地中蒸滲儀

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(duì)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(duì)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撎自O(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(duì)指導(dǎo)農(nóng)作物、牧草和林業(yè)的合理用水，對(duì)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(duì)大田土壤的擾動(dòng)，雖造價(jià)較高，但對(duì)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。

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(jí)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)稱量范圍最大為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， 完全能夠滿足該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)要求。蒸滲儀稱重底盤的示意圖見圖3

稱重傳感器的性能、技術(shù)參數(shù)

最大稱量：2.2T

準(zhǔn)確度等級(jí)  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(duì)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(duì)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。