五道沟水文实验站“紧密式”地中蒸渗仪群及其自动观测技术

孙晶晶 马 浩

五道沟水文实验站“紧密式”地中蒸渗仪群及其自动观测技术

孙晶晶 马 浩

一、引言

在蒸渗仪实验观测中，增加蒸渗仪的观测数量，丰富实验数据，加强对比分析，对于提高科学研究的可靠性和深度具有重要价值。当然，在实际操作中，能够便捷地安放、维护大量的蒸渗仪实验仪器，以及可靠、高效地进行大量数据观测，也是需要解决的问题。

该研究介绍了安徽省五道沟水文水资源实验站的地中蒸渗仪观测群，可自动、便捷地进行大量蒸渗仪实验观测，对今后蒸渗仪实验应用研究具有借鉴意义。

二、“紧密式”地中蒸渗仪观测群设计

1.五道沟水文水资源实验站简介

五道沟水文水资源实验站建站于1953年，是淮河流域平原区水文水资源综合性实验站。实验站现有大型地中蒸渗仪观测室、气象观测场、径流试验场等气象水文要素。自建站60余年来，实验站围绕水文、水资源、水环境、水生态、灌溉排水等方面的实际问题，开展范围广泛的水文水资源实验研究，并提供了重要的实验数据。

2.“紧密式”地中蒸渗仪观测群

“紧密式”地中蒸渗仪观测群核心实验区，是五道沟实验站的特色所在。蒸渗仪群由62套地中蒸渗仪组成。蒸渗仪均采用马里奥特瓶与连通器原理进行测量，而非采用称重式测量方法。每个测量筒不需要较大的测筒规模，使得较小区域内能够分布大量测筒，并在同一地下室内进行集中观测。室外埋入地下的蒸渗仪与地下室内观测设备通过连通器相连，构成完整的一套蒸渗仪观测群。

62套地中蒸渗仪在观测室外地面上围绕观测室呈紧密状分布。图1为蒸渗仪群总体布局图，蒸渗仪群总占地面积不足100m2。测量筒下方即为地下观测室中各测量筒对应的观测设备（马氏瓶、储水瓶、控制水位平衡器等），各测量筒对应的测量设备靠墙壁围绕地下室一圈。

地中蒸渗仪群观测内容为蒸发量，入渗量及径流量。蒸发量采用马氏瓶测量，入渗量及径流量采用导水管+量筒设备测量。观测地点在同一地下室内，三种要素均可进行人工观测或仪器自动观测。“紧密式”地中蒸渗仪群凭借低成本、占地面积少、测筒多的优势，测量了不同种土质、不同作物在不同埋深的地下水位作用下的观测数据，为农作物用水模拟、潜水蒸发、水资源转化规律等研究提供了丰富的长序列数据资料。

3.潜水蒸发量测量

潜水蒸发量采用马利奥特瓶（简称马氏瓶）测量，原理为：当无降水时，测筒作物和土壤就会因蒸发蒸腾作用，消耗土壤水分，使得潜水地下水位下降。然而由于控制水位平衡器的控制作用，马氏瓶中的水量通过平衡器源源不断地供给测筒蒸发蒸腾之需，使得地下水位始终稳定在设计水平。马氏瓶上刻度可通过人工观测方式用肉眼平视读取。

潜水蒸发量自动测量方法为：采用磁致伸缩水位计测量马氏瓶水位以及入流水位变化情况，并用仪表显示，测量精度为0.15mm。图2为潜水蒸发量测量示意图。数据通过无线传输发送至服务器端，通过水位变化计算出日蒸发量和入流量。此方法的特点在于：（1）采用水位采集技术：磁致伸缩水位计具有高精度（0.1mm分辨率），耐腐蚀性，使用寿命长等优势。即使出现故障不影响人工观测，维养方便快捷。（2）采用远程传输技术：仪器要有智能接口，可实现数据的远程传输，既可一点对多点，也可多点对一点。兼容无线数传电台、无线模块、GPRS、GSM多种模式，支持APN、VPN技术。具有传输线路简单、传输费用低、可靠性高等特点。该项技术可以远程操作，实现透明传输，最大限度地实现资源共享。

4.径流量和入渗量测量

入渗量的测量原理为：当降雨足够大时，雨水由地表向下入渗，直至地下水位，使地下水位升高。但由于水位平衡器的作用，地下水位趋向恢复原来的稳定位置，由于入渗导致的地下水位增加的多余水量则经由入渗量管排入储水瓶中。入渗量观测原理如图3所示。径流量的观测原理为：径流量测量管道入口位于地表，当降水强度超过土壤下渗能力时，无法渗入土壤的剩余降水会在地表积蓄，从而流进地表径流管道入口，排入储水瓶中。

图1 地中蒸渗仪群总体布局图

入渗量储水瓶和径流量储水瓶均可人工观测，用肉眼平视读取筒上已经换算好的毫米读数刻度，并手工记录时段数值或总量值。人工观测在降雨天气环境下进行，降水强度低时每天一次，降水强度高时最多每小时观测一次。考虑到降雨强度高时，需在短时间内对大量仪器进行人工读数，可能出现人员缺乏，观测质量下降的情况，需要进行自动观测。

入渗量和径流量的自动化观测同样采用磁致伸缩浮子水位计观测。图3显示了采用水位计对入渗量的测量，对径流量的测量也相同，即为用水位计观测径流量储水瓶。

蒸发量、入渗量及径流量的自动化观测保证了同一时刻测量所有测筒数据的观测需要；高精度的磁致伸缩水位计测量方法提高了观测精度；人工观测与自动观测相结合的手段保证了数据无误报、无漏报，提高了观测数据的可靠性及全面性。

三、观测数据应用现状及应用前景

1.观测内容

“紧密式”蒸渗仪群的62套蒸渗仪有0.3m2、0.5m2、1.0m2、2.0m2、4.0m2，共5种测筒面积规格；测量土壤类型为砂礓黑土和黄潮土两种；测量作物类型包括无作物、水稻、小麦、大豆、油菜、花生；地下水埋深设定分别为0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、80cm、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.0m、5.0m共12种。除各蒸渗仪观测项目以外，降水量单独进行观测。

2.数据应用现状

目前，应用五道沟蒸渗仪群的观测数据，已展开过诸多实验研究。蒸渗仪群观测考虑了筒径、潜水埋深、农作物、土壤类型四种变量的不同，数据类型全面，根据不同变量的观测结果，可提供给不同研究使用。

依据不同土壤类型，地下水埋深的分类，可以探究地下水埋深变化对不同土壤潜水蒸发量变化的影响。例如表1是实验站观测统计数据之一，其列出了不同潜水埋深时年潜水蒸发量占年降水量的比重，也直接反映了潜水蒸发量的大小。

还有类似的一系列研究。根据不同潜水埋深的观测数据，阐述了降水、地下水埋深、土壤蒸发等要素变化对降雨入渗补给系数的影响；分析了不同降水条件下，降雨入渗系数随地下水埋深变化的分布规律；做了地下水参数给水度分析。

根据不同作物及不同潜水埋深的观测数据，分析了不同作物适宜的潜水埋深；研究了不同作物在不同地下水埋深时对地下水的利用情况。

根据降水量、潜水蒸发量、地表径流、下渗等观测数据，进行了平原区四水转化分析，并建立了四水转化模型。

除上述当前已有研究成果以外，由于蒸渗仪群筒径小，更换方便，还可以进行其他的一些研究。例如，增加土壤类型，可以分析不同土壤类型在不同降水条件、不同潜水埋深的给水度、降雨入渗补给系数等，同时也可以分析不同土壤的下渗曲线，计算不同土壤的导水率。这些参数对于农田水文研究以及流域水文研究均具有重要意义。

图2 潜水蒸发量测量原理示意图

图3 入渗量观测原理示意图

表1 不同埋深年潜水蒸发量占年降水量比重表

四、总结与展望

本文介绍了一种成本低、占地面积小、测量内容多的“紧密式”地中蒸渗仪观测群的观测模式。蒸渗仪采用马氏瓶+水位计的测量方法，原理简单实用，规模小，可在有效的观测面积内安放较多的测量筒，增加测量类型，从而为农田水文、四水转化、浅层地下属、水资源利用等研究提供丰富的实验数据，也为日后做更多的研究实验提供更好的实验设计可能性。地下观测室内便捷的人工观测与自动观测相结合的观测方法保证了观测数据的及时性、可靠性及全面性。

地中蒸渗仪的自动采集方式经过多次试验与论证，效果良好，为土壤水的观测提供了更多的支持和保证，值得在其他实验站推广及应用

（作者单位：安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院信息与自动化研究所 233000）