一種壤中流氮磷遷移通量的測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型披露了一種壤中流氮磷遷移通量的測量裝置，其中由收集管收集壤中流，依次通過三通管、過濾網、承接漏斗以及翻斗式測量裝置，該翻斗式測量裝置的信號輸出端連接數據處理裝置，壤中流最后落入儲流器中。本實用新型能夠實時快速準確獲得測量結果。
【專利說明】一種壤中流氮磷遷移通量的測量裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及農業面源污染治理中土壤壤中流氮磷樣的收集、提取和測量的裝置。
【背景技術】
[0002]紫色土是我國南方重要耕作土壤之一，廣泛分布于長江以南四川、重慶等15省(區)，總面積約20萬km2。由于紫色土母巖物理風化快而抗蝕性弱，且該區域雨量豐富并相對集中，加之人類活動強度大、復種指數高，導致坡耕地水土流失極為嚴重。近年來為了片面追求作物高產，該區域磷肥投入大，高強度水土流失和低效率氮磷肥利用不僅降低了土地生產能力，同時坡地水土流失攜帶的氮磷已成為水體面源污染的主要來源。紫色土土層淺薄(30-90cm)，下伏透水性較弱的基巖，降雨入滲很快到達母巖難于繼續下滲，土壤水分經常處于蓄滿飽和狀態，在坡地勢能的作用下形成壤中流。現場實測結果表明，紫色土坡耕地壤中流流量遠高于地表徑流，占全年總徑流量的73%，壤中流對氮元素流失的份額為80%，壤中流對磷元素流失的份額為8%。因此，研究紫色土坡耕地壤中流氮磷遷移特征及通量，對農田面源污染治理有重要的作用。
[0003]由于受野外現場環境的特殊性和復雜性限制，壤中流氮磷遷移特征觀測一直是目前的難點。廣泛應用于坡面、渠道及河道的測量裝置，受到靈敏度和精確度的限制而難以應用于壤中流監測。例如，已有的壤中流收集發明“薄層坡地壤中流測定系統(ZL200710064.68.6) ”，是借鑒坡面徑流集水池法提出的，一般用磚石、混凝土或者鐵皮建造，利用徑流池或徑流桶進行徑流觀測，同時采集樣品測定氮磷濃度，包括徑流收集、徑流量取兩個必要裝置。在實際應用過程中，磚石材料的滲漏現象和鐵皮材料的變形等問題會對測量精度產生一定影響。而且，這種方法不能在降雨過程中獲得壤中流沿程的過程數據；如果要監測不同坡長和土層深度的壤中流，得建設多個觀測小區，導致建造費用的增力口。并且觀測小區在建造過程中需要移去母巖層以上的土壤，以及重新回填，由此會破壞土壤原狀結構，且費時費力。由于降雨強度和降雨歷時存在著隨機性，故集水池的容量設計不可能考慮到所有的降雨情況，因而設計的集水池往往會在暴雨情況下產生溢流，由此導致觀測數據缺失。
[0004]因此，需要對現有的土壤壤中流監測系統加以改進，克服現有系統自動測量功能少、不能實現壤中流流量連續測量和沿任意坡面處連續觀測等問題，具有運輸移動便利、節省人力以及連續獲得壤中流動態數據等優勢，既適用于室內測試，也適用于野外測試，且不受地形限制。
【發明內容】
[0005]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種壤中流氮磷遷移通量的測量裝置，能夠實時精確獲得土壤壤中流氮磷遷移通量的動態數據。
[0006]為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種壤中流氮磷遷移通量的測量裝置，包括依次裝配在柱形金屬外殼中的三通管、過濾網、承接漏斗以及翻斗式測量裝置，還包括裝配在金屬外殼上側與并三通管相接的收集管；其中，收集管和承接漏斗通過三通管以丁字型連接方式連通；該收集管埋在土壤里不同深度的坡面中，與土面接觸的入口做成斜面；三通管的接口處用無紡布纏繞作為過濾網；承接漏斗接納收集管匯集的壤中流，由該承接漏斗的滴嘴使壤中流形成線狀注入翻斗式測量裝置。
[0007]優選地，翻斗式測量裝置包括引水漏斗、盛水器支架和分別安裝在該盛水器支架上的帶有引流管的盛水器、翻斗支架、干簧管支架和一信號輸出端；其中，引水漏斗放在翻斗支架上，翻斗通過固定銷固定在翻斗支架上，干簧管支架上裝有兩個干簧管；其中，翻斗支架上的翻斗是用中間隔板分成兩個等容積的三角斗室，翻斗的來回翻轉使得一個三角斗室處于接流狀態，另一個三角斗室處于等待狀態；翻斗每翻轉一次，翻斗側壁上安裝的兩個磁鋼之一之一掃過一個干簧管產生一個脈沖信號，作為翻斗翻轉次數出現在信號輸出端。
[0008]優選地，收集管是直徑Φ為200mm的聚丙烯無規共聚物套管；金屬外殼為鋁合金外罩或不銹鋼外罩。
[0009]本實用新型從根本上解決了現有裝置自動測量功能少、不能實現壤中流流量連續測量和沿任意坡面處連續觀測等問題，能夠實時快速準確獲得測量結果，具有運輸移動便利、節省人力以及連續獲得壤中流動態數據等優勢，節省了人力和物力，既適用于室內測量，也適用于野外測量，且不受地形限制。本實用新型對于農田產排污系數計算、農田面源污染負荷估算、水文過程、水體污染防控等方面的研究領域，具有廣泛的推廣和應用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本實用新型的壤中流氮磷遷移通量的測量系統實施例的結構框圖；
[0011]圖2為圖1中所示的數據采集處理裝置實施例的結構框圖；
[0012]圖3為圖1中所示的壤中流測量裝置實施例的安裝示意圖；
[0013]圖4為圖3所示的壤中流測量裝置實施例中翻斗式測量裝置實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0014]以下結合附圖和優選實施例對本實用新型的技術方案進行詳細地闡述。應該理解，以下列舉的實施例僅用于說明和解釋本實用新型，而不構成對本實用新型技術方案的限制。
[0015]如圖1所示，是本實用新型的壤中流氮磷遷移通量測量系統實施例的結構，包括壤中流通量測量裝置、氮磷濃度采集裝置、數據處理裝置以及太陽能板供電裝置，其中:
[0016]壤中流通量測量裝置由收集管4收集壤中流，收集的壤中流依次通過三通管1、過濾網2、承接漏斗3以及翻斗式測量裝置5，該翻斗式測量裝置的信號輸出端510連接數據處理裝置，壤中流最后落入儲流器中；
[0017]氮磷濃度分析裝置由負壓裝置11從儲流器中抽取壤中流到采集器10中，分析器(圖中未示)的分析輸出端連接數據處理裝置；
[0018]數據處理裝置的信號輸入單元分別連接壤中流通量測量裝置和氮磷濃度分析裝置；[0019]太陽能板供電裝置的電源輸出端分別連接壤中流通量測量裝置、氮磷濃度分析裝置以及數據處理裝置。
[0020]在上述系統實施例中，壤中流通量測量裝置實施例的結構如圖3所示，包括依次裝配在柱形金屬外殼9中的三通管1、過濾網2、承接漏斗3以及翻斗式測量裝置5，還包括裝配在金屬外殼上側與并三通管相接的收集管4 ;其中，收集管4和承接漏斗3通過三通管I以丁字型連接方式連通；收集管4埋在土壤里不同深度的坡面中，與土面接觸的入口做成斜面；三通管I的接口處用無紡布纏繞作為過濾網2 ;承接漏斗3接納收集管4匯集的壤中流，由承接漏斗3的滴嘴使壤中流形成線狀注入翻斗式測量裝置5。
[0021]在上述系統實施例中，翻斗式測量裝置的結構如圖4所示，包括引水漏斗501、盛水器支架509和分別安裝在該盛水器支架509上的帶有引流管512的盛水器505、翻斗支架509、干簧管支架508和一信號輸出端510 ;其中，引水漏斗501放在翻斗支架509上，翻斗503通過固定銷511固定在翻斗支架509上，干簧管支架508上裝有兩個干簧管507 ;其中，翻斗支架509上的翻斗503是用中間隔板分成兩個等容積的三角斗室，翻斗503的來回翻轉使得一個三角斗室處于接流狀態，另一個三角斗室處于等待狀態；翻斗503每翻轉一次，翻斗側壁上安裝的兩個磁鋼之一 504之一掃過一個干簧管507產生一個脈沖信號，作為翻斗翻轉次數出現在信號輸出端510 ；
[0022]氮磷濃度分析裝置的儲流器請參照圖3，包括儲流罐6、插入儲流罐6中的提流管8和通氣管7，采集器10包括裝壤中流的采集瓶和分析壤中流的氮磷濃度的分析器；
[0023]數據處理裝置將翻斗翻轉次數轉換成壤中流單位面積徑流深值，將壤中流單位面積徑流深值換算為壤中流遷移通量，并根據壤中流遷移通量和壤中流的氮磷濃度的數據計算出壤中流氮磷遷移通量，同時在顯示屏上顯示出當前壤中流氮磷遷移通量。
[0024]在上述系統實施例中，引水漏斗的滴嘴狹小，使得降雨過程中的壤中流以低速被接入翻斗，當三角斗室接入壤中流使翻斗容積達到預定值時，會在重力作用下翻倒，處于等待狀態，而另一個三角斗室則處于接流狀態；磁鋼隨翻斗翻動掃過干簧管，其磁場使得干簧管開關觸點閉合發出一脈沖信號，它代表設定單位面積壤中流一個徑流深單位值。這樣，翻斗式測量裝置通過壤中流驅動翻斗翻轉，從而通過翻斗翻轉次數表達了壤中流單位面積徑流深(_);而數據處理裝置將翻斗翻轉次數還原成壤中流單位面積徑流深，又通過換算將其轉化為單位容積(ml)(即翻斗容積)，即壤中流遷移通量。
[0025]在此，干簧管固定在磁敏架(圖中未示)上，干簧管輸出端腳由引線引出，固定在拉線架(圖中未示)上。兩干簧管側面分別與翻斗后側兩端的磁鋼位置相對應；當翻斗三角斗室翻轉至水平位置時，磁鋼接近干簧管，其磁場激勵干簧管中兩簧片觸點構成的開關閉合，發出一個脈沖信號。至此，完成將一個單位的壤中流單位面積徑流深(0.1mm)的轉換和信號輸出。
[0026]通過力學和水力學分析及試驗驗證，證明翻斗容積和壤中流單位面積徑流深之間具有函數關系，并通過標定試驗確定函數中的參數。翻斗的左、右兩三角斗室總是輪流處于接流、等待的狀態。每一個磁鋼與對應的干簧管調整在合適的距離(4?6mm)上，磁鋼隨翻斗翻轉至水平位置時從干簧管旁掃過，其磁場激勵干簧管中兩簧片觸點構成的開關閉合，發出一個脈沖信號。每產生一個脈沖信號便代表設定單位面積徑流深單位值。
[0027]在此，建議收集管直徑Φ為200mm，翻斗體積設計為0.01X314.16 = 3.14ml，則翻斗的三角斗室每次蓄滿會翻轉使得干簧管發出I次脈沖信號，代表測量了單位面積徑流深為0.1mm的壤中流。也可以根據實際情況調整收集管管徑，根據水力參數標定翻斗體積與單位面積徑流深的函數關系。
[0028]在上述系統實施例中，收集管是PRC(聚丙烯無規共聚物，Polypropylene RandomCopolymer)套管；金屬外殼譬如為鋁合金外罩或不銹鋼外罩，對其內的裝置設施起保護作用。
[0029]測量壤中流單位面積徑流深值與翻斗容積的函數關系的確定:在傳統的流體力學應用中，流量公式都是以流體的徑流深度為自變量，即一般都是通過對流體的徑流深的量測實現流量測量的。根據流體力學推導，對于特定測流段，流體的遷移通量與其斷面呈線性關系。
[0030]在具體測量過程中，壤中流首先流經安裝有過濾網的承接漏斗，隨后進入引水漏斗，引水漏斗滴嘴相對較細，使得壤中流過濾后的水流以相對較低的速度滴入翻斗，由翻斗式測量裝置將以單位面積徑流深轉化為相應單位容積(翻斗容積)。翻斗式測量裝置用干簧管開關量的形式采集壤中流信息量——單位面積徑流深值。通過力學和水力學分析及試驗驗證，證明翻斗體積和壤中流單位面積徑流深之間具有函數關系，并通過標定試驗確定函數中的參數。干簧管每產生一個脈沖信號便代表設定單位面積徑流深，通過確定的函數關系可以將觀測到的翻斗次數數據換算為壤中流單位面積徑流深值，從而實現壤中流過程的實時檢測。
[0031]本實用新型在每次降雨產流過程中測定壤中流遷移通量，利用機械測量元件把壤中流連續不斷的流量分割成單個已知的容積單元，根據翻斗三角斗室逐次重復地充滿和排放該容積單元流體的次數來測量流體體積總量。該裝置的最大優點是可以獲取壤中流流量檢測的實時過程并可實現自動檢測。
[0032]為了配套本實用新型的壤中流氮磷遷移通量檢測裝置實施例的應用，本實用新型開發了數據處理裝置中的檢測管理和數據處理軟件，數據處理軟件作用是采集、記錄、處理、存儲處理和計算的數據，以0.1mm為一個壤中流單位面積徑流深值的基本單位；檢測管理軟件實現自動觀測和數據遠程傳輸及管理。
[0033]在上述系統實施例中，數據處理裝置的實施例結構如圖2所示，包括采集控制模塊、計算模塊、存儲模塊以及顯示模塊；其中，采集控制模塊分別與計算模塊和存儲模塊連接，計算模塊與存儲模塊連接，存儲模塊包括條件參數存儲單元、采集數據存儲單元以及結果數據存儲單元，顯示模塊分別與計算模塊和存儲模塊連接。
[0034]太陽能板供電裝置包括電池、太陽能板和控制器。
【權利要求】
1.一種壤中流氮磷遷移通量的測量裝置，其特征在于，包括依次裝配在柱形金屬外殼中的三通管、過濾網、承接漏斗以及翻斗式測量裝置，還包括裝配在金屬外殼上側與并三通管相接的收集管；其中， 收集管和承接漏斗通過三通管以丁字型連接方式連通；該收集管埋在土壤里不同深度的坡面中，與土面接觸的入口做成斜面；三通管的接口處用無紡布纏繞作為過濾網；承接漏斗接納收集管匯集的壤中流，由該承接漏斗的滴嘴使壤中流形成線狀注入翻斗式測量裝置。
2.按照權利要求1所述的裝置，其特征在于， 所述翻斗式測量裝置包括引水漏斗、盛水器支架和分別安裝在該盛水器支架上的帶有引流管的盛水器、翻斗支架、干簧管支架和一信號輸出端；其中，引水漏斗放在翻斗支架上，翻斗通過固定銷固定在翻斗支架上，干簧管支架上裝有兩個干簧管；其中，翻斗支架上的翻斗是用中間隔板分成兩個等容積的三角斗室，翻斗的來回翻轉使得一個三角斗室處于接流狀態，另一個三角斗室處于等待狀態；翻斗每翻轉一次，翻斗側壁上安裝的兩個磁鋼之一之一掃過一個干簧管產生一個脈沖信號，作為翻斗翻轉次數出現在信號輸出端。
3.按照權利要求1或2所述的裝置，其特征在于， 所述收集管是直徑Φ為200mm的聚丙烯無規共聚物套管；所述金屬外殼為鋁合金外罩或不銹鋼外罩。
【文檔編號】G01N33/24GK203824995SQ201320844273
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2013年12月20日
【發明者】張晴雯, 陳尚洪, 劉定輝, 楊正禮, 張愛平 申請人:中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所