五道溝水文實驗站“緊密式”地中蒸滲儀群及其自動觀測技術

孫晶晶 馬 浩

五道溝水文實驗站“緊密式”地中蒸滲儀群及其自動觀測技術

孫晶晶 馬 浩

一、引言

在蒸滲儀實驗觀測中，增加蒸滲儀的觀測數量，豐富實驗數據，加強對比分析，對于提高科學研究的可靠性和深度具有重要價值。當然，在實際操作中，能夠便捷地安放、維護大量的蒸滲儀實驗儀器，以及可靠、高效地進行大量數據觀測，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驗站的地中蒸滲儀觀測群，可自動、便捷地進行大量蒸滲儀實驗觀測，對今后蒸滲儀實驗應用研究具有借鑒意義。

二、“緊密式”地中蒸滲儀觀測群設計

1.五道溝水文水資源實驗站簡介

五道溝水文水資源實驗站建站于1953年，是淮河流域平原區水文水資源綜合性實驗站。實驗站現有大型地中蒸滲儀觀測室、氣象觀測場、徑流試驗場等氣象水文要素。自建站60余年來，實驗站圍繞水文、水資源、水環境、水生態、灌溉排水等方面的實際問題，開展范圍廣泛的水文水資源實驗研究，并提供了重要的實驗數據。

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驗區，是五道溝實驗站的特色所在。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行測量，而非采用稱重式測量方法。每個測量筒不需要較大的測筒規模，使得較小區域內能夠分布大量測筒，并在同一地下室內進行集中觀測。室外埋入地下的蒸滲儀與地下室內觀測設備通過連通器相連，構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的觀測設備（馬氏瓶、儲水瓶、控制水位平衡器等），各測量筒對應的測量設備靠墻壁圍繞地下室一圈。

地中蒸滲儀群觀測內容為蒸發量，入滲量及徑流量。蒸發量采用馬氏瓶測量，入滲量及徑流量采用導水管+量筒設備測量。觀測地點在同一地下室內，三種要素均可進行人工觀測或儀器自動觀測。“緊密式”地中蒸滲儀群憑借低成本、占地面積少、測筒多的優勢，測量了不同種土質、不同作物在不同埋深的地下水位作用下的觀測數據，為農作物用水模擬、潛水蒸發、水資源轉化規律等研究提供了豐富的長序列數據資料。

3.潛水蒸發量測量

潛水蒸發量采用馬利奧特瓶（簡稱馬氏瓶）測量，原理為：當無降水時，測筒作物和土壤就會因蒸發蒸騰作用，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蒸騰之需，使得地下水位始終穩定在設計水平。馬氏瓶上刻度可通過人工觀測方式用肉眼平視讀取。

潛水蒸發量自動測量方法為：采用磁致伸縮水位計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為潛水蒸發量測量示意圖。數據通過無線傳輸發送至服務器端，通過水位變化計算出日蒸發量和入流量。此方法的特點在于：（1）采用水位采集技術：磁致伸縮水位計具有高精度（0.1mm分辨率），耐腐蝕性，使用壽命長等優勢。即使出現故障不影響人工觀測，維養方便快捷。（2）采用遠程傳輸技術：儀器要有智能接口，可實現數據的遠程傳輸，既可一點對多點，也可多點對一點。兼容無線數傳電臺、無線模塊、GPRS、GSM多種模式，支持APN、VPN技術。具有傳輸線路簡單、傳輸費用低、可靠性高等特點。該項技術可以遠程操作，實現透明傳輸，最大限度地實現資源共享。

4.徑流量和入滲量測量

入滲量的測量原理為：當降雨足夠大時，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，地下水位趨向恢復原來的穩定位置，由于入滲導致的地下水位增加的多余水量則經由入滲量管排入儲水瓶中。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，當降水強度超過土壤下滲能力時，無法滲入土壤的剩余降水會在地表積蓄，從而流進地表徑流管道入口，排入儲水瓶中。

圖1 地中蒸滲儀群總體布局圖

入滲量儲水瓶和徑流量儲水瓶均可人工觀測，用肉眼平視讀取筒上已經換算好的毫米讀數刻度，并手工記錄時段數值或總量值。人工觀測在降雨天氣環境下進行，降水強度低時每天一次，降水強度高時最多每小時觀測一次。考慮到降雨強度高時，需在短時間內對大量儀器進行人工讀數，可能出現人員缺乏，觀測質量下降的情況，需要進行自動觀測。

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

蒸發量、入滲量及徑流量的自動化觀測保證了同一時刻測量所有測筒數據的觀測需要；高精度的磁致伸縮水位計測量方法提高了觀測精度；人工觀測與自動觀測相結合的手段保證了數據無誤報、無漏報，提高了觀測數據的可靠性及全面性。

三、觀測數據應用現狀及應用前景

1.觀測內容

“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。除各蒸滲儀觀測項目以外，降水量單獨進行觀測。

2.數據應用現狀

目前，應用五道溝蒸滲儀群的觀測數據，已展開過諸多實驗研究。蒸滲儀群觀測考慮了筒徑、潛水埋深、農作物、土壤類型四種變量的不同，數據類型全面，根據不同變量的觀測結果，可提供給不同研究使用。

依據不同土壤類型，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量變化的影響。例如表1是實驗站觀測統計數據之一，其列出了不同潛水埋深時年潛水蒸發量占年降水量的比重，也直接反映了潛水蒸發量的大小。

還有類似的一系列研究。根據不同潛水埋深的觀測數據，闡述了降水、地下水埋深、土壤蒸發等要素變化對降雨入滲補給系數的影響；分析了不同降水條件下，降雨入滲系數隨地下水埋深變化的分布規律；做了地下水參數給水度分析。

根據不同作物及不同潛水埋深的觀測數據，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對地下水的利用情況。

根據降水量、潛水蒸發量、地表徑流、下滲等觀測數據，進行了平原區四水轉化分析，并建立了四水轉化模型。

除上述當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、降雨入滲補給系數等，同時也可以分析不同土壤的下滲曲線，計算不同土壤的導水率。這些參數對于農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量占年降水量比重表

四、總結與展望

本文介紹了一種成本低、占地面積小、測量內容多的“緊密式”地中蒸滲儀觀測群的觀測模式。蒸滲儀采用馬氏瓶+水位計的測量方法，原理簡單實用，規模小，可在有效的觀測面積內安放較多的測量筒，增加測量類型，從而為農田水文、四水轉化、淺層地下屬、水資源利用等研究提供豐富的實驗數據，也為日后做更多的研究實驗提供更好的實驗設計可能性。地下觀測室內便捷的人工觀測與自動觀測相結合的觀測方法保證了觀測數據的及時性、可靠性及全面性。

地中蒸滲儀的自動采集方式經過多次試驗與論證，效果良好，為土壤水的觀測提供了更多的支持和保證，值得在其他實驗站推廣及應用

（作者單位：安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院信息與自動化研究所 233000）