孫晶晶 馬 浩

五道溝水文實(shí)驗(yàn)站“緊密式”地中蒸滲儀群及其自動(dòng)觀測技術(shù)

孫晶晶 馬 浩

一、引言

在蒸滲儀實(shí)驗(yàn)觀測中，增加蒸滲儀的觀測數(shù)量，豐富實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)對比分析，對于提高科學(xué)研究的可靠性和深度具有重要價(jià)值。當(dāng)然，在實(shí)際操作中，能夠便捷地安放、維護(hù)大量的蒸滲儀實(shí)驗(yàn)儀器，以及可靠、高效地進(jìn)行大量數(shù)據(jù)觀測，也是需要解決的問題。

該研究介紹了安徽省五道溝水文水資源實(shí)驗(yàn)站的地中蒸滲儀觀測群，可自動(dòng)、便捷地進(jìn)行大量蒸滲儀實(shí)驗(yàn)觀測，對今后蒸滲儀實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究具有借鑒意義。

二、“緊密式”地中蒸滲儀觀測群設(shè)計(jì)

1.五道溝水文水資源實(shí)驗(yàn)站簡介

五道溝水文水資源實(shí)驗(yàn)站建站于1953年，是淮河流域平原區(qū)水文水資源綜合性實(shí)驗(yàn)站。實(shí)驗(yàn)站現(xiàn)有大型地中蒸滲儀觀測室、氣象觀測場、徑流試驗(yàn)場等氣象水文要素。自建站60余年來，實(shí)驗(yàn)站圍繞水文、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、灌溉排水等方面的實(shí)際問題，開展范圍廣泛的水文水資源實(shí)驗(yàn)研究，并提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.“緊密式”地中蒸滲儀觀測群

“緊密式”地中蒸滲儀觀測群核心實(shí)驗(yàn)區(qū)，是五道溝實(shí)驗(yàn)站的特色所在。蒸滲儀群由62套地中蒸滲儀組成。蒸滲儀均采用馬里奧特瓶與連通器原理進(jìn)行測量，而非采用稱重式測量方法。每個(gè)測量筒不需要較大的測筒規(guī)模，使得較小區(qū)域內(nèi)能夠分布大量測筒，并在同一地下室內(nèi)進(jìn)行集中觀測。室外埋入地下的蒸滲儀與地下室內(nèi)觀測設(shè)備通過連通器相連，構(gòu)成完整的一套蒸滲儀觀測群。

62套地中蒸滲儀在觀測室外地面上圍繞觀測室呈緊密狀分布。圖1為蒸滲儀群總體布局圖，蒸滲儀群總占地面積不足100m2。測量筒下方即為地下觀測室中各測量筒對應(yīng)的觀測設(shè)備（馬氏瓶、儲(chǔ)水瓶、控制水位平衡器等），各測量筒對應(yīng)的測量設(shè)備靠墻壁圍繞地下室一圈。

地中蒸滲儀群觀測內(nèi)容為蒸發(fā)量，入滲量及徑流量。蒸發(fā)量采用馬氏瓶測量，入滲量及徑流量采用導(dǎo)水管+量筒設(shè)備測量。觀測地點(diǎn)在同一地下室內(nèi)，三種要素均可進(jìn)行人工觀測或儀器自動(dòng)觀測?！熬o密式”地中蒸滲儀群憑借低成本、占地面積少、測筒多的優(yōu)勢，測量了不同種土質(zhì)、不同作物在不同埋深的地下水位作用下的觀測數(shù)據(jù)，為農(nóng)作物用水模擬、潛水蒸發(fā)、水資源轉(zhuǎn)化規(guī)律等研究提供了豐富的長序列數(shù)據(jù)資料。

3.潛水蒸發(fā)量測量

潛水蒸發(fā)量采用馬利奧特瓶（簡稱馬氏瓶）測量，原理為：當(dāng)無降水時(shí)，測筒作物和土壤就會(huì)因蒸發(fā)蒸騰作用，消耗土壤水分，使得潛水地下水位下降。然而由于控制水位平衡器的控制作用，馬氏瓶中的水量通過平衡器源源不斷地供給測筒蒸發(fā)蒸騰之需，使得地下水位始終穩(wěn)定在設(shè)計(jì)水平。馬氏瓶上刻度可通過人工觀測方式用肉眼平視讀取。

潛水蒸發(fā)量自動(dòng)測量方法為：采用磁致伸縮水位計(jì)測量馬氏瓶水位以及入流水位變化情況，并用儀表顯示，測量精度為0.15mm。圖2為潛水蒸發(fā)量測量示意圖。數(shù)據(jù)通過無線傳輸發(fā)送至服務(wù)器端，通過水位變化計(jì)算出日蒸發(fā)量和入流量。此方法的特點(diǎn)在于：（1）采用水位采集技術(shù)：磁致伸縮水位計(jì)具有高精度（0.1mm分辨率），耐腐蝕性，使用壽命長等優(yōu)勢。即使出現(xiàn)故障不影響人工觀測，維養(yǎng)方便快捷。（2）采用遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)：儀器要有智能接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，既可一點(diǎn)對多點(diǎn)，也可多點(diǎn)對一點(diǎn)。兼容無線數(shù)傳電臺(tái)、無線模塊、GPRS、GSM多種模式，支持APN、VPN技術(shù)。具有傳輸線路簡單、傳輸費(fèi)用低、可靠性高等特點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)可以遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)透明傳輸，最大限度地實(shí)現(xiàn)資源共享。

4.徑流量和入滲量測量

入滲量的測量原理為：當(dāng)降雨足夠大時(shí)，雨水由地表向下入滲，直至地下水位，使地下水位升高。但由于水位平衡器的作用，地下水位趨向恢復(fù)原來的穩(wěn)定位置，由于入滲導(dǎo)致的地下水位增加的多余水量則經(jīng)由入滲量管排入儲(chǔ)水瓶中。入滲量觀測原理如圖3所示。徑流量的觀測原理為：徑流量測量管道入口位于地表，當(dāng)降水強(qiáng)度超過土壤下滲能力時(shí)，無法滲入土壤的剩余降水會(huì)在地表積蓄，從而流進(jìn)地表徑流管道入口，排入儲(chǔ)水瓶中。

圖1 地中蒸滲儀群總體布局圖

入滲量儲(chǔ)水瓶和徑流量儲(chǔ)水瓶均可人工觀測，用肉眼平視讀取筒上已經(jīng)換算好的毫米讀數(shù)刻度，并手工記錄時(shí)段數(shù)值或總量值。人工觀測在降雨天氣環(huán)境下進(jìn)行，降水強(qiáng)度低時(shí)每天一次，降水強(qiáng)度高時(shí)最多每小時(shí)觀測一次?？紤]到降雨強(qiáng)度高時(shí)，需在短時(shí)間內(nèi)對大量儀器進(jìn)行人工讀數(shù)，可能出現(xiàn)人員缺乏，觀測質(zhì)量下降的情況，需要進(jìn)行自動(dòng)觀測。

入滲量和徑流量的自動(dòng)化觀測同樣采用磁致伸縮浮子水位計(jì)觀測。圖3顯示了采用水位計(jì)對入滲量的測量，對徑流量的測量也相同，即為用水位計(jì)觀測徑流量儲(chǔ)水瓶。

蒸發(fā)量、入滲量及徑流量的自動(dòng)化觀測保證了同一時(shí)刻測量所有測筒數(shù)據(jù)的觀測需要；高精度的磁致伸縮水位計(jì)測量方法提高了觀測精度；人工觀測與自動(dòng)觀測相結(jié)合的手段保證了數(shù)據(jù)無誤報(bào)、無漏報(bào)，提高了觀測數(shù)據(jù)的可靠性及全面性。

三、觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

1.觀測內(nèi)容

“緊密式”蒸滲儀群的62套蒸滲儀有0.3m2、0.5m2、1.0m2、2.0m2、4.0m2，共5種測筒面積規(guī)格；測量土壤類型為砂礓黑土和黃潮土兩種；測量作物類型包括無作物、水稻、小麥、大豆、油菜、花生；地下水埋深設(shè)定分別為0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、80cm、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.0m、5.0m共12種。除各蒸滲儀觀測項(xiàng)目以外，降水量單獨(dú)進(jìn)行觀測。

2.數(shù)據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，應(yīng)用五道溝蒸滲儀群的觀測數(shù)據(jù)，已展開過諸多實(shí)驗(yàn)研究。蒸滲儀群觀測考慮了筒徑、潛水埋深、農(nóng)作物、土壤類型四種變量的不同，數(shù)據(jù)類型全面，根據(jù)不同變量的觀測結(jié)果，可提供給不同研究使用。

依據(jù)不同土壤類型，地下水埋深的分類，可以探究地下水埋深變化對不同土壤潛水蒸發(fā)量變化的影響。例如表1是實(shí)驗(yàn)站觀測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之一，其列出了不同潛水埋深時(shí)年潛水蒸發(fā)量占年降水量的比重，也直接反映了潛水蒸發(fā)量的大小。

還有類似的一系列研究。根據(jù)不同潛水埋深的觀測數(shù)據(jù)，闡述了降水、地下水埋深、土壤蒸發(fā)等要素變化對降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)的影響；分析了不同降水條件下，降雨入滲系數(shù)隨地下水埋深變化的分布規(guī)律；做了地下水參數(shù)給水度分析。

根據(jù)不同作物及不同潛水埋深的觀測數(shù)據(jù)，分析了不同作物適宜的潛水埋深；研究了不同作物在不同地下水埋深時(shí)對地下水的利用情況。

根據(jù)降水量、潛水蒸發(fā)量、地表徑流、下滲等觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行了平原區(qū)四水轉(zhuǎn)化分析，并建立了四水轉(zhuǎn)化模型。

除上述當(dāng)前已有研究成果以外，由于蒸滲儀群筒徑小，更換方便，還可以進(jìn)行其他的一些研究。例如，增加土壤類型，可以分析不同土壤類型在不同降水條件、不同潛水埋深的給水度、降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)等，同時(shí)也可以分析不同土壤的下滲曲線，計(jì)算不同土壤的導(dǎo)水率。這些參數(shù)對于農(nóng)田水文研究以及流域水文研究均具有重要意義。

圖2 潛水蒸發(fā)量測量原理示意圖

圖3 入滲量觀測原理示意圖

表1 不同埋深年潛水蒸發(fā)量占年降水量比重表

四、總結(jié)與展望

本文介紹了一種成本低、占地面積小、測量內(nèi)容多的“緊密式”地中蒸滲儀觀測群的觀測模式。蒸滲儀采用馬氏瓶+水位計(jì)的測量方法，原理簡單實(shí)用，規(guī)模小，可在有效的觀測面積內(nèi)安放較多的測量筒，增加測量類型，從而為農(nóng)田水文、四水轉(zhuǎn)化、淺層地下屬、水資源利用等研究提供豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也為日后做更多的研究實(shí)驗(yàn)提供更好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可能性。地下觀測室內(nèi)便捷的人工觀測與自動(dòng)觀測相結(jié)合的觀測方法保證了觀測數(shù)據(jù)的及時(shí)性、可靠性及全面性。

地中蒸滲儀的自動(dòng)采集方式經(jīng)過多次試驗(yàn)與論證，效果良好，為土壤水的觀測提供了更多的支持和保證，值得在其他實(shí)驗(yàn)站推廣及應(yīng)用

（作者單位：安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會(huì)）水利科學(xué)研究院信息與自動(dòng)化研究所 233000）