DLS-Ⅱ型負壓計在測定土壤水勢中的應用研究

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(河北省環(huán)境地質勘查院，河北 石家莊 050021)

DLS-Ⅱ型負壓計在測定土壤水勢中的應用研究

張志飛，胡現(xiàn)振，郭強，張輝軍

(河北省環(huán)境地質勘查院，河北 石家莊 050021)

負壓計是測定土壤水基質勢的儀器，安裝及操作簡便。DIS-Ⅱ型負壓計作為負壓計的一種，具有其獨特的優(yōu)點，現(xiàn)已在作物生長、陸地水文循環(huán)、土壤水分運移等研究領域得到了廣泛應用。本文通過對DLS-Ⅱ型負壓計的結構及原理的研究，進一步推求負壓計的起算零點和量程，并給出驗證負壓計可靠性的方法。對試驗過程中淺層負壓計水銀柱隨氣溫升高而下降及注水時拔出鋁鉚釘集氣瓶冒水問題進行了探討。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，結果表明DLS-Ⅱ型負壓計應用效果比較理想。

DLS-Ⅱ型負壓計；土壤水勢；起算零點；量程；可靠性；應用效果

負壓計(又稱張力計)是測定土壤水基質勢的儀器，也是土壤水研究中唯一能觀測能量的一種儀器[1]。由于其結構簡單，易于制造、安裝及操作簡便，適宜在田間使用，目前，負壓計已成為測定土壤水基質勢的常規(guī)儀器[2]。國內(nèi)外常用的負壓計有不同種類，從壓力傳導方式上可分為水傳與氣傳兩種，在壓力測定上有表頭式、水銀式、水柱式、壓力傳感器式等等，每一種負壓計又可分為若干種[1,3,4]。DLS-Ⅱ型負壓計是負壓計的一種類型，屬水銀式負壓計,由中國科學院地理科學與資源研究所于2006年研制[5]。DLS-Ⅱ型負壓計除具有負壓計的一般特點外，還具有其獨特的優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應用于作物生長、陸地水文循環(huán)、土壤水分運移等研究領域[6,7,8]。

然而，目前尚未見關于DLS-Ⅱ型負壓計的深入研究成果。試驗過程中，DLS-Ⅱ型負壓計是否處于正常狀態(tài)，影響著測定結果的準確性，甚至決定著試驗的成敗。所以，清晰了解負壓計的結構、原理、特征及在使用過程中可能遇到的問題，及時判斷和掌握儀器的運行狀況，確保負壓計始終正常運行，對試驗來說至關重要。

1 DLS-Ⅱ型負壓計結構及原理

1.1 結構及原理

DLS-Ⅱ型負壓計主要由多孔陶土管，集氣室和水銀壓力計聯(lián)接而成[5](圖1)。多孔陶土管是儀器的感應部件，它是由具有均勻微細孔隙的陶土材料制成的。當陶土管充滿水后，管壁便形成張力相當大的水膜，在一定的壓差范圍內(nèi)，水分和溶質可以通過管壁，而氣體則不能通過，即所謂透水不透氣[4,9]。把陶土管埋入土壤后，其內(nèi)的自由水便通過陶土管的孔隙與土壤水連接，產(chǎn)生水力上的聯(lián)系。當陶土管內(nèi)的水勢與土壤水的水勢不相等時，水便由水勢高處向水勢低處流動，直至兩個系統(tǒng)的水勢平衡為止。平衡后水銀壓力計顯示的讀數(shù)值，經(jīng)過換算就可得到當時陶土管所在位置土壤水的基質勢。

與陶土管相連接的是加水管和導壓軟管，加水管深入到陶土管內(nèi)腔的最底部，導壓軟管處于內(nèi)腔頂部，這樣在注水排氣時便很容易將陶土管內(nèi)的氣體排出。導壓軟管的另一端連接集氣瓶底部的一個接口。集氣瓶安裝在負壓計的最高位置，可使陶土管與導壓管內(nèi)產(chǎn)生的氣體自動升至集氣瓶內(nèi)，即通過導壓軟管實現(xiàn)陶土管向集氣瓶的負壓傳遞。集氣瓶底部的另一個接口與水銀測壓管相連，水銀測壓管底端位于水銀槽的水銀內(nèi)。集氣瓶內(nèi)的負壓將會引起水銀柱的上升。在注水完成后，用鋁鉚釘和橡皮塞分別將加水管口和集氣瓶口進行封堵，整個負壓計便成為一個封閉系統(tǒng)，陶土管產(chǎn)生的負壓值將會完全反映在水銀柱的高度上，由水銀柱高度值便可求出陶土管所處位置的土壤水基質勢1。

水銀柱高度表示的是由負壓計系統(tǒng)本身高差引起的高度和土壤基質吸力引起高度的和值，土壤水基質勢需要通過計算才能得到，計算公式為：

φ=12.6(h+Δh)-H(cmH2O)

換算成壓力標準計量：

φ=[12.6(h+Δh)-H]/10.2(kPa)

其中，Φ為土壤基質勢，即負壓值(kPa)；h為水銀柱上升的高度(cm)；H為陶土管中間與水銀槽中水銀面之間的距離；△h為水銀柱上升后，水銀槽中的水銀面下降的高度(cm)；當水銀的面積較大時△h很小，可取△h=0。

1.2 DLS-Ⅱ型負壓計的特點

DLS-Ⅱ型負壓計具有以下特點：陶土管埋設時不破壞土壤結構；測量采用水銀壓力計，具有較高精度；設有加水管和集氣瓶，容易除氣，可一次更換陶土管里的水；導壓管采用軟管，軟管埋設可遠離測點進行觀測，避免了水沿硬管壁快速入滲和人為破壞測點環(huán)境的影響；陶土管長期埋在土壤里內(nèi)壁如有污垢，不需要挖出即可清洗；測試過程不受任何土質影響，只要水勢一樣，作物生長狀態(tài)就一樣；整個土壤剖面上負壓計的讀數(shù)在同一觀測板上實現(xiàn),可以很清楚的看到整個土壤剖面基質勢的變化趨勢；制作簡單，操作也簡單，價格便宜，測讀方便，可定點定位連續(xù)測定。

圖1 DLS-Ⅱ型負壓計結構圖

2 起算零點的計算確定

DLS-Ⅱ型負壓計的觀測板安裝在地面以上，多孔陶土管埋設在地面以下。由于水銀槽中水銀液面與陶土管之間存在高度差，即使在土壤水基質勢為零時，在壓力差的作用下水銀測壓管中水銀柱亦會上升一定的高度，此高度值所在的位置即為起算零點。當水銀柱高度低于起算零點時，說明負壓計系統(tǒng)尚未達到穩(wěn)定狀態(tài)；當水銀柱高度高于起算零點時，超出起算零點的部分則是由土壤基質吸力引起的，此值表征了土壤基質勢的大小。起算零點的計算有兩種方法：負壓力平衡法和壓強平衡法。

2.1 負壓力平衡法

負壓力平衡計算公式為：

ρw(H+h)=ρH(a+Δa)

(1)

式中：H為土壤水分壓力(cm)；h(=a+△a+b)為多孔陶土管的中部到水銀柱的高度(cm),其中，a為從零點到水銀柱的高度(cm)，△a為由于水銀上升造成水銀槽中水銀下降的部分(cm)，b為從零點到多孔陶土管的中部的高度(cm)；ρω為水的比重(1)；ρH為水銀的比重(13.6)，各值如圖2所示。

圖2 負壓力平衡法計算示意圖

因為水銀槽直徑比管徑大得多，可設△a=0，則h=a+b，式(1)可寫成

ρw(H+a+b)=ρHa

(2)

取ρω=1，ρH=13.6則

H=(ρH-ρw)a-b=(13.6-1)a-b

(3)

所以

H=12.6a+b

(4)

取土壤水分壓力為零(H=0)，則可求得起算零點值。從(4)可知：

a0=b/12.6

(5)

2.2 壓強平衡法

利用壓強平衡計算起算零點時，假定多孔陶土管處土壤基質勢為零，即不受到土壤基質勢的作用，僅考慮由負壓計系統(tǒng)本身的壓強差所引起的水銀柱高度。在有些地區(qū)，地下水位埋深較淺，在試驗期間，多孔陶土管很可能會處于地下水位以下，因此，分為地下水位處于陶土管以下和地下水位處于陶土管以上兩種情況分別進行計算。

1)地下水位處于陶土管以下圖3 (a)

多孔陶土管一側由壓強平衡得：

P′+ρwg(a+h+H)=P0

(6)

水銀槽一側由壓強平衡得：

P′+ρwga+ρHgh=P0

(7)

聯(lián)立式(6)、(7)，并化簡得起算零點計算公式：

h=H/12.6

(8)

式中：P＇為集氣瓶中空氣壓強；P0為大氣壓強；ρω為水的密度；ρH為水銀密度；g為重力加速度；a為水銀柱頂端至集氣瓶中水面的高度；h為水銀柱上升高度；H為多孔陶土管中間至水銀槽中水銀面的高度。

2)地下水位處于陶土管以上圖3 (b)

由示意圖可知，當陶土管位于地下水位以下時，陶土管一側的壓強平衡式為:

P′+ρwg(a+h+H)=P0+ρwgx

(9)

水銀槽一側由壓強平衡得：

P′+ρwga+ρHgh=P0

(10)

聯(lián)立式(9)、(10)，并化簡得起算零點計算公式：

h=(H-x)/12.6

(11)

式中：x為地下水面至多孔陶土管中間的距離，其余符號的含義同1)。

圖3 壓強平衡法計算示意圖

3 負壓計量程

DLS-Ⅱ型負壓計的量測系統(tǒng)為直管水銀壓力計[5],土壤基質勢的大小通過水銀柱上升高度顯示。而水銀柱能夠上升的最大高度由當?shù)氐拇髿鈮簺Q定，不同地區(qū)、不同海拔高度、不同溫度條件下的大氣壓強大小不一，所以不同地區(qū)的負壓計量程有所不同。大氣壓強大越大，所支持的水銀柱上升高度越高，則負壓計的量程越大。反之，量程越小。此外，直管水銀壓力計的量程還受陶土管埋置深度的影響。由于水銀槽中水銀面與陶土管之間存在一定的高差，此高度差亦會引起水銀柱的上升一定高度，即負壓計起算零點。起算零點越高，則負壓計能夠量測的范圍越小。因此起算零點以上至當?shù)卮髿鈮耗軌蛑С值乃y柱高度區(qū)間即為負壓計的量程。

R=H0-a0

式中：R為負壓計量程(cm)；H0為當?shù)卮髿鈮核苤С值乃y柱高度(cm)；a0為起算零點(cm)。標準大氣壓為值為101.325 kPa，由DLS-Ⅱ型負壓計所量測土壤基質勢的絕對值最大值一般均小于此值。

圖4 埋深160cm負壓計起算零點理論值與觀測值對比圖

圖5 埋深180 cm負壓計起算零點理論值與觀測值對比圖

4 負壓計可靠性驗證

負壓計的關鍵部件是多孔陶土管，它的性能和質量決定著由負壓計測定的土壤水勢的準確性，進而影響著研究成果的水平。因此，在試驗時很有必要對所使用的負壓計的可靠性進行驗證，以確保所測結果準確無誤。上面已經(jīng)討論了起算零點的確定，那么就可以通過起算零點觀測值與理論值的比較，驗證負壓計的可靠性。多孔陶土管在非飽和土壤和空氣中均會受到表面張力作用而使得測量值高于起算零點，利用起算零點進行驗證需要消除這種作用，使水銀柱理論觀測值等于起算零點。由于飽和土壤的基質勢為零，因此可以在土壤處于飽和狀態(tài)時對負壓計進行驗證(在安裝前進行驗證時，則可以將陶土管浸沒在水中)。

筆者在野外試驗過程中，有一段時間為農(nóng)灌期，地下水位埋深較淺，埋設于160 cm、180 cm、200 cm深度的陶土管處于地下水位以下，則觀測值應等于起算零點。因此，我們利用這一時間段不同水位埋深所對應的觀測值對三種深度陶土管的可靠性進行了驗證。

以上利用隨機選擇的30組不同地下水位埋深和所對應的水銀測壓管觀測值，并通過公式(11)計算出起算零點理論值，分別對埋深160 cm、180 cm、200 cm的負壓計進行了驗證。從三支負壓計理論值和觀測值對比來看，其差值在1～4 mm之間，且觀測值均高于理論值。分析可知，此誤差為外部因素引起的系統(tǒng)誤差，原因是所測的地下水位埋深值和陶土管埋深值均存有一定的誤差。所以，在此微小誤差范圍內(nèi)，完全可以認為試驗所使用的負壓計是可靠的。

圖6 埋深200 cm負壓計起算零點理論值與觀測值對比圖

5 試驗過程中的問題探究

5.1 溫度較高時，水銀柱下降現(xiàn)象

由于試驗需要我們對負壓計進行了加密觀測,每2個小時觀測一次。在觀測過程中發(fā)現(xiàn)，在上午10點以后，隨著氣溫逐漸升高，埋設深度為10 cm、20 cm、30 cm負壓計的水銀柱出現(xiàn)了下降現(xiàn)象，直至下午3-4點水銀柱才開始回升，觀測數(shù)據(jù)見表1。

此種現(xiàn)象引起了我們的關注和思考，直觀判斷，隨著氣溫的升高，土壤水分不斷蒸發(fā)，含水率降低，土壤水基質勢增大，負壓計水銀柱應該上升。但實際并非如此。原因在于土壤不同深度處溫度不同，在溫度場的溫度梯度作用下，包氣帶中的氣態(tài)水會通過孔隙向溫度低的方向運移，使溫度較低區(qū)域的土壤含水量增加[10]，基質勢減小，進而使得負壓計水銀柱高度下降。在大氣溫度較高時，一般在地表以下5～40 cm深度范圍內(nèi)為溫度低值區(qū)[11]，其上下部分土壤溫度均高于此區(qū)域，在溫度梯度的作用下，氣態(tài)水分會在此聚集、凝結，因此，埋設深度為10 cm、20 cm、30 cm負壓計的水銀柱出現(xiàn)了下降現(xiàn)象。

5.2 注水排氣時，拔出鋁鉚釘集氣瓶冒水現(xiàn)象

DLS-Ⅱ型負壓計用水作為壓力傳導介質，由于陶土管中的水勢一般會高于土壤水勢，水就會由水勢高處向水勢低處流動，陶土管中的水便不斷流進土壤，直到兩個系統(tǒng)的水勢達到平衡為止。因此，需要定期為負壓計注水排氣。在注水時有個很明顯的現(xiàn)象，當拔出封堵加水管的鋁鉚釘?shù)耐瑫r，會有相當數(shù)量的水從導壓軟管中冒出，進入到集氣瓶中，而且，土壤越干、水銀柱上升越高冒出水量越大。

對此現(xiàn)象，筆者做了初步的分析研究。負壓計是一個氣體封閉系統(tǒng)，陶土管也只透水不透氣。當陶土管中的水不斷進入土壤后，負壓計系統(tǒng)內(nèi)將形成一定的負壓，此負壓將反應到集氣瓶中。在土壤干燥情況下，負壓計中水量消耗較多，集氣瓶中會形成較大的負壓值，當拔出鋁鉚釘后，封閉系統(tǒng)便與大氣連通，在較大氣壓差作用下，加水管、陶土管和倒壓軟管中的水將被壓入集氣瓶，從而產(chǎn)生集氣瓶冒水現(xiàn)象。詳細的論證,尚需進一步的試驗研究。

表1 埋深10 cm、20 cm、30 cm負壓計

6 應用效果

應用DLS-Ⅱ型負壓計在寧夏中寧縣試驗點進行了原位試驗，取得了較好的效果。試驗點陶土管的埋設深度為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm、100 cm、120 cm、140 cm、160 cm、180 cm、200 cm。試驗期間，根據(jù)灌溉和天氣變化情況及試驗需要，每天進行了不同頻次的觀測，并將每次觀測的數(shù)據(jù)進行了整理計算，繪制出了土壤剖面水勢分布曲線，這些曲線均較好的反映出了土壤剖面水勢變化情況。

試驗期間6月19日-21日試驗點出現(xiàn)了一個間斷降雨過程，圖7便是由DLS-Ⅱ型負壓計所測得的此降雨過程的土壤剖面水勢分布曲線。從圖上可以清晰的看到本次降雨過程土壤剖面水勢的變化。在降雨前，土壤剖面處于蒸發(fā)狀態(tài)，在降雨之初，地表土壤逐漸濕潤，土壤水勢增加，表層土壤水勢曲線逐漸右移(如曲線19..08、19..20、20..08)。在濕潤鋒以上，土壤水勢梯度?ψ/?z>0,土壤水分不斷下滲，而在濕潤鋒以下，土壤水勢梯度?ψ/?z<0，土壤水分仍然向上運移，所以在濕潤鋒處形成一個收斂型零通量面(ZFP(C))[3](如曲線20..14)。隨著降雨的進行,土壤表層水勢不斷增大，濕潤鋒逐漸下移，ZFP(C)也逐漸向下發(fā)育。此過程曲線有力的證明了正確使用DLS-Ⅱ型負壓計所取得的效果。

圖7 試驗點6月19日—21日土壤剖面水勢分布曲線

7 結語

負壓計是測定土壤水基質勢的重要儀器，在土壤水分運動的研究中得到了廣泛的應用。在試驗過程中如果對負壓計的結構和原理能夠很好的了解和掌握，對遇到的一些問題和現(xiàn)象有充分的認識，那么負壓計使用將會得心應手。對負壓計系統(tǒng)的透徹理解和熟練運用不僅可以保障試驗的順利進行，而且可以取得較好的試驗效果。

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ApplicationofDLS-IInegativepressuremeterindeterminationofsoilwaterpotential

ZHANGZhi-fei，HUXian-zhen，GUOQiang，ZHANGHui-jun

(Hebei Environmental Geology Exploration Institute, Hebei,Shijiazhuang 050021, China)

Negative pressure meter is an instrument for determining soil water potential, and it is easy to install and operate. As one of the negative pressure meters, DIS- II negative pressure meter has its unique advantages. It has been widely used in the fields of crop growth, land hydrological cycle, soil water transport and other fields. In this paper, the structure and principle of DLS- II negative pressure meter are studied. The starting zero and range of the negative pressure meter are further deduced, and the method to verify the reliability of the negative pressure meter is given. In the test process, the shallow negative pressure gauge mercury column drops with the increase of temperature and the problem of water pumping out of the aluminum rivet collection cylinder during water injection is discussed. Through the analysis of the experimental data, the results show that the application of DLS- II negative pressure meter is ideal.

DLS- II negative pressure meter；soil water potential；zero starting point；range；reliability；application effect

S152.7+1

A

1004-1184(2017)05-0167-04

2017-04-26

張志飛(1982-)，男，河北邢臺人，工程師，主要從事水文地質、工程地質及環(huán)境地質方面工作。