一種田間淋溶原位監(jiān)測裝置

一種田間淋溶原位監(jiān)測裝置，下面由森農(nóng)農(nóng)業(yè)小編帶大家一起來了解一下。

1.本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種田間淋溶原位監(jiān)測裝置。

背景技術(shù)：

2.農(nóng)田化肥的不合理施用導(dǎo)致肥料利用率偏低，過半的氮磷養(yǎng)分在作物生長期未被吸收，除去土壤固持和微生物活動的揮發(fā)消耗的氮磷養(yǎng)分，盈余的氮磷養(yǎng)分進入農(nóng)田水循環(huán)系統(tǒng)中，而農(nóng)田淋溶水則下滲匯入地下水，研究表明過量施肥是造成淺層地下水硝酸鹽污染的重要原因。地下水是作為居民生活用水、工業(yè)用水和農(nóng)田灌溉用水的備用水源，而其流動性差，自凈能力弱，一旦污染很難修復(fù)。因此對農(nóng)業(yè)面源污染中的養(yǎng)分淋溶流失進行監(jiān)測與研究十分有必要。

3.土體淋溶采樣裝置是研究養(yǎng)分、農(nóng)藥、重金屬等穿透包氣帶進入淺層地下水的主要裝置。目前的技術(shù)主要分為兩種：一是野外田間安裝采樣設(shè)備，可實現(xiàn)原位監(jiān)測，但無法計算通量，且降水頻繁時需多次人工采樣，費時費力。而室內(nèi)人工土柱模擬試驗則主要用于在控制參數(shù)的情況下研究動力學(xué)機制，無法還原真實的自然條件下的淋失情況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

4.本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提供了一種田間淋溶原位監(jiān)測裝置，該裝置可根據(jù)測得的淋溶水的溶質(zhì)濃度得出對應(yīng)的淋失通量，并根據(jù)降雨數(shù)據(jù)進行原位抽樣，無需人工采樣，省時省力，并可對淋溶水樣進行水質(zhì)監(jiān)測。

5.本發(fā)明的目的可以通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

6.一種田間淋溶原位監(jiān)測裝置，包括監(jiān)測土體組件、淋溶桶、采樣組件、控制組件和水質(zhì)分析單元；監(jiān)測土體組件包括回填土容器，淋溶桶放置在回填土容器的底部，淋溶桶包括桶蓋和桶體，回填土容器的底部鋪設(shè)有礫石墊層，礫石墊層的頂部鋪設(shè)有回填土；采樣組件包括抽液管，抽液管的一端穿過桶蓋插至桶體內(nèi)，抽液管的另一端與水質(zhì)分析單元連接；控制組件包括控制系統(tǒng)、水泵、水表和雨量計，水泵、水表和雨量計分別與控制系統(tǒng)電連接，水泵和水表安裝在抽液管上；水質(zhì)分析單元與控制系統(tǒng)電連接。

7.進一步地，礫石墊層的頂面鋪設(shè)有土工布，回填土容器內(nèi)的四壁鋪設(shè)有第二土工布。

8.進一步地，采樣組件還包括套管和通氣管，套管套設(shè)在抽液管的外側(cè)，套管的下端與桶蓋密封連接，通氣管穿過套管上端的管壁與外界相通。

9.進一步地，桶體內(nèi)的底部設(shè)有透水層，桶體的底端側(cè)壁和底部上均設(shè)有多個小孔，淋溶水通過小孔進入桶體內(nèi)。

10.進一步地，桶體內(nèi)還設(shè)有尼龍網(wǎng)，尼龍網(wǎng)距離桶體底部10-15cm。

11.進一步地，桶體內(nèi)的四周還設(shè)有磚塊，磚塊位于透水層的上方。

12.進一步地，水質(zhì)分析單元上設(shè)有廢液排放管道。

13.進一步地，水質(zhì)分析單元還包括通訊子單元，通訊子單元通過無線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控平臺連接。

14.進一步地，采樣組件還包括防雨帽，防雨帽安裝在套管頂端。

15.進一步地，礫石墊層的厚度為10-15cm。

16.本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

17.一、本發(fā)明通過雨量計與水表獲取的降雨數(shù)據(jù)，可計算田間監(jiān)測土體區(qū)域在降雨時水量的輸入和淋失水量的輸出，根據(jù)測得的淋溶水的溶質(zhì)濃度可得出對應(yīng)的淋失通量，并通過控制系統(tǒng)根據(jù)降雨數(shù)據(jù)控制水泵進行原位抽樣，無需多次進行人工采樣，省時省力；增加水質(zhì)分析單元，可實現(xiàn)對淋溶水樣進行水質(zhì)監(jiān)測的功能。

18.二、本發(fā)明通過控制系統(tǒng)控制水泵將淋溶桶內(nèi)的淋溶水抽空，并通過廢液排放管道將淋溶水樣排放，能有效避免水樣混雜而導(dǎo)致檢測效果誤差。

19.三、本發(fā)明在套管的頂端安裝防雨帽，將通氣管與外界相通的一端設(shè)置為彎頭，可防止外界水從套管和通氣管進入淋溶桶內(nèi)，有效防止污染淋溶水樣。

具體實施方式

23.下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

24.一種田間淋溶原位監(jiān)測裝置，包括監(jiān)測土體組件、淋溶桶、采樣組件、控制組件和水質(zhì)分析單元；監(jiān)測土體組件包括回填土容器，淋溶桶放置在回填土容器的底部，淋溶桶包括桶蓋和桶體，回填土容器的底部鋪設(shè)有礫石墊層，礫石墊層的頂部鋪設(shè)有回填土；采樣組件包括抽液管，抽液管的一端穿過桶蓋插至桶體內(nèi)，抽液管的另一端與水質(zhì)分析單元連接；控制組件包括控制系統(tǒng)、水泵、水表和雨量計，水泵、水表和雨量計分別與控制系統(tǒng)電連接，水泵和水表安裝在抽液管上；水質(zhì)分析單元與控制系統(tǒng)電連接。

25.淋溶水從監(jiān)測土體的表面向回填土容器的底部下滲，淋溶水再從回填土容器的底部向淋溶桶的桶體內(nèi)滲，雨量計監(jiān)測到降雨或者灌溉結(jié)束后，將信號傳遞給控制系統(tǒng)中，在本實施例中，雨量計還連接有雨水采樣器，雨水采樣器收集雨水用于與淋溶水進行污染物濃度對比；雨量計采用雙翻斗式雨量計，由于土壤有蓄水能力，淋溶產(chǎn)生相比降雨時間有滯后性，降雨后持續(xù)產(chǎn)流，連續(xù)降雨時難以分辨具體采集的淋溶水樣來自哪場雨，采用雙翻斗雨量計的數(shù)字信號，在雨量計未收集到降水的半小時后，視為一場雨的結(jié)束，此時控制器控制水泵采集一次水樣，可滿足信息傳輸、處理和記錄等需求，便于實時觀測雨量數(shù)據(jù)。

26.控制系統(tǒng)控制水泵通過抽液管從淋溶桶的桶體中抽取淋溶水，淋溶水經(jīng)過水表時

被記錄該次抽取的水量，在本實施例中，水表采用物聯(lián)網(wǎng)智能水表，對淋溶水量進行數(shù)據(jù)采集、分析和處理，從而提高監(jiān)測裝置運行效率，減少人力資源的損耗。

27.水質(zhì)分析單元，對采集的水樣進行分析，得出分析結(jié)果。在本實施例中，水質(zhì)分析單元上設(shè)有廢液排放管道，在水質(zhì)分析單元完成對采集的淋溶水樣分析后，可通過控制系統(tǒng)控制水泵將淋溶桶內(nèi)的淋溶水抽空，并通過廢液排放管道將淋溶水樣排放，以防止對下次水樣分析造成影響，在水表無計數(shù)時則可關(guān)閉水泵，等待下一次的淋溶水進入淋溶桶內(nèi)，開啟下一輪水樣采集和監(jiān)測試驗；水質(zhì)分析單元還包括通訊子單元，通訊子單元通過無線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控平臺連接，向監(jiān)控平臺上傳水質(zhì)分析數(shù)據(jù)。

28.在本實施例中，礫石墊層的厚度為10-15cm，礫石墊層用于支撐上方的回填土。

29.礫石墊層的頂面鋪設(shè)有土工布，回填土容器內(nèi)的四壁鋪設(shè)有第二土工布。礫石墊層和回填土容器通過土工布和第二土工布與回填土隔離。

30.采樣組件還包括套管和通氣管，套管套設(shè)在抽液管的外側(cè)，套管的下端與桶蓋密封連接，通氣管穿過套管上端的管壁與外界相通。套管用于保護通氣管和抽液管，通氣管用于防止淋溶桶與外界存在壓力差，進而影響淋溶桶中的滲水效果。在本實施例中，套管的長度不低于1.5m，半徑為50mm，在套管靠近上端的側(cè)壁上開設(shè)有半徑為5mm的小孔，小孔用于安裝通氣管；在通氣管與外界相通的一端為彎頭，可防止外界水從通氣管進入淋溶桶內(nèi)，污染淋溶水樣；采樣組件還包括防雨帽，防雨帽安裝在套管頂端，防雨帽的頂部開設(shè)有通孔，抽液管穿過通孔與水質(zhì)分析單元連接，且抽液管與通孔通過膠水粘合，可避免外界水從套管進入淋溶桶內(nèi)，污染淋溶水樣。

31.在本實施例中，淋溶桶采用聚丙烯材質(zhì)的圓柱形水桶。

32.桶體內(nèi)的底部設(shè)有透水層，桶體的底端側(cè)壁和底部上均設(shè)有多個小孔，淋溶水通過小孔進入桶體內(nèi)；桶體內(nèi)還設(shè)有尼龍網(wǎng)，尼龍網(wǎng)距離桶體底部10-15cm。在本實施例中，采用100目的尼龍網(wǎng)，用于過濾進入桶體內(nèi)的淋溶水；體內(nèi)的四周還設(shè)有磚塊，磚塊位于透水層的上方。在本實施例中，磚塊在桶體內(nèi)砌成十字形磚墻，十字形磚墻上留有供抽液管通過的通道，磚塊砌在桶體內(nèi)的四周，可防止桶體因回填土的壓迫而造成形變或者塌陷。

33.本發(fā)明的田間淋溶原位監(jiān)測裝置的安裝步驟如下：

34.s1：劃定監(jiān)測目標土體區(qū)域：監(jiān)測裝置可用于平地和坡度小于15°的緩坡地，一般將監(jiān)測目標土體區(qū)域劃定在田間有代表性的中部區(qū)域；

35.s2：挖掘土壤剖面：在劃定的監(jiān)測目標土體區(qū)域內(nèi)，挖掘出一個深120cm、邊長100cm的土壤剖面(依次挖出0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-90cm深度的土壤，并分別堆放在標明其土層深度編號的塑料薄膜上，以便后續(xù)能分層回填)，剖面四周修平、修齊；在挖掘過程中，要保證土壤剖面四壁整齊不塌方；

36.s3：放置回填土容器：將邊長為100cm的正方體回填土容器垂直放入土壤剖面中，周壁若有縫隙用細土封填、壓實；

37.s4：放置淋溶桶：選擇容積合適的淋溶桶，釆用環(huán)刀法對劃定監(jiān)測目標土體區(qū)域的飽和滲透速度進行測量，進而獲得劃定監(jiān)測目標土體區(qū)域的飽和導(dǎo)水率。淋溶桶的容積主要由試驗區(qū)土壤的飽和導(dǎo)水率確定，例如，一般情況下土壤的飽和導(dǎo)水率為0.2-0.4m/d，降雨強度為大暴雨級別，而土壤的飽和導(dǎo)水率為0.1-0.25m/d時，才能達到土壤飽和穩(wěn)滲的情況。需要綜合考慮不同地區(qū)的降雨強度風(fēng)險以及不同質(zhì)地土壤的飽和導(dǎo)水率，以下滲體積作為淋溶桶體積，則根據(jù)監(jiān)測截面算出淋溶桶體積為

38.v＝ks×s；

39.式中，v為淋溶桶的體積ml(cm3)；s為監(jiān)測截面cm2；ks為飽和導(dǎo)水率cm/s；將選擇好的淋溶桶放入回填土容器的底部；

40.s5：安裝采樣組件：打開桶蓋，在桶體內(nèi)用磚塊砌出十字形磚墻，套管密封連接到桶蓋上，將抽液管的一端于穿過套管和桶蓋插至桶體底部，抽液管的另一端從套管頂部抽出，然后一邊將桶蓋與桶體連接，一邊調(diào)整抽液管抽出的長度；

41.s6：鋪設(shè)土工布：在土工布的中部對應(yīng)位置打出略大于桶體直徑的孔，把桶體從孔中穿過再把土工布平鋪在礫石墊層的頂部，把第二土工布一端的10cm固定在地表上，使第二土工布不下滑并與回填土容器的四壁緊貼，土工布與第二土工布在拐角處互相重疊20cm；

42.s7：密封裁剪：把土工布用鐵絲環(huán)壓到桶體側(cè)壁上，使土工布與桶體連接成一體，壓緊后，用剪刀將鐵絲環(huán)內(nèi)的土工布沿鐵絲環(huán)內(nèi)緣小心剪裁去除；

43.s8：回填土體修復(fù)：按土壤挖出時的逆序分層回填，邊回填邊壓實，并整理土工布使之與回填土容器四壁之間以及重疊部分之間均緊密連接，回填過程中可少量多次灌水，促使土層沉實?；靥钪辆嗟乇?0cm時，把通氣管穿過套管，套管垂直立于土表，再回填上層土壤，回填后將地表整平。

47.實驗選擇作物為水稻，供試水稻品種為香粘，供試肥料為尿素(46％n)、過磷酸鈣(12％p)、硫酸鉀鎂(23％k)。基礎(chǔ)施肥試驗設(shè)2個處理?？瞻讓φ諆?yōu)化施肥：按水稻優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)且肥料減量增效技術(shù)施肥。淋溶實驗開展前，監(jiān)測土體已經(jīng)過反復(fù)淋洗、穩(wěn)定處理。

48.水稻苗期的初期淋溶液中氨氮、硝氮的濃度高于成熟期的濃度，主要受前期施基肥影響，每次峰值出現(xiàn)皆與施肥有關(guān)；整體呈現(xiàn)先升高后降低，后期又緩慢升高的趨勢，終濃度水平高于種植施肥前。這主要是因為氣溫升高使肥料中的養(yǎng)分得以較快釋放，而植物還未進入養(yǎng)分需求旺盛時期。

49.總的來說，本發(fā)明通過雨量計與水表獲取的降雨數(shù)據(jù)，可計算田間監(jiān)測土體區(qū)域在降雨時水量的輸入和淋失水量的輸出，根據(jù)測得的淋溶水的溶質(zhì)濃度可得出對應(yīng)的淋失通量，并通過控制系統(tǒng)根據(jù)降雨數(shù)據(jù)控制水泵進行原位抽樣，無需多次進行人工采樣，省時省力；增加水質(zhì)分析單元，可實現(xiàn)對淋溶水樣進行水質(zhì)監(jiān)測的功能。本發(fā)明通過控制系統(tǒng)控制水泵將淋溶桶內(nèi)的淋溶水抽空，并通過廢液排放管道將淋溶水樣排放，能有效避免水樣

混雜而導(dǎo)致檢測效果誤差。本發(fā)明在套管的頂端安裝防雨帽，將通氣管與外界相通的一端設(shè)置為彎頭，可防止外界水從套管和通氣管進入淋溶桶內(nèi)，有效防止污染淋溶水樣。

50.以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。

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