高精度计量设备在蒸渗系统中的选型及应用

孙晶晶 刘 强

（1.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 蚌埠 233000 2.淮河水利委员会通信总站蚌埠 233000）

1 引言

在安徽省五道沟水文实验站的蒸渗仪群中，地中蒸渗仪测筒面积分为五种，最小面积0.3m2，最大为4m2，此外还有0.5m2、1m2、2m2三种。潜水蒸发与入渗补给量是采用人工观测方法，在实际操作中，人工需要对62 组蒸渗仪早晚八点观测两次并记录，需要花费大量时间，通过加装高精度计量设备采用自动观测方式代替人工观测，是需要解决的问题。

2 地中蒸渗仪结构及监测原理

由于五道沟水文水资源实验站地中蒸渗仪实验室在地下，室内温度低，湿度大，且人工观测仪器（马氏仪）具有毫米级的刻度，因此对于潜水蒸发量及入渗量观测自动采集设备的选型要具备耐腐蚀性、精度高（分辨率为毫米级）的设备性能才能满足观测要求。观测精度越高，实现的难度越大，对于设备的选型试验要求也越高。

地中蒸渗仪分为蒸发及入渗两个部分，整套蒸渗系统结构如图1 所示，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。第一天蒸发量读取值为E1（mm），第二天为E2（mm），那么一天（24h）实际蒸发量△E=E1-E2（mL）。

图1 地中蒸渗仪装置结构示意图

入渗量的测量原理：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。第一天入渗量读取值为E1（mm），第二天为E2（mm），那么一天（24h）实际蒸发量△E=E2-E1（mL）。

径流量的观测原理：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。径流计算与入渗一样。

3 高精度计量设备比测选型试验

3.1 高精度流量计计量测试法

五道沟水文实验站多年平均降雨量为850mm，其中70%集中在汛期（6—9月），而7—8月高达40%，在暴雨集中和出现连续阴雨天气，一旦雨量达到100mm 以上时，人工控制的各套蒸渗仪补给量强度与总量都很大，由于流量计的计量精度与管段是否满管有很大关系，只有在液体充满管段的情况下计量才最精确，因此考虑把管段改为U 形，采用定制开发微型滴注流量计对入渗和径流量进行监测。结构图如图2 所示。

图2 流量计计量安装结构图

试验方法：用滴注方式模拟入渗流，用定制开发流量计计量，并与量筒计量进行比对，通过多次试验，采用三种流速模式：（1）在3L/H 的流速下，误差δ 在10%以内；（2）在2L/H 流速下，误差δ 在20%；（3）流速低于2L/H（相当于雨量极小情况），无法计量，采用人工观测方式。通过试验发现如果流量在比较低的情况下，流量计计量误差比较大。

3.2 高精度称重仪计量测试法

考虑到入渗和径流量监测难度比较大，由于水质浑浊，水体里伴有小砂砾，考虑采用高精度分辨力为0.1mg 的电子称重仪方式进行计量，试验方法：在入渗桶下安装高精度电子称重仪，对入渗量进行称重计量，两次计量的差值即可换算为入渗量。经过试验发现由于室内湿度较大，电子称重设备在湿度较大环境下不能长期运行，后期计量误差比较大。

3.3 磁制伸缩水位计计量测试法

考虑到动水测量误差较大，且实验室的环境湿度较大，水质浑浊等情况，改用磁制伸缩水位计来测量静水的方式，设备耐腐蚀性高，精度能够达到0.1mm，满足试验要求的精度。

如果选装磁制伸缩水位计就必须对原蒸渗仪进行改造，由于蒸渗仪都采用有机玻璃制造，通过对马氏瓶开丝开孔改造，水位计能够插入马氏瓶中，这样就能够对水位进行直接测量代替人工观测。改造对于入渗和径流，对蓄水瓶加装盖板，并在盖板上开丝开孔，这样就能将水位计固定在蓄水瓶中进行测量，将动水测试改为在瓶中的静水测试。

3.4 比测结果

五道沟水文实验站地中蒸渗仪共62 套，试验选择安装4 套设备进行测试，通过磁制伸缩水位计测量静水的方法，测试周期为一个月时间，将人工读取的数据与磁制伸缩水位计自动测量数据进行整合比对，得到误差值，并将数据绘制成曲线，如图3 所示，编号C4 蒸渗点的蒸发与入渗量基本与自动采集数据量相差不到1mm，满足试验的精度要求，且运行稳定。

图3 C4 点蒸发与入渗量测量比对图

在试验后期的比测中，也会有误差超过1mm 的情况，经过检查，一般是由于水质浑浊导致磁制伸缩水位计的浮球卡在杆子上，不随着水位变化而上下浮动，后加配水质净化器，问题即得到解决。

4 总结

本文介绍了针对五道沟水文实验站地中蒸渗仪群采用多种监测设备对蒸渗系统的试验方式与方法，根据试验结果，采用磁制伸缩水位计来对蒸渗系统进行数据采集，方式可行可靠，数据精准度高，满足实验要求，系统运行稳定，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。62 套地中蒸渗仪群的自动采集方式经过试验与论证，目前运行稳定、效果良好，为土壤水的观测提供了更多的支持和保证，值得类似实验站推广应用■