农田土壤渗漏水原位监测采样装置的制作方法

本发明涉及农业领域，特别涉及一种农田土壤渗漏水原位监测采样装置。

背景技术：

农田中化肥、农药和家畜粪便等的大量施用可能导致非点源污染，对区域生态环境和人类健康构成严重的威胁，不仅可能污染饮用水源，而且可能造成地表水富营养化和地下水污染问题。

农业非点源污染具有形成过程随机性大、影响因子复杂，分布范围广、影响深远、机理模糊、潜伏期长、滞后发生、危害大、管理控制难度高等特点。每年因农业非点源污染、农药污染事故等造成巨大损失，对我国农业经济的可持续发展带来了严重的负面影响。

因此，对农田土壤渗漏过程进行原位测定，研究农田水、肥、药迁移行为，用于评估污染风险，并为提出农业非点源污染控制和管理措施提供可靠数据和科学依据，具有十分重要的意义。

现有技术中，农田土壤渗漏过程的常用研究方法主要包括以下三种：

1)原状或填充土柱的室内淋溶实验，用于在室内控制的模拟降雨、土壤及水分边界条件下探索养分和农药等的迁移特征；该法的不足之处在于无法模拟真正田间变化的水热条件及水文条件，可模拟的土柱的深度和面积也较小，不适用于易质性较强的土壤。

2)在田间通过土建方法，安装土槽、修建径流小区，或者建立土壤渗漏系统(配建监测采样用地下室)，在模拟降雨或自然降雨条件下，测定地表和地下不同径流类型中的养分和农药迁移规律及影响因素；该法的不足之处在于修建成本较高，安装时破坏面积大，需较长的稳定沉降期，且一旦建成后通常无法移动至异地使用。

3)商品化蒸渗仪(可称重)，需配建地下监测采样室；该系统价格非常昂贵、维护所需技术要求较高。

综上所述，本领域需要一种设计合理、简便、成本低、易于实现的农田土壤渗漏水原位监测采样系统，这对于农业水、肥、药迁移通量及非点源污染研究具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种设计合理、简便、成本低、易于实现的农田土壤渗漏水原位监测采样装置。

本发明提供了一种农田土壤渗漏水原位监测采样装置，包括：原状土盛放筒体、渗漏过滤仓、导流管、水箱、采样管、排水管和水位计，所述原状土盛放筒体位于所述渗漏过滤仓的上方，所述导流管的一端与所述渗漏过滤仓的出口连接，所述导流管的另一端位于所述水箱的内部，所述采样管及所述排水管的下端均插入所述水箱内，所述水位计安装在所述水箱内。

优选地，所述农田土壤渗漏水原位监测采样装置还包括底座，所述渗漏过滤仓设置在所述底座上。

优选地，所述渗漏过滤仓包括周向壳体和顶板，所述顶板与所述周向壳体的底部开口连接，且所述渗漏过滤仓的底部相对水平面倾斜地设置。

优选地，所述顶板上开设有多个透水孔。

优选地，所述漏过滤仓内安装有引流管，所述引流管包括包括第一水管和第二水管，所述第一水管与所述第二水管连接成T字形，且所述第一水管和第二水管上均开设有进水孔，所述第二水管的远离所述第一水管的一端伸出所述漏过滤仓后与所述导流管的所述一端连接。

优选地，所述水箱包括箱体、中空的上部壳筒和采样池，所述上部壳筒的下端与所述箱体的上表面连接，且所述上部壳筒的内部与所述箱体连通，所述采样池安装在所述上部壳筒的内壁上，所述采样管的下端插入所述采样池中，所述水位计安装在所述上部壳筒内。

优选地，所述导流管的所述另一端位于所述采样池的上部开口处。

优选地，所述水位计包括浮子和竖直设置的指示杆，所述指示杆的下端与所述浮子连接，所述上部壳筒的内壁上形成有水位刻度。

优选地，所述排水管安装于所述上部壳筒内，且所述排水管的下端的刀式管口插入所述箱体内部。

优选地，农田土壤渗漏水原位监测采样装置还包括手持采样泵，与所述采样管或排水管的上端端口可拆卸地连接。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明建造成本低、结构紧凑、安装简便，对实验地破坏较小，可用于需要多种处理的田间水、肥、药控制试验研究，亦可视研究或监测需要在渗漏方箱垂向或侧向开孔插入式安装其他监测或采样设备(如TDR或FDR含水量探头、水势计、土壤溶液采样器等)，用于多种理化指标的原位综合测定。

(2)本发明通过系统的整体密封防渗、防止地下土壤水分进入，能够在野外建立水文独立、水源明确的农田原状土柱渗漏水监测系统，并可实施渗漏水样的动态采样，结合污染物浓度分析结果，可计算得到地块尺度养分和农药随地下径流的迁移通量及其动态变化。

(3)本发明所述设备可拆解，因而可易地重复使用。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为筒盖的主视图；

图3为筒盖的俯视图；

图4为筒体的主视图；

图5为筒体的俯视图；

图6为渗漏过滤仓的透视图；

图7为渗漏过滤仓的俯视图；

图8为渗漏过滤仓的内部结构示意图；

图9为底座的透视图；

图10为底座的俯视图；

图11为底座的仰视图；

图12为水箱的透视图；

图13为水箱的俯视图；

图14为导流管的一个实施例的示意图；

图15为本发明中的一个实施例的连接结构示意图。

图中附图标记：1、原状土盛放筒体；2、渗漏过滤仓；3、导流管；4、水箱；5、采样管；6、排水管；7、水位计；8、筒盖；9、引流管；10、采样池；11、箱体；12、底座；13、周向壳体；14、顶板；15、透水孔；16、第一水管；17、第二水管；18、上部壳筒；19、浮子；20、指示杆；21、筒壁；22、加强U形不锈钢槽；23、连接板；24、底部开口的加强板；25、底座周壁；26、顶板；27、加强板；28、底板；29、不锈钢管；30、不锈钢螺纹软管；31、多孔加强板；32、上部不锈钢连接板；33、防水密封胶；34、硅胶密封垫片；35、下部不锈钢连接板；36、不锈钢螺栓。

具体实施方式

针对现有农田土壤水、肥、药渗漏研究所需实用设备的不足，本发明提供了一种农田土壤渗漏水原位监测采样装置，其用于直接原位监测农田渗漏水动态，研究水、肥、药等在土壤-水-作物界面的迁移规律及影响因素。

如图1至图15，本发明提供了一种农田土壤渗漏水原位监测采样装置，包括：原状土柱渗漏方箱和自记流量水箱，其中，原状土柱渗漏方箱包括不锈钢方筒筒体1(即原状土盛放筒体)、渗漏水过滤砂石仓2(即渗漏过滤仓)、和底座12；自记流量水箱包括水箱4、采样池(10)、采样管5、排水管6和水位计7。

不锈钢方筒筒体1位于渗漏水过滤砂石仓2的上方，导流管3的一端与渗漏水过滤砂石仓2内的T型不锈钢引流管(9)的出水口相连，导流管3的另一端与水箱4的不锈钢引流弯管的进水口相连。采样管5的下端刀式管口插入水箱4内采样池10中，同其内底面相接触。排水管6的下端刀式管口插入水箱4箱体11内，同其内底面相接触，水位计7安装在水箱4内。

请参考图2和图3，本发明中的筒盖8的上表面处可安装多个加强U形不锈钢槽22，以防止筒盖8变形、起拱。

请参考图4和图5，本发明中的筒体1包括筒壁21和加强U形不锈钢槽22，其中，筒壁21的上下两端向外突出地焊接有连接板23，以便于与筒盖8及渗漏水过滤砂石仓2连接。筒壁21的外侧壁上沿周向还设置有多个加强U形不锈钢槽22，加强U形不锈钢槽22可防止环刀发生侧向变形，用于环刀吊装及翻转过程中缆绳的固定。

请参考图6、图7和图8，本发明中的渗漏水过滤砂石仓2包括周向壳体13和顶板14，顶板上开设有多个透水孔15，顶板与周向壳体的顶部开口焊接，渗漏水过滤砂石仓2的截面为梯形，上底为10cm，下底为15cm的直角梯形，在渗漏水过滤砂石仓2的内部平行的设置有多个底部开口的加强板24，以做加固支撑用，在渗漏水过滤砂石仓2的下端向外突出的焊接有连接板23，以便于与底座12连接。

请参考图9、图10和图11，底座12的截面为梯形，上底为15cm，下底为10cm的直角梯形，以确保与渗漏水过滤砂石仓相连后底部水平。底座7包括底座周壁25，其上表面安装有顶板26。在底座周壁25的内部，平行地设置有多个加强板27，且在底座周壁24的下开口一侧设置有底板28，以作加固支撑用。

请参考图1，本发明的制作安装过程如下：

1)按照筒体1的内径尺寸，在试验田中取原状土柱，由上方套入筒体1，安装筒盖8，在筒体1底部下方20cm处截断土柱，侧翻、取出筒体1，将其倒置于附近平地。如图2和图3所示，筒盖8的上表面处可安装多个加强U形不锈钢槽22，以防止筒盖8变形、起拱。例如，可安装四个加强U形不锈钢槽22，这四个加强U形不锈钢槽22可排列成“丰”字形。

2)平整原状土柱底面，使其与筒体1的底部齐平，铺放尼龙网，安装渗漏水过滤砂石仓2，然后按细砂、粗砂、卵石的顺序在渗漏过滤仓2内填装反滤层，最后用尼龙网包裹T型不锈钢引流管9。

3)将渗漏水过滤砂石仓2底部的连接板23同底座12的顶板26相连，翻转整个渗漏方箱部分，去除筒盖8，由上方向渗漏方箱中加水检查其防水密封性，修补可能发现的漏水处。

4)划定渗漏方箱和自记流量水箱在试验田中的安装位置，浇筑混凝土平台基座，然后将渗漏方箱和自记流量水箱置于平台上相应位置，用导流管3连接两者，再次在渗漏方箱中浇水检查整个装置的导流是否畅通、是否漏水，若发现漏水须及时进行密封补漏处理。

5)在导流管3的两侧和上部用实心砖砌挡墙(底部为混凝土平台)，避免回填方箱时周边土壤重力压损导流管3。

6)回填土壤时，按照土壤发育层次依次回填分层挖出的土壤，直至整个开挖部分完全填平，并注意渗漏方箱顶面与试验田原地平面土壤齐平，至此，农田土壤渗漏水原位监测采样系统建造完毕，可供使用。

使用时，水由筒体1向下流动进入渗漏过滤仓2中，依次经过渗漏过滤仓2的顶板14和反滤层过滤后，通过T型不锈钢引流管9汇集渗漏水，由导流管3流入水箱4中。当需要采样时，可将手持采样泵与水箱4上端的出水口可拆卸地连接，关闭排水管阀门，打开采样管阀门，从而将进入水箱采样池10内的水抽取上来。这样，便可实现对土壤渗漏水的原位连续监测和采样，能完整反映农田土壤渗漏水通量的动态变化规律，依据水箱箱体中水位的测定及排水量，估算总渗漏量。

由于采用了上述技术方案，本发明设计合理、构造简单，可用于农田土壤中渗漏过程、养分和农药淋失等综合定量测定，开展水、肥、药耦合管理措施的控制试验，为农田生源要素的优化配置、减少农药残留、淋失迁移与作物吸收提供数据支撑，为评估水土环境污染风险提供研究手段。

如图1至图11，不锈钢方筒筒体1与筒盖8和渗漏水过滤砂石仓2的连接板、渗漏水过滤砂石仓2与底座12的连接板开设有多个螺栓孔，其孔径为1.2cm、孔间距为10.4cm。

如图6和图7所示，渗漏水过滤砂石仓2包括周向壳体13和顶板14，顶板14上开设有多个透水孔15，透水孔15的孔径为0.8cm、孔间距2cm。顶板14与周向壳体13的顶部开口焊接，且渗漏水过滤砂石仓2的底部相对水平面倾斜地设置。周向壳体13的截面呈直角梯形，可以自流状态汇集整个土柱的渗漏水。

如图8所示，渗漏水过滤砂石仓2的底部开口的加强板24上焊有一个多孔T型不锈钢引流管，用于渗漏水的导出(仰视图)。渗漏水过滤砂石仓2的下端向外突出的加焊有4cm长的连接板23，用于钻孔、使用不锈钢螺栓与底座12的顶板26连接。渗漏水过滤砂石仓2内填装反滤层，防止泥沙物质进入渗漏水汇流采样系统。

在一个更优选地实施例中，请参考图8，T型不锈钢引流管9由第一水管16和第二水管17焊接而成，且第一水管16和第二水管17上均开设有进水孔，第二水管17的远离第一水管16的一端(出水口)位于渗漏水过滤砂石仓2的周向壳体13外侧，同导流管相连。在图14所示的导流管3实施例中，所述渗漏方箱和自记流量水箱之间使用一根不锈钢管29配合两根不锈钢螺纹软管30(导流管)进行连接，以避免长期试验中土壤的不均匀沉降对系统可能造成的导流管扭曲、弯折破坏等影响，导流管的自记流量水箱一侧略低，以使渗漏水呈自流状态进入水箱。

请参考图12和图13，优选地，本发明中的水箱4包括箱体11、中空的上部壳筒18和采样池10，上部壳筒18的下端与箱体11的上表面连接，且上部壳筒18的内部与箱体11连通，采样池10安装在上部壳筒18的内壁，采样管5的下端插入采样池10中，水位计7安装在上部壳筒18内。优选地，同导流管3连接的水箱4的不锈钢引流弯管的出水口插入采样池10内。当水由导流管3流出后，首先流入采样池10中，当采样池10被盛满后，水样由采样池10溢出而向下流入下部的箱体11中。优选地，农田土壤渗漏水原位监测采样装置还包括排水管6，安装于上部壳筒18内，且排水管6的下端插入箱体11内部。这样，当水位计7检测到水位到达预定的高度时，试验人员使可通过排水管6的上端出水口利用水泵等抽水装置将箱体11内的水排出。优选地，箱体11的长为0.6m，宽为0.6m，高为0.4m；上部壳筒15的长宽均为0.1m。水箱4整体密封防渗，顶部加焊不锈钢挡雨翻盖。上部壳筒18内距其底部1cm处，在其内侧壁上，焊接长宽均为5cm、高7cm的采样池10。采样管5的直径可以为1cm；排水管6的直径可以为2.5cm。采样管5和排水管6的底部为刀式管口，分别接触采样池10内底面和箱体11的内底面。上部壳筒18高出地表的最大积水高度至少在30cm以上(避免田面水流入水箱)，以此来决定上部壳筒18的总长度。

在图11所示的实施例中，优选地，水位计7包括浮子19和竖直设置的指示杆20，指示杆20的下端与浮子19连接，上部壳筒18的内壁上形成有水位刻度。这样，当在浮子19的作用下使指示杆20(例如钢丝绳等)向上运动时，便可在水位刻度上反应出当前的水位。于是，试验人员可在上部壳筒18的上端开口处，观察到当前水位，以确定是否需要通过排水管6向外排水。

在另一个未图示的实施例中，本发明中的水位计还可以采用电子方式(例如压力式或电容式)，其在检测到水位到达预定高度值时，通过无线发射模块向试验人员发送一条信息，例如，可以是短消息，也可以是其他手机APP的应用推送消息等，帮助试验人员及时进行采样和排水处理。

如图12所示，箱体11内部还设置有多个平行的多孔加强板31，避免箱体11上部填土后受压破损。

请参考图15，筒体1与渗漏水过滤砂石仓2之间，渗漏水过滤砂石仓2与底座12之间在连接时，通过图15所示的连接结构实现。如图15所示，渗漏方箱各部分之间的连接处由上至下依次为不锈钢板32(即各连接板)、防水密封胶33、硅胶密封垫片34、防水密封胶33、不锈钢板35(即各连接板)，用不锈钢螺栓36整体固定，以达到渗漏计整体密封防渗的效果，避免地下外来水分对渗漏水通量测定与样品采集的影响。

优选地，本发明中的渗漏方箱和自记流量水箱均使用不锈钢板材，针对不同的土壤类型(酸性、碱性、中性)和地下水文条件(常年淹水、干旱、半干旱等)可在不锈钢板材表面使用不同功能的涂层(耐磨损涂层、耐化学腐蚀涂层、抗氧化涂层等)。

本发明安装简便、施工成本低，开挖、回填破坏面小，安装好后可马上展开农田土壤渗漏水的监测和采样分析。此外，该系统可拆解，易地安装使用。