CN217332377U - 一种能自动测量水稻需水量的蒸渗测坑装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能自动测量水稻需水量的蒸渗测坑装置，包括水稻测坑、供给地表水的地表自动供水装置、地表水位检测装置、地表径流测量装置、供给地下水的地下自动供水装置、渗漏量监控装置和测坑供排控制采集器，水稻测坑内从下至上设有供排水管网、底部反滤层和试验土壤；地下自动供水装置和渗漏量监控装置均与供排水管网相连；地表水位检测装置用于检测地表水位及晒田期间的地下水位；渗漏量监控装置用于监控测坑底部排水及渗漏量。本装置能实现自动灌排条件下控制地表水、地下水并模拟稻田不同深层渗漏量下边界条件开展水稻需水量研究，实现水稻需水量测坑开展试验的全方位、全指标的自动化模拟与监测。

Description

一种能自动测量水稻需水量的蒸渗测坑装置

技术领域

本实用新型属于农田水利和农学领域，涉及一种蒸渗测坑装置，具体涉及一种能自动测量水稻需水量的蒸渗测坑装置，该装置能够根据灌溉试验规范中水稻需水量方法在较低投入的情况下系统、全面性开展水稻作物需水量及相关研究试验。

背景技术

蒸渗测坑是一种在修建的田间用来测量作物需水量或进行灌溉试验的专项设备。测坑多使用混凝土结构并按《地下工程防水技术规范》标准做好防水防渗，使整个蒸渗测坑装置没有水平渗漏后通过自动灌排等手段，并监测对应耗水量指标开展作物耗水量的研究。作物耗水量的研究是灌溉水利用系数测算、灌溉制度制定及节水灌溉技术发展及研究的核心参数，是符合以需定供，节水优先，高效利用水资源，有效保护水环境及地下水环境的大略方针。故开展其精准研究是必要的，意义重大的。利用蒸渗测坑种植水生作物(水稻、茭白等)为蒸渗测坑一般称为水稻需水量测坑。

根据灌溉试验规范SL13-2015中计算作物区间耗水量公式：

有水层期间：ET d＝h1-h2+m+p-f-c(其中ET d---日蒸发蒸腾量mm，h1-第一天8点的水层深度，h2-第二天8点的水层深度，m-一天内灌溉量mm，p-一天内降雨量mm，f-一天内底部排渗量mm，c-一天内地表排水量)，有水层时的总耗水量ET1即为每天蒸腾蒸发量ETd之和。

无水层(稻田晒田期间)耗水量

(θia-对应层次计算的起始传感器测出的体积含水率，θib-对应层次计算的结束时段传感器测出的体积含水率，Hi-对应层次土壤的厚度(cm)，n-土壤层次总数目，M-时段内灌水量mm，p-时段内降雨量mm，K-时段内地下水补给量mm，C-时段内排水量；无水层时的总耗水量ET2即为每全生育期内每次无水层ET q之和。

水稻全生育期耗水量ET总＝ET1+ET2

全国以江西省灌溉试验中心站、湖北省灌溉试验中心站、上海市灌溉试验中心站、重点站为代表的试验站每年均使用测坑开展水稻作物需水量，不同灌排制度下，作物耗水量及产量的相关生产函数、灌溉水利用系数等研究。因水稻需水量计算公式中部分参数自动监测技术未很好的解决，只对一部分参数监测进行了自动化设备配置，一部分因未有更好自动监测手段目前仍为人工监测。以上述试验站为例，测坑一般配置有地表自动供水测量装置实现自动定额灌溉计量装置；配置有浅层含水率监测设备，测量晒田期间地表含水率作为晒田期间灌溉的下限指标；地表水层监测多用于601B蒸发皿的测针人工测量或用地表水层监测设备自动测量地表水层变化；地表降雨量则采用气象站雨量数据计算；水稻深层渗漏量的监测因未解决自动监测的技术问题，一般则采取定时排渗的方式或集中排渗时记录排渗量。因水稻的深层渗漏量在一定范围内属于有效渗漏量，且渗漏量的有效范围内大小量对作物生长也具有一定影响，故对水稻作物渗漏量的监测与调控是测坑开展水稻需水量科研试验必不可少的，原上海试验站考虑了测坑模拟调控有效渗漏量，采取了人工调节截止阀的大小大致调节不同渗漏量开展对比试验；水稻测坑地下水位监测则多半采用投入式液位传感器监测地下水位变化或配置有大型地下自动供排水系统的试验站使用其装置监测地下水位变化及地下水补给量变化。两种方法中，液位传感器监测精度低，晒田期间发生少量地下水补给时无法分辨识别；大型地下自动供排水系统监测精度高，但因其占地空间较大，受安装空间限制且配套大型地下自动供排水系统需投入的资金较大；地表径流量的监测对建设有大型防雨棚的试验站可忽略，但部分试验站水稻需水量测坑因试验田场地限制或其他原因未建防雨棚，仍然处于人工收集地表径流量状态。

因此，需要设计及建设一套考虑监测指标全面、配置完善且满足自动化要求的能自动测量水稻需水量的蒸渗测坑装置，既能满足水稻需水量监测指标达的全面性，又能达到试验规范中精度要求，同时提高试验效率，减少人力资源及资金投入，更好的为科研服务。

发明内容

针对全国现有水稻需水量测坑建设配置的不全面性及因水稻耗水量计算指标中部分自动化监测技术难点未攻克而仍使用人工监测的现状，本实用新型利用稻田地表水位自动检测装置在测坑地表有水层时测定地表水层，地表无水层时测量其测坑实时地下水位。测坑地表为了控制地表灌溉量，采取电磁阀加脉冲水表结构，能够精准控制地表供水量。为了监测降雨量，测坑附近布设2个雨量筒监测降雨量并互相校核，保障降雨量的准确记录；为了监测地表降雨后径流量，采用溢流管接入翻斗流量计装置，为了控制水稻测坑底部渗漏量及监测其渗漏量，采用可调节球阀加翻斗流量计装置实现精准调控渗漏量大小并通过翻斗流量计计量其实际的渗漏量；该使用新型专利用较低成本的投入，实现了水稻需水量测坑开展试验的全方位、全指标的自动化监测。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种能自动测量水稻需水量的蒸渗测坑装置，其特征在于：包括

水稻测坑，其内从下至上依次设有供排水管网、底部反滤层和试验土壤，所述供排水管网上设有大量供排水孔，供排水管网通过供排水管连接到水稻测坑底部外；所述底部反滤层用于过滤，防止试验土壤堵塞供排水孔；

测坑供排控制采集器，用于对整个蒸渗测坑装置进行数据采集和控制；

地下自动供水装置，安装在水稻测坑底部，与供排水管和测坑供排控制采集器相连，用于在测坑供排控制采集器的控制下自动供水并记录供水量；

地表水位检测装置，用于检测水稻测坑内地表水位，并将水位数据传输给测坑供排控制采集器；

地表自动供水装置，安装在水稻测坑顶部，与测坑供排控制采集器相连，用于对水稻测坑内供给地表水。

地表径流测量装置，与测坑供排控制采集器相连，用于对水稻测坑内地表径流水量；

渗漏量监控装置，用于监控水稻测坑底部排水及渗漏量。具体为用于自动排水或自动模拟调节稻田不同深层渗漏量下边界条件并实现其排水或渗漏量监测。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种能自动测量水稻需水量的蒸渗测坑装置，其具有以下优点：

(1)通过地表水位检测装置，一台设备既能高精度实时测量地表水层(0.1mm)，又能高精度测量地下水位(水稻晒田期间)。

(2)通过应用可调节开度式排水球阀，实现了可能自动模拟调节水稻测坑渗漏量大小功能。

(3)通过应用脉冲式的地表供水计量表，实现了作物耗水量供水精度需要精确到0.1mm水层的高精度计量测坑地表供水的功能，大大避免了流量计因受管道压力波动或不满管导致测量供水量误差大的现象。

(4)通过排水计量翻斗计、地表径流翻斗计的结构，实现了排水无压或者排水量很小的情况下准确计量对应水量的功能

(5)通过一种能自动测量水稻需水量的蒸渗测坑装置的全方位监测配置，为全国灌溉试验站或相关研究水稻作物的科研机构提供了一种成本低，监测精准，考虑全面的成熟的设备建设配置方案。

附图说明

图1是本实用新型一种能自动测量水稻需水量的蒸渗测坑装置结构示意图。

1-水稻测坑，2-底部反滤层，3-供排水管网，4-试验土壤，5-水位观测管，6-地表水位检测装置，7-地表供水电磁阀，8-地表供水计量表，9-底部供水电磁阀，10-底部供水计量表，11-可调节开度式排水球阀；12-排水计量水表；13-排水计量翻斗计；14-地表径流翻斗计；15-地表雨量计；16-土壤水分传感器；17-测坑供排控制采集器；18-供排水管；19-溢流管。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步说明。

参见图1，一种能自动测量水稻需水量的蒸渗测坑装置，包括

水稻测坑1，其内从下至上依次设有供排水管网3、底部反滤层2和试验土壤4，所述供排水管网3上设有大量供排水孔，供排水管网3通过供排水管18连接到水稻测坑1底部外；所述底部反滤层2用于过滤，防止试验土壤4堵塞供排水孔及防止供排水时的管涌现象

测坑供排控制采集器17，用于对整个蒸渗测坑装置进行数据采集和控制；

地下自动供水装置，安装在水稻测坑底部，与供排水管18和测坑供排控制采集器17相连，用于在测坑供排控制采集器17的控制下自动从测坑底部供水并记录供水量；

地表水位检测装置6，用于自动检测水稻测坑1内地表水位，并将水位数据传输给测坑供排控制采集器17；

地表自动供水装置，安装在水稻测坑1顶部，与测坑供排控制采集器17相连，用于从地表对水稻测坑1内供给已知量的地表水。

地表径流测量装置，与测坑供排控制采集器17相连，用于对水稻测坑1内地表径流水量自动采集；

渗漏量监控装置，与供排水管18和测坑供排控制采集器17相连，

作为一种优选实施例，所述自动排水装置包括通过排水管依次相连的可调节开度式排水球阀11、排水计量水表12和排水计量翻斗计13，所述可调节开度式排水球阀11的入口与供排水管18相连；可调节开度式排水球阀11、排水计量水表12和排水计量翻斗计13均通过信号线与测坑供排控制采集器17相连。

需要排水时，可调节开度式排水球阀11全部开启排水；水稻作物生长期间，模拟调节不同渗漏量时，可调节开度式排水球阀11可由测坑供排控制采集器17控制开启0-90°任何角度，并在排水时由排水计量水表12计量；排水计量翻斗计13用于水稻测坑1内深层渗漏量计量，并将测量数据传输给测坑供排控制采集器17。

本发明实施例中排水计量水表12和排水计量翻斗计13为组合式流量计，提高测量精度，排水时，水流量比较大，由排水计量水表12计数，测量渗漏量时排水量较小，为了保证精度，采用排水计量翻斗计13计数(排水计量翻斗计13可以选择所需流量大小的雨量翻斗，每翻一斗水量在50mL-100mL可调)

所述渗漏量监控装置和所述地下自动供水装置交替打开，地下供水时不相互不影响。

作为一种优选实施例，所述排水球阀11为丝杆阀门，具体可以为304电动丝扣球阀Q911F-16P(DN15)，能够通过阀门自带的电流信号反馈及控制器控制阀门0-90°任意一个开启角度，实现对测坑底部模拟排渗时的任意排渗量大小。

所述排水计量翻斗计13为定制产品，原理与雨量翻斗计一致，雨量翻斗计每翻一斗一般标定为0.1mm水量。此处排水计量翻斗计13定制成每翻一斗水量在50mL-100mL可调,通过干簧管计数)能够在排水无压或者排水量很小的情况下准确计量水量，排水计量翻斗计13每翻一斗发出一个对应计量信号脉冲且每翻一斗的计量大小可提前标定调节。

所述水稻测坑1修建完成后，闭水试验合格后底部安装供排水管网3，并将供排水管网3通过供排水管18引出到水稻测坑1底部外，安装完供排水管网3后在底部装入底部反滤层2(从下到上依次为洗干净的10cm厚碎石，10cm厚细石，10cm厚细沙)，安装完成后在水稻测坑1内按当地具有代表性的土壤分层结构及容重分层回填试验土壤4；按容重回填土壤时，同时埋设水位观测管5，水位观测管5底部距离底部反滤层30cm以上，并安装垂直。水位观测管5上边缘与测坑地表土面预留20-25cm，测坑内泡田完成后种植水稻作物。

作为一种优选实施例，所述水位观测管5为采用多孔梅花管，所述地表水位检测装置6安装在水稻测坑1地表，并使地表水位检测装置6的重锤测针在多孔梅花管的中心；地表水位检测装置6的重锤测针实时跟踪水面并计算出水位高度，当地表有水层时实时测量地表水层深度，第二天8点的水层深度数据h2减去第一天早上8点水层深度数据h1则为日水层变化，当水稻晒田期间，实时测量出此时的水稻测坑1地下水位数据，若晒天期间地表水位检测装置6的水位数据变小则为该晒田期间地下水水补给量K值(mm)，需要说明的是，本发明地表水位检测装置6可采用申请人已经获得授权专利CN216283780U所记载的稻田地表水位自动检测装置。

作为一种优选实施例，所述多孔梅花管采用75mmPVC或有机玻璃管制成，土面10cm以下至距离底部反滤层30cm段四周开有呈梅花状分布的透水孔并用100目纱布包裹。

作为一种优选实施例，所述地表水位检测装置6通过绕轮上缠绕钢丝绳上下收放带动重锤测针跟踪，水层测量的量程大大增加，同一个设备既能满足高精度测量稻田地表水层，又能在稻田无水层时期(晒田期)实时跟踪到测坑的地下水位。

作为一种优选实施例，所述地表自动供水装置包括通过地表供水管依次相连的地表供水电磁阀7和地表供水计量表8，地表供水电磁阀7的入口与水源相连，地表供水计量表8的出口通过地表供水管延伸到水稻测坑1内试验土壤4顶部上方；所述地表供水电磁阀7和地表供水计量表8均通过信号线与测坑供排控制采集器17相连。当地表水位检测装置6监测出水稻测坑1地表水位不足时，反馈给测坑供排控制采集器17，测坑供排控制采集器17发出灌溉控制指令，地表供水电磁阀7开启供水，当地表水位检测装置6监测出水稻测坑1地表水位满足水稻该生育期作物生长的最佳水层范围内时，停止地表供水电磁阀7供水，地表供水计量表8精准计量该过程的灌溉量。若处于定额灌溉模式下，在设置需要灌溉的水层(或灌溉量)后，地表供水电磁阀7自动开启供水，当地表供水计量表8监测到达到设定的灌溉定额量时，地表供水电磁阀7自动关闭停止灌溉，并对灌溉数据自动记录，该灌溉量除以测坑的表面积即为作物区间耗水量公式中该时段灌溉量m(mm)。

本实施例中，所述地表供水计量为脉冲式水表(比如埃美柯发讯水表LXSY-15E)，其转动一圈发送一次通断信号供采集器记录1L水量，基本不受供水管道压力波动导致计量不准的影响，地表供水电磁阀7为弱电供水电磁阀。

作为一种优选实施例，所述地下自动供水装置包括通过底部供水管依次相连的底部供水电磁阀9和底部供水计量表10，所述底部供水计量表10的出口与供排水管18相连；所述底部供水电磁阀9的入口与水源相连，底部供水电磁阀9和底部供水计量表10(埃美柯发讯水表LXSY-25E)均通过信号线与测坑供排控制采集器17相连。测坑供排控制采集器17发出底部供水指令后，底部供水电磁阀9自动开启，底部供水先流过底部供水电磁阀9，再经过底部供水计量表10和供排水管18后进入供排水管网3(供排水管网3表面设于大量的供排水孔，图中未画出)给测坑供水控制测坑地下水位。

作为一种优选实施例，所述地表径流测量装置包括连接到测坑内试验土壤4顶部的溢流管19和与溢流管19相连的地表径流翻斗计14，溢流管19延伸至水稻测坑外底部地下，地表径流翻斗计14安装于地下的溢流管19末端，所述地表径流翻斗计14通过信号线与测坑供排控制采集器17相连。所述水稻测坑1外侧还设有用于测量自然降雨量的地表雨量计15，所述地表雨量计15通过信号线与测坑供排控制采集器17相连，本实施例中地表雨量计15也为翻斗雨量计。当自然降雨后，地表雨量计15实时计量降雨量为作物区间耗水量公式中该时段的p值(该时段内降雨量mm)，当降雨量较大发生溢流后，地表径流翻斗计14计量产生溢流的水量并给测坑供排控制采集器17存储相应数据,该水量数据除以测坑地表面积即为作物区间耗水量公式中该时段c值(地表排水量mm)。

所述地表径流翻斗计14通过地表测坑上端开孔使用PVC管引入水稻测坑1底部的廊道内，并使用翻斗计每翻一斗发出一个对应计量信号脉冲计量，能够在无压或者径流量很小的情况下准确计量地表渗漏量。

所述的地表雨量计15布设2个，为翻斗雨量计，具体可以采用，宏电公司的HDY-05翻斗式雨量计或气象站常用的自动雨量计，用于降雨量计量准确和雨量互相校核，防止降雨量数据丢失。

作为一种优选实施例，所述水稻测坑1内试验土壤4中还埋设有土壤水分传感器16。所述的土壤水分传感器16在水稻晒田期实时监测地表土壤5cm,15cm的土壤含水率，当该数据达到轻度晒田饱和含水率的80％时或选择中度晒田为饱和含水率的60％-80％时(详见灌溉试验规范SL13-2015中6.3水田作物灌溉制度相关介绍)，自动启动地表供水电磁阀7开启供水并达到对应生育期的最佳水层。或研究需水量时，晒田期间5cm水分传感器监测到的体积含水率变化量(θ1a-θ1b)*10*10为地表土层10cm的耗水量，15cm水分传感器监测到的体积含水率变化量(θ2a-θ2b)*10*10即为地表土层10-20cm的耗水量，最后加上晒田期间地表水位检测装置6测量的地下水位变化量K值即为该晒田期间总耗水量(假设该晒田期间降雨量P、灌溉量M及排水量C为0)。

所述的测坑供排控制采集器17，采用研华610H工控机运行的亚控科技组态王6.6集成系统；实现了对地表灌溉地表供水计量表8、地表水位检测装置6、底部供水计量表10、排水计量水表12、排水计量翻斗计13、地表径流翻斗计14、地表雨量计15、土壤水分传感器16的数据采集，实现了对地表供水电磁阀7、底部供水电磁阀9和可调节开度式排水球阀11的调节控制，控制条件可以根据上述技术所需方式人为设定，其控制方法对于本发明技术方案的实时不构成影响，本发明的要解决的技术问题是地下自动供水装置、地表水位检测装置地表自动供水装置6和地表径流测量装置、地面雨量计、水分传感器均能在测坑供排控制采集器17的控制下自动采集数据和执行对可调节开度式排水球阀11的开度动作，至于具体动作方式根据具体试验目的和要求来即可，不是本发明的要解决的技术问题，不对本发明解决技术问题构成影响。

本实用新型的保护范围并不限于设备的品牌及水稻作物的种类，通过改变相应的控制参数就可以满足更多的水产农作物需求。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行某些结构尺寸以及部件数量的改动而不脱离本实用新型的范围和精神。倘若这些改动属于实用新型权利要求及其等同技术的范围内，则实用新型的意图也包含这些改动在内。

本文中所描述的具体实施例仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种能自动测量水稻需水量的蒸渗测坑装置，其特征在于：包括

水稻测坑，其内从下至上依次设有供排水管网、底部反滤层和试验土壤，所述供排水管网上设有大量供排水孔，供排水管网通过供排水管连接到水稻测坑底部外；所述底部反滤层用于过滤防堵塞及防止供排水时的管涌现象；

测坑供排控制采集器，用于对整个测坑装置进行数据采集和控制；

地下自动供水装置，安装在水稻测坑底部，与供排水管和测坑供排控制采集器相连，用于在测坑供排控制采集器的控制下从水稻测坑底部自动供水并记录供水量；

地表自动供水装置，安装在水稻测坑顶部，用于从地表对水稻测坑内供给已知量的定额地表水；

地表水位检测装置，用于自动检测水稻测坑内地表水位，并将水位数据传输给测坑供排控制采集器；

地表径流测量装置，与测坑供排控制采集器相连，用于对水稻测坑内地表径流水量自动采集；

渗漏量监控装置，用于监控水稻测坑底部排水及渗漏量。

2.根据权利要求1所述的蒸渗测坑装置，其特征在于：所述地下自动供水装置包括通过底部供水管依次相连的底部供水电磁阀和底部供水计量表，所述底部供水计量表的出口与供排水管相连；所述底部供水电磁阀的入口与水源相连，底部供水电磁阀和底部供水计量表均通过信号线与测坑供排控制采集器相连。

3.根据权利要求2所述的蒸渗测坑装置，其特征在于：所述渗漏量监控装置包括通过排水管依次相连的可调节开度式排水球阀、排水计量水表和排水计量翻斗计，所述可调节开度式排水球阀的入口与供排水管相连；可调节开度式排水球阀、排水计量水表和排水计量翻斗计均通过信号线与测坑供排控制采集器相连。

4.根据权利要求2所述的蒸渗测坑装置，其特征在于：所述水稻测坑内试验土壤中设有竖直方向设置的水位观测管，所述地表水位检测装置的重锤测针安装于水位观测管内。

5.根据权利要求4所述的蒸渗测坑装置，其特征在于：所述水位观测管为多孔梅花管。

6.根据权利要求2所述的蒸渗测坑装置，其特征在于：所述地表自动供水装置包括通过地表供水管依次相连的地表供水电磁阀和地表供水计量表，地表供水电磁阀的入口与水源相连，地表供水计量表的出口通过地表供水管延伸到水稻测坑内试验土壤顶部上方；所述地表供水电磁阀和地表供水计量表均通过信号线与测坑供排控制采集器相连。

7.根据权利要求2所述的蒸渗测坑装置，其特征在于：所述地表径流测量装置包括地表径流翻斗计和连接到测坑内试验土壤顶部的溢流管，溢流管延伸至水稻测坑外底部地下，地表径流翻斗计安装于地下的溢流管末端，所述地表径流翻斗计通过信号线与测坑供排控制采集器相连。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的蒸渗测坑装置，其特征在于：所述水稻测坑内试验土壤地表还埋设有土壤水分传感器。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的蒸渗测坑装置，其特征在于：所述水稻测坑外侧还设有用于测量自然降雨量的地表雨量计，所述地表雨量计通过信号线与测坑供排控制采集器相连。

10.根据权利要求1-7任意一项所述的蒸渗测坑装置，其特征在于：所述测坑供排控制采集器为工控机。

Images