圩垸農田面源污染主要水過程監測裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種圩垸農田面源污染主要水過程監測裝置及方法，該裝置包括適于安裝在農田圩垸的排水口處的排水監測裝置、適于安裝在農田圩垸的灌溉水口的第一水量傳感器及適于設置在農田圩垸的作物區內的雨量監測器，排水監測裝置包括容置腔及設置在容置腔內的若干個第二水量傳感器；容置腔的一個側壁上開設有進水口，各個第二水量傳感器呈陣列排布，且各個第二水量傳感器的中心軸與進水口的進水方向平行。本發明可以實現對主要水過程?排水量、降雨量和灌溉水量的監測，而且相對于現有技術提高主要水過程的監測精度。
【專利說明】
圩垸農田面源污染主要水過程監測裝置及方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及農田面源污染技術領域，尤其是涉及一種圩垸農田面源污染主要水過程監測裝置及方法。
【背景技術】
[0002]我國農田面源污染已成為環境污染的主要來源之一，農田氮磷流失作為農田面源污的一種重要形式，而農田水量循環監測是農田氮磷流失監測中重要工作之一。圩垸指四周有圩堤圍護，內有灌排系統的農業區。圩堤將農田與外水隔開，通過灌排渠系及操縱圩堤上的水閘以調節內水和外水的進出。農田圩垸的主要水過程包括排水、降水、灌溉水，主要水過程監測即是指對排水、降水、灌溉水的監測。
[0003]排水監測是針對農田地表徑流排水從田間到末級排水溝道匯流進入排水支溝的過程進行監測。目前，排水監測主要采用大口徑流量計法，但是大口徑流量計法存在以下問題:農田排水具有較大變幅，并且以小流量排放為主。而大口徑流量計法的監測精度較低，無法在小流量時監測到圩垸排水，因此具有較大誤差。
[0004]目前的灌溉水監測主要是通過估測或者采用普通水表測量，容易產生農田地下淋溶灌溉水量的計量誤差容易產生農田地下淋溶灌溉水量的計量誤差、人工讀數誤差以及監測不及時等問題帶來的灌溉水量監測誤差。
[0005]目前的降水監測主要通過使用監測點所在區縣氣象站或雨量站的降水量替代法，或者采用人工監測記錄的方法。由于大部分監測點與區縣降水量監測點相距較遠，具有較大空間差異，使用所在區縣降水量替代法，容易產生較大的降水量數據誤差；由于很多農田地下淋溶監測點位于遠村落地區，采用人工監測法，容易產生農田降水量監測不及時、計量誤差以及人工讀數誤差等問題帶來的降水量監測誤差。
【發明內容】
[0006]針對以上缺陷，本發明提供一種圩垸農田面源污染主要水過程監測裝置及方法，可以提高農田圩垸的主要水過程監測精度。
[0007]第一方面，本發明提供的圩垸農田面源污染主要水過程監測裝置包括適于安裝在農田圩垸的排水口處的排水監測裝置、適于安裝在農田圩垸的灌溉水口的第一水量傳感器及適于設置在農田圩垸的作物區內的雨量監測器，其中:
[0008]所述排水監測裝置包括容置腔及設置在所述容置腔內的若干個第二水量傳感器；所述容置腔的一個側壁上開設有進水口，各個第二水量傳感器呈陣列排布，且各個第二水量傳感器的中心軸與所述進水口的進水方向平行。
[0009]可選的，該主要水過程監測裝置還包括無線傳輸模塊和遠程監控平臺，其中:
[0010]所述無線傳輸模塊，與所述第一水量傳感器、所述排水監測裝置中的各個第二水量傳感器及所述雨量監測器連接，用于將所述第一水量傳感器檢測到的灌溉水量、各個第二水量傳感器檢測到的水量值及所述雨量監測器檢測到的降雨量發送至所述遠程監控平臺；
[0011]所述遠程監控平臺，用于接收所述無線傳輸模塊發送的數據，根據各個第二水量傳感器檢測到的水量值確定所述農田圩垸的排水量，并對所述排水量、所述第一水量傳感器檢測到的灌溉水量及所述雨量監測器檢測到的降雨量進行展示。
[0012]可選的，該主要水過程監測裝置還包括:
[0013]太陽能供電模塊，與所述第一水量傳感器、各個第二傳感器連接，用于為所述第一水量傳感器和各個第二傳感器提供電能。
[0014]可選的，所述容置腔的頂壁上開設有通孔，所述通孔用于穿設所述無線傳輸模塊與各個第二水量傳感器之間的信號線，和/或，所述太陽能供電模塊與各個第二水量傳感器之間的電源線。
[0015]可選的，所述容置腔的頂壁與側壁之間活動連接。
[0016]可選的，所述容置腔的材質為鋁。
[0017]第二方面，本發明提供的圩垸農田面源污染主要水過程監測裝置的安裝方法包括:
[0018]在農田圩垸的每一個排水口設置一個上述的排水監測裝置，且每一排水口處設置的排水監測裝置的進水口與該排水口位置對應；
[0019]在農田圩垸的灌溉水口設置第一水量傳感器；
[0020]在農田圩垸的作物區內設置雨量監測器。
[0021]可選的，該方法還包括:
[0022]將所述第一水量傳感器和所述排水監測裝置中的各個第二傳感器與上述無線傳輸模塊連接，并將所述無線傳輸模塊的數據傳輸頻率設置為預設頻率。
[0023]可選的，該方法還包括:
[0024]將所述第一水量傳感器和所述排水監測裝置中的各個第二傳感器與上述太陽能供電模塊連接。
[0025]本發明提供的圩垸農田面源污染主要水過程監測裝置及方法中，采用第一水量傳感器對灌溉水進行監測，相對于現有技術中通過估測或者通過普通水表進行測量的方式，能夠減小灌溉水的監測誤差。而且，采用雨量監測器相對于現有技術中采用區縣氣象站或雨量站的降水替代法或人工監測記錄法，可以避免由于監測不及時、計量誤差、人工讀數誤差等問題，提高監測精度。還有，本發明采用排水監測裝置監測排水口的排水量，在容置腔中設置若干個水量傳感器，且各個水量傳感器的中心軸與進水口的進水方向平行，當將進水口與排水口相對設置時，若排水口的流量較小，則只有位于較低位處的水量傳感器能檢測到水量;若排水口的流量較大，則容置腔內較低和較高位置處的水量傳感器都檢測到水量;因此不管排水口流量的大小，根據容置腔內各個水量傳感器輸出的水量，就可以確定容置腔內的水位，進而確定排水口的排水量。可見相對于現有技術中采用大口徑流量計法，流量監測的精度較高，而且能夠在小流量時監測到圩垸排水。
【附圖說明】
[0026]通過參考附圖會更加清楚的理解本發明的特征信息和優點，附圖是示意性的而不應理解為對本發明進行任何限制，在附圖中:
[0027]圖1示出了本發明一實施例中主要水過程監測裝置的結構示意圖；
[0028]圖2示出了本發明一實施例中排水監測模塊的結構示意圖；
[0029]圖3示出了本發明一實施例中排水監測模塊的內部示意圖；
[0030]附圖標記說明:
[0031]1-容置腔;2-進水口 ；3-第二水量傳感器。
【具體實施方式】
[0032]為了能夠更清楚地理解本發明的上述目的、特征和優點，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0033]在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明，但是，本發明還可以采用其他不同于在此描述的其他方式來實施，因此，本發明的保護范圍并不受下面公開的具體實施例的限制。
[0034]本發明提供一種圩垸農田面源污染主要水過程監測裝置，如圖1、2、3所示，該裝置包括適于安裝在農田圩垸的排水口處的排水監測裝置、適于安裝在農田圩垸的灌溉水口的第一水量傳感器及適于設置在農田圩垸的作物區內的雨量監測器，其中:
[0035]排水監測裝置包括容置腔I及設置在容置腔I內的若干個第二水量傳感器3;容置腔I的一個側壁上開設有進水口 2，各個第二水量傳感器3呈陣列排布，且各個第二水量傳感器3的中心軸與進水口 2的進水方向平行。
[0036]本發明提供的主要水過程監測裝置中，采用第一水量傳感器對灌溉水進行監測，相對于現有技術中通過估測或者通過普通水表進行測量的方式，能夠減小灌溉水的監測誤差。而且，采用雨量監測器相對于現有技術中采用區縣氣象站或雨量站的降水替代法或人工監測記錄法，可以避免由于監測不及時、計量誤差、人工讀數誤差等問題，提高監測精度。還有，本發明采用排水監測裝置監測排水口的排水量，在容置腔I中設置若干個水量傳感器，且各個水量傳感器的中心軸與進水口 2的進水方向平行，當將進水口 2與排水口相對設置時，若排水口的流量較小，則只有位于較低位處的水量傳感器能檢測到水量;若排水口的流量較大，則容置腔I內較低和較高位置處的水量傳感器都檢測到水量;因此不管排水口流量的大小，根據容置腔I內各個水量傳感器輸出的水量，就可以確定容置腔I內的水位，進而確定排水口的排水量。可見相對于現有技術中采用大口徑流量計法，流量監測的精度較高，而且能夠在小流量時監測到圩垸排水。
[0037]在具體實施時，可以將排水監測裝置、第一水量傳感器和雨量監控器與現場監控平臺連接，利用現場監控平臺根據各個第二水量傳感器3檢測到的水量確定排水口的排水量，進而根據各個排水口的排水量確定整個農田圩垸的排水量。同時，利用現場監控平臺對農田圩垸的排水量、降雨量和灌溉水量進行監控。當然，為了實現對農田圩垸排水情況、降水量和灌溉水情況的遠程監控，本發明提供的主要水過程監測裝置還可以包括無線傳輸模塊和遠程監控平臺，其中:
[0038]無線傳輸模塊，與第一水量傳感器、排水監測裝置中的各個第二水量傳感器3及雨量監測器連接，用于將第一水量傳感器檢測到的灌溉水量、各個第二水量傳感器3檢測到的水量值及雨量監測器檢測到的降雨量發送至遠程監控平臺；
[0039]遠程監控平臺，用于接收無線傳輸模塊發送的數據，根據各個第二水量傳感器3檢測到的水量值確定農田圩垸的排水量，并對排水量、第一水量傳感器檢測到的灌溉水量及雨量監測器檢測到的降雨量進行展示。
[0040]這里，利用無線傳輸模塊將第一水量傳感器、第二水量傳感器3及雨量監控器的檢測數據發送至遠程監控平臺，利用遠程監控平臺對接收到的數據進行接收、處理、展示等，以實現對農田圩垸的主要水過程進行遠程監控，為農田面源污染負荷監測提供技術支持。
[0041]在具體實施時，根據第一水量傳感器、第二水量傳感器3的數量選擇無線傳輸模塊，例如
[0042]在具體實施時，為第一水量傳感器和第二水量傳感器3提供電源，本發明提供的主要水過程監測裝置還可以包括:
[0043]太陽能供電模塊，與第一水量傳感器、各個第二傳感器連接，用于為第一水量傳感器和各個第二傳感器提供電能。
[0044]這里，利用太陽能供電模塊為第一水量傳感器和第二水量傳感器3進行供電，綠色、環保。
[0045]在實際應用時，可以根據第一水量傳感器、第二水量傳感器3的數量、規格，農田圩垸得到日照情況，合理計算出用電總量，確定太陽能板的大小和蓄電池容量。
[0046]在具體實施時，為了將第二水量傳感器3與無線傳輸模塊、太陽能供電模塊連接，可以在容置腔I的頂壁上開設有通孔，以便于穿設無線傳輸模塊與各個第二水量傳感器3之間的信號線，和/或，太陽能供電模塊與各個第二水量傳感器3之間的電源線。在實際應用時，可以將容置腔I內的所有第二水量傳感器3所連接的信號線和電源線匯總后從容置腔I的頂壁的通孔穿出，然后信號線連接無線傳輸模塊，電源線連接太陽能供電模塊。
[0047]在具體實施時，為了能對容置腔I內部的第二水量傳感器3進行校準、檢修等，可以將容置腔I的頂壁與側壁之間進行活動連接，以方便打開容置腔I。
[0048]在具體實施時，容置腔I的材質可以但不限于鋁。當然，在實際測量時還可以將容置腔I進行密封防水處理，以提高檢測精度。
[0049]在具體實施時，可以根據所需的排水監測精度確定合適內徑和檢測精度的第二水量傳感器3。
[0050]在具體實施時，可以根據農田圩垸的最大排水量及一個第二水量傳感器3的量程確定每一樣排水口需要的第二水量傳感器3的數量。
[0051 ]在具體實施時，可以根據第二水量傳感器3的大小及數量確定容置腔I的大小，容置腔I的進水口2的大小可以根據排水口以往的排水情況進行選擇。
[0052]本發明提供一種上述圩垸農田面源污染主要水過程監測裝置的安裝方法，該方法包括:
[0053]在農田圩垸的每一個排水口設置一個上述的排水監測裝置，且每一排水口處設置的排水監測裝置的進水口 2與該排水口位置對應；
[0054]在農田圩垸的灌溉水口設置第一水量傳感器；
[0055]在農田圩垸的作物區內設置雨量監測器。
[0056]本發明提供的安裝方法中，在排水口設置排水監測裝置，以實現對排水量的監測，在灌溉水口設置第一水量傳感器，以實現對灌溉水的監測，在作物區內設置雨量監測器，以實現對降雨量的檢測。其中，由于排水監測裝置的進水口 2與排水口位置對應，因此排水口排出的水會進入容置腔I內，容置腔I內的第二水量傳感器3對水量進行檢測，便于后續對該排水口的排水量進行確定。而且，在每一個排水口設置一個排水監測裝置，以便于對每一個排水口的排水量進行監測，這樣便于后續根據各個排水口的排水量，確定整個農田圩垸的排水量。
[0057]當然，若主要水過程監測裝置中還包括無線傳輸模塊和遠程監控平臺的話，本發明提供的安裝方法還包括:
[0058]將第一水量傳感器和排水監測裝置中的各個第二傳感器與無線傳輸模塊連接，并將無線傳輸模塊的數據傳輸頻率設置為預設頻率。
[0059]其中，將無線傳輸模塊的數據傳輸頻率設置為預設頻率，例如I天，則無線傳輸模塊會按照該預設頻率發送第一水量傳感器和第二水量傳感器3的檢測數據。
[0060]當然，若主要水過程監測裝置中還包括太陽能供電模塊的話，本發明提供的安裝方法還包括:
[0061]將第一水量傳感器和排水監測裝置中的各個第二傳感器與太陽能供電模塊連接。
[0062]利用太陽能供電模塊為第一水量傳感器和第二水量傳感器3供電，綠色、環保。
[0063]以湖北省武漢市潛江的圩垸農田面源污染監測點為例進行說明:
[0064]該圩垸監測點位于潛江市浩口鎮柳洲村6組，周年輪作模式為:水稻-小麥。在圩垸農田歷史監測中，潛江年平均降水為1100mm，豐水年最高為1400mm，最大單場降水量為200mm，灌溉水量約為500mm。人工觀測的排水發生次數呈現較大差異，年排水量約為120mmo歷史監測結果表明圩垸排水由于降水的突發性，加之灌溉的變化，圩垸排水的發生具有突發性、短時性和隨機性，人工監測難度極大。在該圩垸內有I個灌溉口、3個排水口。
[0065]在作物區域內布設I個降水監測裝置，在灌溉口設置一個第一水量傳感器，對于第一水量傳感器:根據農田灌溉以及降水環境與監測精度需求，篩選內徑為200mm、測量精度為IL的水量傳感器。
[0066]在每一個排水口設置一個排水監測裝置，對于排水監測裝置:根據調研農田圩垸的排水概況，確定圩垸排水口管徑大小為50cm，獲取排水水量變化特征。根據農田排水水環境與監測精度需求，篩選內徑為40mm、測量精度為0.1L的第二水量傳感器。根據圩垸農田排水最大值，結合第二水量傳感器3量程范圍，確定第二水量傳感器3集群數量為16個。根據第二水量傳感器大小與數量，焊接鋁制容置腔I，以容納全部第二水量傳感器。
[0067]對于無線傳輸模塊，篩選用于排水和降水數據傳輸的容納49個接口的一個無線傳輸模塊和一個用于灌溉數據傳輸的無線傳輸模塊，調試并組網傳感器，實現排水監測裝置、第一水量傳感器和雨量監測器檢測數據的信息通信。設定無線傳輸模塊數據自動發送頻率為I天，實現定時存儲并遠程發送檢測數據，解決數據遠程傳輸問題。
[0068]對于遠程監控平臺，對排水量、灌溉量和降水量數據的接收、展示與匯總，為圩垸農田面源污染負荷監測提供技術支撐。
[0069]雖然結合附圖描述了本發明的實施方式，但是本領域技術人員可以在不脫離本發明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權利要求所限定的范圍之內。
【主權項】
1.一種圩垸農田面源污染主要水過程監測裝置，其特征在于，包括適于安裝在農田圩垸的排水口處的排水監測裝置、適于安裝在農田圩垸的灌溉水口的第一水量傳感器及適于設置在農田圩垸的作物區內的雨量監測器，其中: 所述排水監測裝置包括容置腔及設置在所述容置腔內的若干個第二水量傳感器;所述容置腔的一個側壁上開設有進水口，各個第二水量傳感器呈陣列排布，且各個第二水量傳感器的中心軸與所述進水口的進水方向平行。2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括無線傳輸模塊和遠程監控平臺，其中: 所述無線傳輸模塊，與所述第一水量傳感器、所述排水監測裝置中的各個第二水量傳感器及所述雨量監測器連接，用于將所述第一水量傳感器檢測到的灌溉水量、各個第二水量傳感器檢測到的水量值及所述雨量監測器檢測到的降雨量發送至所述遠程監控平臺； 所述遠程監控平臺，用于接收所述無線傳輸模塊發送的數據，根據各個第二水量傳感器檢測到的水量值確定所述農田圩垸的排水量，并對所述排水量、所述第一水量傳感器檢測到的灌溉水量及所述雨量監測器檢測到的降雨量進行展示。3.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，還包括: 太陽能供電模塊，與所述第一水量傳感器、各個第二傳感器連接，用于為所述第一水量傳感器和各個第二傳感器提供電能。4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述容置腔的頂壁上開設有通孔，所述通孔用于穿設所述無線傳輸模塊與各個第二水量傳感器之間的信號線，和/或，所述太陽能供電模塊與各個第二水量傳感器之間的電源線。5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述容置腔的頂壁與側壁之間活動連接。6.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述容置腔的材質為鋁。7.—種如權利要求1-6任一項所述的圩垸農田面源污染主要水過程監測裝置的安裝方法，其特征在于，包括: 在農田圩垸的每一個排水口設置一個如權利要求1-6任一所述的排水監測裝置，且每一排水口處設置的排水監測裝置的進水口與該排水口位置對應； 在農田圩垸的灌溉水口設置第一水量傳感器； 在農田圩垸的作物區內設置雨量監測器。8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，還包括: 將所述第一水量傳感器和所述排水監測裝置中的各個第二傳感器與權利要求2所述的無線傳輸模塊連接，并將所述無線傳輸模塊的數據傳輸頻率設置為預設頻率。9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，還包括: 將所述第一水量傳感器和所述排水監測裝置中的各個第二傳感器與權利要求3所述的太陽能供電模塊連接。
【文檔編號】G01D21/02GK105973307SQ201610460777
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月22日
【發明人】劉宏斌, 劉申, 翟麗梅, 雷秋良, 王洪媛, 武淑霞
【申請人】中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所