CN114894543B - 一种农田地表径流自动化连续采样装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种农田地表径流自动化连续采样装置，包括：流量计、三角堰槽、采样管组、分流器、蠕动泵、采样瓶组和控制器；所述三角堰槽一端具有开口，所述开口与农田排水口相连，所述三角堰槽另一端设置有溢流口；所述采样管组包含有主采样管与分采样管，所述主采样管前端位于三角堰槽底部中间位置，所述主采样管的管口低于三角堰顶点且高于堰槽底面，所述主采样管、蠕动泵和分流器依次连接，所述分采样管、分流器和采样瓶组依次连接；该农田地表径流自动化连续采样装置与方法能实现野外农田地表径流自动化测定及径流液样品的自动实时连续采集，降低监测试验对耕作资源环境的影响，强化采集样品的代表性，提高监测精度和效率。

Description

一种农田地表径流自动化连续采样装置与方法

技术领域

本发明涉及农业监控技术领域，具体涉及一种农田地表径流自动化连续采样装置。

背景技术

农田地表径流测定及径流液采集是农田面源氮磷流失监测及核算的重要关键环节。现有的田块径流量测定及径流液样品采集技术是通过在田间建设砖混结构的较大型径流收集池，在降雨产生径流后，通过人工测量径流池中液位高度计算径流量，并充分混合收集池中径流液后采集样品。该方法能够全面收集径流液并进行测定，但仍存在以下的问题和不足：

1)砖混结构径流池建设占用较大耕地面积，造成耕层土壤资源浪费。尤其在南方湿润多雨地区，径流池容积设计必须考虑该地区一年中单次最大降雨及径流量，否则无法保证径流液全量收集，影响径流流失量的测定及样品的代表性，进而影响农田面源氮磷流失负荷测算。

2)砖混结构径流池建设过程可能对试验小区土壤造成扰动影响，进而监测结果较难真实反映监测前农田氮磷流失的实际情况。且大面积土地硬化对农田复原造成较大障碍。

3)径流量测定及径流液采集均依靠人工进行，人力成本高且可靠性及判定标准不稳定。

4)降雨产流量较小时，多场降雨产生的径流在径流池中累积，混合后采集1个样品，样品代表性不强，样品检测结果无法反映短期多场降雨径流过程中农田氮磷流失特征和规律。

发明内容

本发明为解决当前普遍采用的农田氮磷径流流失监测技术存在的上述问题和不足，提供一种农田地表径流自动化连续采样装置与方法，实现野外农田地表径流自动化测定及径流液样品的自动实时连续采集，降低监测试验对耕作资源环境的影响，强化采集样品的代表性，提高监测精度和效率。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本公开的至少一实施例提供一种农田地表径流自动化连续采样装置，包括：流量计、三角堰槽、采样管组、分流器、蠕动泵、采样瓶组和控制器；

所述三角堰槽用于收集农田径流水；

所述流量计位于三角堰槽上方，所述流量计用于计量通过三角堰槽的径流流量；

所述三角堰槽一端具有开口，所述开口与农田排水口相连，所述三角堰槽另一端设置有溢流口；

所述采样管组包含有主采样管与分采样管，所述主采样管前端位于三角堰槽底部中间位置，所述主采样管的管口低于三角堰顶点且高于堰槽底面，所述主采样管、蠕动泵和分流器依次连接，所述分采样管、分流器和采样瓶组依次连接；

所述流量计和蠕动泵均与控制器电性连接，且所述控制器配置为至少根据所述流量计探测到的流量信息控制所述蠕动泵。

本公开的至少一实施例提供的农田地表径流自动化连续采样装置中，所述溢流口呈倒直角等腰三角形设置。

本公开的至少一实施例提供的农田地表径流自动化连续采样装置，所述三角堰槽具有至少一个进水孔，所述至少一个进水孔的孔径为5-8mm，所述至少一个进水孔的孔密度不少于1个/cm²且不超过3个/cm²。

本公开的至少一实施例提供的农田地表径流自动化连续采样装置，所述采样瓶组包含有第一采样瓶和第二采样瓶，所述第一采样瓶和第二采样瓶容量相同。

本公开的至少一实施例提供的农田地表径流自动化连续采样装置，所述第一采样瓶具有溢出口，所述分采样管配置有若干个，所述分采样管之一与第二采样瓶连接，且其余的所述分采样管均与所述第一采样瓶连接。

本公开的至少一实施例提供的农田地表径流自动化连续采样装置，所述分采样管配置有至少三个。

第二方面，本公开的至少一实施例提供一种农田地表径流自动化连续采样方法，包括以下步骤：

A、在选定的农田地表径流监测点田块四周修筑田埂或安装挡水装置的基础上，在农田排水口设置上述的农田地表径流自动化连续采样装置；

B、利用设置的农田地表径流自动化连续采样装置进行地表径流流量测定和径流液样品采集。

进一步的，所述步骤B具体包括以下步骤：

B1、当流量计检测到过堰流量时触发取样，当径流停止时结束采样；

B2、采样时第一采样瓶和第二采样瓶同时进样；

B3、当降雨产流量较小，第二采样瓶采样量小于最小样品量时，以第一采样瓶采集的径流水作为本场降雨产流样品；当降雨产流持续到第二采样瓶采样量等于或大于最小采样量时，以第二采样瓶采集的径流水作为本次降雨产流样品。

进一步的，还包括步骤：

B4、当降雨产流过程持续到第二采样瓶采满时，则更换采样瓶组，并将上次第二采样瓶的样品与本场降雨中第一采样瓶或第二采样瓶下次采样的样品合并作为本场降雨产流的混合样品，其中，下次采样的样品符合步骤B3中的采样条件。

本发明的有益效果为：通过引入流量计、采样器等自动化设备，并设置2组不同进样频率采样瓶组，实现野外农田地表径流自动化测定及径流液样品的自动实时连续采集，降低监测试验对耕作资源环境的影响，强化采集样品的代表性，提高监测精度和效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明一种农田地表径流自动化连续采样装置的部件连接框图。

图2为本发明一种农田地表径流自动化连续采样装置的三角堰槽的立体图。

图中：

10、流量计；

20、三角堰槽；21、进水孔；22、溢流口；

30、采样管组；31、主采样管；32、分采样管；

40、分流器；

50、蠕动泵；

60、采样瓶组；61、第一采样瓶；62、第二采样瓶；

70、控制器。

具体实施方式

下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。

在实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“左端”、“上方”、“背面”、“中部”、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，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。除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

另外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，安装、连接和相连等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至2所示，本公开的至少一实施例提供一种农田地表径流自动化连续采样装置，包括：流量计10、三角堰槽20、采样管组30、分流器40、蠕动泵50、采样瓶组60和控制器70；

三角堰槽20用于收集农田径流水，三角堰槽20为长方体，使用不锈钢板焊制。三角堰槽20上顶面开放，三角堰槽20前侧面为半开放；在使用时采用PVC板制作径流小区挡水墙，PVC板垂直插入土壤以下，插入深度根据土壤类型和监测作物确定，地上部分留25cm高，用于分隔小区内外径流。径流小区被PVC板围挡为长方形，径流小区面积由监测田块类型及监测试验需要确定，三角堰槽20配置在PVC板的一侧且位于径流小区挡外。流量计10使用铁架固定在挡水墙上，流量计10的探测部位向下垂直对准三角堰槽20的内底面。

流量计10位于三角堰槽20上方，流量计10用于计量通过三角堰槽20的径流流量；在径流小区径流方向末端挡水墙上开孔作为小区内农田排水口，开口下沿高度应高于小区内土面2cm，农田排水口孔径为6cm之间。三角堰槽20一端具有开口，开口与农田排水口相连，三角堰槽20另一端设置有溢流口22；

采样管组30包含有主采样管31与分采样管32，主采样管31前端位于三角堰槽20底部中间位置，主采样管31的管口低于三角堰槽顶点且高于三角堰槽底面，主采样管31、蠕动泵50和分流器40依次连接，分采样管32、分流器40和采样瓶组60依次连接。

在本实施例中，三角堰槽20宽度由当地近年最大雨强计算得出，其计算过程为，根据公式(1)和(2)计算出当地近年最大降雨强度下，产生的径流在t’时间内排出田块的流量，再根据直角三角堰流量表查询获得流量对应流水深，通过公式(3)计算得到三角堰槽20的宽度。

P＝R·t  (1)

w＝2H  (3)

式中，P为降雨量，单位为：mm；

R为降雨强度，单位为：mm/h；

t为降雨时长，单位为：h；

ρ为径流系数；

A为监测小区面积，单位为：m²；

t’为径流持续时间，单位为：h；

H为三角堰体流水深，单位为：cm；

w为三角堰体宽度，单位为：cm；

在本实施例中，流量计10和蠕动泵50均与控制器70电性连接，且控制器70配置为根据流量计10探测到的流量信息和预设采样比例参数控制蠕动泵50。通过预设采样比例参数，控制径流水采集量与径流量保持等比例；采样比例参数根据测试分析所需最小样品量和当地单场降雨产生最小径流量计10算得出(公式4)；控制器70根据流量计10流量控制蠕动泵50转速实现连续等比例采样(公式5-7)。

V＝kV'  (5)

V'＝πr²h  (6)

h＝nt  (7)

式中，VΔ为测试分析所需最小样品量，单位为：ml；

Vrunoff为当地单场降雨产生最小径流量，单位为：L；

V为流量计10瞬时流量，单位为：m³/h；

V’为采样量；

k为采样比例；

r为采样管内径半径，单位为：mm；

h为采样管进样长度，单位为：mm；

n为蠕动泵转速，单位为：转/min；

t为进样时间，单位为：s。

在本实施例中，三角堰槽20具有进水孔21，进水孔21的孔径6mm，进水孔21的孔密度为2个/cm²。采用分布式微孔的设计可以起到阻隔杂物及稳流和作用。溢流口22呈倒直角等腰三角形设置。其中溢流口22的三角形直角顶点距堰槽底面高度不少于3cm，三角堰槽20安装时将左侧面紧贴挡水墙并用螺丝固定，进水孔21和农田排水口对准，进水孔21和农田排水口边沿采用密封胶四周密封，减少出现泄漏的情况。

在本实施例中，还包含有机柜(未图示)，蠕动泵50、采样瓶组60和控制器70均安装在机柜内。

在本实施例中，采样瓶组60包含有第一采样瓶61和第二采样瓶62，第一采样瓶61和第二采样瓶62容量相同。

在本实施例中，第一采样瓶61具有溢出口(未图示)，分采样管32配置有3个，其中一个分采样管32与第二采样瓶62连接，且其余的分采样管32均与第一采样瓶61连接。

本公开的至少一实施例提供一种上述的农田地表径流自动化连续采样装置的工作方法，包括以下步骤：

A、在选定的农田地表径流监测点田块四周修筑田埂或安装挡水装置的基础上，在农田排水口设置上述农田地表径流自动化连续采样装置；

B、利用农田地表径流自动化连续采样装置进行地表径流流量测定和径流液样品采集；

进一步的，步骤B具体包括以下步骤：

B1、当流量计10检测到过堰流量时触发取样，当径流停止时结束采样；

B2、采样时第一采样瓶61和第二采样瓶62同时进样；

B3、当降雨产流量较小，第二采样瓶62采样量小于最小样品量时，以第一采样瓶61采集的径流水作为本场降雨产流样品；当降雨产流持续到第二采样瓶62采样量等于或大于最小采样量时，以第二采样瓶62采集的径流水作为本次降雨产流样品。

B4、当降雨产流过程持续到第二采样瓶62采满时，则更换采样瓶组60，并将本次第二采样瓶62样品与本场降雨中第一采样瓶61或第二采样瓶62下次采样的样品合并作为本场降雨产流的混合样品，其中，下次采样的样品符合步骤B3中的采样条件。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一些实施例”、“其他实施例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内；除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。

Claims (1)

1.一种农田地表径流自动化连续采样装置，其特征在于，包括：流量计、三角堰槽、采样管组、分流器、泵体、采样瓶组和控制器；

所述三角堰槽用于收集农田径流水；

所述流量计位于三角堰槽上方，所述流量计用于计量通过三角堰槽的径流流量；

所述三角堰槽一端具有开口，所述开口与农田排水口相连，所述三角堰槽另一端设置有溢流口；

所述采样管组包含有主采样管与分采样管，所述主采样管前端位于三角堰槽底部中间位置，所述主采样管的管口低于三角堰顶点且高于堰槽底面，所述主采样管、泵体和分流器依次连接，所述分采样管、分流器和采样瓶组依次连接；

所述流量计和泵体均与控制器电性连接，且所述控制器配置为至少根据所述流量计探测到的流量信息控制所述泵体；

所述溢流口呈倒直角等腰三角形设置；

所述三角堰槽具有至少一个进水孔，所述至少一个进水孔的孔径为5-8mm，所述至少一个进水孔的孔密度不少于1个/cm²且不超过3个/cm²；

所述采样瓶组包含有第一采样瓶和第二采样瓶，所述第一采样瓶和第二采样瓶容量相同；

所述第一采样瓶具有溢出口，所述分采样管配置有若干个，所述分采样管之一与第二采样瓶连接，且其余的所述分采样管均与所述第一采样瓶连接；

所述分采样管配置有至少三个；

该农田地表径流自动化连续采样方法，包括以下步骤：

A、在选定的农田地表径流监测点田块四周修筑田埂或安装挡水装置的基础上，在农田排水口设置所述的农田地表径流自动化连续采样装置；

B、利用设置的农田地表径流自动化连续采样装置进行地表径流流量测定和径流液样品采集；

所述步骤B具体包括以下步骤：

B1、当流量计检测到过堰流量时触发取样，当径流停止时结束采样；

B2、采样时第一采样瓶和第二采样瓶同时进样；

B3、当降雨产流量较小，第二采样瓶采样量小于最小样品量时，以第一采样瓶采集的径流水作为本场降雨产流样品；当降雨产流持续到第二采样瓶采样量等于或大于最小采样量时，以第二采样瓶采集的径流水作为本次降雨产流样品；

B4、当降雨产流过程持续到第二采样瓶采满时，则更换采样瓶组，并将上次第二采样瓶的样品与本场降雨中第一采样瓶或第二采样瓶下次采样的样品合并作为本场降雨产流的混合样品，其中，下次采样的样品符合步骤B3中的采样条件。

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