CN213337605U - 一种农田水量监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种农田水量监测仪，包括智能雨量计，智能雨量计下端连接有水位计，水位计和智能雨量计与数据处理器相连，水位计包括水位探头，智能雨量计包括计数器，数据处理器包括电池、数据采集分析器、存储卡及传输芯片，电池、数据采集分析器、存储卡及传输芯片之间相互连接，数据采集分析器与计数器、水位探头相连，接收计数器及水位探头所采集数据，数据采集分析器具有两种模式：搜索模式和跟踪模式。该监测仪计数器与水位计相结合，同时监测雨量及水位变化数据，能够精确得到灌水量；同时能够监测田间水位，引入地下水位与土壤含水率间的经验公式及相关曲线，提高灌溉水量的精确性。

Description

一种农田水量监测仪

技术领域

本实用新型涉及一种监测仪，更具体地，涉及一种农田水量监测仪。

背景技术

目前农田灌溉引水过程中存在两种状态，1、土壤饱和或田面有水层；2、土壤不饱和。对于第1种情况，通常采用的测试方法为水尺法或水位仪法，其基本原理为通过测定田面水位变化，乘以田面面积后得到灌溉水量；对于第2种情况，常采用烘干法或TDR时域反射仪进行测定，得出土壤含水率后，根据计划湿润层深度计算目标土层的土壤含水量。其中水尺法与烘干法相对精准，但需要技术人员实时操作，费时费力；TDR是利用电磁波进行土壤含水率测定，具有快速、简便、精确等特点，但在实际运用中发现技术还不是相当成熟，测定数据不够稳定，造价昂贵，同时，影响农田水量特征的除了灌溉引水外，还包括降雨，如利用自动监测记录仪器进行田间水量的实时监测，则无法区分田间水量变化是由降雨还是灌溉引起的，导致灌溉水量的监测误差。目前常用的方法为结合当地气象资料进行核算，但一般气象站间距较大，无法精准测量田块所在小区域的降雨数据，带来测量误差，同时对于水田作物，尤其水稻作物节水灌溉技术被广泛应用，土壤有时会处于非饱和状态，即农田处于无水层状态，采用目前的水位变化法测定灌水量，会导致灌水量被低估，而采用测定含水率的方法，工作量大或设备费用高。

发明内容

实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种能够同时监测雨量及水位变化数据、精确提供灌水量的农田水量监测仪。

技术方案：本实用新型所述的农田水量监测仪，包括智能雨量计，智能雨量计下端连接有水位计，水位计和智能雨量计与数据处理器相连，水位计包括水位探头，智能雨量计包括计数器，数据处理器包括电池、数据采集分析器、存储卡及传输芯片，电池、数据采集分析器、存储卡及传输芯片之间相互连接，数据采集分析器与计数器、水位探头相连，接收计数器及水位探头所采集数据，数据采集分析器具有两种模式：搜索模式和跟踪模式，搜索模式下，数据采集分析器分析水位探头所采集的最后两次水位数据h_t1和h_t2，当|h_t1-h_t1|≤Δh＝2mm时，认为搜索模式下的测试间隔Δt₀₁时段内无灌溉和排水发生，此时，数据采集分析器继续处于搜索模式；否则表明时段内有灌溉、排水或降雨发生，此时，数据采集分析器状态进入跟踪模式，测试间隔缩短为Δt₀₂，直至下一次在间隔内满足 |h_t1-h_t1|≤Δh＝2mm。

其中，搜索模式下测试间隔Δt₀＝30-60min，跟踪模式下测试间隔Δt ＝5-15min；数据采集分析器所采集数据与采集数据时间对应的记录于存储卡内，每24～48h通过传输芯片远程发射到远程系统中。

其中，数据采集分析器对非饱和土壤，即田面无水层的灌水量进行数据修正，灌水修正值计算公式如下式所示：

其中，h_n为非饱和土壤的灌水量修正值；x_n为田面水层消失至灌水开始时段内农田地下水埋深均值；a₁、a₂、a₃为水田土壤和气象特征值，根据土壤类型选定：

对于沙土或沙壤土：

a₁为5.4×10^-4～6.5×10^-4，a₂为-0.15～-0.17，a₃为29-30；

对于壤土：

a₁为3.4×10^-4～4.4×10^-4，a₂为-0.13～-0.15，a₃为30-31；

对于粘土：

a₁为5.0×10^-4～7.0×10^-4，a₂为-0.11～-0.13，a₃为31-32；

修正后非饱和水田的灌水量m为：

m＝h₁+h_n

其中，h₁为灌水后田面水深；h_n非饱和土壤的灌水量修正值；

其中，智能雨量计包括支架、储雨器和铅锤，储雨器和铅锤相互固连，支架上端安装有漏斗，漏斗上端安装有承雨口，支架中部活动地安装有翻斗，支架下端为承接平板，承接平板上活动地安装有储雨器和铅锤，计数器安装在翻斗上；承雨口下端连接有承雨口支架，承雨口支架通过滤网漏斗连接，支架上端安装有防雨罩，防雨罩安装在承雨口下端，遮住储雨器和铅锤、翻斗和计数器，降雨导致翻斗雨水盛满后翻转，每翻一下，计数器记一次数，根据单位时间翻的次数，得到雨强；水位计包括测筒，测筒为空心圆筒，水位探头安装在测筒顶部，测筒上设置有通水孔，通水孔上安装有滤网。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、通过计数器与水位计相结合，同时监测雨量及水位变化数据，能够精确得到灌水量；2、同时能够监测农田水位，引入地下水位与土壤含水率间的经验公式及相关曲线，提高灌水量测算的精确性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，农田水量监测仪包括智能雨量计，智能雨量计下端连接有水位计，水位计和智能雨量计与数据处理器相连，水位计包括水位探头14，智能雨量计包括计数器8，数据处理器包括电池13、数据采集分析器11、存储卡17及传输芯片12，电池13、数据采集分析器11、存储卡及传输芯片12之间相互连接，数据采集分析器11与计数器8、水位探头14相连，接收计数器8及水位探头14所采集的数据，智能雨量计包括支架6、储雨器18和铅锤9，储雨器18 和铅锤9相互固连，支架6上端安装有漏斗4，漏斗4上端安装有直径为150mm 的承雨口1，承雨口1下端连接有承雨口支架2，承雨口支架2通过滤网3漏斗 4连接，支架6上端安装有防雨罩5，支架6中部活动地安装有翻斗7，翻斗7 向另一侧储雨器18输送雨水，支架6下端为承接平板，承接平板上通过铆钉10 活动地安装有储雨器18和铅锤9，储雨器18和铅锤9以铆钉为中心翻转排出雨水，排出雨水后的储雨器18和铅锤9回到水平状态，计数器8安装在翻斗7上，降雨导致翻斗7雨水盛满后翻转，每翻一下，计数器8记一次数，根据单位时间翻的次数，得到雨强，支架6上端安装有防雨罩5，防雨罩5安装在承雨口1下端，遮住储雨器18和铅锤9、翻斗7和计数器8，水位计包括测筒15，测筒15 为直径为200mm的空心圆筒，水位探头14安装在测筒15顶部，测筒15上设置有通水孔16，通水孔16上安装有滤网，数据采集分析器11具有两种模式：搜索模式和跟踪模式，搜索模式下，数据采集分析器11分析水位探头14所采集的最后两次水位数据h_t1和h_t2，当|h_t1-h_t1|≤Δh＝2mm时，认为Δt₀₁时段内无灌溉和排水发生，此时，数据采集分析器11继续处于搜索模式；否则表明时段内有灌溉、排水或降雨发生，此时，数据采集分析器11状态进入跟踪模式，测试间隔缩短为Δt₀₂，直至下一次在间隔内满足|h_t1-h_t1|≤Δh＝2mm，搜索模式下测试间隔Δt₀₁＝30-60min，跟踪模式下测试间隔Δt₀₂＝5-15min，数据采集分析器11 所采集数据与采集数据时间对应的记录于存储卡17内，每24～48h通过传输芯片 12远程发射到远程系统中对非饱和土壤田面无水层灌水量进行数据修正，灌水修正值计算公式如下式所示：

其中，h_n为非饱和土壤的灌水量修正值；θ_s为土壤饱和含水率，x_n为田面水层消失至灌水开始时段内农田地下水埋深均值，单位为m；a₁、a₂、a₃为水田土壤特征值，根据土壤类型选定：

对于沙土或沙壤土：

a₁为5.4×10^-4～6.5×10^-4，a₂为-0.15～-0.17，a₃为29-30；

对于壤土：

a₁为3.4×10^-4～4.4×10^-4，a₂为-0.13～-0.15，a₃为30-31；

对于粘土：

a₁为5.0×10^-4～7.0×10^-4，a₂为-0.11～-0.13，a₃为31-32；

修正后非饱和水田的灌水量m为：

m＝h₁+h_n

其中，h₁为灌水后田面水深；h_n非饱和土壤的灌水量修正值。

使用时，测筒15埋设于目标田块最大地下水位以下，测筒15内无土但可透水，筒内水位与筒外农田水层或地下水位保持一致。

利用水位探头14测定测筒内水位，同时通过计数器8监测雨量。水位探头 14采集测筒内最后两次水位数据h_t1和h_t2，当|h_t1-h_t1|≤Δh＝2mm时，认为Δt₀时段内无灌溉和排水发生，

当地面存在水层时灌水量测算：水位探头14监测到Δh≥2mm，仪器进入跟踪模式。记录从水位开始快速增加前一个Δt的水深H₁，以及到农田水位不变，即Δh≤2mm时的水深H₂，水位差m＝H₂—H₁即为灌水量，当灌水过程中发生降雨P，将灌水过程中的雨量减去，即m＝H₂—H₁—P。由于灌水持续时间一般在 2h-4h之间，不考虑灌水期间的蒸发和渗漏。

当地面无水层时灌水量测算：水位探头14监测到Δh≥2mm，且水位属于上升阶段时，仪器进入跟踪模式，测试间隔缩短为Δt₀₂，记录从水位开始快速增加前一个Δt的水深H₁，以及到农田水位不变，即Δh≤2mm时的水深H₂，水位差 m＝H₂—H₁即为灌水量，当灌水过程中发生降雨P，将灌水过程中的雨量减去，即m＝H₂—H₁—P。由于灌水持续时间一般在2h-4h之间，不考虑灌水期间的蒸发和渗漏。

通过测定地下水位深度，结合土壤特性、雨量和前期监测耗水量，根据系统预设算法，对灌水量进行修正。降雨量、雨强与农田水位变化量同步量测，同一时段内农田水位增量减去降雨量若有即为灌水量；无降雨时的水位下降量即为耗水量；无降雨时水深的快速下降变化速率超过5mm/h即为排水量。在无灌溉和排水时段内，仪器进入搜索模式，测试频率较低30～60min/次，频率可调，以降低能耗。当降雨或灌溉发生时，仪器进入跟踪模式，提高测试频率5～15min/次，频率可调，以提升数据测定准确性。

测量数据自动记录于内置存储卡17中，通过传输芯片12远程传输；非传输时，传输芯片12自动休眠，以降低功耗，增加电池续航时间，水位计设置警戒水位，当农田水位高于上警戒水位或低于下警戒水位时，远程发送预警信号。

Claims (9)

1.一种农田水量监测仪，其特征在于，包括智能雨量计，所述智能雨量计下端连接有水位计，所述水位计和智能雨量计与数据处理器相连，所述水位计包括水位探头(14)，所述智能雨量计包括计数器(8)，所述数据处理器包括电池(13)、数据采集分析器(11)、存储卡(17)及传输芯片(12)，所述电池(13)、数据采集分析器(11)、存储卡及传输芯片(12)之间相互连接，所述数据采集分析器(11)与计数器(8)、水位探头(14)相连，接收计数器(8)及水位探头(14)所采集的数据，所述数据采集分析器(11)具有两种模式：搜索模式和跟踪模式，所述搜索模式下，数据采集分析器(11)分析水位探头(14)所采集的最后两次农田水位数据h_t1和h_t2，当|h_t1-h_t1|≤Δh＝2mm时，认为搜索模式下的测试间隔Δt₀₁时段内无灌溉和排水发生，此时，数据采集分析器(11)继续处于搜索模式；否则表明时段内有灌溉、排水或降雨发生，此时，数据采集分析器(11)状态进入跟踪模式，测试间隔缩短为Δt₀₂，直至下一次在间隔内满足|h_t1-h_t1|≤Δh＝2mm。

2.根据权利要求1所述的农田水量监测仪，其特征在于，所述搜索模式下测试间隔Δt₀₁＝30-60min，所述跟踪模式下测试间隔Δt₀₂＝5-15min。

3.根据权利要求1所述的农田水量监测仪，其特征在于，所述数据采集分析器(11)所采集数据与采集数据时间对应的记录于存储卡(17)内，每24～48h通过传输芯片(12)远程发射到远程系统中。

4.根据权利要求1所述的农田水量监测仪，其特征在于，所述数据采集分析器(11)对非饱和土壤，即田面无水层的灌水量进行数据修正，灌水修正值计算公式如下式所示：

其中，h_n为非饱和土壤的灌水量修正值；x_n为田面水层消失至灌水开始时段内农田地下水埋深均值；a₁、a₂、a₃为水田土壤和气象特征值，根据土壤类型选定：

对于沙土或沙壤土：

a₁为5.4×10^-4～6.5×10^-4，a₂为-0.15～-0.17，a₃为29-30；

对于壤土：

a₁为3.4×10^-4～4.4×10^-4，a₂为-0.13～-0.15，a₃为30-31；

对于粘土：

a₁为5.0×10^-4～7.0×10^-4，a₂为-0.11～-0.13，a₃为31-32；

修正后非饱和水田的灌水量m为：

m＝h₁+h_n

其中，h₁为灌水后田面水深；h_n非饱和土壤的灌水量修正值。

5.根据权利要求1所述的农田水量监测仪，其特征在于，所述智能雨量计包括支架(6)、储雨器(18)和铅锤(9)，所述储雨器(18)和铅锤(9)相互固连，所述支架(6)上端安装有漏斗(4)，所述漏斗(4)上端安装有承雨口(1)，所述支架(6)中部活动地安装有翻斗(7)，所述支架(6)下端为承接平板，所述承接平板上活动地安装有储雨器(18)和铅锤(9)，所述计数器(8)安装在储雨器(18)中。

6.根据权利要求5所述的农田水量监测仪，其特征在于，所述承雨口(1)下端连接有承雨口支架(2)，所述承雨口支架(2)通过滤网(3)漏斗(4)连接。

7.根据权利要求5所述的农田水量监测仪，其特征在于，所述支架(6)上端安装有防雨罩(5)，所述防雨罩(5)安装在承雨口(1)下端，遮住储雨器(18)和铅锤(9)、翻斗(7)和计数器(8)。

8.根据权利要求1所述的农田水量监测仪，其特征在于，所述水位计包括测筒(15)，所述测筒(15)为空心圆筒，所述水位探头(14)安装在测筒(15)顶部，所述测筒(15)上设置有通水孔(16)。

9.根据权利要求8所述的农田水量监测仪，其特征在于，所述通水孔(16)上安装有滤网。

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