本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)水土工程
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種基于物聯(lián)網(wǎng)的非飽和土壤水分入滲自動測量系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
：水分入滲是土壤水分研究的重要內(nèi)容，其決定了降雨或灌溉水進(jìn)入土壤的數(shù)量，支配著土壤水動態(tài)，影響到水分的收支，以及深層貯水。研究土壤水分的入滲過程對“四水”(大氣水、地表水、土壤水、地下水)轉(zhuǎn)化關(guān)系和農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉有重要的意義。影響土壤水分入滲的主要因素為入滲水頭、入滲溶液濃度、土壤初始含水率、容重、土壤含鹽量、土壤質(zhì)地等。土壤水分入滲是水分從地表進(jìn)入到土壤中的過程，是土壤水分補充的重要方式，同時土壤水分入滲率也是進(jìn)行徑流計算和灌溉灌水器選擇的基礎(chǔ)。因此準(zhǔn)確獲取土壤水分入滲率對于研究流域水文循環(huán)過程和農(nóng)田水文循環(huán)過程具有基礎(chǔ)性的作用。2015年，政府工作報告中首次提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，農(nóng)業(yè)水利行業(yè)積極響應(yīng)國家號召，開展了各種形式的水利互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新活動，計劃將傳統(tǒng)水利行業(yè)研究方法與現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)水利工程施工及科研領(lǐng)域的信息化、智能化、自動化。目前針對野外土壤水分入滲率的測量方法主要有兩種：一種是進(jìn)行田間測量的雙環(huán)入滲法，一種是馬氏瓶供水土柱法，無論是田間還是室外土壤水分入滲過程實驗，目前還沒有真正實現(xiàn)從實驗方案制定、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存取的無縫連接。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明提供了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的非飽和土壤水分入滲自動測量系統(tǒng)和方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)無法自動記錄土壤水分入滲過程，人力物力成本高的技術(shù)問題。第一方面，本發(fā)明的實施例提供了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的非飽和土壤水分入滲自動測量系統(tǒng)，包括馬氏瓶、升降機(jī)、土柱、重力傳感器、水分傳感器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)采集傳輸裝置和終端設(shè)備；所述馬氏瓶放置在所述升降機(jī)上，所述升降機(jī)用于調(diào)節(jié)所述馬氏瓶的進(jìn)氣口的高度，所述馬氏瓶的出水口與所述土柱的入水口相連，用于向所述土柱供水，所述馬氏瓶的進(jìn)氣口安裝有電磁閥，所述計數(shù)器連接在所述電磁閥與所述終端設(shè)備之間，所述終端設(shè)備用于根據(jù)所述計數(shù)器預(yù)設(shè)的時間控制所述電磁閥的開啟及關(guān)閉；所述重力傳感器設(shè)置在所述土柱的底部，用于測量所述土柱質(zhì)量的變化，所述水分傳感器包括多個探頭，多個所述探頭分別插入所述土柱的不同位置，用于測量所述土柱中土壤含水率的變化，所述重力傳感器及所述水分傳感器均通過信號線將測量得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置，所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置與所述終端設(shè)備相連，用于對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到土壤水分入滲率數(shù)據(jù)，并將所述土壤水分入滲率數(shù)據(jù)傳輸至所述終端設(shè)備以供查詢。優(yōu)選地，所述馬氏瓶的頂部設(shè)置有圓孔，所述圓孔中設(shè)置有橡皮塞，所述橡皮塞中安裝有三角漏斗，所述三角漏斗的管壁上安裝有進(jìn)水閥，所述三角漏斗用于給所述馬氏瓶加水，所述馬氏瓶的進(jìn)氣口和出水口分別設(shè)置在所述馬氏瓶的底部的兩側(cè)，所述進(jìn)氣口的外部與所述電磁閥之間安裝有進(jìn)氣閥，所述出水口的外部安裝有出水閥，所述馬氏瓶的出水口與所述土柱的入水口之間通過橡皮軟管相連。優(yōu)選地，所述土柱包括用于裝填土壤的有機(jī)玻璃柱體和透氣底板，所述土柱的入水口設(shè)置在所述有機(jī)玻璃柱體的上部，所述透氣底板上設(shè)置有多個透氣孔，所述有機(jī)玻璃柱體的一側(cè)按照預(yù)設(shè)間距設(shè)置有多個通孔，每個所述通孔中均插入一個所述水分傳感器的探頭。優(yōu)選地，每個所述通孔中還設(shè)置有一個密封圈，所述通孔與所述探頭之間通過所述密封圈進(jìn)行密封，制作所述密封圈的材料包括有機(jī)硅酮硅膠。優(yōu)選地，所述升降機(jī)為渦輪絲桿升降機(jī)，所述渦輪絲桿升降機(jī)的底部設(shè)置有固定板，所述渦輪絲桿升降機(jī)的頂部設(shè)置有升降臺，所述升降臺用于放置所述馬氏瓶，所述渦輪絲桿升降機(jī)的渦輪通過蝸桿與手輪相連，并由所述手輪帶動旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置包括信號采集器、數(shù)據(jù)記錄儀和信號發(fā)送設(shè)備，所述信號采集器用于接收所述重力傳感器及所述水分傳感器測量得到的數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)記錄儀用于對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到土壤水分入滲率數(shù)據(jù)，所述信號發(fā)送設(shè)備包括無線信號發(fā)射器和/或移動存儲器，用于將所述土壤水分入滲率數(shù)據(jù)發(fā)送出去。優(yōu)選地，所述終端設(shè)備包括電腦終端、手機(jī)終端和打印機(jī)，所述電腦終端及所述手機(jī)終端上安裝有應(yīng)用軟件，用于將所述土壤水分入滲率數(shù)據(jù)以列表或曲線的形式展示給用戶查詢，所述打印機(jī)與所述電腦終端及所述手機(jī)終端相連，用于以紙質(zhì)文件的形式輸出數(shù)據(jù)。第二方面，本發(fā)明的實施例還提供了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的非飽和土壤水分入滲自動測量方法，包括：根據(jù)實驗設(shè)定的土壤容重向土柱內(nèi)填土；根據(jù)實驗設(shè)定的濃度配置溶液，裝入馬氏瓶；將所述馬氏瓶放置在升降機(jī)上，根據(jù)實驗設(shè)定的水頭調(diào)節(jié)所述升降機(jī)的高度；終端設(shè)備根據(jù)計數(shù)器預(yù)設(shè)的時間控制所述馬氏瓶上電磁閥開啟，使所述馬氏瓶向所述土柱供液；利用重力傳感器測量所述土柱質(zhì)量的變化，利用水分傳感器測量所述土柱中土壤含水率的變化，并將測量得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集傳輸裝置；所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到土壤水分入滲率數(shù)據(jù)，并將所述土壤水分入滲率數(shù)據(jù)傳輸至所述終端設(shè)備以供查詢；測量結(jié)束后，終端設(shè)備根據(jù)計數(shù)器預(yù)設(shè)的時間控制所述馬氏瓶上電磁閥關(guān)閉。優(yōu)選地，所述利用重力傳感器測量所述土柱質(zhì)量的變化，利用水分傳感器測量所述土柱中土壤含水率的變化的步驟，包括：利用所述重力傳感器采集電壓信號，并將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為質(zhì)量信號；根據(jù)所述質(zhì)量信號計算所述土柱在預(yù)設(shè)時間的質(zhì)量變化量；利用所述水分傳感器檢測所述土柱中不同高度處的電導(dǎo)率信號；根據(jù)所述電導(dǎo)率信號計算所述土柱中不同高度處的土壤含水率變化量。優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到土壤水分入滲率數(shù)據(jù)的步驟，包括：根據(jù)所述土柱在預(yù)設(shè)時間的質(zhì)量變化量計算累計入滲量；根據(jù)所述土柱中不同高度處的土壤含水率變化量計算濕潤鋒；建立所述累計入滲量、所述濕潤鋒與所述土壤容重、所述溶液的濃度、所述水頭之間的多元非線性模型；對所述多元非線性模型進(jìn)行多元回歸分析，得到土壤水分入滲率數(shù)據(jù)。本發(fā)明基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了實驗的自動開始和停止，以及實驗數(shù)據(jù)的自動記錄、傳輸、時時查看，極大減少了實驗工作量。所述土壤水分入滲自動測量系統(tǒng)功能齊全，安裝使用方便，可以實現(xiàn)不同溶液濃度、不同土壤初始含水率、不同土壤容重、不同入滲水頭條件下的水分入滲過程實驗，具有自動化、高效率、實時性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等優(yōu)點，對于層狀土、均質(zhì)土均適用。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對本發(fā)明實施例的描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明實施例提供的基于物聯(lián)網(wǎng)的非飽和土壤水分入滲自動測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例中馬氏瓶的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實施例中土柱的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實施例中升降機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明實施例中數(shù)據(jù)采集傳輸裝置和終端設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明實施例提供的基于物聯(lián)網(wǎng)的非飽和土壤水分入滲自動測量方法的流程圖；圖7a、圖7b、圖7c分別是本發(fā)明實施例中水分入滲濕潤鋒、累計入滲量、入滲率與時間關(guān)系圖；圖8a、圖8b、圖8c、圖8d分別是本發(fā)明實施例中累計入滲量與入滲水頭、入滲溶液濃度、土壤初始含水率、土壤容重關(guān)系圖。具體實施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明的實施例提供了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的非飽和土壤水分入滲自動測量系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括馬氏瓶1、升降機(jī)2、土柱3、重力傳感器4、水分傳感器5、計數(shù)器6、數(shù)據(jù)采集傳輸裝置7和終端設(shè)備8；馬氏瓶1放置在升降機(jī)2上，升降機(jī)2用于調(diào)節(jié)馬氏瓶1的進(jìn)氣口的高度，馬氏瓶1的出水口與土柱3的入水口相連，用于向土柱3供水，馬氏瓶1的進(jìn)氣口安裝有電磁閥101，計數(shù)器6連接在電磁閥101與終端設(shè)備8之間，終端設(shè)備8用于根據(jù)計數(shù)器6預(yù)設(shè)的時間控制電磁閥101的開啟及關(guān)閉；重力傳感器4設(shè)置在土柱3的底部，用于測量土柱3質(zhì)量的變化，水分傳感器5包括多個探頭，多個所述探頭分別插入土柱3的不同位置，用于測量土柱3中土壤含水率的變化，重力傳感器4及水分傳感器5均通過信號線將測量得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集傳輸裝置7，數(shù)據(jù)采集傳輸裝置7與終端設(shè)備8相連，用于對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到土壤水分入滲率數(shù)據(jù)，并將所述土壤水分入滲率數(shù)據(jù)傳輸至終端設(shè)備8以供查詢。這里的水分傳感器5也可以采用溶質(zhì)傳感器。在本發(fā)明實施例中，終端設(shè)備8根據(jù)設(shè)定的實驗開始和結(jié)束時間向電磁閥101發(fā)送指令，以此實現(xiàn)實驗的自動開始和停止；重力傳感器4以及水分傳感器5通過信號線連接到數(shù)據(jù)采集傳輸裝置7上，將原始測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與土壤水分入滲相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后通過傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到終端設(shè)備8，最終實現(xiàn)土壤水分入滲過程的自動記錄和數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了實驗的自動開始和停止，以及實驗數(shù)據(jù)的自動記錄、傳輸、時時查看，極大減少了實驗工作量。所述土壤水分入滲自動測量系統(tǒng)功能齊全，安裝使用方便，可以實現(xiàn)不同溶液濃度、不同土壤初始含水率、不同土壤容重、不同入滲水頭條件下的水分入滲過程實驗，具有自動化、高效率、實時性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等優(yōu)點，對于層狀土、均質(zhì)土均適用。優(yōu)選地，如圖2所示，馬氏瓶1的頂部設(shè)置有圓孔，所述圓孔中設(shè)置有橡皮塞102，橡皮塞102中安裝有三角漏斗103，三角漏斗103的管壁上安裝有進(jìn)水閥104，三角漏斗103用于給馬氏瓶1加水，馬氏瓶1的進(jìn)氣口和出水口分別設(shè)置在馬氏瓶1的底部的兩側(cè)，所述進(jìn)氣口的外部與電磁閥101之間安裝有進(jìn)氣閥105，所述出水口的外部安裝有出水閥106，馬氏瓶1的出水口與土柱3的入水口之間通過橡皮軟管107相連。作為本發(fā)明實施例的一種具體實現(xiàn)方式，所述馬氏瓶高1m，直徑25cm，頂部開一直徑25mm的圓孔插入橡皮塞102，馬氏瓶1的底部左側(cè)開一直徑2mm進(jìn)氣孔，進(jìn)氣孔外接進(jìn)氣閥105和電磁閥101，馬氏瓶1的底部右側(cè)開一直徑5mm出水口，出水口外部安裝出水閥106。實驗開始前，關(guān)閉進(jìn)氣閥105和出水閥106，打開進(jìn)水閥104，通過三角漏斗103向馬氏瓶1加水；加滿水后關(guān)閉進(jìn)水閥104，打開出水閥106，這時有少量水從出水口流出，等到出水口不再有水流出，說明馬氏瓶1內(nèi)外壓強相同，關(guān)閉進(jìn)氣閥105；實驗開始后打開進(jìn)水閥104和進(jìn)氣閥105，終端設(shè)備8根據(jù)計數(shù)器6設(shè)定的開啟、關(guān)閉時間，向電磁閥101發(fā)送指令，以此實現(xiàn)入滲試驗的自動開始和結(jié)束。優(yōu)選地，如圖3所示，土柱3包括用于裝填土壤的有機(jī)玻璃柱體301和透氣底板302，土柱3的入水口設(shè)置在有機(jī)玻璃柱體301的上部，透氣底板302上設(shè)置有多個透氣孔，有機(jī)玻璃柱體301的一側(cè)按照預(yù)設(shè)間距設(shè)置有多個通孔，每個所述通孔中均插入一個水分傳感器5的探頭。進(jìn)一步地，每個所述通孔中還設(shè)置有一個密封圈303，所述通孔與所述探頭之間通過密封圈303進(jìn)行密封，制作密封圈303的材料包括有機(jī)硅酮硅膠。優(yōu)選地，圖1中的重力傳感器4為盤式重力傳感器，其上放置一托盤(防止?jié)B漏的水分對傳感器造成損壞)，托盤上面放置裝填好的土柱3。作為本發(fā)明實施例的一種具體實現(xiàn)方式，有機(jī)玻璃柱體301高120cm，直徑25cm，柱體一側(cè)每間隔5cm開一直徑1cm圓形通孔，用于插入水分傳感器5的探頭，柱體底部的透氣底板是為了減少水分下滲過程中空氣阻力對水分入滲的影響。根據(jù)實驗設(shè)定的土壤容重每5cm填土壓實作為非飽和帶,土壤表面距離有機(jī)玻璃柱體301上沿預(yù)留20cm作為入滲積水層。所述有機(jī)硅酮硅膠密封圈用于防止入滲水分流出。優(yōu)選地，如圖4所示，所述升降機(jī)為渦輪絲桿升降機(jī)，所述渦輪絲桿升降機(jī)的底部設(shè)置有固定板201，所述渦輪絲桿升降機(jī)的頂部設(shè)置有升降臺202，升降臺202用于放置所述馬氏瓶，所述渦輪絲桿升降機(jī)的渦輪203通過蝸桿204與手輪205相連，并由手輪205帶動旋轉(zhuǎn)。具體地，所述渦輪絲桿升降機(jī)還包括蝸輪軸206、齒輪207、齒輪軸208、升降軸209、支座210等，通過轉(zhuǎn)動手輪205調(diào)整馬氏瓶的進(jìn)氣口高度，當(dāng)馬氏瓶高出土壤界面至設(shè)定水頭時，此時馬氏瓶進(jìn)氣口與土壤表面之間的高度差即為入滲水頭。這里水頭的單位是m，水頭即為任意斷面處單位重量水的能量，等于比能(單位質(zhì)量水的能量)除以重力加速度。優(yōu)選地，如圖5所示，數(shù)據(jù)采集傳輸裝置7包括信號采集器701、數(shù)據(jù)記錄儀702和信號發(fā)送設(shè)備，信號采集器701用于接收重力傳感器及水分傳感器測量得到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄儀702用于對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到土壤水分入滲率數(shù)據(jù)，所述信號發(fā)送設(shè)備包括無線信號發(fā)射器703和/或移動存儲器704(例如u盤)，用于將所述土壤水分入滲率數(shù)據(jù)發(fā)送出去。具體地，重力傳感器和水分/溶質(zhì)傳感器通過信號線與各自的信號采集器701相連，所采集的電壓信號或者電導(dǎo)率信號通過信號線傳輸?shù)叫盘柌杉?01，信號采集器701可根據(jù)實驗要求設(shè)定不同采樣間隔(2秒-1小時不等)；信號采集器701與數(shù)據(jù)記錄儀702通過信號線相連接，數(shù)據(jù)記錄儀702將接受到的電壓數(shù)據(jù)、電導(dǎo)率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成累計入滲量、濕潤鋒、入滲率等數(shù)據(jù)，通過無線信號發(fā)射器703或移動存儲器704(在不具備無線信號或無線信號故障的情況下)兩種方式發(fā)送出去。優(yōu)選地，如圖5所示，終端設(shè)備8包括電腦終端801、手機(jī)終端802和打印機(jī)803，電腦終端801及手機(jī)終端802上安裝有應(yīng)用軟件，用于將所述土壤水分入滲率數(shù)據(jù)以列表或曲線的形式展示給用戶查詢，打印機(jī)803與電腦終端801及手機(jī)終端802相連，用于以紙質(zhì)文件的形式輸出數(shù)據(jù)。所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件可以根據(jù)時間自動命名或者用戶自定義命名，并以excel或txt格式導(dǎo)出。綜上所述，本發(fā)明實施例所提供的土壤水分入滲自動測量系統(tǒng)功能齊全，安裝使用方便，適用范圍廣，具有自動化、高效率、實時性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等優(yōu)點。本發(fā)明的實施例還提供了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的非飽和土壤水分入滲自動測量方法，該方法基于本發(fā)明實施例所提供的土壤水分入滲自動測量系統(tǒng)，如圖6所示，所述方法包括以下步驟：根據(jù)實驗設(shè)定的土壤容重向土柱內(nèi)填土；根據(jù)實驗設(shè)定的濃度配置溶液，裝入馬氏瓶；將所述馬氏瓶放置在升降機(jī)上，根據(jù)實驗設(shè)定的水頭調(diào)節(jié)所述升降機(jī)的高度；終端設(shè)備根據(jù)計數(shù)器預(yù)設(shè)的時間控制所述馬氏瓶上電磁閥開啟，使所述馬氏瓶向所述土柱供液；利用重力傳感器測量所述土柱質(zhì)量的變化，利用水分傳感器測量所述土柱中土壤含水率的變化，并將測量得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集傳輸裝置；所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到土壤水分入滲率數(shù)據(jù)，并將所述土壤水分入滲率數(shù)據(jù)傳輸至所述終端設(shè)備以供查詢；測量結(jié)束后，終端設(shè)備根據(jù)計數(shù)器預(yù)設(shè)的時間控制所述馬氏瓶上電磁閥關(guān)閉。本發(fā)明所提供的土壤水分入滲自動測量方法能夠模擬不同溶液濃度、不同土壤初始含水率、不同土壤容重、不同入滲水頭等條件對水分入滲過程的影響，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，再結(jié)合混合均勻設(shè)計實驗方案，能夠?qū)崿F(xiàn)實驗的自動開始和停止，以及實驗數(shù)據(jù)的自動記錄、傳輸、時時查看，極大減少了實驗工作量，對于層狀土、均質(zhì)土均適用。優(yōu)選地，所述利用重力傳感器測量所述土柱質(zhì)量的變化，利用水分傳感器測量所述土柱中土壤含水率的變化的步驟，包括：利用所述重力傳感器采集電壓信號，并將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為質(zhì)量信號；根據(jù)所述質(zhì)量信號計算所述土柱在預(yù)設(shè)時間的質(zhì)量變化量；利用所述水分傳感器檢測所述土柱中不同高度處的電導(dǎo)率信號；根據(jù)所述電導(dǎo)率信號計算所述土柱中不同高度處的土壤含水率變化量。優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到土壤水分入滲率數(shù)據(jù)的步驟，包括：根據(jù)所述土柱在預(yù)設(shè)時間的質(zhì)量變化量計算累計入滲量；根據(jù)所述土柱中不同高度處的土壤含水率變化量計算濕潤鋒；建立所述累計入滲量、所述濕潤鋒與所述土壤容重、所述溶液的濃度、所述水頭之間的多元非線性模型；對所述多元非線性模型進(jìn)行多元回歸分析，得到土壤水分入滲率數(shù)據(jù)。下面以一個具體的實施例對本發(fā)明方法進(jìn)行詳細(xì)的闡述。首先，采用uniformdesign5.0均勻設(shè)計軟件安排實驗方案，在本發(fā)明一個實施方案中，影響水分入滲率的因素為土壤容重、初始含水率、入滲水頭、入滲溶液濃度4個因素，由均勻設(shè)計表1選擇1、3、4、5列作為四個因素的實驗方案，在本發(fā)明的另一種實驗方案中，土壤容重、入滲水頭取5個水平，初始含水率以及溶液濃度取10個水平，由于兩組因素水平不相同，為此可根據(jù)混合均勻設(shè)計思想，將兩個相鄰水平合并為一個水平，則最終的實驗方案如表2所示。表1u10*(108)使用表表2混合均勻設(shè)計表具體地，土壤水分入滲過程中濕潤鋒、累計入滲量、入滲率的具體計算過程如下：第一步：將重力傳感器采集的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成土柱質(zhì)量變化數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)記錄儀根據(jù)以下公式將采集的電壓信號u轉(zhuǎn)換成質(zhì)量信號m(k、α為設(shè)定參數(shù))。m＝ku+α(1.1)第二步：計算t時刻土柱質(zhì)量變化量。δm＝mt-m0(1.2)式中：δm為土柱質(zhì)量變化量(kg)；mt為t時刻土柱質(zhì)量(kg)；m0為土柱初始質(zhì)量(kg)。第三步：計算t時刻累計入滲量和濕潤鋒。累計入滲量為測量時間段內(nèi)土柱單位面積上的入滲水量(cm)，其計算公式如下：式中：it為t時段內(nèi)土壤累計入滲量(cm)；vt為t時段內(nèi)進(jìn)入土壤中的水量(從馬氏瓶流出水的體積，cm3)；a為土柱的內(nèi)截面積(cm2)；ρ為馬氏瓶溶液密度。當(dāng)水分到達(dá)探頭位置，水分傳感器探頭周邊的土壤含水率會發(fā)生變化，含水率開始變化的時間即為該點濕潤鋒對應(yīng)的時間。假定累計入滲量、濕潤鋒與時間滿足式冪函數(shù)關(guān)系：i＝ktω+b(1.4)z＝ktν+b(1.5)式中：i為累計入滲量；z為濕潤鋒；k和k分別為累計入滲量和濕潤鋒模型的系數(shù)，ω和ν為時間的指數(shù)，b和b為常數(shù)。根據(jù)重力傳感器獲得的n個時間點t1,t2,t3,...tn-1,tn以及對應(yīng)的累計入滲量i1,i2,i3,...in-1,in，采用matla參數(shù)擬合工具箱cftool對其進(jìn)行擬合，便可獲得累計入滲量與時間關(guān)系模型。同樣將n個水分傳感器含水率開始變化的時間t1,t2,t3,...tn-1,tn以及水分傳感器在土柱所對應(yīng)的位置(從上到下)，采用matlab參數(shù)擬合工具箱cftool對其進(jìn)行擬合，便可獲得式中濕潤鋒與時間關(guān)系模型。第四步：建立濕潤鋒、累計入滲量多元非線性模型。假定濕潤鋒、累計入滲量與溶液濃度、水頭、初始含水率、土壤容重滿足如下關(guān)系：z＝kcαhβθφγμtω(1.7)式中，z為濕潤鋒，c為溶液濃度(g/l)，h為水頭(cm)；θ為含水率；γ為容重(g/cm3)；t為入滲時間(min)；k為濕潤鋒模型系數(shù)，k為累計入滲量模型系數(shù)；α,β,φ,μ,ω分別為濕潤鋒模型影響因素所對應(yīng)的指數(shù)；分別為累計入滲量模型影響因素所對應(yīng)的指數(shù)。由于入滲率是累計入滲量(對時間t)的導(dǎo)數(shù)，對式(1.8)進(jìn)行求導(dǎo)，可得入滲率公式：第五步：多元回歸分析.對式(1.7)和式(1.8)兩邊取對數(shù)得：logz＝logk+αlogc+βlogh+φlogθ+μlogγ+ωlogt(1.10)實例1：10組實驗所對應(yīng)的入滲溶液濃度、入滲水頭、土壤初始含水率、土壤容重如表3所示，將表2數(shù)據(jù)與10組重力傳感器實測的累計入滲量，水分傳感器測得的濕潤鋒數(shù)據(jù)分別代入式(1.7)、式(1.8)，對其按照式(1.10)和式(1.11)進(jìn)行多元回歸分析，得式(1.12)、式(1.13)所示濕潤鋒、累計入滲量與溶液濃度、水頭、初始含水率、土壤容重關(guān)系函數(shù)關(guān)系式，將參數(shù)代入式(1.9)得入滲率公式(1.14)。z＝1.868c-0.326h0.261θ-0.0365γ-0.0182t0.569(1.12)i＝1.107c-0.302h0.224θ-0.0205γ-0.0126t0.503(1.13)i＝1.107c-0.302h0.224θ-0.0205γ-0.0126t-0.493(1.14)表3與10水平混合均勻設(shè)計表實驗編號濃度/g/l含水率/％水頭/cm容重/g.cm-31253.01.352486.01.4536111.51.34834.51.4551067.51.361291.51.4714124.51.2581647.51.491873.01.251020106.01.35使用上述系統(tǒng)測量出的水分入滲濕潤鋒、累計入滲量、入滲率與時間關(guān)系如圖7a、圖7b、圖7c所示，累計入滲量與入滲水頭、入滲溶液濃度、土壤初始含水率、土壤容重關(guān)系如圖8a、圖8b、圖8c、圖8d所示。綜上所述，本發(fā)明所提供的土壤水分入滲自動測量方法能夠模擬不同溶液濃度、不同土壤初始含水率、不同土壤容重、不同入滲水頭等條件對水分入滲過程的影響，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，再結(jié)合混合均勻設(shè)計實驗方案，能夠?qū)崿F(xiàn)實驗的自動開始和停止，以及實驗數(shù)據(jù)的自動記錄、傳輸、時時查看，極大減少了實驗工作量，對于層狀土、均質(zhì)土均適用。以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12