TWM529166U - 複合式土壤監測系統 - Google Patents

Description

複合式土壤監測系統

本創作係關於一種複合式土壤監測系統，尤指一種適用於現地監測之複合式土壤監測系統。

水資源為生物賴以生存之重要資源之一，然隨著人口日益增加及經濟工業等蓬勃發展，現已面臨水匱乏及水體汙染等嚴重問題，因此水資源的永續利用及環境污染已成為許多專家學者探討的重要議題。由於地表汙染物常因入滲至土壤或地下水體而造成水資源汙染，故現已有許多相關研究致力於探討分析未飽和層內地下水流動與污染物傳輸之特性，以利於污染物範圍分佈的推估及後續之整治評估。

然而，未飽和層土壤為一多相態系統(multi-phase system)，其係極為複雜之物理與化學反應環境，因此系統內流體流動特性與溶質傳輸機制至今仍無法完全釐清。早期主要是藉由野外現地採樣與實驗室分析工作，以研究未飽和層土壤之相關特性，但此法往往耗費較高的人力與時間成本。此外，雖然目前已發展出眾多的現地土壤入滲試驗儀器，但 由於至今仍缺乏一完整的系統，故無法在一次試驗中將所需之參數完整蒐集，導致在土壤入滲分析與未飽和層特性分析上受到限制。

有鑑於此，目前仍亟需發展一種更為快速、準確且方便之監測系統，以一次性地進行多項參數之現地試驗，減少試驗所需之人力及時間成本。

本創作之一目的在於提供一種整合多項參數蒐集功能之複合式土壤監測系統，其可在不破壞現地土壤結構的情形下，一次性地進行土壤入滲及其他特性分析，俾可更加有效率地取得多項的水文地質相關參數。

為達上述目的，本創作提供一種複合式土壤監測系統，其包括：一內環座，用以插置於一土壤層中並定義出一測量區於該內環座之內側，且該內環座之側壁上開設有至少一第一穿孔；一外環座，用以插入該土壤層並環繞該內環座之外側，且定義出一緩衝區於該內環座與該外環座之間，當供水滲入該土壤層之該測量區及該緩衝區時，可藉由該測量區中之入滲情況而測得入滲率；以及一第一感測裝置，其具有可插設於該至少一第一穿孔處之至少一第一感測部，用於量測該測量區之至少一第一土壤參數。

於本創作中，該複合式土壤監測系統更可視實際需求選擇性地擴充額外裝置，以一次性地取得多項所需資 料。例如，本創作之複合式土壤監測系統更可包括一第二感測裝置、一參考測量裝置及/或一取樣裝置，且內環座之側壁上更開設有至少一第二穿孔及/或第三穿孔。在此，第二感測裝置之第二感測部可插設於第二穿孔處，用於量測土壤層測量區之第二土壤參數；取樣裝置之採樣部則可插設於第三穿孔處，以對土壤層測量區進行樣本採集(如採集土壤間孔隙水)；而參考測量裝置可設置於土壤層測量區之土壤近表面處，用於量測土壤參考參數，以作為第一土壤參數及/或第二土壤參數之比較數據。

於本創作中，該第一感測裝置並無特殊限制，只要其可測得所需之第一土壤參數即可，例如，該第一感測裝置可利用時域反射儀以測得土壤含水量、導電度。此外，為探討第一土壤參數隨深度之變化，該第一感測裝置可具有複數第一感測部，而內環座之側壁上可開設複數第一穿孔，以對應土壤層之不同深度位置，其中該些第一穿孔較佳係沿一垂直方向排列成一第一縱排。藉此，第一感測裝置之該些第一感測部可分別插設於不同深度處之第一穿孔，以量測土壤層測量區中不同深度處之第一土壤參數。在此，第一穿孔及第一感測部之個數並無特殊限制，其可根據實際需求設置所需數量之第一穿孔及第一感測部。

於本創作中，該第二感測裝置並無特殊限制，只要其可測得所需之第二土壤參數即可。例如，該第二感測裝 置可利用張力計以測得土壤孔隙張力。此外，為探討第二土壤參數隨深度之變化，該第二感測裝置可具有複數第二感測部，而內環座之側壁上可開設複數第二穿孔，以對應土壤層之不同深度位置，其中該些第二穿孔較佳係沿一垂直方向排列成與第一縱排並排之第二縱排。藉此，第二感測裝置之該些第二感測部可分別插設於不同深度處之第二穿孔，以量測土壤層測量區中不同深度處之第二土壤參數。在此，第二穿孔及第二感測部之個數並無特殊限制，其可根據實際需求設置所需數量之第二穿孔及第二感測部，且第二穿孔所設之深度位置可相同或不同於第一穿孔之深度位置。

於本創作中，該取樣裝置並無特殊限制，只要其可採集所需樣本即可。例如，該取樣裝置可利用土壤水取樣管，以採集該測量區之土壤間孔隙水，可供現地進行未飽和層示蹤劑試驗及/或後續實驗室水質分析。此外，為探討不同深度的水質變化，該取樣裝置可具有複數採樣部，而內環座之側壁上可開設複數第三穿孔，以對應土壤層之不同深度位置，其中該些第三穿孔較佳係沿一垂直方向排列成與第一/第二縱排並排之第三縱排。藉此，取樣裝置之該些採集部可分別插設於不同深度處之第三穿孔，以採集該測量區中不同深度處之土壤間孔隙水。在此，第三穿孔及採樣部之個數並無特殊限制，其可根據實際需求設置所需數量之第三穿孔及採樣部，且第三穿孔所設之深度位置可相同或不同於第一/第二 穿孔之深度位置。

於本創作中，該參考測量裝置並無特殊限制，只要其可測得所需土壤參考參數即可，且較佳係採用可同時量測多項土壤參數之裝置。例如，可使用土壤水份分析儀作為參考測量裝置，以測得土壤層測量區近表面處之土壤含水量、導電度及溫度。

於本創作中，該複合式土壤監測系統可利用人工補水或任何供水裝置，以供水滲入土壤層之測量區及緩衝區中。然，為維持測量區與緩衝區的水位穩定並高度相同，較佳係採用恆壓自動供水裝置(如馬氏瓶)，以確保測量區之土壤表面具有恆定的壓力水層，避免人工加水帶來的誤差。

於本創作中，上述之第一感測裝置、第二感測裝置及參考測量裝置可訊號連接至其相容之資料紀錄裝置，以紀錄所測得之參數。此外，資料紀錄裝置所紀錄之各參數可藉由無線或有線傳輸方式傳輸至一接收端。較佳為，所述之資料紀錄裝置係利用無線傳輸模組傳送資料，俾可達到系統的遠端遙控，省去往返偏遠現地試驗環境之人力成本。

於本創作中，該複合式土壤監測系統更可包括一環境模擬裝置，以模擬該土壤層所處之各種環境條件，大幅縮短現地試驗所需之時間。舉例來說，該環境模擬裝置可包含一人工降雨模擬器、一溫度氣流調整器或其組合，藉此可於現地環境進行降雨與蒸發散的模擬。此外，該複合式土壤 監測系統更可包括一雨量計，用以測得降至該土壤層之降水量。

綜上所述，本創作可藉由將感測裝置整合於內環座處，以達到一次性地進行土壤入滲及其他特性分析。尤其，本創作更可依試驗目的的不同進行各種裝置的擴充，適用於不同現地環境之下，其應用範圍更為廣泛。例如，本創作一較佳具體實施例之複合式土壤監測系統不僅可利用第一感測裝置及第二感測裝置進行不同項目的土壤特性分析，其更可利用取樣裝置進行採樣，藉此不僅可同時針對土壤含水量、導電度、土壤孔隙張力等多項水文參數進行長期監測，其亦可採集土壤孔隙水，以供現地進行未飽和層示蹤劑試驗及後續實驗室水質分析，俾可在一次試驗中將所需之參數完整蒐集，以提昇土壤入滲分析與未飽和層特性分析上之解析能力。由於本創作之複合式土壤監測系統可用於進行非破壞性之現地監測，故其獲得之資料可靠性較高，相較於採樣後的實驗室分析結果更具代表性。此外，本創作更可依試驗需求，選擇性搭配環境模擬裝置，以大幅縮短現地試驗所需之時間。再者，本創作之複合式土壤監測系統更可進一步利用無線傳輸模組，以進行資料的即時監測與系統的遠端遙控，省去往返偏遠現地試驗環境之人力成本。

為讓上述目的、技術特徵、和優點能更明顯易懂，下文係以較佳實施例配合所附圖式進行詳細說明。

100、200‧‧‧複合式土壤監測系統

10‧‧‧內環座

101‧‧‧側壁

11‧‧‧第一穿孔

13‧‧‧第二穿孔

15‧‧‧第三穿孔

20‧‧‧外環座

30‧‧‧第一感測裝置

31‧‧‧第一感測部

40‧‧‧第二感測裝置

41‧‧‧第二感測部

50‧‧‧取樣裝置

51‧‧‧採樣部

53‧‧‧真空馬達

55‧‧‧採樣容器

60‧‧‧供水裝置

70‧‧‧參考測量裝置

80‧‧‧自計式雨量計

90‧‧‧環境模擬裝置

91‧‧‧人工降雨模擬器

93‧‧‧溫度氣流調整器

A1‧‧‧測量區

A2‧‧‧緩衝區

D1、D2‧‧‧直徑

V‧‧‧垂直方向

圖1為本創作一具體實施例之複合式土壤監測系統立體示意圖。

圖2至圖4為本創作一具體實施例之複合式土壤監測系統用於監測土壤多項水文參數之系統設置及操作方式示意圖。

圖5為本創作另一具體實施例之複合式土壤監測系統設置示意圖。

以下係藉由特定的具體實施例說明本創作之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之其他優點與功效。惟需注意的是，以下圖式均為簡化之示意圖，圖式中之元件數目、形狀及尺寸可依實際實施狀況而隨意變更，且元件佈局狀態可更為複雜。本創作亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。

請參見圖1，其為本創作一具體實施例之複合式土壤監測系統100立體示意圖。如圖1所示，本具體實施例之複合式土壤監測系統100主要包括一內環座10、一外環座20、一第一感測裝置30、一第二感測裝置40及一取樣裝置50。該內環座10之直徑D1係小於該外環座20之直徑D2，且可穿設於 外環座20之內側處，使外環座20環繞內環座10之外側。此外，內環座10之側壁101上開設有沿垂直方向V排列成第一縱排之複數第一穿孔11、排列成第二縱排之複數第二穿孔13及排列成第三縱排之複數第三穿孔15。在此，第一縱排、第二縱排及第三縱排係相互並排，且第一穿孔11、第二穿孔13及第三穿孔15分別於第一縱排、第二縱排及第三縱排上間隔一預定距離。藉此，第一感測裝置30之複數第一感測部31可分別插設於該些第一穿孔11處，用於分別量測不同深度處之第一土壤參數；第二感測裝置40之複數第二感測部41可分別插設於該些第二穿孔13處，用於分別量測不同深度處之第二土壤參數；取樣裝置50之複數採樣部51可分別插設於該些第三穿孔15處，用於採集不同深度處之試驗樣本。

接著，請參見圖2至圖4，以進一步說明本具體實施例之複合式土壤監測系統100用於監測土壤多項水文參數之系統設置及操作方式。

首先，如圖2所示，將內環座10及外環座20在不擾動土壤之情形下緩慢敲入土中，使內環座10及外環座20插置於試驗土壤層中，並將內環座10內側之土壤區域定義為測量區A1，而內環座10與外環座20之間的土壤區域定義為緩衝區A2。在此，本具體實施例所使用之內環座10及外環座20分別為直徑60cm、高度60cm之不銹鋼鐵內環座及直徑為95cm、高度60cm之不銹鋼鐵外環座。

接著，依照ASTM D3385-09標準程序，進行雙環入滲試驗，以獲得測量區A1中之入滲量與入滲率。在此，本具體實施例之複合式土壤監測系統100更包括一供水裝置60，用於供水滲入土壤層之測量區A1及緩衝區A2中。為確保地下水之入滲為垂直向下(一維地下水入滲)，進行入滲試驗時較佳是維持測量區A1與緩衝區A2中的水位穩定並高度相同。因此，本具體實施例係採用馬式瓶(mariotte’s tube)作為供水裝置60之示例性說明，藉由馬氏瓶定水頭供水原理，以進行恆壓自動供水。而後，隨著時間記錄馬氏瓶內之水位變化，即可換算得知測量區A1之入滲量與入滲率。

完成雙環入滲試驗後，如圖3所示，將外環座20自試驗土壤中取出，並開挖清除緩衝區A2之土體。隨後，如圖4所示，待緩衝區A2之土體清除完畢後，將第一感測裝置30之第一感測部31分別插設於內環座10側壁上之第一穿孔11(本具體實施例係以深度位置分別為10、30、50cm之第一穿孔作示例性說明)，第二感測裝置40之第二感測部41分別插設於內環座10側壁上之第二穿孔13(本具體實施例係以深度位置分別為10、30、50cm之第二穿孔作示例性說明)，取樣裝置50之採樣部51分別插設於內環座10側壁上之第三穿孔15(本具體實施例係以深度位置分別為20、40cm之第三穿孔作示例性說明)。在此，本具體實施例所使用之第一感測裝置30係利用時域反射儀15cm探頭(Campbell CS630)插設於第一穿孔11處，並 搭配時域反射儀(Campbell TDR100)、多工器(Campbell SDM8X50)等，以藉由時域反射法而測得測量區A1不同深度處之土壤含水量及導電度(即第一土壤參數)，而第二感測裝置40則是使用土壤孔隙張力計(UMS T4e)，其插設於第二穿孔13處，以測得測量區A1不同深度處之土壤孔隙張力(即第二土壤參數)。藉此，本具體實施例之複合式土壤監測系統100可透過第一感測裝置30及第二感測裝置40，以監測土壤體積含水量、導電度及張力值隨深度之變化。此外，本具體實施例之取樣裝置50係利用土壤水取樣管(UMS SIC20)作為採樣部51，並搭配真空馬達53將不同深度處之土壤間孔隙水蒐集至採樣容器55中，以供後續實驗室水質分析或於現地進行未飽和層示蹤劑試驗，進而可探討不同深度之水質變化關係。

為提供比較參考數據，本具體實施例之複合式土壤監測系統100更包括一參考測量裝置70，用以量測測量區A1土壤近表面處之土壤參考參數。有鑑於土壤水份分析儀可同時量測多種土壤參數，因此本具體實施例係使用土壤水份分析儀(Decagon 5TE)作為參考測量裝置70之示例性說明，其係插置於土壤層測量區A1之土體表面，以量測測量區A1近表面處之土壤含水量、導電度及溫度(即土壤參考參數)。此外，更可視實際需求，於試驗現地旁設置自計式雨量計80，用以測得降至土壤層之降水量。

隨後，將所述之第一感測裝置30、第二感測裝置 40及參考測量裝置70皆訊號連接至其相容之資料紀錄裝置(圖未示)，以記錄所測得之各參數，並於現地另外配置數個充電電池(圖未示)，以提供各裝置操作時之電源。在此，本具體實施例係使用Campbell CR1000記錄器作為資料紀錄裝置之示例性說明。此外，考量現地試驗環境可能較為偏遠、不易到達，本具體實施例更於試驗現地旁設置無線傳輸模組(圖未示)，以負責傳送資料紀錄裝置所記錄的監測資料，俾可進行資料的即時監測(real time monitoring)與系統的遠端遙控。

需特別說明的是，上述整合於內環座處之儀器種類及數量僅是用於具體舉例說明，其於實際應用時不僅可視現地環境或試驗需求適時增減，且亦可依試驗目的不同而選擇其他適當的儀器，以蒐集所需之資料。

請再參見圖5，其為本創作另一具體實施態樣之複合式土壤監測系統200之設置示意圖。如圖5所示，本具體實施例之複合式土壤監測系統200更包括一環境模擬裝置90，以模擬土壤層所處之各種環境條件。在此，本具體實施例係以包含有人工降雨模擬器91及溫度氣流調整器93之環境模擬裝置90作為示例性說明，其中該人工降雨模擬器91可用以模擬降雨至該測量區A1中，而溫度氣流調整器93則可用以調變該測量區A1之環境溫度及氣流條件，例如可使用加熱風扇作為溫度氣流調整器93之示例性說明。更具體地說，於移除外環座20並清除緩衝區A2之土體後，可於土壤層之測量區 A1上方設置人工降雨模擬器91及溫度氣流調整器93，以進行現地環境降雨與蒸發散的模擬，俾可大幅縮短現地試驗所需之時間。

綜上所述，上述具體實施例所提供之複合式土壤監測系統不僅可進行土壤入滲率現地試驗，其亦可同時有系統地針對未飽和層土壤水流與水質進行長期監測，以利於更深入瞭解未飽和層土壤流體及溶質傳輸。本創作之複合式土壤監測系統因結合地球物理與水文地質兩個不同領域，透過試驗流程標準化，將可進一步瞭解未飽和層土壤電學與水文特性間之關係及流體流動過程，研析未飽和層內溶質傳輸之機制及其與水文地質條件之相關性，探討在非均質地質條件下之未飽和層水文地質特性，提供未來水文地質調查或污染物調查及整治等議題之資訊及建議，提昇未飽和層水文地質調查之能力，有利於日後有效評估未飽和層內污染物整治及風險管理等問題，供水資源管理與環保相關單位規劃之參考。在經建及應用方面，本創作之複合式土壤監測系統可提昇業界對於淺層水文地質特性及污染物傳輸的評估能力，並增進國人對於未飽和層整體之解析能力，其應用範圍更可延伸至地下水補注量之現地推估，由於水資源的日益匱乏，現地量測之可貴資訊將可提供水資源規劃單位之參考依據，可望對國家之整體科技實力發整，具有積極正面的意義。

上述的實施例僅用來例舉本創作的實施態樣，以 及闡釋本創作的技術特徵，並非用來限制本創作的保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成的改變或均等性的安排均屬於本創作所主張的範圍，本創作的權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

100‧‧‧複合式土壤監測系統

10‧‧‧內環座

101‧‧‧側壁

11‧‧‧第一穿孔

13‧‧‧第二穿孔

15‧‧‧第三穿孔

20‧‧‧外環座

30‧‧‧第一感測裝置

31‧‧‧第一感測部

40‧‧‧第二感測裝置

41‧‧‧第二感測部

50‧‧‧取樣裝置

51‧‧‧採樣部

D1、D2‧‧‧直徑

V‧‧‧垂直方向

Claims (19)

1. 一種複合式土壤監測系統，包括：一內環座，用以插置於一土壤層中並定義出一測量區於該內環座之內側，且該內環座之側壁上開設有至少一第一穿孔；一外環座，用以插入該土壤層並環繞該內環座之外側，且定義出一緩衝區於該內環座與該外環座之間，當供水滲入該土壤層之該測量區及該緩衝區時，可藉由該測量區中之入滲情況而測得入滲率；以及一第一感測裝置，其具有可插設於該至少一第一穿孔處之至少一第一感測部，用於量測該測量區之至少一第一土壤參數。
2. 如申請專利範圍第1項所述之複合式土壤監測系統，其中，該至少一第一穿孔為對應於該土壤層不同深度之複數第一穿孔，而該至少一第一感測部為複數第一感測部，其係分別插設於該些第一穿孔，用於分別量測該測量區中不同深度處之該至少一第一土壤參數。
3. 如申請專利範圍第2項所述之複合式土壤監測系統，其中，該些第一穿孔係沿一垂直方向排列成一第一縱排。
4. 如申請專利範圍第1項所述之複合式土壤監測系統，其中，該至少一第一土壤參數為土壤含水量及導電度之至少一者。
5. 如申請專利範圍第4項所述之複合式土壤監測系統，其中，該第一感測裝置係利用時域反射法以測得該至少 一第一土壤參數。
6. 如申請專利範圍第1項所述之複合式土壤監測系統，更包括：一供水裝置，用於供水滲入該土壤層之該測量區及該緩衝區中。
7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之複合式土壤監測系統，更包括一第二感測裝置，且該內環座之側壁上更開設有至少一第二穿孔，其中該第二感測裝置具有可插設於該至少一第二穿孔處之至少一第二感測部，用於量測該測量區之至少一第二土壤參數。
8. 如申請專利範圍第7項所述之複合式土壤監測系統，其中，該至少一第二穿孔為對應於該土壤層不同深度之複數第二穿孔，且該至少一第二感測部為複數第二感測部，其係分別插設於該些第二穿孔，用於分別量測該測量區中不同深度處之該至少一第二土壤參數。
9. 如申請專利範圍第8所述之複合式土壤監測系統，其中，該些第二穿孔係沿一垂直方向排列成一第二縱排。
10. 如申請專利範圍第7項所述之複合式土壤監測系統，其中，該至少一第二土壤參數為土壤孔隙張力。
11. 如申請專利範圍第7項所述之複合式土壤監測系統，更包括一取樣裝置，且該內環座之該側壁上更開設有至少一第三穿孔，其中該取樣裝置具有可插設於該至少一第三穿孔處之至少一採樣部，用於對該測量區進行試驗樣本之採集。
12. 如申請專利範圍第11項所述之複合式土壤監測系 統，其中，該至少一第三穿孔為對應於該土壤層不同深度之複數第三穿孔，且該至少一採樣部為複數採樣部，其係分別插設於該些第三穿孔，用於採集該測量區中不同深度處之試驗樣本。
13. 如申請專利範圍第12項所述之複合式土壤監測系統，其中，該些第三穿孔係沿一垂直方向排列成一第三縱排。
14. 如申請專利範圍第11項所述之複合式土壤監測系統，其中，該至少一採樣部係用於採集該測量區之土壤間孔隙水。
15. 如申請專利範圍第11項所述之複合式土壤監測系統，更包括：一參考測量裝置，用於量測該測量區之土壤近表面處的至少一土壤參考參數。
16. 如申請專利範圍第15項所述之複合式土壤監測系統，其中該至少一土壤參考參數為土壤含水量、導電度及溫度之至少一者。
17. 如申請專利範圍第16項所述之複合式土壤監測系統，其中該參考測量裝置為土壤水份分析儀。
18. 如申請專利範圍第15項所述之複合式土壤監測系統，更包括：一環境模擬裝置、一雨量計或其組合，其中該環境模擬裝置係用以模擬該土壤層所處之各種環境條件，而該雨量計係用以測得降至該土壤層之降水量。
19. 如申請專利範圍第18項所述之複合式土壤監測系統，其中，該環境模擬裝置包含一人工降雨模擬器、一溫度氣流調整器或其組合，該人工降雨模擬器係用以模擬降雨至 該測量區中，而該溫度氣流調整器係用以調變該測量區之環境溫度及氣流條件。