地中蒸滲儀

蒸滲儀是應(yīng)用水量平衡原理，推求平衡因素中某些難以直接測定的或需研究的某些因素的變化過程。

蒸滲儀的基本工作原理：被測土柱水量平衡方程： △S = P+I+Q-△R–ET 。

上式中：△S為土壤儲(chǔ)存水量的變化，P為降水量，I為灌溉量，Q為滲漏水量，△R為凈地表徑流量，ET為蒸騰蒸發(fā)量。其中降水量（P）和灌溉量（I）可以由雨量計(jì)和水表直接測得，滲漏水量和地表徑流量也可用專用設(shè)備測量得到。但土壤儲(chǔ)存水量的變化量（△S）代表降水或灌溉后水分的增加，或測量蒸騰蒸發(fā)作用導(dǎo)致水分的損失，這些較難測量，所以研發(fā)了高精度的稱重式蒸滲儀系統(tǒng)來測量△S。

多參數(shù)自動(dòng)稱重式蒸滲儀是一種自動(dòng)測試、記錄、存儲(chǔ)、輸出試體重量，可精確量化土壤水分變化，準(zhǔn)確測定土壤蒸散發(fā)量和土壤水勢、土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率等剖面變化的設(shè)備。為水文循環(huán)中的土壤水下滲、地表徑流、地下徑流等過程和研究農(nóng)田蒸騰蒸發(fā)和地下水～土壤水轉(zhuǎn)化關(guān)系，提供更系統(tǒng)、更準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的測量工具。

1、多參數(shù)直接稱重式蒸滲儀的工作原理

直稱固定型自動(dòng)電子稱重式蒸滲儀是把壓力傳感器固定在鋼結(jié)構(gòu)底座上，被稱土壤測筒平置于稱重底座的傳感器之上，直接稱量土壤測筒中水分的變化。直接稱重系統(tǒng)消除了杠桿式稱重測量的轉(zhuǎn)換誤差及懸臂式測量系統(tǒng)受風(fēng)和形變帶來的誤差，稱重分辨率可達(dá)100克。

2、多參數(shù)直接稱重式蒸滲儀具備以下主要功能

(1)測量具有地下水毛管上升補(bǔ)給條件下的農(nóng)田實(shí)際蒸散發(fā)量和潛水蒸發(fā)量，進(jìn)而分析和研究地下水對農(nóng)田蒸散發(fā)的作用和貢獻(xiàn)。

(2)研究不同土壤類型、不同地下水埋深對農(nóng)田蒸發(fā)和土壤入滲的影響

(3)研究作物耗水量、棵間蒸發(fā)量和合理的農(nóng)田灌溉制度

(4)建立SPAC系統(tǒng)分析模型，優(yōu)選和確定各類參數(shù)

(5)研究與水分運(yùn)動(dòng)有關(guān)的土壤養(yǎng)分、化學(xué)元素和污染物質(zhì)在土壤中運(yùn)移和轉(zhuǎn)化的規(guī)律?？傊?，該套設(shè)備是開展四水轉(zhuǎn)換研究的重要手段，同時(shí)還可用于研究農(nóng)田其他物質(zhì)流和能量傳輸規(guī)律和機(jī)理，根據(jù)設(shè)計(jì)和制作要求，與國內(nèi)外已有地中蒸滲儀比較，具有規(guī)模大、測量精度高和功能多樣化的特點(diǎn)。

3、多參數(shù)直接稱重式蒸滲儀有如下的特點(diǎn)

(1)儀器是只讀和存貯式的、它通過電路的特殊調(diào)試將重量值(kg)轉(zhuǎn)換成蒸滲量。

⑵儀器具有定時(shí)貯存、顯示、打印功能，可人工和計(jì)算機(jī)觀測和控制。即當(dāng)?shù)皆O(shè)置的時(shí)間儀器自動(dòng)貯存、顯示當(dāng)前的重量，兩次數(shù)值的差值為蒸滲量。

(3)地下室是保護(hù)四周土壤不接觸到盛土容器的作用，蒸滲儀內(nèi)筒的土壤條件和植物生長與大田基本一致，其測量結(jié)果能代表大田的實(shí)際情況。

(4)本儀器對指導(dǎo)農(nóng)作物、牧草和林業(yè)的合理用水，對于研究土壤一植物一大氣系統(tǒng)中水分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，制定合理科學(xué)的灌溉制度、節(jié)約用水、促進(jìn)農(nóng)作物生長都將產(chǎn)生積極的作用。

4、多參數(shù)直接稱重式蒸滲儀的結(jié)構(gòu)及組成

多參數(shù)直接稱重式蒸滲儀由地下室、稱重底盤、壓力傳感器、盛土容器(土筒)、滲漏水計(jì)量裝置、地表徑流計(jì)量裝置和其它設(shè)備（土壤水分測量儀、張力計(jì)、土壤溶液取樣、地溫、電導(dǎo)率測量等）及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，主要用于定點(diǎn)測定根系較深的作物蒸散量和滲漏量。

⑴蒸滲儀防護(hù)地下室

蒸滲儀防護(hù)地下室是保護(hù)四周土壤不接觸到盛土容器(內(nèi)筒)，減少了對大田土壤的擾動(dòng)，雖造價(jià)較高，但對土壤測筒的安裝、維護(hù)提供極大方便，蒸滲儀地下室外的土壤條件和植物生長與大田基本一致。地下室的建造綜合考慮冬季土壤低溫凍脹、土體深度以及便于定位稱重等因素，根據(jù)地下水位埋深及土壤結(jié)構(gòu)的具體情況，本文選用鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而且加裝保溫防凍措施，使蒸滲儀在外界-40℃的低溫環(huán)境下能正常工作。

地下室形狀為長方形形，室內(nèi)面積為4.5×2.8米。側(cè)壁為25cm厚的鋼筋混凝土，底板為30cm厚的鋼筋混凝土，地下室深度為2.2m, 地下室上部開有直徑1.3米園孔，用于安裝土壤測筒。土壤測筒上沿5厘米處安裝向下擴(kuò)展的不銹鋼防風(fēng)防雨圈。

地下觀測室平面布置示意圖見圖1所示：地下觀測室和測量設(shè)備立體結(jié)構(gòu)示意圖見圖2

⑶稱重底座和壓力傳感器

在稱重方式上,選用了固定直接稱重的電子稱重蒸滲儀。固定直稱式電子稱重式蒸滲儀通過3個(gè)量程為2200kg的C6級壓力傳感器把士壤測筒重量(kg)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)化為蒸滲量(mm)，精度高，操作簡單。

稱重傳感器是自動(dòng)稱重式蒸滲儀的技術(shù)核心，設(shè)計(jì)采用3支重量傳感器安裝在夾角120°的鋼制傘形“人" 字稱重底盤下端，選用多個(gè)壓力傳感器的目的是為了提高測量精度。

稱重底盤座落在直徑140厘米的鋼筋混凝土基座上與測簡直接接觸，物體重心與稱重系統(tǒng)的重心保持在一條垂線上，使傳感器受力均勻。該系統(tǒng)稱量范圍為6.6t， 稱量鑒別力達(dá)到200g， 按照灌溉試驗(yàn)中準(zhǔn)確反應(yīng)0.1mm蒸散量變化要求，滿足該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)要求。蒸滲儀稱重底盤的示意圖見圖

稱重傳感器的性能、技術(shù)參數(shù)

稱量：2.2T

準(zhǔn)確度等級  C6

安全極限載荷 150%R.C

激勵(lì)電壓 5-15V DC

絕緣電阻 ≥5000 MΩ

靈敏度 1.9407 mv/V;

零點(diǎn)輸出 ＜1% R.C

輸入阻抗 384±10Ω

輸出阻抗 350±2Ω

最小檢定分度值 200g

⑷蒸滲儀盛土容器(土筒)

本設(shè)計(jì)根據(jù)用戶要求蒸滲儀盛土容器(土筒)形狀為圓形，圓形測筒可消除了方形測筒直角對土壤的應(yīng)力不均勻，干擾土壤剖面水勢梯度，圓形筒盛土后四周受力均勻，一般外壁不需要加固圈。

蒸滲儀盛土容器〔土筒)為圓柱形，內(nèi)徑為1.13m，土體表面積是 1平方米，土壤測筒高為2.0m，側(cè)壁為4mm厚不銹鋼板、底為6mm厚的不銹鋼板，內(nèi)外雙面焊接而成。設(shè)計(jì)使用的蒸滲儀 (圓形),裝土深度為1.6米，土筒底部有30厘米厚度的反濾層，在反濾層內(nèi)布有連通管，連通管管道壁上打有密集的小孔，在管道外還包有不銹鋼紗布，土壤中的水分可進(jìn)出連通管同時(shí)也隔離了固體物質(zhì)。

另外在土筒距底部5厘米處安裝一根直徑1吋的不銹鋼花管外包錦綸網(wǎng)焊接在測筒壁上，為防止雨雪流入地下室，防雨防風(fēng)罩的設(shè)計(jì)，采用內(nèi)外45度角設(shè)計(jì)，其角的頂部和鋼桶的直徑相同，這樣保證了降雨面積的一致性，外罩和鋼桶采用無接觸的方式，避免因摩擦產(chǎn)生的測量誤差。表面涂有土色涂層，避免了因外罩反光而造成的桶內(nèi)植物與大田植物生張速度差異大的問題。土壤測筒上部距地表以上5厘米處安裝8--10厘米寬不銹鋼防風(fēng)圈，安裝時(shí)注意和地下室開口處的防風(fēng)圈配合。

土壤測筒在外壁開有18個(gè)測量儀器安裝孔，按設(shè)計(jì)要求儀器傳感器安裝孔分布在地面以下10cm、20cm、30cm、50cm、100cm、150cm處，便于土壤水分、溫度、電導(dǎo)率三參數(shù)傳感器、水勢傳感器、土壤溶液取樣器等測試儀器的安裝。

土體加上鋼制土壤測筒、底盤自重、各種傳感器的重量等,整個(gè)稱重系統(tǒng)達(dá) 5～6T。

⑸定水位控制器——馬氏瓶自動(dòng)補(bǔ)水裝置

作為稱重式蒸滲儀的輔助設(shè)備，在此蒸滲儀上安裝了一套馬氏瓶自動(dòng)補(bǔ)水裝置并配套自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它的作用是對土壤測筒的地下水位預(yù)先設(shè)定，并在設(shè)備運(yùn)行過程中自動(dòng)補(bǔ)水，使土筒水位始終維持在設(shè)定水位線上，其工作原理如下：

①、蒸滲儀自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水。當(dāng)測筒土壤有蒸發(fā)蒸騰時(shí)，測筒水位面降低到設(shè)定的低水位線時(shí)，聯(lián)通土壤測筒的供水管路關(guān)斷，同時(shí)打開補(bǔ)水管路，向馬氏瓶補(bǔ)水，等補(bǔ)水至高水位時(shí)，關(guān)斷供水管路，延時(shí)測記馬氏瓶的水位值，然后打開聯(lián)通測筒管路，恢復(fù)正常工作。馬氏瓶內(nèi)的磁致伸縮傳感器記錄高、低水位值，計(jì)算補(bǔ)水量即土壤蒸發(fā)蒸騰量。

②、在降水情況下，雨水由土壤入滲，除一部分保留在土壤孔隙中成為土壤含水量外，一部分繼續(xù)下滲，達(dá)到反濾層形成地下徑流，抬升測筒水位高出設(shè)定水位時(shí)，高出的水由溢流器流入計(jì)量瓶，由電子秤重設(shè)備或其他高精度計(jì)量設(shè)備記錄在儲(chǔ)存器內(nèi)。經(jīng)處理顯示并記錄在數(shù)據(jù)采集器內(nèi)。并可將數(shù)據(jù)下載到 PC 機(jī)中,供使用者分析和研究。

⑹蒸滲儀滲漏水計(jì)量裝置

滲漏量測量采用高精度稱重傳感器，計(jì)量筒內(nèi)安裝排水泵，當(dāng)滲漏水量達(dá)到計(jì)量筒設(shè)定高水位時(shí)，排水系統(tǒng)關(guān)閉滲漏量電磁閥，稱量計(jì)量筒水的重量并計(jì)算滲漏量，然后啟動(dòng)排水水泵將滲漏水排入蓄水井。當(dāng)計(jì)量筒水位下降至設(shè)定低水位后關(guān)閉水泵電源后再次測量計(jì)量桶水量，然后打開滲漏量電磁閥，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測判斷狀態(tài)。

⑺蒸滲儀地表徑流量計(jì)量裝置

當(dāng)蒸滲儀土壤測筒因超滲或飽和產(chǎn)生地表徑流時(shí)，由徑流收集器的導(dǎo)流管將徑流水導(dǎo)入地表徑流計(jì)量裝置，徑流量測量采用高精度稱重傳感器并可自動(dòng)排水的設(shè)備，量測后的徑流量排入蓄水井后關(guān)閉排水水泵并打開徑流電磁閥，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測判斷狀態(tài)。

⑻蓄水井自動(dòng)排水水泵控制系統(tǒng)

地表徑流和滲漏水排入蓄水井后，蓄水井液位超過設(shè)定高水位時(shí)打開排水