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1、(10)申请公布号 CN 103645300 A (43)申请公布日 2014.03.19 CN 103645300 A (21)申请号 201310705855.X (22)申请日 2013.12.20 G01N 33/24(2006.01) (71)申请人 中国农业科学院农业环境与可持续 发展研究所 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街 12 号 (72)发明人 张晴雯 陈尚洪 刘定辉 杨正礼 张爱平 (54) 发明名称 一种壤中流氮磷迁移通量的测量系统及方法 (57) 摘要 本发明披露了一种壤中流氮磷迁移通量的测 量系统及方法， 其中方法包括 ： 对收集的壤中流 测量单位面积径流。
2、深值、 氮磷浓度数据 ； 将测量 的单位面积径流深值进行归一化处理， 并将单位 面积径流深值换算成壤中流迁移通量 ； 根据设定 的计算条件参数初值、 壤中流的单位面积径流深 值和氮磷浓度数据计算壤中流氮磷迁移通量， 并 进行循环计算处理。本发明从根本上解决了现有 方法自动测量功能少、 不能实现壤中流流量连续 测量和沿任意坡面处连续观测等问题， 能够实时 快速准确获得测量结果， 既适用于室内测量， 也适 用于野外测量， 且不受地形限制， 具有广泛的推广 和应用价值。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申。
3、请 权利要求书2页 说明书8页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103645300 A CN 103645300 A 1/2 页 2 1. 一种壤中流氮磷迁移通量的测量系统， 包括壤中流通量测量装置、 氮磷浓度采集装 置、 数据处理装置以及太阳能板供电装置， 其特征在于 ： 壤中流通量测量装置， 用于通过收集管收集壤中流， 经三通管流入过滤网进入承接漏 斗， 由承接漏斗经翻斗式测量装置测量代表壤中流单位面积径流深值的翻斗翻转次数后落 入储流罐中 ； 并将实时测得的翻斗翻转次数输出给数据处理装置 ； 氮磷浓度分析装置， 用于通过负压装置产生的负压提取储流器中的壤中流到采集器 中， 并对采集器。
4、中的壤中流分析出氮磷浓度数据输出给数据处理装置 ； 数据处理装置， 用于将输入的翻斗翻转次数转换成壤中流单位面积径流深值， 并根据 壤中流单位面积径流深值和壤中流氮磷浓度计算出壤中流氮磷迁移通量 ； 太阳能板供电装置， 用于将太阳能转换成电能并储存起来， 为壤中流通量测量装置和 数据处理装置提供电源。 2. 按照权利里要求 1 所述的系统， 其特征在于， 所述壤中流通量测量装置包括依次装 配在柱形金属外壳中的三通管、 过滤网、 承接漏斗以及翻斗式测量装置， 还包括装配在金属 外壳上侧与并三通管相接的收集管 ； 其中， 收集管和承接漏斗通过三通管以丁字型连接方式连通， 所述收集管埋在土壤里不同深。
5、 度的坡面中， 与土面接触的入口做成斜面 ； 所述三通管的接口处用无纺布缠绕作为过滤层， 以隔离土壤颗粒进入所述收集管 ； 承接漏斗接纳所述收集管汇集的壤中流， 通过承接漏斗 的滴嘴使壤中流形成线状被注入所述翻斗式测量装置。 3. 按照权利要求 2 所述的系统， 其特征在于， 所述翻斗式测量装置包括引水漏斗、 盛水器支架和分别安装在该盛水器支架上的带有 引流管的盛水器、 翻斗支架、 干簧管支架和一信号输出端 ； 其中， 引水漏斗放在翻斗支架上， 翻斗通过固定销固定在翻斗支架上， 干簧管支架上装有两个干簧管 ； 其中， 翻斗支架上的翻 斗是用中间隔板分成两个等容积的三角斗室， 形成翻斗式机械双稳。
6、态秤重机构， 通过翻斗 的来回翻转使得一个三角斗室处于接流状态， 另一个三角斗室处于等待状态 ； 翻斗每翻转 一次， 翻斗侧壁上安装的两个磁钢之一便扫过一个干簧管产生一个脉冲信号， 作为所述翻 斗翻转次数由信号输出端输出给所述数据处理装置 ； 所述氮磷浓度分析装置的所述储流器包括储流罐、 插入储流罐中的提流管和通气管， 所述采集器包括采集储流罐中提取的壤中流的采集瓶和分析采集的壤中流的氮磷浓度的 分析器 ； 由该分析器将得到的壤中流的所述氮磷浓度数据输出给所述数据处理装置 ； 所述数据处理装置将所述翻斗翻转次数转换成壤中流单位面积径流深值， 通过确定的 函数关系将所述壤中流单位面积径流深值换算。
7、为壤中流迁移通量， 并根据壤中流迁移通量 和壤中流的所述氮磷浓度数据计算出壤中流氮磷迁移通量， 同时在显示屏上显示出当前壤 中流氮磷迁移通量值。 4. 按照权利要求 3 所述的系统， 其特征在于， 数据处理装置包括依次连接的采集控制 模块、 计算模块以及存储模块， 其中 ： 采集控制模块， 用于分时间段通过多路信号输入单元采集多路代表所述翻斗翻转次数 的脉冲信号和所述氮磷浓度数据， 将采集的多路的所述脉冲信号 n 转换为可参与计算的多 路各时间段的所述壤中流单位面积径流深值 h， 并将所述氮磷浓度数据和所述壤中流单位 面积径流深值保存在存储模块中 ； 权 利 要 求 书 CN 10364530。
8、0 A 2 2/2 页 3 计算模块， 用于设定条件参数初值， 根据设定的条件参数初值和各时间段的所述壤中 流单位面积径流深数据 h 循环计算出不同雨强和降雨历时条件下的壤中流迁移通量数据 Q， 再根据该壤中流迁移通量数据 Q 和所述氮磷浓度数据分别计算出壤中流氮、 磷迁移通 量， 然后计算结果保存在存储模块中 ； 存储模块， 用于通过条件参数存储单元保存计算模块在不同雨强和降雨历时条件下设 定的条件参数初值， 通过采集数据存储单元保存采集控制模块处理的多路各时间段的所述 壤中流单位面积径流深值， 通过结果数据存储单元保存计算模块计算的壤中流不同雨强和 降雨历时条件下的所述壤中流迁移通量数据和。
9、所述壤中流氮磷迁移通量数据。 5. 按照权利要求 4 所述的系统， 其特征在于， 所述数据采集处理装置还包括显示模块， 用于显示各时间段的测量时间、 多路各时间段的所述壤中流单位面积径流深值， 所述氮磷 浓度数据、 不同雨强和降雨历时条件下的壤中流迁移通量数据以及壤中流氮、 磷的迁移通 量。 6. 一种壤中流氮磷迁移通量的测量方法， 其特征在于， 包括 ： 对收集的壤中流测量单位面积径流深值、 氮磷浓度数据 ； 将测量的所述单位面积径流深值进行归一化处理， 并将所述单位面积径流深值换算成 壤中流迁移通量 ； 根据设定的计算条件参数初值、 壤中流的所述单位面积径流深值和所述氮磷浓度数据 计算壤中。
10、流氮磷迁移通量， 并进行循环计算处理。 7. 按照权利要求 6 所述的方法， 其特征在于， 对收集的壤中流测量单位面积径流深值， 具体包括 ： 通过壤中流驱动翻斗式测量装置的翻斗翻转， 以干簧管产生的一个脉冲信号表示翻斗 翻转次数来表达所述壤中流的所述单位面积径流深值。 8. 按照权利里要求 7 所述的方法， 其特征在于， 所述将测量的所述单位面积径流深值 进行归一化处理， 具体包括 ： 由数据处理装置将所述翻斗翻转次数还原成壤中流单位面积径流深值， 然后进行归一 化处理。 9. 按照权利要求 6 所述的方法， 其特征在于， 所述根据设定的计算条件参数初值、 壤中 流的所述单位面积径流深值和所。
11、述氮磷浓度数据计算壤中流氮磷迁移通量， 并进行循环计 算处理， 具体包括 ： 根据设定的条件参数初值和各时间段的所述壤中流单位面积径流深值 h 按确定的函 数关系循环计算出不同雨强和降雨历时条件下的壤中流迁移通量数据 Q ； 根据所述壤中流迁移通量数据 Q 和所述氮磷浓度数据按确定的函数关系分别计算出 壤中流氮、 磷的迁移通量， 并进行循环计算处理， 以使得计算值与实测值的误差最小。 10.按照权利要求6至9任一项所述的方法， 其特征在于， 还包括存储并显示计算结果， 具体包括 ： 存储和显示各时间段的测量时间、 多路各时间段壤中流的所述单位面积径流深值、 所 述氮磷浓度数据、 不同雨强和降雨。
12、历时条件下的壤中流迁移通量数据以及壤中流氮、 磷的 迁移通量。 权 利 要 求 书 CN 103645300 A 3 1/8 页 4 一种壤中流氮磷迁移通量的测量系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及农业面源污染治理中土壤壤中流氮磷样的收集、 提取和测量的系统和 方法。 背景技术 0002 紫色土是我国南方重要耕作土壤之一， 广泛分布于长江以南四川、 重庆等 15 省 ( 区 )， 总面积约 20 万 km2。由于紫色土母岩物理风化快而抗蚀性弱， 且该区域雨量丰富并 相对集中， 加之人类活动强度大、 复种指数高， 导致坡耕地水土流失极为严重。近年来为了 片面追求作物高产， 该区域磷肥投入大。
13、， 高强度水土流失和低效率氮磷肥利用不仅降低了 土地生产能力， 同时坡地水土流失携带的氮磷已成为水体面源污染的主要来源。紫色土土 层浅薄 (30-90cm)， 下伏透水性较弱的基岩， 降雨入渗很快到达母岩难于继续下渗， 土壤水 分经常处于蓄满饱和状态， 在坡地势能的作用下形成壤中流。 现场实测结果表明， 紫色土坡 耕地壤中流流量远高于地表径流， 占全年总径流量的 73， 壤中流对氮元素流失的份额为 80， 壤中流对磷元素流失的份额为 8。因此， 研究紫色土坡耕地壤中流氮磷迁移特征及 通量， 对农田面源污染治理有重要的作用。 0003 由于受野外现场环境的特殊性和复杂性限制， 壤中流氮磷迁移特征。
14、观测一直 是目前的难点。广泛应用于坡面、 渠道及河道的测量装置， 受到灵敏度和精确度的限制 而难以应用于壤中流监测。例如， 已有的壤中流收集发明 “薄层坡地壤中流测定系统 (ZL200710064.68.6)” ， 是借鉴坡面径流集水池法提出的， 一般用砖石、 混凝土或者铁皮建 造， 利用径流池或径流桶进行径流观测， 同时采集样品测定氮磷浓度， 包括径流收集、 径流 量取两个必要装置。在实际应用过程中， 砖石材料的渗漏现象和铁皮材料的变形等问题会 对测量精度产生一定影响。 而且， 这种方法不能在降雨过程中获得壤中流沿程的过程数据 ； 如果要监测不同坡长和土层深度的壤中流， 得建设多个观测小区，。
15、 导致建造费用的增加。 并 且观测小区在建造过程中需要移去母岩层以上的土壤， 以及重新回填， 由此会破坏土壤原 状结构， 且费时费力。 由于降雨强度和降雨历时存在着随机性， 故集水池的容量设计不可能 考虑到所有的降雨情况， 因而设计的集水池往往会在暴雨情况下产生溢流， 由此导致观测 数据缺失。 0004 因此， 需要对现有的土壤壤中流监测方法加以改进， 克服现有方法自动测量功能 少、 不能实现壤中流流量连续测量和沿任意坡面处连续观测等问题， 具有运输移动便利、 节 省人力以及连续获得壤中流动态数据等优势， 既适用于室内测试， 也适用于野外测试， 且不 受地形限制。 发明内容 0005 本发明所。
16、要解决的技术问题是提供一种壤中流氮磷迁移通量的测量系统及方法， 能够实时精确获得土壤壤中流氮磷迁移通量的动态数据。 0006 为了解决上述技术问题， 本发明提供了一种壤中流氮磷迁移通量的测量系统， 包 说 明 书 CN 103645300 A 4 2/8 页 5 括壤中流通量测量装置、 氮磷浓度采集装置、 数据处理装置以及太阳能板供电装置， 其中 ： 0007 壤中流通量测量装置， 用于通过收集管收集壤中流， 经三通管流入过滤网进入承 接漏斗， 由承接漏斗经翻斗式测量装置测量代表壤中流单位面积径流深值的翻斗翻转次数 后落入储流罐中 ； 并将实时测得的翻斗翻转次数输出给数据处理装置 ； 0008。
17、 氮磷浓度分析装置， 用于通过负压装置产生的负压提取储流器中的壤中流到采集 器中， 并对采集器中的壤中流分析出氮磷浓度数据输出给数据处理装置 ； 0009 数据处理装置， 用于将输入的翻斗翻转次数转换成壤中流单位面积径流深值， 并 根据壤中流单位面积径流深值和壤中流氮磷浓度计算出壤中流氮磷迁移通量 ； 0010 太阳能板供电装置， 用于将太阳能转换成电能并储存起来， 为壤中流通量测量装 置和数据处理装置提供电源。 0011 优选地， 壤中流通量测量装置包括依次装配在柱形金属外壳中的三通管、 过滤网、 承接漏斗以及翻斗式测量装置， 还包括装配在金属外壳上侧与并三通管相接的收集管 ； 其 中， 0。
18、012 收集管和承接漏斗通过三通管以丁字型连接方式连通， 该收集管埋在土壤里不同 深度的坡面中， 与土面接触的入口做成斜面 ； 三通管的接口处用无纺布缠绕作为过滤层， 以 隔离土壤颗粒进入收集管 ； 承接漏斗接纳收集管汇集的壤中流， 通过承接漏斗的滴嘴使壤 中流形成线状被注入翻斗式测量装置。 0013 优选地， 0014 翻斗式测量装置包括引水漏斗、 盛水器支架和分别安装在该盛水器支架上的带有 引流管的盛水器、 翻斗支架、 干簧管支架和一信号输出端 ； 其中， 引水漏斗放在翻斗支架上， 翻斗通过固定销固定在翻斗支架上， 干簧管支架上装有两个干簧管 ； 其中， 翻斗支架上的翻 斗是用中间隔板分成。
19、两个等容积的三角斗室， 形成翻斗式机械双稳态秤重机构， 通过翻斗 的来回翻转使得一个三角斗室处于接流状态， 另一个三角斗室处于等待状态 ； 翻斗每翻转 一次， 翻斗侧壁上安装的两个磁钢之一便扫过一个干簧管产生一个脉冲信号， 作为翻斗翻 转次数由信号输出端输出给数据处理装置 ； 0015 氮磷浓度分析装置的储流器包括储流罐、 插入储流罐中的提流管和通气管， 采集 器包括采集储流罐中提取的壤中流的采集瓶和分析采集的壤中流的氮磷浓度的分析器 ； 由 该分析器将得到的壤中流的氮磷浓度数据输出给数据处理装置 ； 0016 数据处理装置将翻斗翻转次数转换成壤中流单位面积径流深值， 通过确定的函数 关系将壤。
20、中流单位面积径流深值换算为壤中流迁移通量， 并根据壤中流迁移通量和壤中流 的氮磷浓度数据计算出壤中流氮磷迁移通量， 同时在显示屏上显示出当前壤中流氮磷迁移 通量值。 0017 优选地， 数据处理装置包括依次连接的采集控制模块、 计算模块以及存储模块， 其 中 ： 0018 采集控制模块， 用于分时间段通过多路信号输入单元采集多路代表翻斗翻转次数 的脉冲信号和氮磷浓度数据， 将采集的多路的脉冲信号 n 转换为可参与计算的多路各时间 段的壤中流单位面积径流深值 h， 并将氮磷浓度数据和壤中流单位面积径流深值保存在存 储模块中 ； 0019 计算模块， 用于设定条件参数初值， 根据设定的条件参数初值。
21、和各时间段的壤中 说 明 书 CN 103645300 A 5 3/8 页 6 流单位面积径流深数据 h 循环计算出不同雨强和降雨历时条件下的壤中流迁移通量数据 Q， 再根据该壤中流迁移通量数据 Q 和氮磷浓度数据分别计算出壤中流氮、 磷迁移通量， 然 后计算结果保存在存储模块中 ； 0020 存储模块， 用于通过条件参数存储单元保存计算模块在不同雨强和降雨历时条件 下设定的条件参数初值， 通过采集数据存储单元保存采集控制模块处理的多路各时间段的 壤中流单位面积径流深值， 通过结果数据存储单元保存计算模块计算的壤中流不同雨强和 降雨历时条件下的壤中流迁移通量数据和壤中流氮磷迁移通量数据。 00。
22、21 优选地， 数据采集处理装置还包括显示模块， 用于显示各时间段的测量时间、 多路 各时间段的壤中流单位面积径流深值， 氮磷浓度数据、 不同雨强和降雨历时条件下的壤中 流迁移通量数据以及壤中流氮、 磷的迁移通量。 0022 为了解决上述技术问题， 本发明提供了一种壤中流氮磷迁移通量的测量方法， 包 括 ： 0023 对收集的壤中流测量单位面积径流深值、 氮磷浓度数据 ； 0024 将测量的单位面积径流深值进行归一化处理， 并将单位面积径流深值换算成壤中 流迁移通量 ； 0025 根据设定的计算条件参数初值、 壤中流的单位面积径流深值和氮磷浓度数据计算 壤中流氮磷迁移通量， 并进行循环计算处理。
23、。 0026 优选地， 对收集的壤中流测量单位面积径流深值， 具体包括 ： 0027 通过壤中流驱动翻斗式测量装置的翻斗翻转， 以干簧管产生的一个脉冲信号表示 翻斗翻转次数来表达壤中流的单位面积径流深值。 0028 优选地， 将测量的单位面积径流深值进行归一化处理， 具体包括 ： 0029 由数据处理装置将所述翻斗翻转次数还原成壤中流单位面积径流深值， 然后进行 归一化处理。 0030 优选地， 根据设定的计算条件参数初值、 壤中流的单位面积径流深值和所述氮磷 浓度数据计算壤中流氮磷迁移通量， 并进行循环计算处理， 具体包括 ： 0031 根据设定的条件参数初值和各时间段的壤中流单位面积径流深。
24、值 h 按确定的函 数关系循环计算出不同雨强和降雨历时条件下的壤中流迁移通量数据 Q ； 0032 根据壤中流迁移通量数据 Q 和氮磷浓度数据按确定的函数关系分别计算出壤中 流氮、 磷的迁移通量， 并进行循环计算处理， 以使得计算值与实测值的误差最小。 0033 优选地， 该方法还包括存储并显示计算结果， 具体包括 ： 0034 存储和显示各时间段的测量时间、 多路各时间段壤中流的单位面积径流深值、 所 述氮磷浓度数据、 不同雨强和降雨历时条件下的壤中流迁移通量数据以及壤中流氮、 磷的 迁移通量。 0035 本发明从根本上解决了现有方法自动测量功能少、 不能实现壤中流流量连续测量 和沿任意坡面。
25、处连续观测等问题， 能够实时快速准确获得测量结果， 具有运输移动便利、 节 省人力以及连续获得壤中流动态数据等优势， 节省了人力和物力， 既适用于室内测量， 也适 用于野外测量， 且不受地形限制。本发明对于农田产排污系数计算、 农田面源污染负荷估 算、 水文过程、 水体污染防控等方面的研究领域， 具有广泛的推广和应用价值。 说 明 书 CN 103645300 A 6 4/8 页 7 附图说明 0036 图 1 为本发明的壤中流氮磷迁移通量的测量系统实施例的结构框图 ； 0037 图 2 为图 1 中所示的数据采集处理装置实施例的结构框图 ； 0038 图 3 为图 1 中所示的壤中流测量装置。
26、实施例的安装示意图 ； 0039 图 4 为图 3 所示的壤中流测量装置实施例中翻斗式测量装置实施例的结构示意 图 ； 0040 图 5 为本发明的壤中流氮磷迁移通量的测量方法实施例的流程图。 具体实施方式 0041 以下结合附图和优选实施例对本发明的技术方案进行详细地阐述。应该理解， 以 下列举的实施例仅用于说明和解释本发明， 而不构成对本发明技术方案的限制。 0042 如图 1 所示， 是本发明的壤中流氮磷迁移通量测量装置实施例的结构， 包括壤中 流通量测量装置、 氮磷浓度采集装置、 数据处理装置以及太阳能板供电装置， 其中 ： 0043 壤中流通量测量装置， 用于通过收集管收集壤中流， 。
27、经三通管流入过滤网进入承 接漏斗， 由承接漏斗经翻斗式测量装置 ( 虚框内 ) 测量代表壤中流单位面积径流深值的翻 斗翻转次数后落入储流罐中 ； 实时测得的翻斗翻转次数输出给数据处理装置 ； 0044 氮磷浓度分析装置， 用于通过负压装置产生的负压提取储流器中的壤中流到采集 器中， 并对采集器中的壤中流分析出氮磷浓度输出给数据处理装置 ； 0045 数据处理装置， 用于将输入的翻斗翻转次数转换成壤中流单位面积径流深值， 并 根据壤中流单位面积径流深值和壤中流氮磷浓度计算出壤中流氮磷迁移通量 ； 0046 太阳能板供电装置， 用于将太阳能转换成电能并储存起来， 为壤中流通量测量装 置和数据处理装。
28、置提供电源。 0047 在上述系统实施例中， 壤中流通量测量装置实施例的结构如图 3 所示， 包括依次 装配在柱形金属外壳中的三通管、 过滤网、 承接漏斗以及翻斗式测量装置， 还包括装配在金 属外壳上侧与并三通管相接的收集管 ； 其中， 收集管和承接漏斗通过三通管以丁字型连接 方式连通， 使得壤中流通量测量装置具有良好的密封性和维护性 ； 该收集管埋在土壤里不 同深度的坡面中， 与土面接触的入口做成斜面， 以收集不同坡位的壤中流， 既有利于管打进 土面， 也尽可能降低对土层的扰动 ； 三通管的接口处用无纺布缠绕作为过滤层， 以隔离土壤 颗粒进入收集管 ； 承接漏斗接纳收集管汇集的壤中流， 通过。
29、承接漏斗的滴嘴使壤中流形成 线状准确地注入翻斗式测量装置。 0048 在上述系统实施例中， 翻斗式测量装置的结构如图 4 所示， 包括引水漏斗、 盛水器 支架和分别安装在该盛水器支架上的带有引流管的盛水器、 翻斗支架、 干簧管支架和一信 号输出端 ； 其中， 引水漏斗放在翻斗支架上， 翻斗通过固定销固定在翻斗支架上， 干簧管支 架上装有两个干簧管 ； 其中， 翻斗支架上的翻斗是用中间隔板分成两个等容积的三角斗室， 形成翻斗式机械双稳态秤重机构， 通过翻斗的来回翻转使得一个三角斗室处于接流状态， 另一个三角斗室处于等待状态 ； 翻斗每翻转一次， 翻斗侧壁上安装的两个磁钢之一便扫过 一个干簧管产生。
30、一个脉冲信号， 作为翻斗翻转次数由信号输出端输出给数据处理装置 ； 0049 氮磷浓度分析装置的储流器包括储流罐、 插入储流罐中的提流管和通气管， 采集 器包括采集储流罐中提取的壤中流的采集瓶和分析的壤中流的氮磷浓度的分析器 ； 由分析 说 明 书 CN 103645300 A 7 5/8 页 8 器将得到的壤中流的氮磷浓度的数据输出给数据处理装置 ； 0050 数据处理装置将翻斗翻转次数转换成壤中流单位面积径流深值， 通过确定的函数 关系将壤中流单位面积径流深值换算为壤中流迁移通量， 并根据壤中流迁移通量和壤中流 的氮磷浓度的数据计算出壤中流氮磷迁移通量， 同时在显示屏上显示出当前壤中流氮磷。
31、迁 移通量。 0051 在上述系统实施例中， 引水漏斗的滴嘴狭小， 使得降雨过程中的壤中流以低速被 接入翻斗， 当三角斗室接入壤中流使翻斗容积达到预定值时， 会在重力作用下翻倒， 处于等 待状态， 而另一个三角斗室则处于接流状态 ； 磁钢随翻斗翻动扫过干簧管， 其磁场使得干簧 管开关触点闭合发出一脉冲信号， 它代表设定单位面积壤中流一个径流深单位值。 这样， 翻 斗式测量装置通过壤中流驱动翻斗翻转， 从而通过翻斗翻转次数表达了壤中流单位面积径 流深 (mm) ； 而数据处理装置将翻斗翻转次数还原成壤中流单位面积径流深， 又通过换算将 其转化为单位容积 (ml)( 即翻斗容积 )， 即壤中流迁移。
32、通量。 0052 在此， 干簧管固定在磁敏架 ( 图中未示 ) 上， 干簧管输出端脚由引线引出， 固定在 拉线架 ( 图中未示 ) 上。两干簧管侧面分别与翻斗后侧两端的磁钢位置相对应 ； 当翻斗三 角斗室翻转至水平位置时， 磁钢接近干簧管， 其磁场激励干簧管中两簧片触点构成的开关 闭合， 发出一个脉冲信号。至此， 完成将一个单位的壤中流单位面积径流深 (0.1mm) 的转换 和信号输出。 0053 通过力学和水力学分析及试验验证， 证明翻斗容积和壤中流单位面积径流深之间 具有函数关系， 并通过标定试验确定函数中的参数。 翻斗的左、 右两三角斗室总是轮流处于 接流、 等待的状态。每一个磁钢与对应。
33、的干簧管调整在合适的距离 (4 6mm) 上， 磁钢随翻 斗翻转至水平位置时从干簧管旁扫过， 其磁场激励干簧管中两簧片触点构成的开关闭合， 发出一个脉冲信号。每产生一个脉冲信号便代表设定单位面积径流深单位值。 0054 在此， 建议收集管直径 为 200mm， 翻斗体积设计为 0.01314.16=3.14ml， 则 翻斗单室每次蓄满会翻转使得干簧管发出 1 次脉冲信号， 代表测量了单位面积径流深为 0.1mm的壤中流。 也可以根据实际情况调整收集管管径， 根据水力参数标定翻斗体积与单位 面积径流深的函数关系。 0055 在上述系统实施例中， 收集管是 PRC( 聚丙烯无规共聚物， Polyp。
34、ropylene Random Copolymer) 套管 ； 金属外壳譬如为铝合金外罩或不锈钢外罩， 对其内的装置设施起保护作 用。 0056 测量壤中流单位面积径流深值与翻斗容积的函数关系的确定 ： 在传统的流体力学 应用中， 流量公式都是以流体的径流深度为自变量， 即一般都是通过对流体的径流深的量 测实现流量测量的。 根据流体力学推导， 对于特定测流段， 流体的迁移通量与其断面呈线性 关系。 0057 如果将开始收集壤中流的时间分为 m 个时间段， 即有 t1， t2， t3.， tm时刻， 则其中 tn(n m) 时刻对应的不同雨强和降雨历时条件下壤中流迁移通量 Q 与单位面积径流深 。
35、h 的关系为 ： 0058 说 明 书 CN 103645300 A 8 6/8 页 9 0059 0060 式中 ： Qtn为 tn时刻壤中流迁移通量 (mg/m2) ； A 为过流断面 (m2) ； 壤中流为土壤饱 和流， 过流断面 A 为收集管的截面， A=r2， 其中 r 为收集管的半径 (mm)。 0061 同时段提取壤中流的流样， 测定壤中流中总氮或总磷的质量浓度， 则 tn(n m) 时 刻对应的不同雨强和降雨历时条件下壤中流氮磷迁移通量由公式 (3) 和公式 (4) 估算 ： 0062 0063 0064 式中 ： Qtm为 tn时刻壤中流迁移通量 (mg/m2) ； ctn为。
36、 tn时刻壤中流中总氮或总磷的 质量浓度 (mg/L) ； htn为 tn时刻壤中流单位面积径流深 (mm) ； 年内壤中流总氮或总磷累积 迁移负荷均为年内相应历次降雨壤中流总氮或总磷迁移通量的累加。 0065 对于物理结构、 材料、 尺寸既定的壤中流测量装置， 因为收集管相对较短且沿水流 方向过流断面可近似为恒定， 因此迁移通量可以转化为含有单一变量壤中流单位面积径流 深 h 的函数关系。数据处理装置根据翻斗翻转次数与径流深之间的下列函数关系实时计算 某降雨历时的径流深和壤中流迁移通量 ： 0066 0067 式中 ： htn为 tn时刻壤中流单位面积径流深 (mm) ； n 是翻斗翻转次数。
37、。 0068 在具体测量过程中， 壤中流首先流经安装有过滤网的承接漏斗， 随后进入引水漏 斗， 引水漏斗滴嘴相对较细， 使得壤中流过滤后的水流以相对较低的速度滴入翻斗， 由翻斗 式测量装置将以单位面积径流深转化为相应单位容积 ( 翻斗容积 )。翻斗式测量装置用干 簧管开关量的形式采集壤中流信息量单位面积径流深值。 通过力学和水力学分析及试 验验证， 证明翻斗体积和壤中流单位面积径流深之间具有函数关系， 并通过标定试验确定 函数中的参数。干簧管每产生一个脉冲信号便代表设定单位面积径流深， 通过确定的函数 关系可以将观测到的翻斗次数数据换算为壤中流单位面积径流深值， 从而实现壤中流过程 的实时检测。
38、。 0069 本发明在每次降雨产流过程中测定壤中流迁移通量， 利用机械测量元件把壤中流 连续不断的流量分割成单个已知的容积单元， 根据翻斗三角斗室逐次重复地充满和排放该 容积单元流体的次数来测量流体体积总量。 该方法的最大优点是可以获取壤中流流量检测 的实时过程并可实现自动检测。 0070 为了配套本发明的壤中流氮磷迁移通量检测装置实施例的应用， 本发明开发了数 据处理装置中的检测管理和数据处理软件， 数据处理软件作用是采集、 记录、 处理、 存储处 理和计算的数据， 以 0.1mm 为一个壤中流单位面积径流深值的基本单位 ； 检测管理软件实 现自动观测和数据远程传输及管理。 0071 在上述。
39、系统实施例中， 数据处理装置的实施例结构如图 2 所示， 包括依次连接的 采集控制模块、 计算模块以及存储模块， 其中 ： 0072 采集控制模块， 用于分时间段通过多路信号输入单元采集多路代表翻斗翻转次数 说 明 书 CN 103645300 A 9 7/8 页 10 的脉冲信号和氮磷浓度数据， 将采集的多路脉冲信号 n 转换为可参与计算的多路各时间段 的壤中流单位面积径流深数据 h， 并将采集的氮磷浓度数据和转换的壤中流单位面积径流 深数据保存在存储模块中 ； 0073 计算模块， 用于设定条件参数初值， 根据设定的条件参数初值和各时间段的壤中 流单位面积径流深数据h按前述公式(2)循环计。
40、算出不同雨强和降雨历时条件下的壤中流 迁移通量数据 Q， 再根据壤中流迁移通量数据 Q 和氮磷浓度数据按公式 (3)、 (4) 分别计算 出壤中流氮、 磷迁移通量， 然后计算结果保存在存储模块中 ； 0074 存储模块， 用于通过条件参数存储单元保存计算模块在不同雨强和降雨历时条件 下设定的条件参数初值， 通过采集数据存储单元保存采集控制模块处理的多路各时间段的 壤中流单位面积径流深数据， 通过结果数据存储单元保存计算模块计算的壤中流不同雨强 和降雨历时条件下的壤中流迁移通量数据和壤中流氮磷迁移通量数据。 0075 在上述系统实施例中， 数据采集处理装置还包括显示模块， 用于显示各时间段的 测。
41、量时间、 多路各时间段的壤中流单位面积径流深数据， 以及不同降雨情况下各时间段的 壤中流计算结果数据。 0076 太阳能板供电装置包括电池、 太阳能板和控制器 ； 其中控制器用来监测翻斗式测 量装置中翻斗动作和负压提流过程， 对翻斗感量进行误差修正后输出高精度的不同雨强和 降雨历时条件下壤中流监测结果， 其输入为翻斗转动时干簧管簧片触点的通断信号、 提流 开始信号和提流结束信号， 输出信号为继电器通断信号。 0077 本发明针对上述系统实施例， 相应地还提供了壤中流氮磷迁移通量的测量方法实 施例， 其流程如图 5 所示， 包括如下步骤 ： 0078 110 ： 对收集的壤中流测量单位面积径流深。
42、值、 氮磷浓度数据 ； 0079 翻斗式测量装置通过壤中流驱动翻斗翻转， 以干簧管产生的一个脉冲信号表示翻 斗翻转次数来表达了壤中流单位面积径流深值 (mm)。 0080 当然， 本发明除了利用上述翻斗式测量壤中流单位面积径流深值外， 还可以利用 径流池或径流桶进行测量。 0081 120 ： 将测量的单位面积径流深值进行归一化处理 ； 0082 数据处理装置将翻斗翻转次数还原成壤中流单位面积径流深， 然后进行归一化处 理。 0083 130 ： 设定计算条件参数初值 ； 0084 140 ： 根据设定的计算条件参数初值、 壤中流单位面积径流深值和壤中流的氮磷浓 度数据计算壤中流氮磷迁移通量，。
43、 并进行循环计算处理 ； 0085 根据设定的条件参数初值和各时间段的壤中流单位面积径流深值 h 按前述公式 (2) 循环计算出不同雨强和降雨历时条件下的壤中流迁移通量数据 Q ； 再根据壤中流迁移 通量数据Q和氮磷浓度数据按公式(3)、 (4)分别计算出壤中流氮、 磷迁移通量， 并进行循环 计算处理， 以使得计算值与实测值的误差最小。 0086 150 ： 存储并显示计算结果。 0087 本发明从根本上解决了现有方法自动测量功能少、 不能实现壤中流流量连续测量 和沿任意坡面处连续观测等问题， 能够实时快速准确获得测量结果， 具有运输移动便利、 节 省人力以及连续获得壤中流动态数据等优势， 节。
44、省了人力和物力， 既适用于室内测量， 也适 说 明 书 CN 103645300 A 10 8/8 页 11 用于野外测量， 且不受地形限制。本发明对于农田产排污系数计算、 土壤污染负荷估算、 水 文过程、 作物水分利用、 灌溉管理、 水体污染防控等方面的研究领域， 具有广泛的推广和应 用价值。 说 明 书 CN 103645300 A 11 1/3 页 12 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103645300 A 12 2/3 页 13 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103645300 A 13 3/3 页 14 图 5 说 明 书 附 图 CN 103645300 A 14 。