一体化系统环境监测论文提纲

论文题目：基于EC和pH的肥料浓度监测方法与装置研究

摘要：农业水资源匮乏、时空分布不均、生产技术落后、农田灌溉水有效利用率低一直以来是困扰我国农业生产力发展的一大顽疾;化肥年产量和施用量大,平均有效利用率低,投入产出比低、污染严重。为提升我国农业生产的水肥资源利用效率、减小农业生产对资源的过度依赖、对环境的严重破坏,促进我国农业健康可持续发展,水肥一体化精准灌溉是我国农业现代化发展的一个重要方向。基于水肥一体化技术和不同作物不同生育阶段水肥需求规律,自动监控水肥混合配比,实现精准变量灌溉施肥装置与系统的开发是现代集约化精准农业发展的必由之路。在水肥混合过程中,实时精准监测水肥混合浓度是实现自动精准变量灌溉施肥的关键前提,也是精准农业实施过程中必不可少的重要功能环节。本文首先基于室内肥液电导率和酸碱度的测定,探索了典型的可溶性肥料种类、肥液浓度、温度和肥液混合配比对肥液导电性和酸碱度的影响,并通过测定电导率（Electricity Conductivity,EC）值和酸碱度（Potential of Hydrogen,p H）值对不同工况下肥液的响应,提出了适用于水肥一体化精准灌溉的肥液浓度在线监测策略;其次,基于现有的EC和p H测试设备的特点,以现有相关监测设备为基础,通过对现有EC传感器、p H传感器、温度传感器、流量传感器、压力传感器等进行包装改造并集成自主供电系统和数据传输系统,形成了集自主供电、数据传输、灌溉水量计量、管道水肥浓度监测与反馈为一体化的灌溉系统末端水肥在线监测一体化装置。主要结果和结论如下:（1）明确了不同种类肥料下肥液质量浓度ρf对肥液电导率和酸碱度的影响。氯化钾、磷酸氢二钾、复合肥、磷酸氢二铵、硝酸钾肥液电导率随着肥液质量浓度ρf的增大而升高,且增大趋势的程度为:氯化钾＞磷酸氢二铵＞硝酸钾＞硫酸钾＞磷酸氢二钾＞复合肥。磷酸氢二钾、尿素肥液的酸碱性随着肥液质量浓度ρf的升高而增大（P＜0.01）,且增长程度为:磷酸氢二钾＞尿素;然而复合肥肥液的p H值随着肥液质量浓度ρf的增长而降低。（2）明确了温度T对不同种类肥液电导率的影响。氯化钾、复合肥、硫酸钾、硝酸钾、磷酸氢二钾、复合肥、磷酸氢二铵肥液的导电性随着肥液温度T的升高而提升,且复合肥、磷酸氢二铵、磷酸氢二钾、硫酸钾、硝酸钾的响应程度随着肥液的质量浓度ρf的升高而增强,氯化钾的响应程度随着肥液的质量浓度ρf的升高而减弱。（3）探明了混合肥液电导率和酸碱度对肥液配比值（Ratio Value,rv）的响应模式。磷酸氢二钾、氯化钾和磷酸氢二铵、氯化钾混合肥液电导率随着配比值rv（磷酸氢二钾:氯化钾和磷酸氢二铵:氯化钾）的增大而减小,且该响应程度随着混合肥液质量浓度ρf的升高而加强;磷酸氢二钾、氯化钾混合肥液的酸碱度随着配比值rv的增大而升高,且该趋势随着混合肥液质量浓度ρf的升高而减弱,而配比值rv对磷酸氢二铵、氯化钾混合肥液的酸碱度无明显影响。（4）提出了基于电导法的混合肥液浓度实时在线监测策略。基于磷酸氢二铵、氯化钾混合肥液EC值-温度-配比值-质量浓度数据集,构建了基于EC监测的混合肥液浓度反演预测模型,提出了已知配方的前提下基于监测肥液EC值的水肥一体化水肥信息实时在线监测策略。（5）提出了基于混合肥液电导率和酸碱度的水肥一体化水肥信息实时在线监测策略。根据不同质量浓度、温度、配比值下磷酸氢二钾、氯化钾混合肥液EC值和p H值的差异,构建了磷酸氢二钾、氯化钾混合肥液EC值-p H值-温度T-质量浓度ρf和磷酸氢二钾、氯化钾混合肥液EC值-p H值-温度T-混合比的函数关系模型,提出了基于监测肥液EC、p H和温度的混合肥液浓度及配方实时在线监测策略。（6）构建了集自主供电、数据传输、灌溉水量计量、管道水肥浓度监测与反馈为一体化的灌溉系统末端水肥在线监测一体化装置一套。该装置基于现有的EC和p H测试设备的特点,以现有相关监测设备为基础,通过对现有EC传感器、p H传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器等进行包装改造并集成自主供电系统和数据无线传输系统,初步构建了水肥一体化灌溉系统末端水肥在线监测反馈一体化装置一套。

关键词：水肥一体化;混合肥;预测模型;监测装置

学科专业：水利工程（专业学位）

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的及意义

1.3 国内外研究进展

1.3.1 水肥一体化研究现状

1.3.2 水肥一体化肥液浓度监测研究现状

1.4 存在问题

第二章 研究内容与研究方法

2.1 研究内容

2.1.1 单一种类肥液电导率和酸碱度的研究

2.1.2 混合肥液电导率和酸碱度的研究

2.1.3 水肥一体化混合肥液实时在线精准监测策略研究

2.1.4 水肥一体化在线监测系统软硬件设计

2.2 研究方法

2.2.1 试验地点与试验材料

2.2.2 试验主要仪器

2.2.3 试验装置

2.3 试验设计

2.3.1 单一种类肥液试验设计

2.3.2 混合肥液试验设计

2.4 评价指标

2.4.1 拟合优度确定系数

2.4.2 平均偏差

2.5 数据处理

2.5.1 数据预处理

2.5.2 灰色关联分析

2.5.3 三次样条插值

2.6 技术路线图

第三章 肥料种类、温度、浓度对肥液电导率和酸碱度的影响

3.1 质量浓度对肥液电导率和酸碱度的影响

3.1.1 质量浓度对肥液电导率的影响

3.1.2 质量浓度对肥液酸碱度的影响

3.2 温度对肥液电导率的影响

3.3 肥液浓度和温度耦合作用对肥液电导率的影响

3.4 讨论

3.5 小结

第四章 浓度、温度、配比值对混合肥液EC和p H的影响

4.1 配比对混合肥液电导率和酸碱度的影响

4.1.1 配比对混合肥液电导率的影响

4.1.2 配比值对混合肥液酸碱度的影响

4.2 温度对混合肥液电导率和酸碱度的影响

4.2.1 温度对混合肥液电导率的影响

4.2.2 温度对混合肥液酸碱度的影响

4.3 质量浓度对混合肥液电导率和酸碱度的影响

4.3.1 质量浓度对混合肥液电导率的影响

4.3.2 质量浓度对混合肥液酸碱度的影响

4.4 质量浓度、温度、配比值耦合对混合肥液EC和p H的影响

4.4.1 质量浓度、温度、配比值耦合对混合肥液EC的影响

4.4.2 质量浓度、温度、配比值耦合对混合肥液p H的影响

4.5 讨论

4.6 小结

第五章 水肥一体化混合肥液浓度实时在线监测策略研究

5.1 基于电导法的混合肥液浓度实时在线监测策略研究

5.1.1 插值处理

5.1.2 单因素模型优选

5.1.3 多因素函数关系模型融合

5.1.4 试验模型验证

5.1.5 水肥一体化混合肥液实时在线监测策略

5.2 基于电导率和酸碱度的水肥一体化混合肥液实时在线监测策略研究

5.2.1 插值处理

5.2.2 单因素函数关系模型优选

5.2.3 多因素函数关系模型融合

5.2.4 模型验证

5.2.5 基于电导率和酸碱度的水肥一体化混合肥液实时在线监测策略

5.3 讨论

5.4 小结

第六章 基于管网末端的水肥一体化在线监测反馈系统硬件设计

6.1 基于管网末端的水肥一体化在线监测反馈系统总体设计

6.2 基于管网末端的水肥一体化在线监测反馈系统自主供电系统设计

6.3 基于管网末端的水肥一体化在线监测反馈系统无线通讯模块设计

6.4 基于管网末端的水肥一体化在线监测装置传感器选型

6.5 示范应用

6.6 讨论与小结

第七章 结论与建议

7.1 结论

7.2 主要创新点

7.3 存在问题及建议

参考文献

致谢