專利名稱：一種土壤水鹽運移過程的原位實時自動監(jiān)測系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種遠程原位實時自動監(jiān)測土壤鹽漬化災害的系統(tǒng)及方法，具體涉及一種土壤水鹽運移過程的原位實時自動監(jiān)測方法及系統(tǒng)，屬于地質災害預警領域。
背景技術：
土壤鹽漬化是指土壤底層或地下水的鹽分隨毛管水上升到地表，水分蒸發(fā)后，使鹽分積累在表層土壤中的過程。發(fā)生土壤鹽漬化后會造成土壤生態(tài)系統(tǒng)失衡，耕地資源退化，自然生態(tài)環(huán)境惡化，從而影響工農業(yè)生產(chǎn)以及人口素質和社會穩(wěn)定。在鹽漬化研究工作中，土壤水鹽運移的過程和水鹽運移的機理是研究的核心問題。目前對于水鹽運移的研究開展了很多工作，包括對土壤取樣分析其水鹽含量，水鹽模型的建立及驗證，TDR技術的研究與應用以及3S技術的運用來分析水鹽分布等。取樣分析方法雖然操作簡單，但是其消耗時間和人力并且對取樣地點具有一定的破壞性，建模方式能夠簡化研究過程，但其對具體條件的適用性較差。TDR使用方便、精度高、測定快速， 但是由于其探頭的限定，其只能測定某一處的水鹽含量，未能動態(tài)監(jiān)測土壤水鹽的運移。3S 技術可以分析出水鹽分布，但其不能對水鹽的動態(tài)運移進行監(jiān)測，且需要完善的遙感數(shù)據(jù)。因此一種能夠原位自動準確監(jiān)測土壤水鹽運移的簡便方法對于研究土壤水鹽運移過程顯得尤為重要。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供了一種土壤水鹽運移的原位實時自動監(jiān)測系統(tǒng)及方法，以克服現(xiàn)有技術的不足。本發(fā)明的技術構思是通過遠程、原位、實時、自動地測量土壤一定范圍內的電阻率值，根據(jù)電阻率的實時變動判斷水鹽的運移，從而實現(xiàn)水鹽運移過程的原位自動監(jiān)測。具體是鑄造一定規(guī)格尺寸的可插拔的尼龍模塊以及銅電極環(huán)，將其插接組成電阻率測量裝置， 測量裝置的銅電極環(huán)與采集發(fā)射裝置通過導線相連接，形成現(xiàn)場采集發(fā)射裝置?，F(xiàn)場采集發(fā)射裝置實時采集土壤中垂向的電阻率，并將信號發(fā)射至遠程接收分析裝置。根據(jù)土壤水鹽運移過程中電阻率的實時變化，經(jīng)過軟件分析可判斷土壤中水鹽的分布，從而原位實時自動監(jiān)測土壤水鹽運移過程?！N土壤水鹽運移過程的原位實時自動監(jiān)測系統(tǒng)，包括帶有信號接收器的上位機，其特征在于還包括底部和頂部分別設有錐頭和采集發(fā)射裝置的電阻率測量裝置；所述的電阻率測量裝置包括至少5個中空的可插拔的圓筒狀尼龍模塊和夾在相鄰兩個尼龍模塊對接縫內的銅電極環(huán)；所述的采集發(fā)射裝置包括通過導線與每個銅電極環(huán)連接的內含控制程序的中央控制單元，和與中央控制單元相連的帶有發(fā)射天線的GPRS模塊。上述電阻率測量裝置由5 201個中空的可插拔的尼龍模塊和夾在相鄰兩個尼龍模塊的對接縫內的銅電極環(huán)插接而成。為了保證電極之間的間距一致，使測量位置與高程的換算更加方便，每個銅電極環(huán)的厚度相同，為0. 5 1mm。為了便于組裝并有利于貫入，上述可插拔的尼龍模塊可以套置在1根或2根承力軸上，承力軸表面可以帶有螺紋，且管腔內澆筑有硫化橡膠，而使尼龍模塊、銅電極環(huán)以及導線成為整體。GPRS模塊是在900MHz/1800MHz網(wǎng)絡環(huán)境下的，天線為GSM天線。所述的作為遠程接收分析裝置的上位機內含客戶端服務程序。一種利用上述監(jiān)測系統(tǒng)對土壤水鹽運移過程進行原位實時自動監(jiān)測的方法，包括(1)在土壤鹽漬化易發(fā)地點選取樣點，其特征在于還包括以下步驟(2)對上述樣點取土樣，測定該土樣在不同鹽度下的電阻率值，繪制該樣點土壤鹽度及電阻率的對應曲線并得到土壤鹽度與電阻率的關系式；(3)將銅電極環(huán)與尼龍模塊相互插接而構成電阻率測量裝置；(4)在樣點處垂直貫入電阻率測量裝置；(5)通過上位機客戶端服務程序設置采集參數(shù)，并啟動原位實時自動監(jiān)測；(6)通過GPRS模塊將電阻率信號實時傳至上位機；(7)上位機經(jīng)信號接收器接收原位傳輸?shù)膶崟r電阻率信號，上位機的客戶端服務程序將實時信號繪制成電阻率動態(tài)變化曲線，并根據(jù)預設的對應曲線判斷水鹽運移過程。步驟1中，需要對鹽漬化易發(fā)生地點進行鹽漬化風險勘查評估；樣點的地質條件， 土壤類型，尤其是樣點的土壤電學性質可作為制備電阻率測量裝置的規(guī)格與數(shù)目的依據(jù)。步驟2中，通過對樣點的土樣進行淋洗或加鹽得到不同鹽度的土樣，分別對其電阻率進行測量，繪制鹽度與電阻率的對應曲線并求得其相關的土壤鹽度與電阻率的關系式作為判斷此地水鹽運移過程的標準。步驟3中，將尼龍模塊進行插接，每兩個尼龍模塊對接縫內夾一個銅電極環(huán)，每個銅電極環(huán)引出導線從尼龍模塊組成的管內通過與中央控制單元連接，管內可以插有1或2 根承力軸，再將管內澆注硫化橡膠，形成電阻率測量裝置，在其下部插接錐頭，在其上部插接采集發(fā)射裝置形成現(xiàn)場采集發(fā)射裝置。上述尼龍模塊的數(shù)量、高度與內外直徑可分別在5 201個、5 100mm、20 60mm 和30 70mm范圍內選取；尼龍模塊可以通過模具采用尼龍澆注的方法制作。上述銅電極環(huán)厚度為0. 5 Imm ；外徑31 71mm，需略大于尼龍模塊的外徑以便使銅電極環(huán)露出；內徑 27 67mm，需大于尼龍模塊的內徑從而可以夾在兩個尼龍模塊對接縫內。步驟4中，根據(jù)步驟1中調查的樣點情況垂直貫入相應數(shù)量的電阻率測量裝置，其中貫入方式為液壓貫入。步驟5中，采集參數(shù)包括采集頻率和銅電極環(huán)測量的起始位置，啟動原位實時自動監(jiān)測之后，電阻率測量裝置開始實時連續(xù)測量土壤電阻率。步驟7中，上位機將每個樣點每輪采集的實時電阻率信號根據(jù)深度(即不同深度的銅電極環(huán))繪制成電阻率曲線，將每個樣點各輪電阻率曲線疊加到同一個電阻率曲線圖中，可以動態(tài)分析不同深度處的土壤隨著水鹽運移的發(fā)生其電阻率的實時變化，再根據(jù)步驟2中繪制的鹽度與電阻率的對應曲線和相關的土壤鹽度與電阻率的關系式判斷各處的土壤含鹽率，從而原位實時監(jiān)測土壤的水鹽運移。
本發(fā)明可以根據(jù)樣點的具體情況設置尼龍模塊與銅電極環(huán)的規(guī)格與數(shù)目來改變電阻率測量裝置的長度，從而降低監(jiān)測成本。通過上位機遠程設置監(jiān)測起始時間、位置和監(jiān)測時間間隔實現(xiàn)了監(jiān)測過程的自動化。采集發(fā)射裝置將電阻率測量裝置測量的原位電阻率信號實時變化傳輸至客戶端，實現(xiàn)遠程原位監(jiān)測。本發(fā)明通過土壤電阻率的實時變化曲線直觀監(jiān)測土壤水鹽運移動態(tài)過程具有直觀性和實時性，且土壤水鹽含量與土壤電阻率具有良好相關關系，因而監(jiān)測結果具有準確性，因此本發(fā)明對于水鹽運移過程的監(jiān)測尤為適用。


圖1本發(fā)明的電阻率測量裝置與采集發(fā)射裝置的結構示意圖。圖2本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構示意圖。圖3本發(fā)明的兩個尼龍模塊及其之間的銅電極環(huán)的分解結構示意圖。圖4本發(fā)明的尼龍模塊的俯視圖(圖中含有承力軸)。圖5本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集過程流程圖。圖6本發(fā)明的數(shù)據(jù)接收程序流程圖。圖7東營海濱一處樣點的土壤鹽度及電阻率對應曲線。圖8本發(fā)明對圖7樣點的水鹽運移實時變化監(jiān)測曲線。其中，1.錐頭，2.銅電極環(huán)，3.尼龍模塊，4.導線，5中央控制單元，6. GPRS模塊， 7.發(fā)射天線，8.承力軸，9.電阻率測量裝置，10.采集發(fā)射裝置，11.信號接收器，12.上位機。
具體實施例方式如圖1、2所示，本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)包括帶有信號接收器11的上位機12，和底部與頂部分別設有錐頭1和采集發(fā)射裝置10的電阻率測量裝置9 ；所述的電阻率測量裝置9包括至少5個中空的可插拔的圓筒狀尼龍模塊3和夾在相鄰兩個尼龍模塊3對接縫內的銅電極環(huán)2 ；所述的采集發(fā)射裝置10包括通過導線4與每個銅電極環(huán)2連接的內含控制程序的中央控制單元5，和與中央控制單元5相連的帶有發(fā)射天線7的GPRS模塊6。上述電阻率測量裝置9由5 201個中空的可插拔的尼龍模塊3和夾在相鄰兩個尼龍模塊3的對接縫內的銅電極環(huán)2插接而成，如圖3所示。尼龍模塊的高度與內外直徑可分別在5 100mm、20 60mm和30 70mm范圍內選??；尼龍模塊3可以通過模具采用尼龍澆注的方法制作。為了保證電極之間的間距一致，使測量位置與高程的換算更加方便，每個銅電極環(huán)2的厚度相同，為0. 5 Imm ；外徑31 71mm，需略大于尼龍模塊3的外徑以便使銅電極環(huán)2露出；內徑27 67mm，需大于尼龍模塊3的內徑從而可以夾在兩個尼龍模塊對接縫內。為了便于組裝并有利于貫入，如圖4所示，上述可插拔的尼龍模塊3可以套置在1 根或2根承力軸8上，承力軸8表面可以帶有螺紋，且管腔內澆筑有硫化橡膠，而使尼龍模塊3、銅電極環(huán)2以及導線4成為整體。GPRS模塊6是在900MHz/1800MHz網(wǎng)絡環(huán)境下的，發(fā)射天線7為GSM天線。所述的作為遠程接收分析裝置的上位機12內含客戶端服務程序。利用上述監(jiān)測系統(tǒng)對土壤水鹽運移過程進行原位實時自動監(jiān)測的方法，包括以下步驟(1)對鹽漬化易發(fā)生地點進行鹽漬化風險勘查評估，選取樣點；根據(jù)樣點的地質條件，土壤類型，尤其是樣點的土壤電學性質，確定電阻率測量裝置9的規(guī)格與數(shù)目。(2)通過對樣點的土樣進行淋洗或加鹽得到不同鹽度的土樣，分別對其電阻率進行測量，繪制鹽度與電阻率的對應曲線并求得其相關的土壤鹽度與電阻率的關系式作為判斷此地水鹽運移過程的標準。(3)將銅電極環(huán)2與尼龍模塊3相互插接而構成電阻率測量裝置9 ；步驟3中，將尼龍模塊3進行插接，每兩個尼龍模塊3對接縫內夾一個銅電極環(huán)2，每個銅電極環(huán)2引出導線4從尼龍模塊3組成的管內通過與中央控制單元5連接，管內可以插有1或2根承力軸8，再將管內澆注硫化橡膠，形成電阻率測量裝置9，在其下部插接錐頭1，在其上部插接采集發(fā)射裝置10形成現(xiàn)場采集發(fā)射裝置。(4)根據(jù)步驟1中調查的樣點情況垂直貫入相應數(shù)量的電阻率測量裝置9，其中貫入方式為液壓貫入。(5)通過上位機客戶端服務程序設置包括采集頻率和銅電極環(huán)2測量的起始位置的采集參數(shù)，并啟動原位實時自動監(jiān)測，之后電阻率測量裝置9開始實時連續(xù)測量土壤電阻率。(6)通過GPRS模塊6將電阻率信號實時傳至上位機；(7)上位機12經(jīng)信號接收器11接收原位傳輸?shù)膶崟r電阻率信號，將每個樣點每輪采集的實時電阻率信號根據(jù)深度(即不同深度的電極環(huán))繪制成電阻率曲線，將每個樣點各輪電阻率曲線疊加到同一個電阻率曲線圖中，可以動態(tài)分析不同深度處的土壤隨著水鹽運移的發(fā)生其電阻率的實時變化，再根據(jù)步驟2中繪制的鹽度與電阻率的對應曲線和關系式判斷各處的土壤含鹽率，從而原位實時監(jiān)測土壤的水鹽運移。根據(jù)圖1電阻率測量裝置9測量電阻率的原理如下一組ffenner裝置由相鄰的四個電極組成，分別稱為A、M、N、B極，其中A、B為供電電極，M、N為測量電極，測量M、N電極之間的介質導電性，計算電阻率P如公式(1)、(2)所示。當一組Wermer裝置采集完畢后，向上依次滾動測量。
權利要求
1.一種土壤水鹽運移過程的原位實時自動監(jiān)測系統(tǒng)，包括帶有信號接收器(11)的上位機(12)，其特征在于還包括底部和頂部分別設有錐頭(1)和采集發(fā)射裝置(10)的電阻率測量裝置(9)；所述的電阻率測量裝置(9)包括至少5個中空的可插拔的圓筒狀尼龍模塊 (3)和夾在相鄰兩個尼龍模塊C3)對接縫內的銅電極環(huán)O)；所述的采集發(fā)射裝置(10)包括通過導線(4)與每個銅電極環(huán)( 連接的內含控制程序的中央控制單元(5)，和與中央控制單元(5)相連的帶有發(fā)射天線(7)的GPRS模塊(6)。
2.如權利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于上述電阻率采集裝置(9)由5 201個中空的可插拔的尼龍模塊C3)和夾在相鄰兩個尼龍模塊C3)的對接縫內的銅電極環(huán)(2)插接而成。
3.如權利要求1或2所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于上述尼龍模塊的高度與內外直徑分別在5 100mm、20 60mm禾Π 30 70mm范圍內。
4.如權利要求1或2所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于上述銅電極環(huán)厚度為0.5 1mm，外徑為31 71mm，內徑為27 67mm。
5.如權利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于上述可插拔的尼龍模塊(3)套置在1根或2根承力軸(8)上，且尼龍模塊C3)套成的管腔內澆筑有硫化橡膠，而使尼龍模塊(3)、銅環(huán)電極O)以及導線⑷成為整體。
6.一種利用權利要求1所述監(jiān)測系統(tǒng)對土壤水鹽運移過程進行原位實時自動監(jiān)測的方法，包括(1)在土壤鹽漬化易發(fā)地點選取樣點，其特征在于還包括以下步驟(2)對上述樣點取土樣，測定該土樣在不同鹽度下的電阻率值，繪制該樣點土壤鹽度及電阻率的對應曲線及相關關系式；(3)將銅電極環(huán)與尼龍模塊相互插接而構成電阻率測量裝置；(4)在樣點處垂直貫入電阻率測量裝置；(5)通過上位機客戶端服務程序設置采集參數(shù)，并啟動原位實時自動監(jiān)測；(6)通過GPRS模塊將電阻率信號實時傳至上位機；(7)上位機經(jīng)信號接收器接收原位傳輸?shù)膶崟r電阻率信號，上位機的客戶端服務程序將實時信號繪制成電阻率動態(tài)變化曲線，并根據(jù)預設的對應曲線判斷水鹽運移過程。
7.如權利要求6所述的監(jiān)測方法，其特征在于上述步驟2中，通過對樣點的土樣進行淋洗或加鹽得到不同鹽度的土樣，分別對其電阻率進行測量，繪制鹽度與電阻率的對應曲線及相關關系式作為判斷此地水鹽運移過程的標準。
8.如權利要求6所述的監(jiān)測方法，其特征在于上述步驟5中，設置的采集參數(shù)包括采集頻率和電極環(huán)測量的起始位置。
9.如權利要求6所述的監(jiān)測方法，其特征在于上述步驟7中，上位機首先將每個樣點每輪采集的實時電阻率信號根據(jù)深度繪制成電阻率曲線，再將每個樣點各輪電阻率曲線疊加到同一個電阻率曲線圖中，并動態(tài)分析不同深度處的土壤隨著水鹽運移的發(fā)生其電阻率的實時變化，然后根據(jù)步驟2中繪制的鹽度與電阻率的對應曲線和關系式判斷各處的土壤含鹽率，從而原位實時監(jiān)測土壤的水鹽運移。
全文摘要
一種土壤水鹽運移過程的原位實時自動監(jiān)測系統(tǒng)及方法，包括上位機、帶有GPRS模塊的采集發(fā)射裝置和由可插拔尼龍模塊及其之間的銅電極環(huán)構成的電阻率測量裝置；每個銅電極環(huán)通過導線與采集發(fā)射裝置內的中央控制單元連接。其監(jiān)測方法包括選取樣點；測定樣點土樣在不同鹽度下的電阻率值而繪制鹽度-電阻率曲線；上位機實時接收電阻率測量裝置的信號，并根據(jù)預設的對應曲線判斷水鹽運移過程。本發(fā)明結構簡單、使用方便，可以根據(jù)監(jiān)測地點的具體情況進行組合以降低監(jiān)測成本，結合無線傳輸技術通過上位機遠程操控采集發(fā)射裝置的以達到監(jiān)測過程的遠程、原位、實時、自動化，能夠廣泛應用于各種土壤條件，對于水鹽運移過程的監(jiān)測尤為適用。
文檔編號G01N27/04GK102305813SQ20111013694
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權日2011年5月25日
發(fā)明者付騰飛, 單海龍, 賈永剛 申請人:青島灘海工程咨詢研究院