王富慶，許雅欣，高士佩，王同順

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210024)

0 引 言

蒸發(fā)蒸騰量是水循環(huán)過程中重要環(huán)節(jié)之一[1]，也是地球系統(tǒng)水分消耗的主要方式[2]，控制著陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣之間的物質(zhì)和能量交換[3]，影響農(nóng)業(yè)用水[4,5]、生態(tài)模型[6]、區(qū)域干濕狀況[7]等，因此精確估算蒸發(fā)蒸騰量對于制定合理的灌溉制度和排水標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計可靠的灌區(qū)水資源配給方案、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)具有重要的意義。然而由于陸地、植被與大氣之間的相互作用復(fù)雜多樣，因而蒸發(fā)蒸騰量成為水循環(huán)組成中最難估算項[8]。

截止目前，陸面蒸發(fā)蒸騰量的實測方法主要有渦動相關(guān)法、波文比法、閃爍儀、液流法、蒸滲儀法等。其中渦動相關(guān)法的應(yīng)用易受地形和氣象條件限制[9]，夜間易導(dǎo)致平流，進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)蒸騰量低估[10]，此外渦動相關(guān)法觀測范圍較大，難以實現(xiàn)小尺度水分脅迫處理條件下作物蒸發(fā)蒸騰監(jiān)測；而波文比法需要較多氣象數(shù)據(jù)，在小尺度作物水分脅迫試驗中，其氣象數(shù)據(jù)差異可能較小，對于小尺度水分脅迫處理條件下作物蒸發(fā)蒸騰同樣很難監(jiān)測；閃爍儀多用于監(jiān)測大尺度蒸發(fā)蒸騰量，其傳感器之間的距離為5 km，對于小尺度作物蒸發(fā)蒸騰量仍然難以使用；液流法主要用于單株尺度蒸騰速率的監(jiān)測，對于農(nóng)田尺度蒸發(fā)蒸騰監(jiān)測有一定難度，需要選取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行尺度提升[11]；蒸滲儀法觀測范圍較小，其觀測值代表性較差，但由于觀測范圍較小，可以用于小尺度不同水分脅迫條件下作物蒸發(fā)蒸騰的監(jiān)測。目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的是能夠測定短時段內(nèi)作物蒸發(fā)蒸騰量的稱重式蒸滲儀，按照儀器構(gòu)造尺寸可分為大型稱重式蒸滲儀和小型稱重式蒸滲儀。大型稱重式蒸滲儀精度高，代表性好， 1996年美國亞利桑那州大學(xué)設(shè)計的兩臺大型稱重式蒸滲儀[12]，測量精度可達(dá)0.04 mm；印度Karnal也有兩臺重達(dá)14 t的電子稱重式蒸滲儀[13]；武漢大學(xué)2006年研制的智能化稱重式蒸滲儀系統(tǒng)[14]，測量精度達(dá)0.05 mm。但上述蒸滲儀系統(tǒng)普遍存在基礎(chǔ)質(zhì)量大、不可移動、設(shè)計復(fù)雜、成本高昂的缺點，在應(yīng)用上受到一定限制。小型稱重式蒸滲儀結(jié)構(gòu)簡單、造價較低，同時能夠滿足一定的精度要求，因此在作物棵間蒸發(fā)測量中廣泛使用。美國許多城市現(xiàn)已采用小型稱重式蒸滲儀估計草地用水消耗與回流水量[15]；巴西2013年研制的測量煙草需水量的小型半封閉箱體結(jié)構(gòu)稱重式蒸滲儀[16]，測量精度達(dá)0.06 mm；我國康躍虎[17]等人發(fā)明的“田間農(nóng)作物吊掛式稱重電測蒸滲儀”應(yīng)用吊掛式稱重傳感器進(jìn)行測量，精確度也很高。但上述小型稱重式蒸滲儀的稱重設(shè)施均建于地上，稱重期間大風(fēng)、大雨等天氣因素會對測量產(chǎn)生較大影響，同時人工作業(yè)對作物生長環(huán)境有一定干擾，易造成試驗數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差，導(dǎo)致觀測精度的降低。另外，現(xiàn)有的小型稱重式蒸滲儀要求每臺蒸滲儀配備一套固定的稱重設(shè)備，不利于節(jié)約成本，且難以滿足不同處理和重復(fù)試驗對測筒數(shù)量的需要。因此，急需要一種結(jié)構(gòu)簡單、不易受天氣狀況影響、對作物生長干擾小、節(jié)約成本的稱重式蒸滲儀。在充分吸取國內(nèi)外有關(guān)稱重式蒸滲儀特點的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制了高精度自動地下軌道稱重式蒸滲儀測控系統(tǒng)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

自動地下軌道稱重式蒸滲儀包括用于種植作物的測筒和位于測筒下方的地下室結(jié)構(gòu)(圖1)，其中測筒主要由回填土體及土體中埋設(shè)的土壤溫濕傳感器組成，地下室結(jié)構(gòu)包括地下軌道、設(shè)于地下軌道上的移動稱重裝置、數(shù)據(jù)采集器和控制系統(tǒng)。移動稱重裝置包括設(shè)于地下軌道上可以移動的軌道小車、設(shè)于軌道小車上可伸縮的升降機、小車頂板、以及設(shè)于小車頂板上對測筒進(jìn)行稱重的可移動電子秤。軌道小車通過底部設(shè)置的滑輪可沿著地下軌道上的滑輪導(dǎo)軌滑動。為了降低設(shè)備總造價，只采用單臺電子秤，通過其底部設(shè)置的滑輪可沿著小車頂板上沿每列測筒方向設(shè)置的滑輪導(dǎo)軌滑動。紅外定位器設(shè)于每一個測筒中心正下方、小車頂板上測點處和電子秤底部中心，測筒、軌道小車以及電子秤之間通過紅外定位器準(zhǔn)確定位。數(shù)據(jù)采集器與電子秤相連，控制系統(tǒng)控制軌道小車的電機運轉(zhuǎn)、升降機的升降、以及數(shù)據(jù)采集器所采集的數(shù)據(jù)處理和顯示。

圖1 地下軌道稱重式蒸滲儀整體結(jié)構(gòu)1-測筒；2-地下室；3-地下軌道；4-控制系統(tǒng)；5-可移動軌道小車；6-升降機；7-小車頂板；8-可移動電子秤；9-紅外線定位器

2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)主要由軌道小車、升降機、電子秤、工控機、PLC、通訊模塊和數(shù)據(jù)采集分析軟件組成。數(shù)據(jù)采集全部為智能化采集，數(shù)據(jù)采集器所采集的數(shù)據(jù)，通過通訊模塊傳輸?shù)焦た貦C中，通過自主開發(fā)的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并按照設(shè)定的格式和周期保存。

2.1 稱重系統(tǒng)

稱重裝置包括設(shè)于地下軌道上可以移動的軌道小車、設(shè)于軌道小車上可伸縮的升降機、小車頂板、以及設(shè)于小車頂板上對測筒進(jìn)行稱重的可移動電子秤。稱重系統(tǒng)主要由軌道、小車、升降機、小車頂板以及電子秤等組成。蒸滲儀設(shè)計為圓形柱狀體，高為1.2 m，內(nèi)徑為0.68 m，截面面積約為0.363 m2，滿足灌溉試驗規(guī)范[18](SL 13-2015)中關(guān)于小型蒸滲儀截面面積不小于0.36 m2的要求。蒸滲儀、土體、土壤溫濕傳感器和數(shù)采設(shè)備，在滿載時總重量達(dá)數(shù)噸。稱重系統(tǒng)的分辨率為10 g，采用高精度的電子秤進(jìn)行測量。由于蒸滲儀截面面積為0.363 m2，其觀測精度相當(dāng)于0.028 mm水層深度，滿足灌溉試驗規(guī)范(SL 13-2015)中逐日作物蒸發(fā)蒸騰量觀測誤差不大于1 mm的要求。

2.2 全自動稱重流程

軌道小車裝有光電開關(guān)、傾角傳感器、起點限位開關(guān)、終點限位開關(guān)，可實現(xiàn)全自動定時、定次對測筒進(jìn)行稱重。

在全自動稱重過程中，設(shè)定好全自動軟件的工作時間，小車通過底部設(shè)置的滑輪沿地下軌道滑動至首排測筒正下方停止，通過紅外定位器與首排測筒準(zhǔn)確定位，PLC控制蝸輪螺桿升降機啟動，使升降平臺升起并頂起測筒，稱重系統(tǒng)采集到電子秤所測測筒重量的數(shù)據(jù)，通過WLAN無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C，工控機上的采集軟件自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理。PLC再次控制蝸輪螺桿升降機啟動，使升降平臺降下，電子秤通過底部設(shè)置的滑輪沿小車頂板上設(shè)置的滑輪軌道滑動，通過紅外定位器與同排下一個測筒準(zhǔn)確定位，重復(fù)上次稱重過程直至同排所有測筒稱重完畢，小車恢復(fù)向前滑動至下一排測筒進(jìn)行稱重，直至所有排測筒稱重完畢(圖2)。如遇緊急情況，可點擊工控機自主開發(fā)軟件主界面 “緊急停車”按鈕，停止所有操作。再按一次“緊急復(fù)位”按鈕，可恢復(fù)正常。

2.3 土壤剖面溫度和含水率

土壤剖面溫度、含水率測量選用科瑞特力fds120傳感器，含水率(體積水)測量范圍為0～100%，精度2%，溫度測量范圍為-40～+50 ℃，精度±1 ℃，埋設(shè)深度為10、30、50和90 cm(圖3)。

圖2 稱重系統(tǒng)工作流程圖

圖3 測筒土壤剖面?zhèn)鞲衅鞑荚O(shè)圖

通過預(yù)設(shè)時間間隔，土壤溫度和含水率傳感器自動測定電壓信號，由巡檢儀進(jìn)行收集，以WLAN無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C，工控機上的采集軟件自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理(圖4)。

圖4 測筒土壤溫度和含水率系統(tǒng)工作流程圖

2.4 軟 件

上位機軟件基于組態(tài)王、Qt、C/C++進(jìn)行開發(fā)，操作系統(tǒng)為Windows XP。其中軌道小車稱重系統(tǒng)的上位機軟件基于組態(tài)王開發(fā)，用于控制小車和升降機，實現(xiàn)對各個測筒重量的測量，同時記錄稱重系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)；測筒數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機軟件以Qt為開發(fā)環(huán)境用C/C++語言開發(fā)，主要功能是定時對測筒傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時存儲到數(shù)據(jù)庫中。在這兩個系統(tǒng)中，為了使數(shù)據(jù)易于分析和整理，采用了access數(shù)據(jù)庫。

上位機軟件模塊組成如圖5所示，其主要功能包括參數(shù)設(shè)定、手動調(diào)試控制、傳感器配置、溫度/含水率測量、測筒重量測量及數(shù)據(jù)儲存等。數(shù)據(jù)采集間隔可根據(jù)試驗要求自行設(shè)定。

圖5 上位機軟件模塊組成

3 自動地下軌道稱重式蒸滲儀測控系統(tǒng)精度檢驗

3.1 計算公式

自動地下軌道稱重式蒸滲儀測控系統(tǒng)精度的檢驗通過對比分析稱重系統(tǒng)與含水率計算所得到的蒸發(fā)蒸騰量來實現(xiàn)，其中通過稱重系統(tǒng)計算的蒸發(fā)蒸騰量采用灌溉試驗規(guī)范(SL 13-2015)推薦的公式：

(1)

式中：ET1-2為階段蒸發(fā)蒸騰量，mm；G1為時段開始時的蒸滲儀總質(zhì)量，kg；G2為時段末時的蒸滲儀總質(zhì)量，kg；Gm為時段內(nèi)向蒸滲儀的灌水量，kg；Gp為時段內(nèi)落入蒸滲儀內(nèi)的降水量，kg；Gc時段內(nèi)蒸滲儀中的土表及底層排水量之和，kg；S蒸滲儀內(nèi)的水平截面積，m2。

利用測定土壤含水率來計算作物蒸發(fā)蒸騰量時，采用灌溉試驗規(guī)范(SL 13-2015)推薦的公式：

(2)

式中：ET1-2為階段蒸發(fā)蒸騰量，mm；i為土壤層次號數(shù)；n為土壤層次總數(shù)目；Hi為第i層土壤的厚度，cm；Wi1為第i層土壤在時段始的體積含水率；Wi2為第i層土壤在時段末的體積含水率；M為時段內(nèi)的灌水量，mm；P為時段內(nèi)的降水量，mm；K為時段內(nèi)的地下水補給量，mm；C為時段內(nèi)的排水量(地表排水與下層排水之和)，mm。

試驗中采用防雨棚排除了降雨因素對測量結(jié)果的影響，且蒸滲儀無地下水向上補給量，因此，K=0，P=0，由含水率傳感器的埋設(shè)深度，時段內(nèi)的灌水量、排水量，即可求出時段內(nèi)的ET1-2。

3.2 含水率計算值與蒸滲儀測定值對比分析

圖6為2016年7月24日-2016年10月18日，由稱重系統(tǒng)和含水率分別計算的棉花花鈴期每日蒸發(fā)蒸騰量(ET)。在棉花花鈴期，蒸滲儀計算ET序列與土壤含水率計算ET序列日變化趨勢基本一致。每次灌水后，ET值均出現(xiàn)明顯的向上升方向的趨勢性變化，且ET峰值出現(xiàn)在灌水后的1～3 d內(nèi)，并在灌水后的4～5 d內(nèi)逐漸恢復(fù)至灌水前的平均值，符合一次灌水對作物蒸發(fā)蒸騰量的影響規(guī)律。

圖6 棉花花鈴期含水率計算值與蒸滲儀計算值的變化曲線與結(jié)果對比

相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)二者具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系(圖7)，回歸系數(shù)為0.895 2，通過0.01的顯著性檢驗，回歸直線斜率為0.920 8，說明土壤含水率計算ET較蒸滲儀計算ET偏小，偏小約7.9%。這一方面可能是由于土壤含水率傳感器埋設(shè)數(shù)量較少，未能全面反映測筒剖面含水率沿深度的變化情況所致；另一方面，考慮到測筒土壤為回填土，土壤與測筒壁之間貼合不密實將導(dǎo)致灌水后水分主要聚集在測筒邊緣或沿筒壁下滲，進(jìn)而導(dǎo)致測筒內(nèi)水分分布不均，含水率傳感器實測值偏小。

圖7 棉花花鈴期含水率計算值與蒸滲儀計算值的相關(guān)性分析

綜上，稱重系統(tǒng)計算的ET與含水率計算的ET變化趨勢一致，線性相關(guān)系數(shù)較高，說明通過自動地下軌道稱重式蒸滲儀測控系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可用于不同水分脅迫條件下作物機理響應(yīng)規(guī)律研究。

4 結(jié) 語

在吸取國內(nèi)外有關(guān)蒸滲儀優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制了高精度自動地下軌道稱重式蒸滲儀測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在地下室中進(jìn)行監(jiān)控測量，可排除大風(fēng)、大雨等天氣對蒸滲儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。地下室結(jié)構(gòu)包括地下軌道、移動稱重裝置、數(shù)據(jù)采集器和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用上位機軟件全自動智能控制各設(shè)備工作，移動稱重裝置可實現(xiàn)對各個測筒的獨立準(zhǔn)確測量，能夠滿足不同處理和重復(fù)試驗對測筒數(shù)量的要求，且大幅度降低了成本，上位工控機與數(shù)據(jù)采集器之間通過WLAN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)無人值守測量。檢測分析表明，稱重系統(tǒng)對蒸發(fā)蒸騰量(ET)的觀測精度達(dá)0.028 mm，稱重系統(tǒng)計算的ET與含水率計算的ET變化趨勢一致，回歸系數(shù)為0.895 2，回歸直線斜率為0.920 8，說明該稱重系統(tǒng)精度較高，且所測數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可用于研究不同灌溉方式下作物需水規(guī)律，不同水分脅迫作物響應(yīng)機理，化肥、農(nóng)藥對土壤水的作用和影響及土壤水量平衡等。

□

[1] Burn D H, Hesch N M. Trends in evaporation for the Canadian Prairies[J]. Journal of Hydrology,2007,336:61-73.

[2] 張瑞鋼,莫興國,林忠輝.滹沱河上游山區(qū)近 50年蒸散變化及主要影響因子分析[J].地理科學(xué),2012,32(5):628-634.

[3] Chen S B, Liu Y F, Thomas A. Climatic change on the Tibetan plateau: potential evapotranspiration trends from 1961 to 2000[J]. Clime Chang, 2006,76:291-319.

[4] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop Evapotranspiration-Guide-Lines for Computing Crop Water Requirements[J]. FAO Irrigation and Drainage Paper 56, Rome, Italy.

[5] Hunsaker D J, Pinter P J, Cai H. Alfalfa basal crop coefficients for FAO-56 procedures in the desert regions of the southwestern US[J]. Trans ASAE,2002,45:1 799-1 815.

[6] Fisher J B, DeBiase T A, Qi Y, et al. Evapotranspiration models compared on a Sierra Nevada forest ecosystem[J]. Environ Model Softw, 2005,20:783-796.

[7] Wu S H, Yin Y H, Zheng D, et al. Moisture conditions and climate trends in China during the period 1971-2000[J]. Int J Climatol, 2006,26:193-206.

[8] Xu C Y, Singh, V. P. Evaluation of three complementary relationship evapotranspiration models by water balance approach to estimate actual regional evapotranspiration in different climatic regions[J]. Journal of Hydrology, 2005,308:105-121.

[9] 于貴瑞，方曉敏.陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測的原理與方法[M]. 北京:高等教育出版社,2006.

[10] Wilson k, Goldstein a, Falge E, et al. Energy balance closure at FLUXNET sites[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2002,113(1):223-243.

[11] Hatton T J, Wu H I. Scaling theory to extraplate individual tree water use t stand water use[J]. Hydrological Processes, 1995,9(5-6):527-540.

[12] Young M H, Wierenga. Large Weighing Lysimeters for Water Use and Deep Percolation Studies[J]. Soil Science, 1996,161(8):491-501.

[13] Tyagi N K, Sharma D K, Luthra S K. Determination of evapotranspiration and crop coefficients of rice and sunflower with lysimeter[J]. Agricultural Water Management, 2000,45(1):41-54.

[14] 吳運卿, 羅金耀, 王富慶. 智能化稱重式蒸滲儀系統(tǒng)的研制與實現(xiàn)[J]. 實驗室研究與探索, 2006,25(4):432-434.

[15] 葛 帆, 王 釗. 蒸滲儀及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 節(jié)水灌溉, 2004,(2):30-32.

[16] Seifert S C D, De O A S, Fonseca G J J, et al. Design, installation and calibration of a weighing lysimeter for crop evapotranspiration studies[J]. Water Resources & Irrigation Management, 2013.

[17] 康躍虎.田間農(nóng)作物吊掛式稱重電測蒸滲儀:中國CN02240064.8[P].2003.

[18] SL 13-2015，灌溉試驗規(guī)范[S].