农业面源污染在线监测与自动取样系统的制作方法

农业面源污染在线监测与自动取样系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种农业面源污染在线监测与自动取样系统，属于环境科学和农田生态学研究设备领域。该系统包括：用于监测雨量及降雨过程的雨量自动监测子系统；用于监测汇集到梯形堰中的农业面源污染径流的流量自动监测子系统；用于从所述梯形堰中获取农业面源污染径流的水样的在线取样子系统；用于监测所述梯形堰中的农业面源污染径流的预设面源污染指标的面源污染指标在线监测子系统；用于从相连的子系统获取数据并对获取到的数据进行处理与存储的系统控制与数据处理子系统；与所述系统控制与数据处理子系统相连、用于为上述各个子系统供电的太阳能供电子系统。本发明的技术方案能够对农业面源污染负荷及其产生过程进行自动取样与监测。
【专利说明】农业面源污染在线监测与自动取样系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及环境科学和农田生态学研究设备领域，特别是指一种农业面源污染在线监测与自动取样系统。
【背景技术】
[0002]在目前的研究工作中，污染监测工作可分为人为定点监测和自动监测。定点监测费时、费力，对于特殊条件(如降水)或特殊区域的污染监测则显得较为滞后，力不从心。因此，自动监测日益成为污染监测的主导，人为定点监测作为辅助手段，这是目前污染监测工作的总体趋势。
[0003]在自动污染监测工作中，又以点源污染监测为主。因其污染源固定、污染排放集中，故监测较为容易。点源污染的自动监测体系被环保部门广泛应用于各地污染企业的监测，并达到自动监测与预警预报一体化，当企业排污超标时，系统就会报警通知相关人员。相对于点源污染，面源污染具有较大不确定性，主要体现在时间不确定、地点不确定、污染物不确定、范围不确定、污染负荷不确定等方面。因此相较于点源监测，其监测存在一定困难，目前也很少有面源污染自动监测体系，或其监测手段还不成熟。

【发明内容】

[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种农业面源污染在线监测与自动取样系统，能够对农业面源污染负荷及其产生过程进行自动取样与监测。
[0005]为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下:
[0006]一方面，提供一种农业面源污染在线监测与自动取样系统，包括:
[0007]用于监测雨量及降雨过程的雨量自动监测子系统；
[0008]用于监测汇集到梯形堰中的农业面源污染径流的流量自动监测子系统；
[0009]用于从所述梯形堰中获取农业面源污染径流的水样的在线取样子系统；
[0010]用于监测所述梯形堰中的农业面源污染径流的预设面源污染指标的面源污染指标在线监测子系统；
[0011]与所述雨量自动监测子系统、所述流量自动监测子系统、所述在线取样子系统和所述面源污染指标在线监测子系统分别相连、用于从相连的子系统获取数据并对获取到的数据进行处理的系统控制与数据处理子系统；
[0012]与所述系统控制与数据处理子系统相连、用于为上述各个子系统供电的太阳能供电子系统。
[0013]进一步地，所述太阳能供电子系统包括:
[0014]用于将太阳能转换成电能并储存，直接为所述系统控制与数据处理子系统供电，并通过所述系统控制与数据处理子系统为所述雨量自动监测子系统、所述流量自动监测子系统、所述在线取样子系统和所述面源污染指标在线监测子系统供电的太阳能电池板。
[0015]进一步地，所述雨量自动监测子系统包括:[0016]用于监测降雨及降雨过程，储存降雨数据并将降雨数据传输到所述系统控制与数据处理子系统的自动雨量计。
[0017]进一步地,所述自动雨量计的最小监测雨量为0.5_。
[0018]进一步地，所述流量自动监测子系统包括:
[0019]用于汇集农业面源污染径流的梯形堰；
[0020]固定在所述梯形堰的侧壁上、用于感应和监测所述梯形堰中农业面源污染径流的流量，并将流量数据传输到所述系统控制与数据处理子系统的在线流量自动监测探头。
[0021]进一步地，所述在线流量自动监测探头具体用于在农业面源污染径流的流速不低于0.01m/s时，传输流速信号给所述系统控制与数据处理子系统，作为开启所述在线取样子系统和面源污染指标在线监测子系统的指令。
[0022]进一步地，所述梯形堰为复合梯形堰，所述梯形堰的下梯形为60°等腰梯形，所述梯形堰的上梯形为45°等腰梯形；
[0023]所述梯形堰的入口处设置有用于阻挡悬浮物的栅格；
[0024]所述梯形堰的下梯形侧面包括一倾角为10°、用于放置探头的凹槽，所述凹槽的槽口下水平线距离所述梯形堰堰底0.1m,所述凹槽的槽口覆盖有铁丝网。
[0025]进一步地，所述在线取样子系统包括:
[0026]置于所述梯形堰的凹槽内、用于采集所述梯形堰中的农业面源污染径流并去除其中的悬浮物的采样探头；
[0027]与所述采样探头相连、用于根据所述系统控制与数据处理子系统的指令控制水泵的开启，按照预设采样时间间隔采取水样的取样装置。
[0028]进一步地，所述面源污染指标在线监测子系统包括:
[0029]置于所述梯形堰的凹槽内、用于在降雨时段内测定所述梯形堰中农业面源污染径流的预设面源污染指标，记录并储存指标数据，将指标数据传输到所述系统控制与数据处理子系统的面源污染指标在线监测探头。
[0030]进一步地，所述系统控制与数据处理子系统包括:
[0031]用于接收数据并将数据发送给工作人员的GPRS发射器；
[0032]与所述GPRS发射器相连、用于分配所述太阳能供电子系统传输的电量、从相连的子系统获取和储存数据、并将数据传输给所述GPRS发射器的系统控制与数据处理芯片。
[0033]进一步地，所述系统控制与数据处理芯片具体用于将所述太阳能供电子系统传输的电量分配给所述GPRS发射器、所述雨量自动监测子系统、所述流量自动监测子系统、所述在线取样子系统和所述面源污染指标在线监测子系统；
[0034]所述系统控制与数据处理芯片还用于在接收到所述雨量自动监测子系统的降雨信号后，开启所述流量自动监测子系统，并在接收到所述流量自动监测子系统的流速信号后，开启所述面源污染指标在线监测子系统，并设定所述在线取样子系统的采样时间间隔，控制所述在线取样子系统进行农业面源污染径流的采样；
[0035]所述系统控制与数据处理芯片还用于接收并储存来自所述雨量自动监测子系统、所述流量自动监测子系统以及所述面源污染指标在线监测子系统的数据，并将收集到的数据传输给所述GPRS发射器。
[0036]本发明的实施例具有以下有益效果:[0037]上述方案中，农业面源污染在线监测与自动取样系统由用于监测雨量及降雨过程的雨量自动监测子系统、用于监测汇集到梯形堰中的农业面源污染径流面源污染径流的流量自动监测子系统、用于从所述梯形堰中获取农业面源污染径流的水样的在线取样子系统、用于监测所述梯形堰中的农业面源污染径流的预设面源污染指标的面源污染指标在线监测子系统、用于从相连的子系统获取数据并对获取到的数据进行处理的系统控制与数据处理子系统、用于为上述各个子系统供电的太阳能供电子系统组成。通过本发明的农业面源污染在线监测与自动取样系统可以对农业面源污染负荷及其产生过程进行自动取样与监测，并且组成该系统的各个子系统可自行拆卸，方便携带和野外安装。
【专利附图】

【附图说明】
[0038]图1为本发明实施例的农业面源污染在线监测与自动取样系统的结构示意图；
[0039]图2为本发明实施例的农业面源污染在线监测与自动取样系统的流量自动监测子系统、面源污染指标在线监测子系统和在线取样子系统的探头安装示意图；
[0040]图3为本发明实施例的农业面源污染在线监测与自动取样系统的各子系统的交互示意图。
【具体实施方式】
[0041]为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0042]本发明的实施例针对现有技术中未能有效自动监测面源污染的问题，提供一种农业面源污染在线监测与自动取样系统，能够对农业面源污染负荷及其产生过程进行自动取样与监测。
[0043]图1为本发明实施例的农业面源污染在线监测与自动取样系统的结构示意图，如图1所示，本实施例包括:
[0044]用于监测雨量及降雨过程的雨量自动监测子系统20 ；
[0045]用于监测汇集到梯形堰中的农业面源污染径流的流量自动监测子系统40 ；
[0046]用于从梯形堰中获取农业面源污染径流的水样的在线取样子系统50 ；
[0047]用于监测梯形堰中的农业面源污染径流的预设面源污染指标的面源污染指标在线监测子系统60 ；
[0048]与雨量自动监测子系统20、流量自动监测子系统40、在线取样子系统50和面源污染指标在线监测子系统60分别相连、用于从相连的子系统获取数据并对获取到的数据进行处理的系统控制与数据处理子系统30 ；
[0049]与系统控制与数据处理子系统30相连、用于为上述各个子系统供电的太阳能供电子系统10。
[0050]其中，太阳能供电子系统10包括太阳能电池板，能够将太阳能转换成电能并储存，直接为系统控制与数据处理子系统30供电，并通过系统控制与数据处理子系统30为雨量自动监测子系统20、流量自动监测子系统40、在线取样子系统50和面源污染指标在线监测子系统60供电，充当整个系统的电源。
[0051]雨量自动监测子系统20的主要部件是自动雨量计，能够监测和记录降雨及降雨过程，并储存降雨数据，将降雨数据传输到系统控制与数据处理子系统30。其中，自动雨量计的最小监测雨量可以为0.5_，这样能够保证降雨监测的精度。
[0052]流量自动监测子系统40包括:用于汇集农业面源污染径流的梯形堰5 ;固定在梯形堰5的侧壁上、用于感应和监测梯形堰5中农业面源污染径流的流量，并将流量数据传输到系统控制与数据处理子系统30的在线流量自动监测探头6。
[0053]其中，如图2所示，梯形堰5为复合梯形堰，下梯形为60°等腰梯形，可在较短时间内达到较高水位，上梯形为45°等腰梯形，下梯形的高度可以设置为lm。本实施例的梯形堰5用于汇集农业面源污染径流，其入口处可以设置一栅格，用于阻挡大体型的悬浮物。如图2所示，梯形堰5的下梯形侧面带一凹槽，该凹槽的倾角可以为10°，以便于凹槽内污水流出，凹槽的槽口下水平线距离堰底0.lm，凹槽口用铁丝网覆盖，凹槽可以用于放置、保护仪器探头。梯形堰5的顶部可以用铁丝网覆盖，避免大型物体落入梯形堰5中。因为本发明的技术方案主要是用于监测农业面源污染，因此设计梯形堰5以用于汇集污水，在实际应用中还可以根据地形、地貌、监测对象、采样装置及监测装置的安放等其他因素，来设定具体的监测断面。
[0054]如图2所示，在线流量自动监测探头6固定在梯形堰5下梯形的侧壁上，可以用一外罩来保护在线流量自动监测探头6，其位置与凹槽槽口相对，与凹槽内的面源污染指标在线监测探头9和采样探头7处于同一水平线上。在线流量自动监测探头6用于感应和监测梯形堰5中的农业面源污染径流的流量，当农业面源污染径流的流速达到0.01m/s时，将流速信号传输给系统控制与数据处理子系统30，作为开启在线取样子系统50和面源污染指标在线监测子系统60的指令之一，之后记录、保存流量数据，并将流量数据传输到系统控制与数据处理子系统30。
[0055]本实施例中，当降雨发生时，系统控制与数据处理子系统30接收到来自雨量自动监测子系统20的降雨信号，开启流量自动监测子系统40，当梯形堰5中汇集了一定的水量时，系统控制与数据处理子系统30接收到来自流量自动监测子系统40的流速信号，此时，系统控制与数据处理子系统30向在线取样子系统50及面源污染指标在线监测子系统60发出工作指令。
[0056]其中，在线取样子系统50包括采样探头I和取样装置8。采样探头I置于梯形堰5的侧面凹槽内，其外可以包裹一层纱布，采样探头7用于采集梯形堰5中的污水并除去其中的悬浮物，采样探头7与在线流量自动监测探头6以及面源污染指标在线监测探头9处于同一水平线上；取样装置8与采样探头7相连，接收来自系统控制与数据处理子系统30的指令，控制水泵的开启，每隔预设分钟(或小时)取满一瓶水样，待取回实验室测定之用。
[0057]通过在线取样子系统50，本实施例可以采集到降雨过程中不同时段的水样，在一定时间内将水样取回实验室分析，可以得到降雨过程中面源污染指标的变化曲线。
[0058]面源污染指标在线监测子系统60包括置于梯形堰5侧面凹槽内的面源污染指标在线监测探头9，面源污染指标在线监测探头9与采样探头7以及在线流量自动监测探头6处于同一水平线上；面源污染指标在线监测探头9负责测定降雨时段内梯形堰5中农业面源污染径流的面源污染指标，如COD、NH3-N, pH、TN、TP等，记录并储存指标数据，并将指标数据传输到系统控制与数据处理子系统30。
[0059]通过面源污染指标在线监测子系统60，本实施例可以得到降雨过程中面源污染指标的变化曲线。
[0060]农业面源污染在线监测与自动取样系统的核心部件是系统控制与数据处理子系统30，系统控制与数据处理子系统30包括用于接收数据并将数据发送给工作人员的GPRS发射器I和系统控制与数据处理芯片。系统控制与数据处理芯片与上述各个子系统以及GPRS发射器I相连，其进行数据处理与储存，收集各个子系统的数据，并通过GPRS发射器I将数据传输给相关的工作人员，如图3所示为系统控制与数据处理子系统30与其它各个子系统的交互示意图。
[0061]本实施例中，系统控制与数据处理芯片主要实现如下功能:①系统配电:用于将太阳能供电子系统10传输过来的电量分配给:GPRS发射器1、雨量自动监测子系统20、流量自动监测子系统40、在线取样子系统50以及面源污染指标在线监测子系统60 系统控制:接收到来自雨量自动监测子系统20的降雨信号以及流量自动监测子系统40的流速信号，控制在线取样子系统50的取样过程；③数据收集与储存:接收并储存来自雨量自动监测子系统20、流量自动监测子系统40以及面源污染指标在线监测子系统60的数据；④数据传输:将收集到的数据传输给GPRS发射器I。
[0062]本发明的农业面源污染在线监测与自动取样系统可以在野外无人监管的条件下实现全自动的农业面源污染监测，该系统针对面源污染的一种主要形式，即强降雨过程中的农业面源污染，以此为监测目标，实现了面源污染的全自动监测，并且该系统还具有可拆卸、易组装和野外安装的特点。
[0063]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种农业面源污染在线监测与自动取样系统，其特征在于，包括:用于监测雨量及降雨过程的雨量自动监测子系统；用于监测汇集到梯形堰中的农业面源污染径流的流量自动监测子系统；用于从所述梯形堰中获取农业面源污染径流的水样的在线取样子系统；用于监测所述梯形堰中的农业面源污染径流的预设面源污染指标的面源污染指标在线监测子系统；与所述雨量自动监测子系统、所述流量自动监测子系统、所述在线取样子系统和所述面源污染指标在线监测子系统分别相连、用于从相连的子系统获取数据并对获取到的数据进行处理与存储的系统控制与数据处理子系统；与所述系统控制与数据处理子系统相连、用于为上述各个子系统供电的太阳能供电子系统。
2.根据权利要求1所述的农业面源污染在线监测与自动取样系统，其特征在于，所述太阳能供电子系统包括:用于将太阳能转换成电能并储存，直接为所述系统控制与数据处理子系统供电，并通过所述系统控制与数据处理子系统为所述雨量自动监测子系统、所述流量自动监测子系统、所述在线取样子系统和所述面源污染指标在线监测子系统供电的太阳能电池板。
3.根据权利要求1所述的农业面源污染在线监测与自动取样系统，其特征在于，所述雨量自动监测子系统包括:用于监测降雨及降雨过程，储存降雨数据并将降雨数据传输到所述系统控制与数据处理子系统的自动雨量计。`
4.根据权利要求3所述的农业面源污染在线监测与自动取样系统，其特征在于，所述自动雨量计的最小监测雨量为0.5mm。
5.根据权利要求1所述的农业面源污染在线监测与自动取样系统，其特征在于，所述流量自动监测子系统包括:用于汇集农业面源污染径流的梯形堰；固定在所述梯形堰的侧壁上、用于感应和监测所述梯形堰中农业面源污染径流的流量，并将流量数据传输到所述系统控制与数据处理子系统的在线流量自动监测探头。
6.根据权利要求5所述的农业面源污染在线监测与自动取样系统，其特征在于，所述在线流量自动监测探头具体用于在农业面源污染径流的流速不低于0.01m/s时，传输流速信号给所述系统控制与数据处理子系统，作为开启所述在线取样子系统和面源污染指标在线监测子系统的指令。
7.根据权利要求5所述的农业面源污染在线监测与自动取样系统，其特征在于，所述梯形堰为复合梯形堰，所述梯形堰的下梯形为60°等腰梯形，所述梯形堰的上梯形为45°等腰梯形；所述梯形堰的入口处设置有用于阻挡悬浮物的栅格；所述梯形堰的下梯形侧面包括一倾角为10°、用于放置探头的凹槽，所述凹槽的槽口下水平线距离所述梯形堰堰底0.lm，所述凹槽的槽口覆盖有铁丝网。
8.根据权利要求7所述的农业面源污染在线监测与自动取样系统，其特征在于，所述在线取样子系统包括:置于所述梯形堰的凹槽内、用于采集所述梯形堰中的农业面源污染径流并去除其中的悬浮物的采样探头；与所述采样探头相连、用于根据所述系统控制与数据处理子系统的指令控制水泵的开启，按照预设采样时间间隔采取水样的取样装置。
9.根据权利要求7所述的农业面源污染在线监测与自动取样系统，其特征在于，所述面源污染指标在线监测子系统包括:置于所述梯形堰的凹槽内、用于在降雨时段内测定所述梯形堰中农业面源污染径流的预设面源污染指标，记录并储存指标数据，将指标数据传输到所述系统控制与数据处理子系统的面源污染指标在线监测探头。
10.根据权利要求1所述的农业面源污染在线监测与自动取样系统，其特征在于，所述系统控制与数据处理子系统包括: 用于接收数据并将数据发送给工作人员的GPRS发射器；与所述GPRS发射器相连、用于分配所述太阳能供电子系统传输的电量、从相连的子系统获取和储存数据、并将数据传输给所述GPRS发射器的系统控制与数据处理芯片。
11.根据权利要求10所述的农业面源污染在线监测与自动取样系统，其特征在于，所述系统控制与数据处理芯片具体用于将所述太阳能供电子系统传输的电量分配给所述GPRS发射器、所述雨量自动监测子系统、所述流量自动监测子系统、所述在线取样子系统和所述面源污染指标在线监测子系统；所述系统控制与数据处理芯片还用于在接收到所述雨量自动监测子系统的降雨信号后，开启所述流量自动监测子系统，并在接收到所述流量自动监测子系统的流速信号后，开启所述面源污染指标在线监测子系统，并设定所述在线取样子系统的采样时间间隔，控制所述在线取样子系统进行农业面源污染径流的采样；所述系统控制与数据处理芯片还用于接收并储存来自所述雨量自动监测子系统、所述流量自动监测子系统以及所述面源污染指标在线监测子系统的数据，并将收集到的数据传输给所述GPRS发射器。
【文档编号】G01N1/14GK103675222SQ201210348231
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月18日 优先权日:2012年9月18日
【发明者】严登华, 肖伟华, 沈敏, 王浩, 翁白莎, 王青, 王刚, 吴迪 申请人:中国水利水电科学研究院, 江苏美淼环保科技有限公司