论文标题：An innovative approach to monitoring non-point source pollution at a field scale: online monitoring system for continuous cropping with a serial pipeline

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Peipei FENG, Gaofei YIN, Qingyi ZHU, Tongyang LI, Bin XI, Xiaoyuan XU, Huiqing JIAO, Hongda WEN, Lingling HUA, Wenchao LI

发表时间：15 Sept 2025

DOI：10.15302/J-FASE-2024596

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Sept 2025, Volume 12 Issue 3

· 第十五篇 ·

▎论文ID

An innovative approach to monitoring non-point source pollution at a field scale: online monitoring system for continuous cropping with a serial pipeline

大田尺度农业面源污染监测新方法：串联管道式连片农田在线监测系统

文章类型：Research Article

发表年份：2025年

第一作者：冯培培¹

通讯作者：华玲玲²，李文超¹

Email: hualing0329@163.com, dachao279@126.com

作者单位：1. 河北农业大学资源与环境科学学院；2. 北京农学院

Cite this article :

Peipei FENG, Gaofei YIN, Qingyi ZHU, Tongyang LI, Bin XI, Xiaoyuan XU, Huiqing JIAO, Hongda WEN, Lingling HUA, Wenchao LI. An innovative approach to monitoring non-point source pollution at a field scale: online monitoring system for continuous cropping with a serial pipeline. Front. Agr. Sci. Eng., 2025, 12(3): 611-619 DOI:10.15302/J-FASE-2024596

· 文 章 摘 要 ·

 面源污染一直是水质恶化的主要原因。然而，当前面源污染监测方法仍存在一些不足，如监测范围小、监测数据误差大、监测过程耗时且耗力。尽管已建立的方法-田间实验小区，在我国第一、二次污染源普查中得到有效应用，但由于农业土地具有较大的时空变异性，基于实验小区的监测结果在外推至田间或更大范围时，仍存在相当大的不确定性。为了优化农业地表径流的监测方法，开发了一种串联管道式连片农田在线监测系统，与现有的农田监测方法相比，该系统能够实现水量水质的更精确自动监测，并降低成本。该创新方法将在实际监测面源污染方面提供更大的可信度，并具有更广泛的应用前景。这种新方法对我国下一次全国污染源普查工作具有重要的参考价值。

· 文 章 亮 点 ·

1. 针对连片农田条件下的面源污染，开发了一种新型的在线监测系统。

2. 该系统实现了更精确、更低人工成本的水量水质自动监测。

3. 该监测系统对于我国下一次全国污染源普查具有重要的参考价值。

· Graphical abstract ·

(串联管道式连片农田在线监测系统与传统监测方法对比图)

· 研 究 内 容 ·

▎引言

根据《第二次全国污染源普查公报》显示，种植业是农业面源污染的重要来源之一。只有通过对农业土地面源污染的监测，才能明确不同条件下污染的发生过程和发展特征，从而制定有针对性的面源污染防治策略。降水引起的地表径流是农业面源污染发生的重要过程，农田中的氮磷等营养元素通过径流迁移至水体，是氮磷流失的主要途径之一。因此，了解降水产生的径流过程和污染物随径流的动态变化，对于控制面源污染具有重要意义。国内外研究人员高度重视径流的研究与监测，且研究与监测过程中必然涉及到径流水样的采集，这使得径流采样设备得到了广泛应用。但现有农田径流监测系统存在不能监测连片田块、不能监测产流的动态过程、监测人工成本高等弊端，针对现有监测系统的不足，设计了一种串联管道式连片农田在线监测系统，克服了现有监测系统不适合监测连接农田及暴雨径流过程监测的难题。

▎系统结构

串联连片农田在线监测系统布置在连片农田地势较低的一侧。主要由导流槽、在线流量计、动态采集装置、数据传输装置、数据采集装置、无线传输装置和客户端组成 (图1)。

图1 串联管道式连片农田在线监测系统结构图。

▎结构原理

1. 水量的自动导流

槽的目的主要用于收集单块农田的径流和壤中流并导流至传输管道。导流装置包括径流导流装置以及壤中流导流装置，壤中流导流装置平行布设于径流导流装置的下方。导流装置包括多个导流槽以及多个传输管道，导流槽通过传输管道串联，多个导流槽深度依次递增，使水流顺势而下，实现连片农田径流和壤中流监测。

2. 水量的自动监测

在线流量计置于导流装置的后端，用于监测连片农田的径流流量以及壤中流流量；在线流量计包括第一在线流量计以及第二在线流量计，第一在线流量计置于最后一个径流传输管道的后端，第二在线流量计置于最后一个壤中流传输管道的后端；第一在线流量计用于监测径流流量；第二在线流量计用于监测壤中流流量。

3. 水样的自动采集

动态采集装置置于在线流量计后端，由降雨感应器、分段阀传感器及多个编有序号的采样瓶组成，分段阀与采样瓶通过软管相连。分段阀传感器内置控制器和计时器，分别控制阀门启闭和记录水样进入时间；采样瓶内设液位传感器，可准确计量液体体积。降雨时，降雨感应器触发流量计开关和控制器，开启进样通道收集径流样品，采样瓶满或超2小时无样品流入，自动关停并记为对应场次样品，一场雨采集一个样品，实现动态采集。后续可适时收集样品检测水质，了解农田氮磷元素时空动态变化。若需现场监测水质，可在在线流量计后安装在线水质监测设备，其自动报警系统可及时通知相关人员，快速响应水体异常。

4. 数据的收集与传输

数据传输装置用于将在线流量计监测的径流流量和壤中流流量传输至数据收集装置；无线传输装置用于将数据收集装置收集到的径流流量和壤中流流量实时发送至客户端。

▎系统可靠性分析

1. 工程量

与目前的径流池需要存储径流相比，监测系统的导流装置和传输管道的设计使得径流导流槽的设计尺寸更小，大大减轻了工程的工作量，降低了工程的建设成本和时间，并且减少了对土地的占用，适用性更高。

2. 在线监测

与现有的农田径流监测方法相比，该系统能够实时监测径流过程，适用于连续性径流和间歇性径流的监测 (图 Graphical abstract)。同时，监测精度得到了大幅提升 (表1)。

表1 现有方法与提出方法的比较

▎系统装置的优势分析

1. 符合真实场景

农业面源污染的主要原因是农业生产活动。与传统的径流监测方式相比，该监测系统安装在农田一侧，既不影响农业生产者的种植活动，也不影响农业生产者的施肥、灌溉等农业活动。该系统更符合农田径流排放的实际生产情况，从而使数据更加可靠。

2. 监测区域范围

该系统通过铺设导流槽和传输管道，能够快速有效地捕捉农田径流，实现径流水的自动收集。实现了连片农田 (几百亩) 的管道流量集中监测。与传统的径流池监测相比，突破了径流池仅适用于监测小田块或小区 (几十平方米) 的局限性。

3. 自动化和远程控制

安装在线流量计可实时监测径流和壤中流流量，数据准确可靠且能按需设定监测频率，支持远程监测控制，便于及时了解径流情况、灵活操作；系统配备动态采集设备实现径流自动采集，降低人工与时间成本，减少径流混合干扰；安装在线水质监测设备可现场测水质，远程获取数据，降低成本，及时监测能减少农田径流对环境的负面影响，助力水土保持与水体净化。

▎现场应用

1. 研究区概况

为进一步验证农田在线监测系统的田间应用性能，在白洋淀流域典型区域河北省雄安新区安新县安州镇白庄村建立了原位监测点 (图2)。

图2 (a) 导流槽，(b) 流量自动监测装置，(c) 输送管道。

2. 数据分析

在6月至10月农田降雨排水期间，每隔半小时监测一次监测点的流量和流速。在极端暴雨事件期间，监测频率加密，对流量和流速进行了密集监测。7月29日，受台风影响，华北平原发生极端降水事件。该监测点位于降水中心，因此对降水和径流流量进行了加密监测，实时掌握监测点的径流流量。通过将现场数据与气象数据进行对比，进一步验证了设备的可靠性。8月11日，白庄村再次发生降水。从监测数据可以看出，8月11日开始降雨，8月12日降雨增多，但8月12日11：00监测到径流且流量逐渐增大，说明径流的产生具有滞后性。通过现场应用，进一步证实了该装置的可靠性 (图3)。

图3 研究区监测数据。

· 结 论 ·

面源污染已成为水质恶化的主要原因，但目前的面源污染评价方法存在监测范围小、监测数据误差大、监测过程费时费力等缺点。为了克服现有农田地表径流监测模拟方法的不足，发明了一种串联管道式连片农田在线监测系统。该系统解决了现有技术中农田监测系统不适用于连续农田监测的问题，克服了采集监测的不确定性，提高了径流流量监测的精度。该技术无需人工采样，实现了农田地表径流的动态采集，解决了大范围农田面源污染的在线监测问题。这对于监测农田地表径流，获取径流量、水质、径流流速等参数，进一步了解不同条件下随径流排放的污染物总量和强度，从而防治农业面源污染具有重要意义。通过该体系，可以更有效地防治农业面源污染，为农田环境保护和生态可持续发展提供有力支撑。更重要的是，本研究提出的方法可能在我国下一次全国污染源普查中发挥更大的作用。

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