新型地中蒸滲儀在室內(nèi)模擬蒸發(fā)降水入滲試驗中應(yīng)用研究

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(安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

1 研究背景

地中蒸滲儀是觀測潛水蒸發(fā)、入滲參數(shù)的必要設(shè)備。傳統(tǒng)的地中蒸滲儀有大型稱重式地中蒸滲儀、特殊地區(qū)虹吸式地中蒸滲儀、馬氏瓶恒水位蒸滲儀等[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國已建有至少23個潛水均衡試驗場所，其中地中蒸滲儀采用的供水系統(tǒng)都是馬里奧特瓶-接滲瓶均衡系統(tǒng)[3]。我國著名的五道溝水文實驗站的大型地中蒸滲儀，一般采用人工讀數(shù)，具有較高的人力成本，且易產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤差[4-6]；新疆地區(qū)適用的虹吸式地中蒸滲儀僅對部分干旱地區(qū)地下水位埋深較大的地區(qū)實用，其使用范圍不廣[3]。基于此類局限性，本文介紹了一種新型的地中蒸滲儀，該系統(tǒng)融合智能元件，利用自動化取代人工操作，從而可以快捷獲取高精度數(shù)據(jù)。

2 新型地中蒸滲儀結(jié)構(gòu)與功能

本文所采用的新型地中蒸滲儀主要有三大系統(tǒng)，分別為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制顯示系統(tǒng)，如圖1為本裝置的結(jié)構(gòu)示意。

2.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與功能

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要由馬里奧特瓶、接滲瓶、平衡瓶、入滲(蒸發(fā))桶、徑流瓶等組成。入滲(蒸發(fā))桶與大地沒有水力聯(lián)系，其上界面直接與大氣相通，使地中蒸滲儀內(nèi)的水分通過蒸發(fā)桶直接且僅與大氣交換。通過模擬光照條件下(即自然條件下的潛水蒸發(fā)期)，桶內(nèi)的潛水一方面通過土壤蒸(散)發(fā)而消耗，另一方面又通過馬里奧特瓶進行補充，從而達到動態(tài)平衡，保持固定潛水埋深不變，馬里奧特瓶中減少的水量即為系統(tǒng)監(jiān)測到的潛水蒸(散)發(fā)量。在模擬大氣降雨條件下(即自然條件下的降雨入滲補給期)，入滲柱內(nèi)的潛水源源不斷地接收到降雨入滲補給，這些水分通過馬里奧特瓶的溢流管儲存到接滲瓶中，依然維持動態(tài)平衡，保持固定潛水埋深不變，而接滲瓶存儲的水量即為地中蒸滲儀監(jiān)測的降水入滲量。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由超聲波傳感器與單片機組成，本裝置的超聲波測距儀安裝在馬里奧特瓶及接滲瓶上，用于測定瓶中水位，然后將水位值反饋給單片機處理計算。

圖1 新型地中蒸滲儀整體示意圖

2.3 控制顯示系統(tǒng)

本裝置中的繼電器相當于一個有隔離功能的自動開關(guān)元件，具有控制系統(tǒng)(又稱輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路)之間的互動關(guān)系，表現(xiàn)為：它一方面受電腦軟件的控制，一方面又控制裝置中電磁閥的啟閉及模擬光源、模擬降雨的起止，且兩方面之間密切相關(guān)。繼電器本質(zhì)上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”，在整個裝置中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護和轉(zhuǎn)換電路的作用。主控系統(tǒng)是實現(xiàn)裝置智能化和自動化的核心部分，由電腦和控制軟件組成，可直接控制單片機、繼電器等元器件，進而按軟件的設(shè)定要求控制整個試驗的運行。主控系統(tǒng)不僅可將單片機獲得的水位值在電腦上顯示輸出，還可對一段時間內(nèi)蒸發(fā)或入滲情況下的水位變化進行繪制，并按時段計算出土壤蒸發(fā)量或入滲量。

3 實驗過程

3.1 蒸發(fā)實驗

首先打開砂柱下方的閥門，然后啟動模擬光源開關(guān)為試驗提供光照，靜待數(shù)小時，砂柱中水分逐漸蒸發(fā)，散失的水分由平衡瓶進行補充，而馬利奧特瓶再將水分源源不斷地補給到平衡瓶中。因此，馬利奧特瓶中減少的水量即為砂柱中的水分蒸發(fā)量，再由單片機讀取馬利奧特瓶中的水位值，由主控系統(tǒng)進行計算并顯示輸出，該值即為此試驗的潛水蒸發(fā)量。

對于粗砂的蒸發(fā)實驗，首先記錄馬利奧特瓶中的原始水位H2, 打開模擬光源12，T小時后，再次記錄馬利奧特瓶中的水位H3,已知馬利奧特瓶的橫截面積S2,入滲(蒸發(fā))柱的橫截面積S3，則由體積公式得出,砂柱中水分蒸發(fā)量體積V3為：

V3=(H3-H2)S2

由此得蒸發(fā)量β=V3/(S3T)；

同理，對于細砂、中砂采取同樣的計算方法，可得出對應(yīng)的入滲系數(shù)與蒸發(fā)量。

進行其它介質(zhì)的蒸發(fā)入滲試驗時，首先關(guān)閉已完成試驗砂柱下方的閥門，再將對應(yīng)砂柱下方的閥門打開，其余步驟與上述一致。

3.2 入滲實驗

首先打開砂柱下方的閥門，然后啟動模擬降雨器開關(guān)為試驗提供降雨，水分均勻連續(xù)地噴灑在砂柱上，砂柱因持續(xù)接受降水補給而產(chǎn)生的水量不斷排到平衡瓶中，平衡瓶再把接收到的水分排入接滲瓶中。因此，接滲瓶中的水量即為砂柱接受降水補給的入滲量，再由單片機讀取接滲瓶中的水位值，由主控系統(tǒng)進行計算并顯示輸出，該值即為此試驗的潛水入滲量。

對于樣砂的入滲實驗，首先記錄接滲瓶中的原始水位H0,打開模擬降雨器，一段時間后，再次讀取接滲瓶中的水位H1,已知接滲瓶的橫截面積S1，則由體積公式得出，外界水分補給入滲水量體積V1為：

V1=(H1-H0)S1

此時讀取LCD1602顯示屏顯示的結(jié)果，即潛水入滲量V2；

由此得降水入滲系數(shù)a=V1/V2。

表1 兩種滲透性砂層入滲試驗結(jié)果對比

表2 兩種滲透性砂層蒸發(fā)試驗結(jié)果對比

4 結(jié)果分析

利用本新型地中蒸滲儀模擬了不同樣滲透性砂層的降水入滲以及蒸發(fā)試驗，試驗過程中，所取樣砂為安徽淮南地區(qū)淮河流域普通石英砂。盡管影響降水入滲系數(shù)以及蒸發(fā)量的因素較多，其中包括時段初期包氣帶含水量、土壤性質(zhì)、地下水位的埋深以及研究區(qū)的降水量和降水強度等，但本文主要探究新型地中蒸滲儀實驗過程，不考慮上述影響因素，獲得實驗數(shù)據(jù)如表1和表2。

實驗數(shù)據(jù)表明，本新型地中蒸滲儀運行良好，可運用于實驗室教學。自動化操作系統(tǒng)可結(jié)合傳統(tǒng)的大型地中蒸儀，減少誤差，提高效率。

圖2 兩種砂層降水量-入滲水位關(guān)系

圖3 兩種砂層蒸發(fā)量-時間變化關(guān)系

5 結(jié)語

地中蒸滲儀是一種用于測定農(nóng)田蒸發(fā)與降水入滲的標準儀器，用于農(nóng)田水利研究已有數(shù)十年年的歷史。本裝置將傳統(tǒng)蒸滲儀與自動化采集控制系統(tǒng)結(jié)合使用，使觀測試的驗運行和數(shù)據(jù)的采集更加快速便捷和準確，具有良好的推廣實用性和廣闊的應(yīng)用前景。具體體現(xiàn)為：(1)能為精確評價水資源量提供重要參數(shù)；(2)小型化設(shè)計和便捷的操作系統(tǒng)，為開展校內(nèi)實驗教學及科學實驗提供了良好的工作平臺；(3)為農(nóng)業(yè)水利的傳統(tǒng)實驗站改造提供借鑒。

[1]張人權(quán)，梁杏，靳孟貴，等.水文地質(zhì)學基礎(chǔ) 地中蒸滲儀分析.北京出版社.2011.101-111.

[2]葛帆，王釗 蒸滲儀及其應(yīng)用現(xiàn)狀.節(jié)水灌溉.2004(2)：30-32.

[3]王文忠，李叢林，李大康.虹吸式地中蒸滲儀.中國農(nóng)村水利水電.1990(6)：9-10.

[4]李金柱.地中蒸滲計與自然潛水水分運移機理差異及誤差分析.山西水利科技.2003(1)：54-56.

[5]李金柱，孫明，王永義.地中蒸滲計降雨入滲資料的處理.水文.2003.23(6)：24-27.

[6]譚炳卿，金光炎.水文模型與參數(shù)識別[M].北京:科學技術(shù)出版社.1998.