一种水位波动条件下通江湖泊湿地土壤含水率监测装置与方法

摘要

本发明提供了一种水位波动条件下通江湖泊湿地土壤含水率监测装置与方法，它包括用于对整个装置进行支撑安装的承载板；所述承载板的左右两侧分别呈对称布置有用于带动整个装置移动的车轮；所述承载板的顶部一侧设置有活动空腔，所述活动空腔的内设置有用于对土壤进行采用的采样装置，所述承载板上，并位于采样装置的侧面设置有用于土样检测的工作系统。能在湖泊水位波动条件下对湿地土壤进行取样并测定含水率，并能在较短时间内得到检测结果，为湖泊治理提供可靠的数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水位波动条件下通江湖泊湿地土壤含水率监测装置与方法，属于土壤检测设备技术领域。

背景技术

水分是生命之源，是生物赖以生存的必备条件之一。在一个区域内，土壤含水率的多少直接影响着区域内作物的生长情况，也是影响作物品质和产量的重要因素之一。因此，土壤合适的水分是植物生存的关键因素。土壤含水率的检测是控制土壤水分的关键技术。通过科学方法检测出的土壤含水量是实现对土壤含水量控制的依据。若能对土壤含水量实施精确检测，不仅有利于植物的生长，同时对实现精确灌溉和节约水资源有非常重要的意义。

常用的土壤含水量检测方法包括烘干法、张力计法、中子仪法、介电法等。烘干法是采集土壤样品，将样品加热至恒重，计算水分损失量和含水率。张力计是一种结构简单、价格低廉的测量仪器，但使用时需根据一定曲线来换算成土壤含水率。由于土壤内部物理性不同，对土壤水分有较大影响，且土壤水分具有多种能态，因此用张力计法测量土壤含水率通常会产生较大误差，特别是在极端水分含量情况下。除此之外，该方法本身存在的滞后响应，影响测量速度。中子仪法可测量大体积土壤的水分含量，可在不破坏土壤结构的前提下，定点连续反复监测，还可快速准确地得到该样点土壤水分的动态运动规律；但中子仪垂直分辨率较差，对农作物生长关系密切的浅层土壤含水量难以测量，同时仪器价格昂贵。在测量时，易造成辐射泄漏而对人体产生危害，因此其使用与推广受到了较大的限制。介电法是利用土壤的介电特性对土壤的含水率进行测量的一种方法。主要包含：微波吸收法、频域分解法、高频电容法、时域反射法以及驻波率法等。综上，烘干法是成本最低、最安全的一种检测方法。

公开号为CN205538541U的中国专利公开了一种便携式土样含水率测定仪，包括箱体，箱体内分别安装有称重器和烘干器，称重器上设置有质量读数显示器，称重器上设置有置物盒一，烘干器上设置有置物盒二；还包括一个转杆，转杆一端与置物盒一连接，转杆另一端与置物盒二连接。虽然该实用新型携带方便、一体化操作便捷、精度较高；将称重、显示、烘干一体化，减去人为误差同时提高效率方便使用，但该装置存在安全隐患。

公开号为CN103592248A的中国专利公开了一种土壤含水率的比色测定方法，以0.1～30g/L六水氯化钴的有机溶液为显色剂浸提待测土壤样品，去除固体物质，得待测溶液，在380～680nm的波长下，测定上述待测溶液的吸光度；根据上步所得吸光度在已建立的吸光度-土壤含水率标准曲线上查找对应的土壤含水率；或者将上步所得吸光度代入到已建立的吸光度-土壤含水率标准曲线方程，求得对应的土壤含水率。该发明的测水分方法不受土壤种类、成分、容重、扰动等的影响，误差可控制在2%以下，是一种普适性土壤墒情检测方法；既适用于在野外现场速测，也适用于实验室快速测定土样水分，但后期进行吸光度值的读取时和算式代换时，可能会有误差。

公开号为CN104407021A的中国专利公开了一种土壤含水率测量装置。该装置包括电源、传感器探头、保护电阻和数据采集仪。测量含水率时需在现场将传感器探头放至指定位置，测量该位置电阻率，经过数据采集仪采集测量数据，不同的电阻率会造成不同的测量电压，最后通过电压-含水率曲线测得对应的含水率。但电阻的大小受土壤质地影响较大，例如颗粒分布、温差等因素，所以可能导致测量结果的误差也很大。

在对湖泊湿地土壤进行土壤含水率检测时，需要对其地表以下的深层土壤和河道内的土壤进行抽样检测，车辆在勘察场地行驶不方便，且湖泊水位波动使得采样环境更为复杂，对勘测产生不利影响。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种水位波动条件下通江湖泊湿地土壤含水率监测装置与方法，操作简单方便，能在湖泊水位波动条件下对湿地土壤进行取样并测定含水率，并能在较短时间内得到检测结果，为湖泊治理提供可靠的数据。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种水位波动条件下通江湖泊湿地土壤含水率监测装置，它包括用于对整个装置进行支撑安装的承载板；所述承载板的左右两侧分别呈对称布置有用于带动整个装置移动的车轮；所述承载板的顶部一侧设置有活动空腔，所述活动空腔的内设置有用于对土壤进行采用的采样装置，所述承载板上，并位于采样装置的侧面设置有用于土样检测的工作系统。

所述承载板呈长方体，所述车轮安装在轮辊上，所述轮辊转动安装在承载板上，所述车轮共有四个，所述车轮的外缘设置有均布的防滑齿。

所述承载板的底端两侧对称加工有放置槽，所述放置槽内部安装有转轴，所述转轴上连接有支撑杆，所述支撑杆外侧设有螺旋，所述车轮和支撑杆组合以适应复杂的地形。

所述采样装置包括固定杆，所述固定杆上安装有可旋转的万用夹，所述万用夹固定住中空螺纹杆，所述中空螺纹杆内部设有推杆，所述推杆延伸出中空螺纹杆顶端，所述推杆底端固定有推动块，所述推动块设在中空螺纹杆内部，所述推动块外端粘贴有橡胶圈，所述橡胶圈设在中空螺纹杆环形内壁上。

所述工作系统包括检测台，所述检测台通过螺栓与承载板固定连接，所述检测台中心处设置有加热槽，所述加热槽内部设置有红外线烘干仪和温度传感器，所述红外线烘干仪上方设置有样品盒，所述样品盒下方设有支撑架，所述支撑架和检测台之间设置有压力传感器，所述样品盒外部设有密封腔，所述密封腔上设置有密封门，所述密封门上有把手，所述密封腔顶部设有排气管，所述排气管上设有排气阀。

所述采样装置能够对较深位置的土壤采样，采样完成后，通过向下按压推杆使得推动块运动至中空螺纹杆底部，从而将采样土壤推出至样品盒内，防止影响下一处土壤检测的精度。

所述样品盒上方设有搅拌杆，所述搅拌杆上方连接联轴器，所述联轴器的上方安装有电机，所述电机安装在防护罩内，所述防护罩的左侧外壁上安装有开关，所述防护罩焊接在密封腔顶部。

所述所述电机通过联轴器带动搅拌杆在样品盒内不断转动，保证土壤受热均匀，同时将土壤破碎，加快水分蒸发。

所述密封腔顶部设置有压力显示屏和温度显示屏，用以显示压力传感器和温度传感器的读数。

适用于水位波动条件下通江湖泊湿地土壤含水率监测装置的使用方法，它包括以下步骤：

Step1：本装置在实际使用时，将本装置放置在地面上，使防滑齿与地面接触，此时采样装置处于地面上方，然后向下移动采样装置的中空螺纹杆至土壤内部需求深度，此时中空螺纹杆内部的土壤即为采样土壤，然后向上移动中空螺纹杆，由于采样土壤具有湿度，故采样土壤粘附在中空螺纹杆内部，从而与中空螺纹杆一起向上运动，将中空螺纹杆从活动空腔中取出；

Step2：用万用夹固定夹住中空螺纹杆，接着打开密封腔的密封门，抽出样品盒，然后将采样装置围绕固定中空螺纹杆的万用夹转动，从而将采样装置转动至合适角度，便于将采样土壤推至样品盒内，然后按压推杆，从而带动推动块运动，进而带动橡胶圈沿着中空螺纹杆内部运动，当推动块运动至中空螺纹杆底部时，推动块将采样土壤推至样品盒内，同时橡胶圈沿着中空螺纹杆内壁运动将中空螺纹杆内部清理干净，重复上下推拉推杆多次，使中空螺纹杆内的土壤全部落在样品盒内，从而防止对下一处土壤检测时，由于上一处土壤存在于中空螺纹杆内部而影响检测精度；

Step3：将样品盒放入密封腔内后，关上密封门，记录下温度显示屏和压力显示屏读数，打开排气管上的排气阀，开启红外线烘干仪对土壤样品进行加热，土壤中的水分不断蒸发并通过排气管排出，然后打开防护罩上的开关，启动电机，电机通过联轴器带动搅拌杆开始不断转动，保证土壤受热均匀，同时将土壤破碎，加快水分蒸发，加热一段时间后，当压力显示屏的读数保持恒定一段时间，关闭红外线烘干仪、排气阀和开关，记录下温度显示屏和压力显示屏的读数，根据压力显示屏的读数计算干燥土壤的重量，然后计算含水率；

Step4：完成该处土壤含水率的检测后，取出样品盒内的土壤样本，关闭密封门，开启红外线烘干仪和排气阀，加热3-5分钟，进一步排出密封腔里的水蒸气，防止影响下一次检测结果精度，然后使用采样装置对下一测点进行取样检测，得到该测点的土壤含水率，直到完成所有检测。

本发明有如下有益效果：

1、本发明在车轮上设有防滑齿，让装置避免陷入淤泥中，且车轮和支撑杆的配合使用可使本装置有效适应河道内复杂的地形，且可在水位波动条件下测定湖泊湿地土壤含水率。

2、采样装置可对地表以下的深层土壤和河道内的土壤进行采样，通过向下按压推杆使得推动块将采样土壤推出，然后通过工作系统对采样土壤进行检测分析，防止影响下一处土壤检测的精度。

3、采用电机通过联轴器带动搅拌杆不断转动，既可减轻工作人员劳动量，也可保证土壤受热均匀，同时将土壤破碎，加快水分蒸发，缩短检测时间，有效提高土壤检测效率。

4、装置的使用和操作简单方便，将土壤采样和含水率检测集为一体，能有效对湖泊湿地土壤进行取样检测，为后续的湖泊治理提供可靠的依据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明装置整体结构示意图。

图2为本发明装置中工作系统俯视图。

图3为本发明装置的图1中A局部放大图。

图4为本发明装置中车轮的结构示意图。

图5为湖泊水位与土壤含水率变化关系。

图中：1承载板、2采样装置、3工作系统、4车轮、5轮辊、6放置槽、7活动空腔、8转轴、9支撑杆、10螺旋、11固定杆、12万用夹、13推杆、14中空螺纹杆、15橡胶圈、16推动块、17检测台、18加热槽、19红外线烘干仪、20温度传感器、21样品盒、22支撑架、23压力传感器、24搅拌杆、25联轴器、26电机、27防护罩、28开关、29螺栓、30密封腔、31密封门、32把手、33排气管、34排气阀、35温度显示屏、36压力显示屏、37防滑齿。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-5，一种水位波动条件下通江湖泊湿地土壤含水率监测装置，它包括用于对整个装置进行支撑安装的承载板1；所述承载板1的左右两侧分别呈对称布置有用于带动整个装置移动的车轮4；所述承载板1的顶部一侧设置有活动空腔7，所述活动空腔7的内设置有用于对土壤进行采用的采样装置2，所述承载板1上，并位于采样装置2的侧面设置有用于土样检测的工作系统3。通过采用上述监测装置，其操作简单方便，能在湖泊水位波动条件下对湿地土壤进行取样并测定含水率，并能在较短时间内得到检测结果，为湖泊治理提供可靠的数据。

进一步的，所述承载板1呈长方体，所述车轮4安装在轮辊5上，所述轮辊5转动安装在承载板1上，所述车轮4共有四个，所述车轮4的外缘设置有均布的防滑齿37。通过车轮4保证了其能够正常的行走。

进一步的，所述承载板1的底端两侧对称加工有放置槽6，所述放置槽6内部安装有转轴8，所述转轴8上连接有支撑杆9，所述支撑杆9外侧设有螺旋10，所述车轮4和支撑杆9组合以适应复杂的地形。

进一步的，所述采样装置2包括固定杆11，所述固定杆11上安装有可旋转的万用夹12，所述万用夹12固定住中空螺纹杆14，所述中空螺纹杆14内部设有推杆13，所述推杆13延伸出中空螺纹杆14顶端，所述推杆13底端固定有推动块16，所述推动块16设在中空螺纹杆14内部，所述推动块16外端粘贴有橡胶圈15，所述橡胶圈15设在中空螺纹杆14环形内壁上。具体使用过程中，当需要采样时，采样装置2处于地面上方，然后向下移动采样装置2的中空螺纹杆14至土壤内部需求深度，此时中空螺纹杆14内部的土壤即为采样土壤，然后向上移动中空螺纹杆14，由于采样土壤具有湿度，故采样土壤粘附在中空螺纹杆14内部，从而与中空螺纹杆14一起向上运动，将中空螺纹杆14从活动空腔7中取出。

进一步的，所述工作系统3包括检测台17，所述检测台17通过螺栓29与承载板1固定连接，所述检测台17中心处设置有加热槽18，所述加热槽18内部设置有红外线烘干仪19和温度传感器20，所述红外线烘干仪19上方设置有样品盒21，所述样品盒21下方设有支撑架22，所述支撑架22和检测台17之间设置有压力传感器23，所述样品盒21外部设有密封腔30，所述密封腔30上设置有密封门31，所述密封门31上有把手32，所述密封腔30顶部设有排气管33，所述排气管33上设有排气阀34。通过上述的工作系统3能够实现含水率的测量。工作过程中，将样品盒21放入密封腔30内后，关上密封门31，记录下温度显示屏35和压力显示屏36的读数，打开排气管33上的排气阀34，开启红外线烘干仪19对土壤样品进行加热，土壤中的水分不断蒸发并通过排气管33排出，然后打开防护罩27上的开关28，启动电机26，电机26通过联轴器25带动搅拌杆24开始不断转动，保证土壤受热均匀，同时将土壤破碎，加快水分蒸发，加热一段时间后，当压力显示屏36的读数保持恒定5分钟时，关闭红外线烘干仪19、排气阀34和开关28，记录下温度显示屏35和压力显示屏36的读数，根据压力显示屏36的读数计算干燥土壤的重量，然后计算含水率。

进一步的，所述采样装置2能够对较深位置的土壤采样，采样完成后，通过向下按压推杆13使得推动块16运动至中空螺纹杆14底部，从而将采样土壤推出至样品盒21内，防止影响下一处土壤检测的精度。

进一步的，所述样品盒21上方设有搅拌杆24，所述搅拌杆24上方连接联轴器25，所述联轴器25的上方安装有电机26，所述电机26安装在防护罩27内，所述防护罩27的左侧外壁上安装有开关28，所述防护罩27焊接在密封腔30顶部。

进一步的，所述所述电机26通过联轴器25带动搅拌杆24在样品盒21内不断转动，保证土壤受热均匀，同时将土壤破碎，加快水分蒸发。

进一步的，所述密封腔30顶部设置有压力显示屏36和温度显示屏35，用以显示压力传感器23和温度传感器20的读数。

实施例2：

适用于水位波动条件下通江湖泊湿地土壤含水率监测装置的使用方法，它包括以下步骤：

Step1：本发明装置在实际使用时，将本发明装置放置在地面上，使防滑齿37与地面接触，从而有效提高本发明与地面的稳固性，此时采样装置2处于地面上方，然后向下移动采样装置2的中空螺纹杆14至土壤内部需求深度，此时中空螺纹杆14内部的土壤即为采样土壤，然后向上移动中空螺纹杆14，由于采样土壤具有湿度，故采样土壤粘附在中空螺纹杆14内部，从而与中空螺纹杆14一起向上运动，将中空螺纹杆14从活动空腔7中取出。

Step2：用万用夹12固定夹住中空螺纹杆14，接着打开密封腔30的密封门31，抽出样品盒21，然后将采样装置2围绕固定中空螺纹杆14的万用夹12转动，从而将采样装置2转动至合适角度，便于将采样土壤推至样品盒21内，然后按压推杆13，从而带动推动块16运动，进而带动橡胶圈15沿着中空螺纹杆14内部运动，当推动块16运动至中空螺纹杆14底部时，推动块16将采样土壤推至样品盒21内，同时橡胶圈15沿着中空螺纹杆14内壁运动将中空螺纹杆14内部清理干净，可重复上下推拉推杆13为1-3次，使中空螺纹杆14内的土壤全部落在样品盒21内，从而防止对下一处土壤检测时，由于上一处土壤存在于中空螺纹杆14内部而影响检测精度。

Step3：将样品盒21放入密封腔30内后，关上密封门31，记录下温度显示屏35和压力显示屏36的读数，打开排气管33上的排气阀34，开启红外线烘干仪19对土壤样品进行加热，土壤中的水分不断蒸发并通过排气管33排出，然后打开防护罩27上的开关28，启动电机26，电机26通过联轴器25带动搅拌杆24开始不断转动，保证土壤受热均匀，同时将土壤破碎，加快水分蒸发，加热一段时间后，当压力显示屏36的读数保持恒定5分钟时，关闭红外线烘干仪19、排气阀34和开关28，记录下温度显示屏35和压力显示屏36的读数，根据压力显示屏36的读数计算干燥土壤的重量，然后计算含水率。

Step4：完成该处土壤含水率的检测后，取出样品盒21内的土壤样本，关闭密封门31，开启红外线烘干仪19和排气阀34，加热3-5分钟，进一步排出密封腔30里的水蒸气，防止影响下一次检测结果精度，然后使用采样装置2对下一测点进行取样检测，得到该测点的土壤含水率，直到完成所有检测。

将本发明装置用于监测某通江湖泊湿地土壤含水率，综合考虑土壤质地和地形地貌等，采取等距取样法，设计取样方案，每个取样点的面积大小相等，取样深度为15～20cm，使用本发明装置检测每个取样点的土壤含水率之后取平均值，图5为湖泊水位与土壤含水率变化关系。由图5可知，当湖泊水位无明显变化时，土壤含水率也保持在较稳定状态，没有较大起伏，当湖泊水位明显上升时，土壤含水率也会上升，整体波动较小，对水位的响应有滞后效果。

实施例3：

在使用本发明装置测定湖泊土壤含水率时，为了避免水体在检测前接触采样装置中的中空螺纹杆进而影响后续的检测结果，本发明装置在对河道土壤取样时，应进行水上作业，本发明装置的使用方法包括以下步骤：

Step1：将采样装置2向上移动至承载板1顶端，用万用夹12固定夹住采样装置2，然后将四根支撑杆9从放置槽6里取出，通过转轴8调节支撑杆9的角度，使支撑杆9插入湖底泥土中，然后通过螺旋10调节四根支撑杆9的长度，使整个装置保持稳定且水平，便于后续采集土壤样本和测定土壤含水率。

Step2：此时采样装置2处于湖面上方，松开万用夹12，然后向下移动采样装置2的中空螺纹杆14至土壤内部需求深度，此时中空螺纹杆14内部的土壤即为采样土壤，然后向上移动中空螺纹杆14，由于采样土壤具有湿度，故采样土壤粘附在中空螺纹杆14内部，从而与中空螺纹杆14一起向上运动，将中空螺纹杆14从活动空腔7中取出。

Step3：用万用夹12固定夹住中空螺纹杆14，接着打开密封腔30的密封门31，抽出样品盒21，然后将采样装置2围绕固定中空螺纹杆14的万用夹12转动，从而将采样装置2转动至合适角度，便于将采样土壤推至样品盒21内，然后按压推杆13，从而带动推动块16运动，进而带动橡胶圈15沿着中空螺纹杆14内部运动，当推动块16运动至中空螺纹杆14底部时，推动块16将采样土壤推至样品盒21内，同时橡胶圈15沿着中空螺纹杆14内壁运动将中空螺纹杆14内部清理干净，可重复上下推拉推杆13为1-3次，使中空螺纹杆14内的土壤全部落在样品盒21内，从而防止对下一处土壤检测时，由于上一处土壤存在于中空螺纹杆14内部而影响检测精度。

Step4：将样品盒21放入密封腔30内后，关上密封门31，记录下温度显示屏35和压力显示屏36的读数，打开排气管33上的排气阀34，开启红外线烘干仪19对土壤样品进行加热，土壤中的水分不断蒸发并通过排气管33排出，然后打开防护罩27上的开关28，启动电机26，电机26通过联轴器25带动搅拌杆24开始不断转动，保证土壤受热均匀，同时将土壤破碎，加快水分蒸发，加热一段时间后，当压力显示屏36的读数保持恒定5分钟时，关闭红外线烘干仪19、排气阀34和开关28，记录下温度显示屏35和压力显示屏36的读数，根据压力显示屏36的读数计算干燥土壤的重量，然后计算含水率。

Step5：完成该处土壤含水率的检测后，取出样品盒21内的土壤样本，关闭密封门31，开启红外线烘干仪19和排气阀34，加热3-5分钟，进一步排出密封腔30里的水蒸气，防止影响下一次检测结果精度，然后使用采样装置2对下一测点进行取样检测，得到该测点的土壤含水率，直到完成所有检测。