漏监测模块4的水位差，控制稻田灌溉排水决策模块 1的灌溉或排水，控制模块2检测并跟踪记录采集的数据。
进一步地，本例在稻田无外排的情况下，所述田面蒸腾蒸发渗漏监测模块 4包括有底桶43、物联网超声波水位计A41和超声波水位计B42，在有底桶43内 外分别设置物联网超声波水位计A、B，监测生育期内有底桶43内外水位，同时 确保有底桶43内外水稻种植密度和水肥管理方式一致；扣除降水量后，有底桶 43内每日水位差即为原位稻田蒸腾蒸发量，有底桶43外每日水位差即为原位稻 田的耗水量，有底桶43内外二者之差即为渗漏通量，实际稻田水位差即为原位 稻田的耗水量。
进一步地，本例所述有底桶的高度60cm，直径40cm，埋入深度为45cm。
在稻田外排存在横向渗漏的情况下，所述田面蒸腾蒸发渗漏监测模块4包 括有底桶43、无底桶44、物联网超声波水位计A41及超声波水位计B42，在有底 桶43、无底桶44内外分别设置物联网超声波水位计A41、B42，监测生育期内有 底桶43、无底桶44内的水位，同时确保有底桶43、无底桶44内水稻种植密度和 水肥管理方式一致；扣除降水量后，有底桶43内每日水位差即为原位稻田蒸腾 蒸发量，无底桶44内每日水位差即为原位稻田的耗水量，有底桶43、无底桶44 内之差即为渗漏通量。本例有底桶43、无底桶44高度、直径及埋入深度一致， 均采用高度60cm，直径40cm，埋入深度为35cm。
进一步地，本例所述稻田灌溉排水决策模块1包括田面蒸腾蒸发渗漏监测 模块的超声波水位计B42、超声波智能水表16、水位控制阀15、灌水管路11、 排水管路12、灌水电磁阀13、排水电磁阀14，所述超声波水位计B42置于待测 稻田内，连接控制模块2的电路板传输信号，超声波智能水表16安装在灌水管 路11上，用于观测计量整个水稻生育期的实时流量，并与控制模块2的电路板 连接传递信号，用于监控整个水稻生育期灌溉情况；控制模块2的电路板信号 输出端分别连接灌、排水管路上的灌水电磁阀13和排水电磁阀14，根据水位情 况和灌水情况，实时启闭排水电磁阀14或灌水电磁阀13；水位控制阀15设置于 灌水管路11靠近稻田面的端部，用于出现故障时强制止水，以防意外、淹没稻 田。
所述超声波水位计A41、超声波水位计B42外设有超声波护罩45。所述超声 波护罩45为不透明管，沿纵向开有缝隙46，位于地面至地面以下35cm，所述缝 隙46宽度为8mm，以保证田面有水层时记录实际水层变化，无水层时记录地下 水水层变化；且入土端为楔形、锥台形或锥形结构，便于入土。本例物联网超 声波水位计A、B每小时向数据记录模块和灌溉排水决策模块传递数据，用于数 据跟踪记录及蒸腾蒸发和渗漏通量的计算。
进一步地，如图1所示，所述控制模块包括STM32ZET6电路板、PC机、 LORA通信模块、USB转TTL模块、RS485转USART模块、电流转电压模 块、继电器和变压电源，均为外购件；其中，电流转电压模块为两个，其中一 个连接超声波水位计A41，另一个连接超声波水位计B42，继电器(TELESKY 2路12V继电器)为三个，分别为继电器Ⅰ、继电器Ⅱ、继电器Ⅲ，继电器Ⅰ 连接自动采集模块3的正、负压动力泵，继电器Ⅱ、继电器Ⅲ分别连接灌水电 磁阀13、排水电磁阀14，LORA通信模块连接PC机，USB转TTL模块连接 超声波智能水表16，变压电源连接PC机，为其供电。所述PC机包括数据存 储记录模块和数据传递通讯模块，存储记录逐日蒸腾蒸发、渗漏和田间总耗水 数据，灌水时间、灌水定额、灌水频率和灌溉总量数据，土壤溶液提取时间和 次数数据、排水时间和排水量；数据传递通讯模块是通过LORA通信传递记录 数据，并通过PC机的显示屏(本例采用LCD液晶电阻屏)显示记录的数据。
进一步地，所述控制模块电路板根据灌溉标准作出决策，具体控制方法 为：
当田面水位L＞稻田蓄水上限时，启动排水电磁阀14，开始排水，排至蓄 水上限；
当灌水上限＜L≤蓄水上限，且遇到强降水时，则再次排水至蓄水上限；
当灌水下限＜L≤灌水上限时，启动灌水电磁阀13开始灌溉，灌至灌溉上 限，关闭灌水电磁阀13；
进一步地，本例所述土壤剖面溶液自动采集模块3通过定时控制器及继电 器Ⅰ连接控制模块2，通过控制模块2定时启闭，实现了稻田不同水平位置和不 同垂直深度土壤溶液的精准、及时、批量和自动采样。
当采样深度在2m以内时，土壤剖面溶液自动采集模块3采用本发明人的中 国发明专利申请：一种用于稻田土壤剖面多层溶液自动采集的装置 (2020111240076)，可实现0～20cm、20～40cm、40～60cm和60～80cm不 同深度位置土壤溶液的自动采样。
当采集深度在2m以上深层土层时，如图5所示，土壤剖面溶液自动采集模 块3采用如下方案，包括采样探头31、单向阀Ⅰ32、单向阀Ⅱ33、加压泵、负 压泵、管路A34、管路B35和集液瓶36，所述采样探头31由陶土头311和PVC管 313通过密封胶312密封连接，其中，所述陶土头311与所述一种用于稻田土壤 剖面多层溶液自动采集的装置(2020111240076)中的陶土头结构相同；在 PVC管313顶部设置堵头，管路A34一端伸入陶土头311底部，另一端伸出PVC 管331顶部，其上依次连接管路接头37和单向阀Ⅱ33，管路接头37连接加压 泵；管路B35一端置于密封胶312处，另一端伸出PVC管313，其上连接单向阀 Ⅰ32，PVC管313端部连接集液瓶36，集液瓶36另一端接负压泵。采用“负压吸 水”、“减压储水”和“正压排水”三个过程组合采样。具体为：通过开启负压泵吸 气，关闭加压泵，使得采样探头31内部空气经管路B35吸出，使采样探头31内 抽出空气，产生负压，如图5(a)所示；陶土头311内减压吸收土壤溶液，储 存在陶土头311和PVC管313内，如图5(b)所示；通过关闭负压泵，开启加压 泵加压，经管路A34至陶土头311底部，使得储存在陶土头311和PVC管313内土 壤溶液经管路B35排至集液瓶36中收集，如图5(c)。采用该方案，负压虽受 限于-101kPa，但正压不受压力限制，只受限于pu管路A34、管路B35的承压范 围(1000kPa以上)，该设备可采取地下100m以内的土壤溶液，快速高效采样 距离至少达30m。通过在不同平面设置多个土壤剖面溶液自动采集模块3，设 置深度根据实际需求调整，可以实现不同平面位置、不同深度的自动采样。
本发明可以对原位稻田土壤剖面溶液进行定时自动采集，并对逐日蒸腾、 蒸发和渗漏通量监控、灌溉排水决策和灌水信息(包括灌水时间、灌水定额和 灌水次数等)以及整个系统数据跟踪记录与传输，最终结合连续流动分析仪等 设备，测定各种养分和盐分等溶质淋失情况。
本发明结合土壤剖面溶液自动采集模块采集得到的土壤溶液养分、盐分、 重金属和农药等溶质的浓度数据和田面蒸腾蒸发和渗漏监测模块的渗漏量数 据，计算不同溶质的淋溶损失。以铵态氮和硝态氮为例，铵态氮和硝态氮淋失 通量和淋失总量计算公式如下：
铵态氮淋失通量(mg·m-2·d-1):
Figure BDA0003428644630000081
硝态氮淋失通量(mg·m-2·d-1):
Figure BDA0003428644630000082
铵态氮淋失总量(mg·m-2)：
Figure BDA0003428644630000083
硝态氮淋失总量(mg·m-2)：
Figure BDA0003428644630000084
式中：L桶内,0表示渗漏观测设备本次采样内部水位计水位，mm；L桶外,1表 示渗漏观测设备外部小区下次采样内部水位计水位，mm；L桶内,1表示渗漏观测 设备下次采样内部水位计水位，mm；T为两次采样间隔时间，d；
Figure BDA0003428644630000091
Figure BDA0003428644630000092
分别表示稻田土壤剖面多层溶液自动采集装置在40～60cm所采样品铵 态氮和硝态氮浓度，mg·L-1。
本发明解决了原位稻田渗漏测定误差大、土壤剖面溶液取样难等问题。实 现不同空间位置同步采集功能，可为农业和环境领域土壤养分、盐分和重金属 等溶质运移研究提供了一种重要的手段；通过定负压、定时和自动采样设置， 可用于灌区土壤养分、盐分和重金属等溶质的全时段监测；具体原位稻田渗漏 通量动态跟踪功能，可显著提高稻田灌溉精度、助力智慧水利发展；第四，智 能灌排决策模块的实现，为灌区现代化和信息化提供一种途径。同时具有功能 丰富、造价低廉、经久耐用和维护方便等优势，具有广阔的应用前景和市场潜 力。
实施例2：本例与实施例1不同的是：本例所述有底桶43、无底桶44高度、 直径及埋入深度一致，均采用高度60cm，直径100cm，埋入深度为45cm。
所述超声波护罩45为不透明管，沿纵向开有缝隙46，从的地面至地面以 下45cm，所述缝隙46宽度为8mm。
所述土壤剖面溶液自动采集模块可以设置多个，分置在不同深度、不同平 面上，以采集不同土壤剖面的溶液。
实施例3：本例与实施例1不同的是：本例所述有底桶43、无底桶44高度、 直径及埋入深度一致，均采用高度60cm，直径80cm，埋入深度为40cm。
所述超声波护罩45为不透明管，沿纵向开有缝隙46，从的地面至地面以 下55cm，所述缝隙46宽度为9mm。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受 限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然 可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需 要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种稻田智能灌排及土壤剖面溶液采集监测系统，其特征在于：包括控制模块及与其连接的分别设置于稻田的土壤剖面溶液自动采集模块、田面蒸腾蒸发渗漏监测模块和稻田灌溉排水决策模块，所述控制模块通过定时控制器连接土壤剖面溶液自动采集模块，控制其定时采样；控制模块根据田面蒸腾蒸发渗漏监测模块的水位差，控制稻田灌溉排水决策模块的灌溉或排水，控制模块检测并跟踪记录采集的数据；
在稻田无外排水的情况下，所述田面蒸腾蒸发渗漏监测模块包括有底桶和物联网超声波水位计A、B，在有底桶内外分别设置物联网超声波水位计A、B，监测生育期内有底桶内外水位，同时确保有底桶内外水稻种植密度和水肥管理方式一致；扣除降水量后，有底桶内每日水位差即为原位稻田蒸腾蒸发量，有底桶外每日水位差即为原位稻田的耗水量，有底桶内外二者之差即为渗漏通量，实际稻田水位差即为原位稻田的耗水量；
在稻田水外排存在横向渗漏的情况下，所述田面蒸腾蒸发渗漏监测模块包括有底桶、无底桶及物联网超声波水位计A、B，在有底、无底桶内分别设置物联网超声波水位计A、B，监测生育期内有底、无底桶内水位，同时确保有底、无底桶内水稻种植密度和水肥管理方式一致；扣除降水量后，有底桶内每日水位差即为原位稻田蒸腾蒸发量，无底桶内每日水位差即为原位稻田的耗水量，有底、无底桶内水位之差即为渗漏通量。
2.根据权利要求1所述稻田智能灌排及土壤剖面溶液采集监测系统，其特征在于：所述有底桶、无底桶高度、直径及埋入深度相同。
3.根据权利要求1所述稻田智能灌排及土壤剖面溶液采集监测系统，其特征在于：所述有底桶的高度60cm，直径40～100cm，埋入深度为35～45cm。
4.根据权利要求1所述稻田智能灌排及土壤剖面溶液采集监测系统，其特征在于：所述稻田灌溉排水决策模块包括田面蒸腾蒸发渗漏监测模块的超声波水位计B、超声波智能水表、水位控制阀、灌水管路、排水管路、灌水电磁阀、排水电磁阀，所述超声波水位计B置于待测稻田内，连接控制模块的电路板传输信号，超声波智能水表安装在灌水管路上，用于观测计量整个水稻生育期的实时流量，并与控制模块的电路板连接传递信号，用于监控整个水稻生育期灌溉情况；控制模块的电路板信号输出端分别连接灌、排水管路上的灌水电磁阀和排水电磁阀，根据水位情况和灌水情况，实时启闭排水或灌水电磁阀；水位控制阀设置于灌水管路靠近稻田面的端部，用于出现故障时强制止水。
5.根据权利要求2-4任一项所述稻田智能灌排及土壤剖面溶液采集监测系统，其特征在于：所述超声波水位计A、超声波水位计B外设有超声波护罩。
6.根据权利要求5所述稻田智能灌排及土壤剖面溶液采集监测系统，其特征在于：所述超声波护罩为不透明管，沿纵向开有缝隙，所述缝隙从地面至地面下35～55cm，所述缝隙宽度为8-10mm，且入土端为楔形、锥台形或锥形结构。
7.根据权利要求6所述稻田智能灌排及土壤剖面溶液采集监测系统，其特征在于：所述控制模块的控制方法为：
当田面水位L>稻田蓄水上限时，启动排水电磁阀，开始排水，排至蓄水上限；
当灌水上限<L≤蓄水上限，且遇到强降水时，则再次排水至蓄水上限；
当L≤灌水下限时，启动灌水电磁阀开始灌溉，灌至灌溉上限，关闭灌水电磁阀。
8.根据权利要求1所述稻田智能灌排及土壤剖面溶液采集监测系统，其特征在于：所述土壤剖面溶液自动采集模块包括采样探头、单向阀Ⅰ、单向阀Ⅱ、加压泵、负压泵、管路A、管路B和集液瓶，所述采样探头由陶土头和PVC管通过密封胶密封连接，在PVC管顶部设置堵头构成，管路A一端伸入陶土头底部，另一端伸出PVC管顶部，其上依次连接管路接头和单向阀Ⅱ，管路接头连接加压泵；管路B一端置于密封胶处，另一端伸出PVC管，其上连接单向阀Ⅰ，PVC管端部连接集液瓶，集液瓶通过管路连接负压泵。
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