CN203824995U - 一种壤中流氮磷迁移通量的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型披露了一种壤中流氮磷迁移通量的测量装置，其中由收集管收集壤中流，依次通过三通管、过滤网、承接漏斗以及翻斗式测量装置，该翻斗式测量装置的信号输出端连接数据处理装置，壤中流最后落入储流器中。本实用新型能够实时快速准确获得测量结果。

Description

一种壤中流氮磷迁移通量的测量装置

技术领域

本实用新型涉及农业面源污染治理中土壤壤中流氮磷样的收集、提取和测量的装置。 

背景技术

紫色土是我国南方重要耕作土壤之一，广泛分布于长江以南四川、重庆等15省(区)，总面积约20万km²。由于紫色土母岩物理风化快而抗蚀性弱，且该区域雨量丰富并相对集中，加之人类活动强度大、复种指数高，导致坡耕地水土流失极为严重。近年来为了片面追求作物高产，该区域磷肥投入大，高强度水土流失和低效率氮磷肥利用不仅降低了土地生产能力，同时坡地水土流失携带的氮磷已成为水体面源污染的主要来源。紫色土土层浅薄(30-90cm)，下伏透水性较弱的基岩，降雨入渗很快到达母岩难于继续下渗，土壤水分经常处于蓄满饱和状态，在坡地势能的作用下形成壤中流。现场实测结果表明，紫色土坡耕地壤中流流量远高于地表径流，占全年总径流量的73％，壤中流对氮元素流失的份额为80％，壤中流对磷元素流失的份额为8％。因此，研究紫色土坡耕地壤中流氮磷迁移特征及通量，对农田面源污染治理有重要的作用。 

由于受野外现场环境的特殊性和复杂性限制，壤中流氮磷迁移特征观测一直是目前的难点。广泛应用于坡面、渠道及河道的测量装置，受到灵敏度和精确度的限制而难以应用于壤中流监测。例如，已有的壤中流收集发明“薄层坡地壤中流测定系统(ZL200710064.68.6)”，是借鉴坡面径流集水池法提出的，一般用砖石、混凝土或者铁皮建造，利用径流池或径流桶进行径流观测，同时采集样品测定氮磷浓度，包括径流收集、径流量取两个必要装置。在实际应用过程中，砖石材料的渗漏现象和铁皮材料的变形等问题会对测量精度产生一定影响。而且，这种方法不能在降雨过程中获得壤中流沿程的过 程数据；如果要监测不同坡长和土层深度的壤中流，得建设多个观测小区，导致建造费用的增加。并且观测小区在建造过程中需要移去母岩层以上的土壤，以及重新回填，由此会破坏土壤原状结构，且费时费力。由于降雨强度和降雨历时存在着随机性，故集水池的容量设计不可能考虑到所有的降雨情况，因而设计的集水池往往会在暴雨情况下产生溢流，由此导致观测数据缺失。 

因此，需要对现有的土壤壤中流监测系统加以改进，克服现有系统自动测量功能少、不能实现壤中流流量连续测量和沿任意坡面处连续观测等问题，具有运输移动便利、节省人力以及连续获得壤中流动态数据等优势，既适用于室内测试，也适用于野外测试，且不受地形限制。 

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种壤中流氮磷迁移通量的测量装置，能够实时精确获得土壤壤中流氮磷迁移通量的动态数据。 

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种壤中流氮磷迁移通量的测量装置，包括依次装配在柱形金属外壳中的三通管、过滤网、承接漏斗以及翻斗式测量装置，还包括装配在金属外壳上侧与并三通管相接的收集管；其中，收集管和承接漏斗通过三通管以丁字型连接方式连通；该收集管埋在土壤里不同深度的坡面中，与土面接触的入口做成斜面；三通管的接口处用无纺布缠绕作为过滤网；承接漏斗接纳收集管汇集的壤中流，由该承接漏斗的滴嘴使壤中流形成线状注入翻斗式测量装置。 

优选地，翻斗式测量装置包括引水漏斗、盛水器支架和分别安装在该盛水器支架上的带有引流管的盛水器、翻斗支架、干簧管支架和一信号输出端；其中，引水漏斗放在翻斗支架上，翻斗通过固定销固定在翻斗支架上，干簧管支架上装有两个干簧管；其中，翻斗支架上的翻斗是用中间隔板分成两个等容积的三角斗室，翻斗的来回翻转使得一个三角斗室处于接流状态，另一个三角斗室处于等待状态；翻斗每翻转一次，翻斗侧壁上安装的两个磁钢之一之一扫过一个干簧管产生一个脉冲信号，作为翻斗翻转次数出现在信号输 出端。 

优选地，收集管是直径Φ为200mm的聚丙烯无规共聚物套管；金属外壳为铝合金外罩或不锈钢外罩。 

本实用新型从根本上解决了现有装置自动测量功能少、不能实现壤中流流量连续测量和沿任意坡面处连续观测等问题，能够实时快速准确获得测量结果，具有运输移动便利、节省人力以及连续获得壤中流动态数据等优势，节省了人力和物力，既适用于室内测量，也适用于野外测量，且不受地形限制。本实用新型对于农田产排污系数计算、农田面源污染负荷估算、水文过程、水体污染防控等方面的研究领域，具有广泛的推广和应用价值。 

附图说明

图1为本实用新型的壤中流氮磷迁移通量的测量系统实施例的结构框图； 

图2为图1中所示的数据采集处理装置实施例的结构框图； 

图3为图1中所示的壤中流测量装置实施例的安装示意图； 

图4为图3所示的壤中流测量装置实施例中翻斗式测量装置实施例的结构示意图。 

具体实施方式

以下结合附图和优选实施例对本实用新型的技术方案进行详细地阐述。应该理解，以下列举的实施例仅用于说明和解释本实用新型，而不构成对本实用新型技术方案的限制。 

如图1所示，是本实用新型的壤中流氮磷迁移通量测量系统实施例的结构，包括壤中流通量测量装置、氮磷浓度采集装置、数据处理装置以及太阳能板供电装置，其中： 

壤中流通量测量装置由收集管4收集壤中流，收集的壤中流依次通过三通管1、过滤网2、承接漏斗3以及翻斗式测量装置5，该翻斗式测量装置的 信号输出端510连接数据处理装置，壤中流最后落入储流器中； 

氮磷浓度分析装置由负压装置11从储流器中抽取壤中流到采集器10中，分析器(图中未示)的分析输出端连接数据处理装置； 

数据处理装置的信号输入单元分别连接壤中流通量测量装置和氮磷浓度分析装置； 

太阳能板供电装置的电源输出端分别连接壤中流通量测量装置、氮磷浓度分析装置以及数据处理装置。 

在上述系统实施例中，壤中流通量测量装置实施例的结构如图3所示，包括依次装配在柱形金属外壳9中的三通管1、过滤网2、承接漏斗3以及翻斗式测量装置5，还包括装配在金属外壳上侧与并三通管相接的收集管4；其中，收集管4和承接漏斗3通过三通管1以丁字型连接方式连通；收集管4埋在土壤里不同深度的坡面中，与土面接触的入口做成斜面；三通管1的接口处用无纺布缠绕作为过滤网2；承接漏斗3接纳收集管4汇集的壤中流，由承接漏斗3的滴嘴使壤中流形成线状注入翻斗式测量装置5。 

在上述系统实施例中，翻斗式测量装置的结构如图4所示，包括引水漏斗501、盛水器支架509和分别安装在该盛水器支架509上的带有引流管512的盛水器505、翻斗支架509、干簧管支架508和一信号输出端510；其中，引水漏斗501放在翻斗支架509上，翻斗503通过固定销511固定在翻斗支架509上，干簧管支架508上装有两个干簧管507；其中，翻斗支架509上的翻斗503是用中间隔板分成两个等容积的三角斗室，翻斗503的来回翻转使得一个三角斗室处于接流状态，另一个三角斗室处于等待状态；翻斗503每翻转一次，翻斗侧壁上安装的两个磁钢之一504之一扫过一个干簧管507产生一个脉冲信号，作为翻斗翻转次数出现在信号输出端510； 

氮磷浓度分析装置的储流器请参照图3，包括储流罐6、插入储流罐6中的提流管8和通气管7，采集器10包括装壤中流的采集瓶和分析壤中流的氮磷浓度的分析器； 

数据处理装置将翻斗翻转次数转换成壤中流单位面积径流深值，将壤中流单位面积径流深值换算为壤中流迁移通量，并根据壤中流迁移通量和壤中流的氮磷浓度的数据计算出壤中流氮磷迁移通量，同时在显示屏上显示出当 前壤中流氮磷迁移通量。 

在上述系统实施例中，引水漏斗的滴嘴狭小，使得降雨过程中的壤中流以低速被接入翻斗，当三角斗室接入壤中流使翻斗容积达到预定值时，会在重力作用下翻倒，处于等待状态，而另一个三角斗室则处于接流状态；磁钢随翻斗翻动扫过干簧管，其磁场使得干簧管开关触点闭合发出一脉冲信号，它代表设定单位面积壤中流一个径流深单位值。这样，翻斗式测量装置通过壤中流驱动翻斗翻转，从而通过翻斗翻转次数表达了壤中流单位面积径流深(mm)；而数据处理装置将翻斗翻转次数还原成壤中流单位面积径流深，又通过换算将其转化为单位容积(ml)(即翻斗容积)，即壤中流迁移通量。 

在此，干簧管固定在磁敏架(图中未示)上，干簧管输出端脚由引线引出，固定在拉线架(图中未示)上。两干簧管侧面分别与翻斗后侧两端的磁钢位置相对应；当翻斗三角斗室翻转至水平位置时，磁钢接近干簧管，其磁场激励干簧管中两簧片触点构成的开关闭合，发出一个脉冲信号。至此，完成将一个单位的壤中流单位面积径流深(0.1mm)的转换和信号输出。 

通过力学和水力学分析及试验验证，证明翻斗容积和壤中流单位面积径流深之间具有函数关系，并通过标定试验确定函数中的参数。翻斗的左、右两三角斗室总是轮流处于接流、等待的状态。每一个磁钢与对应的干簧管调整在合适的距离(4～6mm)上，磁钢随翻斗翻转至水平位置时从干簧管旁扫过，其磁场激励干簧管中两簧片触点构成的开关闭合，发出一个脉冲信号。每产生一个脉冲信号便代表设定单位面积径流深单位值。 

在此，建议收集管直径Φ为200mm，翻斗体积设计为0.01×314.16＝3.14ml，则翻斗的三角斗室每次蓄满会翻转使得干簧管发出1次脉冲信号，代表测量了单位面积径流深为0.1mm的壤中流。也可以根据实际情况调整收集管管径，根据水力参数标定翻斗体积与单位面积径流深的函数关系。 

在上述系统实施例中，收集管是PRC(聚丙烯无规共聚物，Polypropylene Random Copolymer)套管；金属外壳譬如为铝合金外罩或不锈钢外罩，对其内的装置设施起保护作用。 

测量壤中流单位面积径流深值与翻斗容积的函数关系的确定：在传统的流体力学应用中，流量公式都是以流体的径流深度为自变量，即一般都是通 过对流体的径流深的量测实现流量测量的。根据流体力学推导，对于特定测流段，流体的迁移通量与其断面呈线性关系。 

在具体测量过程中，壤中流首先流经安装有过滤网的承接漏斗，随后进入引水漏斗，引水漏斗滴嘴相对较细，使得壤中流过滤后的水流以相对较低的速度滴入翻斗，由翻斗式测量装置将以单位面积径流深转化为相应单位容积(翻斗容积)。翻斗式测量装置用干簧管开关量的形式采集壤中流信息量——单位面积径流深值。通过力学和水力学分析及试验验证，证明翻斗体积和壤中流单位面积径流深之间具有函数关系，并通过标定试验确定函数中的参数。干簧管每产生一个脉冲信号便代表设定单位面积径流深，通过确定的函数关系可以将观测到的翻斗次数数据换算为壤中流单位面积径流深值，从而实现壤中流过程的实时检测。 

本实用新型在每次降雨产流过程中测定壤中流迁移通量，利用机械测量元件把壤中流连续不断的流量分割成单个已知的容积单元，根据翻斗三角斗室逐次重复地充满和排放该容积单元流体的次数来测量流体体积总量。该装置的最大优点是可以获取壤中流流量检测的实时过程并可实现自动检测。 

为了配套本实用新型的壤中流氮磷迁移通量检测装置实施例的应用，本实用新型开发了数据处理装置中的检测管理和数据处理软件，数据处理软件作用是采集、记录、处理、存储处理和计算的数据，以0.1mm为一个壤中流单位面积径流深值的基本单位；检测管理软件实现自动观测和数据远程传输及管理。 

在上述系统实施例中，数据处理装置的实施例结构如图2所示，包括采集控制模块、计算模块、存储模块以及显示模块；其中，采集控制模块分别与计算模块和存储模块连接，计算模块与存储模块连接，存储模块包括条件参数存储单元、采集数据存储单元以及结果数据存储单元，显示模块分别与计算模块和存储模块连接。 

太阳能板供电装置包括电池、太阳能板和控制器。 

Claims (3)

1.一种壤中流氮磷迁移通量的测量装置，其特征在于，包括依次装配在柱形金属外壳中的三通管、过滤网、承接漏斗以及翻斗式测量装置，还包括装配在金属外壳上侧与并三通管相接的收集管；其中， 

收集管和承接漏斗通过三通管以丁字型连接方式连通；该收集管埋在土壤里不同深度的坡面中，与土面接触的入口做成斜面；三通管的接口处用无纺布缠绕作为过滤网；承接漏斗接纳收集管汇集的壤中流，由该承接漏斗的滴嘴使壤中流形成线状注入翻斗式测量装置。 

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于， 

所述翻斗式测量装置包括引水漏斗、盛水器支架和分别安装在该盛水器支架上的带有引流管的盛水器、翻斗支架、干簧管支架和一信号输出端；其中，引水漏斗放在翻斗支架上，翻斗通过固定销固定在翻斗支架上，干簧管支架上装有两个干簧管；其中，翻斗支架上的翻斗是用中间隔板分成两个等容积的三角斗室，翻斗的来回翻转使得一个三角斗室处于接流状态，另一个三角斗室处于等待状态；翻斗每翻转一次，翻斗侧壁上安装的两个磁钢之一之一扫过一个干簧管产生一个脉冲信号，作为翻斗翻转次数出现在信号输出端。 

3.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于， 

所述收集管是直径Φ为200mm的聚丙烯无规共聚物套管；所述金属外壳为铝合金外罩或不锈钢外罩。