自动地下轨道称重式蒸渗仪测控系统的研制

王富庆，许雅欣，高士佩，王同顺

(1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.江苏省水利科学研究院，南京 210024)

0 引 言

蒸发蒸腾量是水循环过程中重要环节之一[1]，也是地球系统水分消耗的主要方式[2]，控制着陆地生态系统和大气之间的物质和能量交换[3]，影响农业用水[4,5]、生态模型[6]、区域干湿状况[7]等，因此精确估算蒸发蒸腾量对于制定合理的灌溉制度和排水标准、设计可靠的灌区水资源配给方案、发展节水农业具有重要的意义。然而由于陆地、植被与大气之间的相互作用复杂多样，因而蒸发蒸腾量成为水循环组成中最难估算项[8]。

截止目前，陆面蒸发蒸腾量的实测方法主要有涡动相关法、波文比法、闪烁仪、液流法、蒸渗仪法等。其中涡动相关法的应用易受地形和气象条件限制[9]，夜间易导致平流，进而导致蒸发蒸腾量低估[10]，此外涡动相关法观测范围较大，难以实现小尺度水分胁迫处理条件下作物蒸发蒸腾监测；而波文比法需要较多气象数据，在小尺度作物水分胁迫试验中，其气象数据差异可能较小，对于小尺度水分胁迫处理条件下作物蒸发蒸腾同样很难监测；闪烁仪多用于监测大尺度蒸发蒸腾量，其传感器之间的距离为5 km，对于小尺度作物蒸发蒸腾量仍然难以使用；液流法主要用于单株尺度蒸腾速率的监测，对于农田尺度蒸发蒸腾监测有一定难度，需要选取适当的方法进行尺度提升[11]；蒸渗仪法观测范围较小，其观测值代表性较差，但由于观测范围较小，可以用于小尺度不同水分胁迫条件下作物蒸发蒸腾的监测。目前国内外应用较多的是能够测定短时段内作物蒸发蒸腾量的称重式蒸渗仪，按照仪器构造尺寸可分为大型称重式蒸渗仪和小型称重式蒸渗仪。大型称重式蒸渗仪精度高，代表性好， 1996年美国亚利桑那州大学设计的两台大型称重式蒸渗仪[12]，测量精度可达0.04 mm；印度Karnal也有两台重达14 t的电子称重式蒸渗仪[13]；武汉大学2006年研制的智能化称重式蒸渗仪系统[14]，测量精度达0.05 mm。但上述蒸渗仪系统普遍存在基础质量大、不可移动、设计复杂、成本高昂的缺点，在应用上受到一定限制。小型称重式蒸渗仪结构简单、造价较低，同时能够满足一定的精度要求，因此在作物棵间蒸发测量中广泛使用。美国许多城市现已采用小型称重式蒸渗仪估计草地用水消耗与回流水量[15]；巴西2013年研制的测量烟草需水量的小型半封闭箱体结构称重式蒸渗仪[16]，测量精度达0.06 mm；我国康跃虎[17]等人发明的“田间农作物吊挂式称重电测蒸渗仪”应用吊挂式称重传感器进行测量，精确度也很高。但上述小型称重式蒸渗仪的称重设施均建于地上，称重期间大风、大雨等天气因素会对测量产生较大影响，同时人工作业对作物生长环境有一定干扰，易造成试验数据的系统误差，导致观测精度的降低。另外，现有的小型称重式蒸渗仪要求每台蒸渗仪配备一套固定的称重设备，不利于节约成本，且难以满足不同处理和重复试验对测筒数量的需要。因此，急需要一种结构简单、不易受天气状况影响、对作物生长干扰小、节约成本的称重式蒸渗仪。在充分吸取国内外有关称重式蒸渗仪特点的基础上，开发研制了高精度自动地下轨道称重式蒸渗仪测控系统。

1 总体结构与工作原理

自动地下轨道称重式蒸渗仪包括用于种植作物的测筒和位于测筒下方的地下室结构(图1)，其中测筒主要由回填土体及土体中埋设的土壤温湿传感器组成，地下室结构包括地下轨道、设于地下轨道上的移动称重装置、数据采集器和控制系统。移动称重装置包括设于地下轨道上可以移动的轨道小车、设于轨道小车上可伸缩的升降机、小车顶板、以及设于小车顶板上对测筒进行称重的可移动电子秤。轨道小车通过底部设置的滑轮可沿着地下轨道上的滑轮导轨滑动。为了降低设备总造价，只采用单台电子秤，通过其底部设置的滑轮可沿着小车顶板上沿每列测筒方向设置的滑轮导轨滑动。红外定位器设于每一个测筒中心正下方、小车顶板上测点处和电子秤底部中心，测筒、轨道小车以及电子秤之间通过红外定位器准确定位。数据采集器与电子秤相连，控制系统控制轨道小车的电机运转、升降机的升降、以及数据采集器所采集的数据处理和显示。

图1 地下轨道称重式蒸渗仪整体结构1-测筒；2-地下室；3-地下轨道；4-控制系统；5-可移动轨道小车；6-升降机；7-小车顶板；8-可移动电子秤；9-红外线定位器

2 数据采集与监控系统

数据采集与监控系统主要由轨道小车、升降机、电子秤、工控机、PLC、通讯模块和数据采集分析软件组成。数据采集全部为智能化采集，数据采集器所采集的数据，通过通讯模块传输到工控机中，通过自主开发的软件对数据进行处理，并按照设定的格式和周期保存。

2.1 称重系统

称重装置包括设于地下轨道上可以移动的轨道小车、设于轨道小车上可伸缩的升降机、小车顶板、以及设于小车顶板上对测筒进行称重的可移动电子秤。称重系统主要由轨道、小车、升降机、小车顶板以及电子秤等组成。蒸渗仪设计为圆形柱状体，高为1.2 m，内径为0.68 m，截面面积约为0.363 m2，满足灌溉试验规范[18](SL 13-2015)中关于小型蒸渗仪截面面积不小于0.36 m2的要求。蒸渗仪、土体、土壤温湿传感器和数采设备，在满载时总重量达数吨。称重系统的分辨率为10 g，采用高精度的电子秤进行测量。由于蒸渗仪截面面积为0.363 m2，其观测精度相当于0.028 mm水层深度，满足灌溉试验规范(SL 13-2015)中逐日作物蒸发蒸腾量观测误差不大于1 mm的要求。

2.2 全自动称重流程

轨道小车装有光电开关、倾角传感器、起点限位开关、终点限位开关，可实现全自动定时、定次对测筒进行称重。

在全自动称重过程中，设定好全自动软件的工作时间，小车通过底部设置的滑轮沿地下轨道滑动至首排测筒正下方停止，通过红外定位器与首排测筒准确定位，PLC控制蜗轮螺杆升降机启动，使升降平台升起并顶起测筒，称重系统采集到电子秤所测测筒重量的数据，通过WLAN无线传输方式将数据传输到工控机，工控机上的采集软件自动对数据进行保存和处理。PLC再次控制蜗轮螺杆升降机启动，使升降平台降下，电子秤通过底部设置的滑轮沿小车顶板上设置的滑轮轨道滑动，通过红外定位器与同排下一个测筒准确定位，重复上次称重过程直至同排所有测筒称重完毕，小车恢复向前滑动至下一排测筒进行称重，直至所有排测筒称重完毕(图2)。如遇紧急情况，可点击工控机自主开发软件主界面 “紧急停车”按钮，停止所有操作。再按一次“紧急复位”按钮，可恢复正常。

2.3 土壤剖面温度和含水率

土壤剖面温度、含水率测量选用科瑞特力fds120传感器，含水率(体积水)测量范围为0～100%，精度2%，温度测量范围为-40～+50 ℃，精度±1 ℃，埋设深度为10、30、50和90 cm(图3)。

图2 称重系统工作流程图

图3 测筒土壤剖面传感器布设图

通过预设时间间隔，土壤温度和含水率传感器自动测定电压信号，由巡检仪进行收集，以WLAN无线传输方式将数据传输到工控机，工控机上的采集软件自动对数据进行保存和处理(图4)。

图4 测筒土壤温度和含水率系统工作流程图

2.4 软 件

上位机软件基于组态王、Qt、C/C++进行开发，操作系统为Windows XP。其中轨道小车称重系统的上位机软件基于组态王开发，用于控制小车和升降机，实现对各个测筒重量的测量，同时记录称重系统采集到的数据；测筒数据采集系统的上位机软件以Qt为开发环境用C/C++语言开发，主要功能是定时对测筒传感器的数据进行采集，同时存储到数据库中。在这两个系统中，为了使数据易于分析和整理，采用了access数据库。

上位机软件模块组成如图5所示，其主要功能包括参数设定、手动调试控制、传感器配置、温度/含水率测量、测筒重量测量及数据储存等。数据采集间隔可根据试验要求自行设定。

图5 上位机软件模块组成

3 自动地下轨道称重式蒸渗仪测控系统精度检验

3.1 计算公式

自动地下轨道称重式蒸渗仪测控系统精度的检验通过对比分析称重系统与含水率计算所得到的蒸发蒸腾量来实现，其中通过称重系统计算的蒸发蒸腾量采用灌溉试验规范(SL 13-2015)推荐的公式：

(1)

式中：ET1-2为阶段蒸发蒸腾量，mm；G1为时段开始时的蒸渗仪总质量，kg；G2为时段末时的蒸渗仪总质量，kg；Gm为时段内向蒸渗仪的灌水量，kg；Gp为时段内落入蒸渗仪内的降水量，kg；Gc时段内蒸渗仪中的土表及底层排水量之和，kg；S蒸渗仪内的水平截面积，m2。

利用测定土壤含水率来计算作物蒸发蒸腾量时，采用灌溉试验规范(SL 13-2015)推荐的公式：

(2)

式中：ET1-2为阶段蒸发蒸腾量，mm；i为土壤层次号数；n为土壤层次总数目；Hi为第i层土壤的厚度，cm；Wi1为第i层土壤在时段始的体积含水率；Wi2为第i层土壤在时段末的体积含水率；M为时段内的灌水量，mm；P为时段内的降水量，mm；K为时段内的地下水补给量，mm；C为时段内的排水量(地表排水与下层排水之和)，mm。

试验中采用防雨棚排除了降雨因素对测量结果的影响，且蒸渗仪无地下水向上补给量，因此，K=0，P=0，由含水率传感器的埋设深度，时段内的灌水量、排水量，即可求出时段内的ET1-2。

3.2 含水率计算值与蒸渗仪测定值对比分析

图6为2016年7月24日-2016年10月18日，由称重系统和含水率分别计算的棉花花铃期每日蒸发蒸腾量(ET)。在棉花花铃期，蒸渗仪计算ET序列与土壤含水率计算ET序列日变化趋势基本一致。每次灌水后，ET值均出现明显的向上升方向的趋势性变化，且ET峰值出现在灌水后的1～3 d内，并在灌水后的4～5 d内逐渐恢复至灌水前的平均值，符合一次灌水对作物蒸发蒸腾量的影响规律。

图6 棉花花铃期含水率计算值与蒸渗仪计算值的变化曲线与结果对比

相关性分析发现二者具有显著的线性相关关系(图7)，回归系数为0.895 2，通过0.01的显著性检验，回归直线斜率为0.920 8，说明土壤含水率计算ET较蒸渗仪计算ET偏小，偏小约7.9%。这一方面可能是由于土壤含水率传感器埋设数量较少，未能全面反映测筒剖面含水率沿深度的变化情况所致；另一方面，考虑到测筒土壤为回填土，土壤与测筒壁之间贴合不密实将导致灌水后水分主要聚集在测筒边缘或沿筒壁下渗，进而导致测筒内水分分布不均，含水率传感器实测值偏小。

图7 棉花花铃期含水率计算值与蒸渗仪计算值的相关性分析

综上，称重系统计算的ET与含水率计算的ET变化趋势一致，线性相关系数较高，说明通过自动地下轨道称重式蒸渗仪测控系统监测的数据稳定可靠，可用于不同水分胁迫条件下作物机理响应规律研究。

4 结 语

在吸取国内外有关蒸渗仪优缺点的基础上，开发研制了高精度自动地下轨道称重式蒸渗仪测控系统，该系统在地下室中进行监控测量，可排除大风、大雨等天气对蒸渗仪监测数据的影响。地下室结构包括地下轨道、移动称重装置、数据采集器和控制系统，控制系统采用上位机软件全自动智能控制各设备工作，移动称重装置可实现对各个测筒的独立准确测量，能够满足不同处理和重复试验对测筒数量的要求，且大幅度降低了成本，上位工控机与数据采集器之间通过WLAN进行数据传输，可实现无人值守测量。检测分析表明，称重系统对蒸发蒸腾量(ET)的观测精度达0.028 mm，称重系统计算的ET与含水率计算的ET变化趋势一致，回归系数为0.895 2，回归直线斜率为0.920 8，说明该称重系统精度较高，且所测数据稳定可靠，可用于研究不同灌溉方式下作物需水规律，不同水分胁迫作物响应机理，化肥、农药对土壤水的作用和影响及土壤水量平衡等。

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