基于物联网技术的地下水潜水蒸发测量系统的制作方法

本实用新型涉及农业水土工程技术领域，尤其涉及一种基于物联网技术的地下水潜水蒸发测量系统。

背景技术：

潜水蒸发是水循环的一个重要环节，潜水蒸发研究在盐渍化防治、地下水水资源评价、天然植被耗水估算、掌握农田及区域水循环规律等方面具有重要作用。特别是在地下水浅埋地区，潜水蒸发是地下水的主要消耗项之一，也是区域散蒸发的主要水分来源之一。潜水蒸发是指潜水向包气带输送水分，并通过土壤蒸发或(和)植物蒸腾进入大气的过程，潜水蒸发可使地下水的盐分积聚地表，形成土壤盐渍化。影响潜水蒸发的主要因素为地下水位埋深、蒸发强度、地下水矿化度、土壤质地。

针对潜水蒸发市场上有较多测量设备，但是目前大多测量系统都是针对单一因素，难以开展多因素与潜水蒸发响应关系这一过程，要开展多因素与潜水蒸发之间的响应关系，所需实验设备较多、费用较高、实验次数较多耗费人力物力较大等问题；另外，传统方法对于潜水蒸发量的测量一般是通过读取马氏瓶水位下降刻度的方法，而由于水分子表面张力的存在，使得水体与马氏瓶边壁形成一定夹角，同时由于光线穿过空气与有机玻璃会产生折射，这就导致肉眼观测的水位与实际水位有一定误差，进而导致实验精度较差；最后，对于蒸发强度较大的实验，实验数据采样间隔一般较小，采取人工读数的方法，需要有人长期盯着，比较耗时、耗力。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种基于物联网技术的地下水潜水蒸发测量系统，以解决现有技术无法自动记录地下水潜水蒸发过程，测量精度低，人力物力成本高的技术问题。

本实用新型的实施例提供了一种基于物联网技术的地下水潜水蒸发测量系统，包括马氏瓶、升降机、土柱、重力传感器、蒸发强度控制设备、数据采集传输装置和终端设备；

所述马氏瓶放置在所述升降机上，所述升降机用于调节所述马氏瓶的进气口的高度，所述重力传感器设置在所述马氏瓶的底部，用于测量所述马氏瓶的质量的变化，所述马氏瓶的出水口与所述土柱相连，用于向所述土柱供水，所述蒸发强度控制设备在所述土柱的上方，用于控制所述土柱的蒸发强度；

所述重力传感器通过信号线将测量得到的数据发送至所述数据采集传输装置，所述数据采集传输装置与所述终端设备相连，用于对接收到的数据进行处理，得到潜水蒸发数据，并将所述潜水蒸发数据传输至所述终端设备以供查询。

优选地，所述蒸发强度控制设备包括依次串联的碘钨灯、电源、滑动电阻器和开关，当所述开关闭合时，所述电源向所述碘钨灯供电，使所述碘钨灯为所述土柱提供热能，所述滑动电阻器用于通过改变自身电阻的大小来控制所述碘钨灯产生的热能的大小。

优选地，所述马氏瓶的顶部设置有圆孔，所述圆孔中设置有橡皮塞，所述橡皮塞中安装有三角漏斗，所述三角漏斗的管壁上安装有进水阀，所述三角漏斗用于给所述马氏瓶加水，所述马氏瓶的进气口和出水口分别设置在所述马氏瓶的底部的两侧，所述进气口的外部安装有进气阀，所述出水口的外部安装有出水阀，所述马氏瓶的出水口与所述土柱之间通过橡皮软管相连。

优选地，所述土柱包括用于装填土壤的有机玻璃柱体，所述有机玻璃柱体的一侧按照预设间距设置有多个通孔，每个所述通孔外焊接有一个玻璃细管，所述玻璃细管通过橡皮软管与所述马氏瓶相连。

优选地，所述升降机为涡轮丝杆升降机，所述涡轮丝杆升降机的底部设置有固定板，所述涡轮丝杆升降机的顶部设置有升降台，所述升降台用于放置底部安装有所述重力传感器的马氏瓶，所述涡轮丝杆升降机的涡轮通过蜗杆与手轮相连，并由所述手轮带动旋转。

优选地，所述重力传感器为盘式重力传感器，包括传感器主体和设置在所述传感器主体顶部的托盘，所述传感器主体放置在所述升降机上，所述托盘用于放置所述马氏瓶。

优选地，所述数据采集传输装置包括信号采集器、数据记录仪和信号发送设备，所述信号采集器用于接收所述重力传感器测量得到的数据，所述数据记录仪用于对接收到的数据进行处理，得到潜水蒸发数据，所述信号发送设备包括无线信号发射器和/或移动存储器，用于将所述潜水蒸发数据发送出去。

优选地，所述终端设备包括电脑终端、手机终端和打印机，所述电脑终端及所述手机终端上安装有应用软件，用于将所述潜水蒸发数据以列表或曲线的形式展示给用户查询，所述打印机与所述电脑终端及所述手机终端相连，用于以纸质文件的形式输出数据。

本实用新型基于物联网技术技术实现了实验数据的自动记录、传输、时时查看，极大减少了实验工作量，潜水蒸发自动测量系统中的高精度传感器提高了测量精度，通过考虑地下水矿化度对潜水蒸发的影响，进一步修正了潜水蒸发模型，使其更加符合地下水矿化度较高地区潜水蒸发过程。本实用新型能够模拟不同地下水位、蒸发强度、地下水矿化度对潜水蒸发的影响，对于层状土、均质土潜水蒸发均适用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的基于物联网技术的地下水潜水蒸发测量系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中蒸发强度控制设备的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中马氏瓶的结构示意图；

图4是本实用新型实施例中土柱的结构示意图；

图5是本实用新型实施例中升降机的结构示意图；

图6是本实用新型实施例中重力传感器的结构示意图；

图7是本实用新型实施例中数据采集传输装置和终端设备的结构示意图；

图8是本实用新型实施例提供的基于物联网技术的地下水潜水蒸发测量方法的流程图；

图9A、图9B和图9C分别是潜水蒸发与地下水矿化度、埋深、蒸发强度的关系图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的实施例提供了一种基于物联网技术的地下水潜水蒸发测量系统，如图1所示，包括马氏瓶1、升降机2、土柱3、重力传感器4、蒸发强度控制设备5、数据采集传输装置6和终端设备7；

其中，马氏瓶1放置在升降机2上，升降机2用于调节马氏瓶1的进气口的高度，重力传感器4设置在马氏瓶1的底部，用于测量马氏瓶1的质量的变化，马氏瓶1的出水口与土柱3相连，用于向土柱3供水，蒸发强度控制设备5设置在土柱3的上方，用于控制土柱3的蒸发强度；

重力传感器4通过信号线将测量得到的数据发送至数据采集传输装置6，数据采集传输装置6与终端设备7相连，用于对接收到的数据进行处理，得到潜水蒸发数据，并将所述潜水蒸发数据传输至终端设备7以供查询。

本实用新型基于物联网技术实现了对潜水蒸发过程的实时监控，以及对实验数据的自动记录、传输、时时查看，极大减少了实验工作量。本实用新型提供的潜水蒸发测量系统功能齐全，安装使用方便，能够模拟不同地下水位、蒸发强度、地下水矿化度对潜水蒸发的影响，对于层状土、均质土潜水蒸发均适用，具有自动化、高效率、实时性、经济性、可靠性等优点。

优选地，如图2所示，蒸发强度控制设备5包括依次串联的碘钨灯501、电源502、滑动电阻器503和开关504，当开关504闭合时，电源502向碘钨灯501供电，使碘钨灯501为土柱3提供热能，滑动电阻器503用于通过改变自身电阻的大小来控制碘钨灯501产生的热能的大小。

具体地，蒸发强度控制设备5采用额定功率为3000瓦的碘钨灯501作为热源，采用220V交流电源供电，根据功率与电阻的关系P＝U²/R，通过调整滑动电阻器503改变电阻大小来控制蒸发强度。

优选地，如图3所示，马氏瓶1的顶部设置有圆孔，所述圆孔中设置有橡皮塞101，橡皮塞101中安装有三角漏斗102，三角漏斗102的管壁上安装有进水阀103，三角漏斗102用于给马氏瓶1加水，马氏瓶1的进气口和出水口分别设置在马氏瓶1的底部的两侧，所述进气口的外部安装有进气阀104，所述出水口的外部安装有出水阀105，马氏瓶1的出水口与土柱3之间通过橡皮软管106相连。

作为本实用新型实施例的一种实现方式，马氏瓶1高1m，直径25cm，顶部开一直径25mm的圆孔。马氏瓶1底部左侧开一直径2mm进气孔，用于开启时使马氏瓶内外压强相同，马氏瓶1底部右侧开一直径5mm出水口，通过橡皮软管106与土柱3相连，用于向土柱3供水。实验开始前，关闭进气阀104和出水阀105，打开进水阀103，通过三角漏斗102向马氏瓶1加水。加满水后关闭进水阀103，打开出水阀105，这时有少量水从出水口流出，当出水口不再有水流出时，说明马氏瓶1内外压强相同，关闭进气阀104。实验开始后打开进气阀104和出水阀105，通过橡皮软管106，马氏瓶1的水不断流向土柱3。

优选地，如图4所示，土柱3包括用于装填土壤的有机玻璃柱体301，有机玻璃柱体301的一侧按照预设间距设置有多个通孔，每个所述通孔外焊接有一个玻璃细管302，玻璃细管302通过橡皮软管106与马氏瓶1相连。

作为本实用新型的一种具体实现方式，土柱3高200cm，直径25cm，一侧每间隔5cm开一直径0.8cm通孔，外焊接长2cm直径0.8的玻璃细管302，通过橡皮软管106与马氏瓶1相连，橡皮软管106与土柱3不同位置的玻璃细管302相连，可以模拟不同地下水位。这样通过调节马氏瓶1进气口与土柱3进水口齐平，能够保障地下水位恒定不变，避免了实验因蒸发导致的地下水位下降对实验的影响。根据设定的地下水位h(也就是土层厚度)，在土柱3下半部分H～h位置填满沙粒作为饱和带，在上部0～h部位根据实验设定的土壤容重每5cm填土压实作为非饱和带。

优选地，如图5所示，升降机2为涡轮丝杆升降机，所述涡轮丝杆升降机的底部设置有固定板201，所述涡轮丝杆升降机的顶部设置有升降台202，升降台202用于放置底部安装有重力传感器4的马氏瓶1，所述涡轮丝杆升降机的涡轮203通过蜗杆204与手轮205相连，并由手轮205带动旋转。

具体地，所述涡轮丝杆升降机还包括蜗轮轴206、齿轮207、齿轮轴208、升降轴209、支座210等。利用升降机2调整马氏瓶1进气口高度与土柱3中土-沙界面齐平，此时土柱3表面与马氏瓶2进气口之间的高度差即为地下水位埋深。

进一步地，如图6所示，重力传感器4为盘式重力传感器，包括传感器主体401和设置在传感器主体401顶部的托盘402，传感器主体401放置在升降机2上，托盘402用于放置马氏瓶1。托盘402用于防止马氏瓶1漏水情况下水分进入传感器。本实用新型实施例所采用的重力传感器为高精度重力传感器(精度0.02FS)，能够有效提高测量精度。

优选地，如图7所示，数据采集传输装置6包括信号采集器601、数据记录仪602和信号发送设备，信号采集器601用于接收所述重力传感器测量得到的数据，数据记录仪602用于对接收到的数据进行处理，得到潜水蒸发数据，所述信号发送设备包括无线信号发射器603和/或移动存储器604(例如U盘)，用于将所述潜水蒸发数据发送出去。

具体地，重力传感器4通过信号线与信号采集器701相连，所采集的电压信号通过信号线传输到信号采集器701，信号采集器701可根据实验要求设定不同采样间隔(2秒-1小时不等)；信号采集器701与数据记录仪702通过信号线相连接，数据记录仪702将接受到的电压数据转换成潜水蒸发相关的数据，通过无线信号发射器703或移动存储器704(在不具备无线信号或无线信号故障的情况下)两种方式发送出去。

进一步地，终端设备7包括电脑终端701、手机终端702和打印机703，电脑终端701及手机终端702上安装有应用软件，用于将所述潜水蒸发数据以列表或曲线的形式展示给用户查询，打印机703与电脑终端701及手机终端702相连，用于以纸质文件的形式输出数据。所产生的数据文件可以根据时间自动命名或者用户自定义命名，并以Excel或TXT格式导出。

综上所述，本实用新型实施例所提供的地下水潜水蒸发测量系统功能齐全，安装使用方便，适用范围广，具有自动化、高效率、实时性、经济性、可靠性等优点。

本实用新型的实施例还提供了一种基于物联网技术的地下水潜水蒸发测量方法，如图8所示，该方法包括：

根据实验设定的地下水位向土柱内填土；

根据实验设定的地下水矿化度配置溶液，装入马氏瓶；

根据实验设定的蒸发强度调节蒸发强度控制设备的蒸发强度；

将所述马氏瓶放置在升降机上，根据实验设定的埋深调节所述升降机的高度，使所述马氏瓶向所述土柱供液；

利用重力传感器检测所述马氏瓶质量的变化，并将测量得到的数据发送至数据采集传输装置；

所述数据采集传输装置对接收到的数据进行处理，得到潜水蒸发数据，并将所述潜水蒸发数据传输至所述终端设备以供查询。

本实用新型方法能够模拟不同地下水位、蒸发强度、地下水矿化度对潜水蒸发的影响，基于物联网技术，再结合混合均匀设计实验方案，能够实现实验数据的自动记录、传输、时时查看，极大减少了实验工作量。所述方法考虑了地下水矿化度对潜水蒸发的影响，更加符合地下水矿化度较高地区潜水蒸发过程，对于层状土、均质土潜水蒸发均适用。

优选地，所述数据采集传输装置对接收到的数据进行处理，得到潜水蒸发数据的步骤，包括：

将所述重力传感器采集的电压信号转换为质量信号；

根据所述质量信号计算所述马氏瓶在预设时间的质量变化量；

根据所述质量变化量计算累计蒸发量；

对不同预设时间的累计蒸发量进行参数拟合；

根据拟合出的参数建立潜水蒸发模型，并根据所述潜水蒸发模型得到潜水蒸发数据。

下面以一个具体的实施例对本实用新型方法进行详细的阐述。

首先，采用Uniform Design 5.0均匀设计软件安排实验方案，在本实用新型一个实施方案中，根据实验影响因素数量不同，可采取不同的实验方案，假设实验水平为8个，如果仅有2个实验因素，则选择表1中第1、3列；如果有3个实验因素，则选择表1中第1、3、4列安排实验方案；如果有4个实验因素，则选择表1中第1、2、3、5列安排实验方案；如果有5个实验因素，则选择表1中第1、2、3、4、5列安排实验方案。以地下水埋深、地下水矿化度、蒸发强度作为影响因素，采用均匀设计需8组实验，而采用传统方法，则需要8×8×8＝512次。

表1 U8*(8⁵)的使用表

实验开始前，根据实验设定的地下水矿化度配置溶液，将配置好的溶液装入马氏瓶作为补给地下水的溶液。

潜水蒸发具体计算过程如下：

第一步：将重力传感器测量得到的电压数据转换成马氏瓶质量变化数据。重力传感器采集的数据为电压信号，数据记录仪根据以下公式将采集的电压信号U转换成质量信号M(k,α为设定参数)。

M＝kU+α (1.1)

第二步：计算t时刻马氏瓶的质量变化量。

ΔM＝M₀-M_t (1.2)

式中：ΔM为马氏瓶质量变化量(kg)；M_t为t时刻马氏瓶质量(kg)；M₀为马氏瓶初始质量(kg)。

第三步：计算t时刻累计蒸发量。

累计蒸发量为测量时间段内土柱单位面积上的蒸发水量，其计算公式如下：

式中：EP_t为t时段内土壤累计蒸发量；V_t为t时段内从土壤中蒸发掉的水量(从马氏瓶流出水的体积)；A为有机玻璃土柱的内截面积；ρ为马氏瓶溶液密度。

第四步：t时刻潜水蒸发量。

假定累计潜水蒸发量与时间满足幂函数关系：

E_P＝λt^φ+b (1.4)

式中：E_P为累计潜水蒸发量；λ为模型系数，φ为模型指数，b为常数。

第五步：参数拟合。

可根据式(1.4)获得n组不同时刻的累积潜水蒸发量E₁,E₂,E₃,...E_n-1,E_n，以及对应的n组时间，t₁,t₂,t₃,...t_n-1,t_n，采用matlab参数拟合工具箱cftool对其进行拟合，便可获得式中参数λ、φ和b。

第六步：建立潜水蒸发模型。

潜水蒸发为累计潜水蒸发量对时间的导数，如下：

将式(1.4)代入式(1.5)，可得如下累计入渗量的计算公式：

E_s＝λφt^φ-1 (1.6)

此外，本实用新型还考虑了地下水矿化度对潜水蒸发的影响，在传统潜水蒸发经验公式(1.7)的基础上改进。

式中，ET₀为蒸发强度(水面蒸发)，μ为给水度；η和β分别为水面蒸发和地下水埋深的指数。

考虑了地下水矿化度对潜水蒸发的影响后，潜水蒸发与地下水埋深、地下水矿化度、蒸发强度关系如下：

式中，ω为地下水矿化度的指数，C₀为地下水矿化度影响潜水蒸发临界值，当C＞C₀，矿化度对潜水蒸发有影响，而当C＜C₀认为矿化度对潜水蒸发没有影响。

实例1：8组实验所对应的地下水埋深、地下水矿化度、蒸发强度以及稳定蒸发时的潜水蒸发量见表2所示，给水度取0.025，C₀取0.5g/L，将8组实验数据代入上述公式，对其进行参数拟合，得式(1.9)所示潜水蒸发与地下水埋深、地下水矿化度、蒸发强度函数关系式。

表2潜水蒸发实测值与计算值

使用上述系统及方法测量出的潜水蒸发与地下水矿化度、埋深、蒸发强度的关系如图9A、图9B和图9C所示。

综上所述，本实用新型方法能够模拟不同地下水位、蒸发强度、地下水矿化度对潜水蒸发的影响，基于物联网技术，再结合混合均匀设计实验方案，能够实现实验数据的自动记录、传输、时时查看，极大减少了实验工作量。所述方法考虑了地下水矿化度对潜水蒸发的影响，更加符合地下水矿化度较高地区潜水蒸发过程，对于层状土、均质土潜水蒸发均适用。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。