一種簡(jiǎn)易蒸滲測(cè)坑地下供排水裝置的研制

黃漢生

（武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢430072）

0 引言

蒸滲測(cè)坑是農(nóng)田水利、水資源、水土環(huán)保和水文地質(zhì)等專業(yè)進(jìn)行相關(guān)科學(xué)試驗(yàn)研究的重要設(shè)施。在測(cè)坑中進(jìn)行水量平衡、作物需水規(guī)律試驗(yàn)、水分生產(chǎn)函數(shù)試驗(yàn)、水分脅迫試驗(yàn)、地下水利用試驗(yàn)、四水轉(zhuǎn)化、土壤-作物-地下水中水分、養(yǎng)分與污染遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律等試驗(yàn)時(shí)，往往需要精準(zhǔn)控制地下水埋深，同時(shí)要準(zhǔn)確測(cè)定地下水向包氣帶土層（潛水蒸發(fā)）或自包氣帶土層下滲（深層滲漏補(bǔ)給）的水量和水質(zhì)及其動(dòng)態(tài)變化過程。因此，蒸滲測(cè)坑必須配置控制地下水位、地下供排水裝置。

在國(guó)內(nèi)，蒸滲測(cè)坑試驗(yàn)采用以下幾種供排水裝置：

一是馬氏瓶，操作方法是：人工設(shè)定平水漏斗和馬氏瓶的高度，當(dāng)蒸滲測(cè)坑地下水高于漏斗溢流堰時(shí)，地下水順著漏斗排水管流出，用流量計(jì)測(cè)排水量；當(dāng)蒸滲測(cè)坑地下水底于漏斗溢流堰時(shí)，馬氏瓶給蒸滲測(cè)坑供水，供水量靠人工讀數(shù)記錄。這樣的設(shè)備和操作方法用于小型的、土層厚度不大的蒸滲儀問題不太大，但是用于土層大于2 m蒸滲測(cè)坑，就顯得落后和不實(shí)用。首先馬氏瓶容積小，給如此之大的蒸滲測(cè)坑供水可謂杯水車薪，其次要人工長(zhǎng)時(shí)間將平水漏斗、馬氏瓶在0~3 m空間上下移動(dòng)，頻繁給馬氏瓶加水和讀數(shù)，實(shí)屬工作量大，高空作業(yè)危險(xiǎn)，測(cè)量誤差大，已無法滿足現(xiàn)代科學(xué)試驗(yàn)要求。

二是德國(guó)UMS 公司推出的水勢(shì)動(dòng)態(tài)控制的LY-UMS 蒸滲儀系統(tǒng)。LY-UMS 蒸滲儀埋在底部的6 個(gè)（分辨率為0.2 KPa）10 mm SiC 杯，可動(dòng)態(tài)測(cè)量和調(diào)節(jié)蒸滲儀底部的水勢(shì)與罐體外大田在同一深度的水勢(shì)相同，在調(diào)節(jié)過程中，由LY-UMS 蒸滲儀帶有的稱重系統(tǒng)的60L 排補(bǔ)水系統(tǒng)（包括30L 空置部分）能提供或接收6 個(gè)SiC 杯的排水，也能從水桶中抽水，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水，且排水量和注水量自動(dòng)被數(shù)據(jù)采集器存儲(chǔ)和記錄。德國(guó)UMS 公司采用控制蒸滲儀底部土壤水勢(shì)來給LY-UMS 蒸滲儀供水和排水，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。

比較土壤水勢(shì)和地下水位的定義，可以看出，反映某一定點(diǎn)土壤水勢(shì)的數(shù)值范圍是很大的，當(dāng)土壤處于非飽和狀態(tài)時(shí)，其數(shù)值為負(fù)的壓力。而地下水位潛水面，形成的是一條水平線。在實(shí)際情況下，由于土壤的空間變異性，往往處于同一水平線的不同位置的土壤水勢(shì)是有差異的，而地下水位不受土壤空間變異影響，數(shù)值只有一個(gè)。測(cè)量水平線的變化分辨率是毫米級(jí)的，如果用（分辨率0.2 KPa）土壤水勢(shì)傳感器測(cè)控其變化值，精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，德國(guó)UMS 公司采用控制蒸滲儀底部土壤水勢(shì)的方法不能混淆為控制蒸滲儀地下水位的方法，即便是想將控制蒸滲儀底部土壤水勢(shì)的設(shè)備移植過來，其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。

三是圖1目前廣泛采用的一種地下供排水裝置。它是在蒸滲測(cè)坑與供排水柱之間用管道連通，這樣蒸滲測(cè)坑、供排水柱和他們之間的連通管道就構(gòu)成了一個(gè)“連通器”。根據(jù)連通器原理，蒸滲測(cè)坑水位變化時(shí)，就會(huì)引起供排水柱的水位發(fā)生變化，這樣通過控制供排水柱的水位，就可以間接地控制蒸滲測(cè)坑的地下水位。

圖1 現(xiàn)有蒸滲測(cè)坑自動(dòng)供排水裝置結(jié)構(gòu)圖

供排水柱的工作思路為：在供排水柱內(nèi)安裝了一個(gè)設(shè)定水位的保持器，隨裝在測(cè)筒頂部的電動(dòng)升降器上下移動(dòng)，該保持器上裝有5支導(dǎo)電測(cè)針，它與外置的水位繼電器和電氣元件連接構(gòu)成了整個(gè)水位控制電路，一旦設(shè)定了測(cè)坑地下水位變化上、下限后，當(dāng)土壤水蒸騰蒸發(fā)使地下水位下降到設(shè)定的下限水位時(shí)，裝置自動(dòng)給蒸滲測(cè)坑供水，直到上水位線停止供水，上下水位線之間的距離與水柱截面積的乘積即為供水量；當(dāng)人工灌溉或降雨，地下水位上升到設(shè)定的上限水位時(shí)，裝置自動(dòng)排水，直到下水位線停止排水，上下水位線之間的距離與水柱截面積的乘積即為排水量。如此維持蒸滲測(cè)坑地下水位。

供水（排水）時(shí)，每次供水（排水）量是固定的，只要知道供水（排水）動(dòng)作次數(shù)，就可以計(jì)算出總的供水（排水）量。整個(gè)過程可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。

圖1供排水裝置不僅具備了之前所用裝置的所有功能，而且還能夠?qū)φ魸B測(cè)坑的地下水位進(jìn)行自動(dòng)控制，精度較高，供排水量可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)采集，該裝置大大減輕了試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，是迄今為止蒸滲測(cè)坑比較好的一種供排水裝置。但該裝置存在以下幾個(gè)方面的問題：①裝置使用的管件和電器元件較多，通常測(cè)坑地下控制室面積較小，安裝、維修不方便；②成本較高，單個(gè)測(cè)坑自動(dòng)供排水裝置需要3萬多元，按一個(gè)試驗(yàn)站20 個(gè)測(cè)坑計(jì)算，僅供排水裝置投入就達(dá)60多萬元；③維持測(cè)坑地下水位的水柱采用有機(jī)玻璃管制作，高3 m 左右，安裝時(shí)其頂部距離上面天花板不到0.2 m。運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)時(shí)（一年以上），水柱內(nèi)壁有泥沙等污物附著，影響美觀，由于地下空間小，管壁清洗困難；④該裝置每套配了多個(gè)電磁閥、繼電器等元器件，而元器件都有一定的使用壽命，不可避免要損壞，維修費(fèi)用較高；⑤測(cè)量精度較低，該裝置采用單次供排水量固定，用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的方法計(jì)算水量。其前提是假定整個(gè)玻璃管沿長(zhǎng)度方向的橫截面積是相等的，而實(shí)際情況是因加工工藝等原因，玻璃管的橫截面積是不完全相等的；同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)要求，蒸滲測(cè)坑的地下水位是不一樣的，水柱水位必須隨著一起在一定范圍（0～3 m）變化的，而室外供水水源（水箱）的水位是固定的，水頭差的變化導(dǎo)致管道向水柱供水時(shí)產(chǎn)生的水面波動(dòng)是不一樣的，水面波動(dòng)對(duì)測(cè)針有影響，從而影響到水量的計(jì)量精度。

總之，該裝置在前期投入、運(yùn)行管理、維修費(fèi)用等方面存在不足。同時(shí)，隨著試驗(yàn)的不斷地進(jìn)行，試驗(yàn)研究人員對(duì)量測(cè)精度要求更高，現(xiàn)有供（排）水量的計(jì)量方法及精度已不適應(yīng)試驗(yàn)要求，需要改進(jìn)。

1 簡(jiǎn)易自動(dòng)供排水裝置的構(gòu)成

如圖2所示，一種簡(jiǎn)易的蒸滲測(cè)坑自動(dòng)供排水裝置包括平水箱、進(jìn)水控制器、排水控制器和水量計(jì)量裝置等幾個(gè)部分。平水箱與纏繞在可逆步進(jìn)電機(jī)繩鼓上的鋼絲繩連接，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制蒸滲測(cè)坑的地下水位，在平水箱內(nèi)安裝一個(gè)供水控制器和一個(gè)排水控制器，分別控制蒸滲測(cè)坑的進(jìn)水和排水，使蒸滲測(cè)坑的水位維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。從平水箱中引出的3根軟管，一根連接蒸滲測(cè)坑，另兩根從供水控制器入口和排水控制器出口接出，分別接到水箱和排水溝，中間各接一個(gè)智能流量計(jì)，計(jì)量進(jìn)入平水箱和從平水箱排出的水量。

圖2 改進(jìn)后蒸滲測(cè)坑自動(dòng)供排水裝置結(jié)構(gòu)圖

1.1 平水箱

連通器就是上端開口，下部連通的容器。蒸滲測(cè)坑作為連通器的一肢，平水箱作為連通器的另一肢，二者下端用水管連接，這樣就是一個(gè)定制的連通器。平水箱內(nèi)安裝進(jìn)水控制器和排水控制器，進(jìn)水控制器是一個(gè)向蒸滲測(cè)坑供水的開關(guān)，當(dāng)測(cè)坑地下水位低于預(yù)先設(shè)定的水位時(shí)，進(jìn)水控制器開關(guān)打開，平水箱內(nèi)水位上升，當(dāng)水位到達(dá)進(jìn)水控制器最高工作水位時(shí)，進(jìn)水控制器開關(guān)關(guān)閉；排水控制器是一個(gè)蒸滲測(cè)坑排水的開關(guān)，當(dāng)因降雨使蒸滲測(cè)坑內(nèi)地下水位到達(dá)最高水位時(shí)，測(cè)坑中的水就從平水箱的排水控制器中排出。進(jìn)水控制器與排水控制器共同作用，使平水箱內(nèi)水位在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，從而使蒸滲測(cè)坑中的地下水位維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。平水箱上下運(yùn)動(dòng)，就可以控制蒸滲測(cè)坑中的地下水位至試驗(yàn)要求的高度，平水箱通過鋼絲繩由安裝在上面的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

平水箱的容積需要滿足蒸滲測(cè)坑水位控制精度要求，測(cè)坑水位觀測(cè)精度與測(cè)量工具有關(guān)，液位傳感器的精度可達(dá)±0.1%FS，水位測(cè)針為0.1 mm。另外，平水箱的大小還需要考慮一下幾個(gè)因素：一是步進(jìn)電機(jī)的最大扭矩；二是要滿足進(jìn)、排水控制器的布置要求；三是進(jìn)水控制器的使用壽命等。

平水箱橫截面為圓形或矩形，在滿足上述要求的前提下，盡可能采用截面較大的平水箱，以減小進(jìn)水控制器的動(dòng)作次數(shù)，延長(zhǎng)裝置的使用壽命。

1.2 進(jìn)水控制器

進(jìn)水控制器是平水箱內(nèi)一個(gè)進(jìn)水控制開關(guān)，向測(cè)坑供水時(shí)，保持平水箱中的水位在一定范圍變動(dòng)，以保證蒸滲測(cè)坑的水位維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。蒸滲測(cè)坑中的作物蒸騰、蒸發(fā)時(shí)，測(cè)坑中將會(huì)消耗掉一部分水，與之連同的平水箱會(huì)將水補(bǔ)充到測(cè)坑中，維持測(cè)坑水位相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)平水箱中水位隨之下降，當(dāng)平水箱中的水位低于下限值時(shí)，進(jìn)水控制器開關(guān)打開，平水箱開始進(jìn)水，同時(shí)也向蒸滲測(cè)坑供水，當(dāng)平水箱內(nèi)水位上升到最高值時(shí)，進(jìn)水控制器開關(guān)關(guān)閉，完成一次循環(huán)。

進(jìn)水控制器采用水力自動(dòng)控制，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖3。其工作原理為：當(dāng)平水箱中的水位低于下限值時(shí)，進(jìn)水控制器中的浮球隨水位下降，帶動(dòng)與之連接的杠桿一端下降，硅膠塞與出水孔孔口脫離，出水孔出水，儲(chǔ)水腔中的壓力下降，鼓膜下移，水從出水腔進(jìn)口與鼓膜之間的空隙進(jìn)入出水腔，開始供水。水位上升，浮球帶動(dòng)杠桿上升，當(dāng)水位上升到正常水位時(shí)，杠桿上的硅膠塞將出水孔堵塞，而進(jìn)水孔繼續(xù)進(jìn)水，儲(chǔ)水腔壓強(qiáng)增大，鼓膜上升，出水逐漸減小，在鼓膜上下產(chǎn)生的壓差逐漸增大，最終鼓膜將出水腔進(jìn)口堵住，進(jìn)水停止，如此往復(fù)。

圖3 進(jìn)水控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.3 排水控制器

排水控制器是平水箱中控制蒸滲測(cè)坑排水的裝置，采用漏斗形設(shè)計(jì)，見圖4，整個(gè)裝置由漏斗、內(nèi)套管和外套管組成。內(nèi)套管上端與漏斗連接，并伸入到漏斗內(nèi)一定長(zhǎng)度（由計(jì)算確定），內(nèi)套管靠近漏斗底部開若干個(gè)小孔，以排除內(nèi)套管與漏斗之間的積水。外套管穿過平水箱底板并與排水軟管連接，內(nèi)套管插入到外套管里，內(nèi)外套管之間無間隙，且內(nèi)套管能自由上下運(yùn)動(dòng)。外套管上端有一個(gè)擴(kuò)大的環(huán)形空腔，空腔里面安裝上、下限位板，使漏斗及內(nèi)套管只能在一定范圍上下運(yùn)動(dòng)，空腔上端與內(nèi)套管之間用硅膠膜密封連接。

圖4 排水控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

漏斗連同內(nèi)套管利用水的浮力上下運(yùn)動(dòng)，漏斗口高出水面一定高度，漏斗上升到最高位置時(shí)（到達(dá)上限位）漏斗口的水位設(shè)定為蒸滲測(cè)坑排水水位。測(cè)坑水位繼續(xù)升高時(shí)，漏斗開始進(jìn)水，水首先充滿內(nèi)套管與漏斗之間的部分，同時(shí)部分水通過設(shè)在漏斗底部附近內(nèi)套管的排水孔流出。當(dāng)排水孔排水量小于進(jìn)入漏斗的水時(shí)，由漏斗口全部從內(nèi)套管排水孔排出。當(dāng)測(cè)坑水位繼續(xù)升高時(shí)，進(jìn)入漏斗的水量增大，排水孔排水量有限，內(nèi)套管與漏斗之間的水面慢慢升高，上升到內(nèi)套管頂部時(shí)，內(nèi)套管外的水重及內(nèi)套管和漏斗自重大于漏斗所受的浮力，內(nèi)套管和漏斗下降至下限位，進(jìn)入漏斗的水大部分從內(nèi)套管頂部排出。

當(dāng)蒸滲測(cè)坑水位達(dá)到排水下限水位后，平水箱中的水位與漏斗上口齊平，此時(shí)，平水箱中的水不再向漏斗中流入，漏斗中內(nèi)套管外的水繼續(xù)從內(nèi)套管上的排水孔排出。當(dāng)內(nèi)套管外的水重及內(nèi)套管和漏斗自重小于漏斗所受的浮力時(shí)，漏斗上升至上限位，此次排水過程結(jié)束。

1.4 水量計(jì)量裝置

上述進(jìn)水控制器和排水控制器只是將蒸滲測(cè)坑的供水水位和排水水位維持在一定的高度，他們不具備水量計(jì)量功能，供排水量由計(jì)量裝置來承擔(dān)。改進(jìn)的裝置向平水箱供水和排水均用管道，采用管道式流量計(jì)是最合適的，本裝置擬采用市面上現(xiàn)有智能流量計(jì)。

計(jì)量供水的智能流量計(jì)進(jìn)口與供水箱連接，出口通過軟管與平水箱連接。計(jì)量排水的智能流量計(jì)進(jìn)口通過軟管與平水箱連接，出口接排水溝。安裝位置不高于蒸滲測(cè)坑底部即可，同時(shí)要方便安裝和維護(hù)。

2 與現(xiàn)有蒸滲測(cè)坑供排水裝置比較

蒸滲測(cè)坑自動(dòng)供排水裝置的功能，一是控制平水箱（或水柱）中的水位在一定范圍上下變動(dòng)，使蒸滲測(cè)坑地下水位維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平；二是計(jì)量通過平水箱（或水柱）向蒸滲測(cè)坑供水的水量，以及蒸滲測(cè)坑排水的水量；三是自動(dòng)記錄蒸滲測(cè)坑的供排水量。與現(xiàn)有裝置相比，新裝置作了以下幾方面的改進(jìn)。

2.1 用平水箱代替供排水柱

現(xiàn)有裝置（圖1）在地下控制室安裝了一個(gè)有機(jī)玻璃水柱，水柱通過底部的管道分別與蒸滲測(cè)坑、水箱和排水溝連接，將水柱的水輸送到蒸滲測(cè)坑，或排出蒸滲測(cè)坑內(nèi)多余的水，同時(shí)，配合水位保持器對(duì)蒸滲測(cè)坑的供排水量進(jìn)行計(jì)量。有機(jī)玻璃水柱安裝在地下結(jié)構(gòu)中，高度約3.0 m，且要滿足控制蒸滲測(cè)坑地下水位的要求，因地下空間受到限制，其頂部與地下結(jié)構(gòu)屋頂之間的距離通常只有20 cm 左右，安裝調(diào)試后不方便拆卸，后期對(duì)水柱內(nèi)進(jìn)行任何操作都比較困難。

改進(jìn)后的裝置（圖2）將供排水柱改為平水箱，平水箱高30~40 cm，只相當(dāng)于現(xiàn)有裝置水位保持器所占的高度，平水箱截面大小可根據(jù)試驗(yàn)地區(qū)的蒸發(fā)量大小選擇，在不改變平水箱水位變幅的情況下，將進(jìn)水控制器的動(dòng)作次數(shù)控制在合理范圍，比現(xiàn)有供排水柱有更大的靈活性。平水箱由安裝在地下室墻面上的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 以達(dá)到控制不同地下水位的目的。在平水箱下面安裝3 根水管（軟管），其中一根與通往蒸滲測(cè)坑的管道連接，一根與供水管連接，一根與排水管連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸滲測(cè)坑進(jìn)行供排水的功能。其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省材料，大約只要現(xiàn)有裝置的十分之一，在地面幾乎不占位置，管道的安裝維修很方便，箱體容易清洗，節(jié)約用水。

2.2 用進(jìn)水控制器和排水控制器代替水位保持器

現(xiàn)有裝置在有機(jī)玻璃水柱內(nèi)部安裝一個(gè)可升降的保持器，前端設(shè)有液位處理單元、繼電器以及電磁閥等。為了達(dá)到控制目的，在保持器上安裝了5 個(gè)電極（E1～E5，其長(zhǎng)度依次增加），將水柱中的水位轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳遞到上游的液位處理單元，處理單元根據(jù)收到的電信號(hào)，導(dǎo)通和關(guān)閉相應(yīng)的繼電器，繼電器控制相應(yīng)的電磁閥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供排水功能。其中E5為共用電極，E1與E3為一對(duì)，傳遞排水信號(hào)，因降雨或灌溉導(dǎo)致水柱內(nèi)水位上升，當(dāng)水位接觸到E1 時(shí)，控制單元接收到排水信號(hào)，啟動(dòng)繼電器，電磁閥打開，開始排水，當(dāng)水位離開E3 時(shí)排水停止；E2 與E4 為一對(duì)，傳遞供水信號(hào)，因作物蒸騰、蒸發(fā)導(dǎo)致水柱水位下降，當(dāng)水位離開E4 時(shí)，控制單元接收到供水信號(hào)，啟動(dòng)繼電器，電磁閥打開，開始供水，當(dāng)水位接觸到E2 時(shí)供水停止。該裝置以自動(dòng)控制電路為主，用到的電器元件較多，前期投入和維修成本較高。

改進(jìn)后的裝置用進(jìn)水控制器和排水控制器替代現(xiàn)有裝置保持器的功能，采用水力自動(dòng)控制，進(jìn)水控制器和排水控制器安裝在平水箱中，與平水箱一起上下運(yùn)動(dòng)，分別控制平水箱中的供水水位和排水水位。

進(jìn)水控制器類似一個(gè)可以控制水箱水位的浮球閥（見圖3），但在結(jié)構(gòu)形式上做了改進(jìn)，體積更小，控制精度更高。進(jìn)水控制器可以使平水箱中的水位在一定范圍內(nèi)（一般0～20 mm）變動(dòng)，工作方式與現(xiàn)有裝置的水位保持器相同，承擔(dān)水位保持器的供水控制功能。

排水控制器是一個(gè)可升降的漏斗（見圖4），采用水漫自動(dòng)溢流的方式，承擔(dān)現(xiàn)有裝置水位保持器排水功能。安裝時(shí)起排水位（漏斗口）略高于灌溉控制水位，終排水位與灌溉控制水位齊平或略低于灌溉控制水位（根據(jù)試驗(yàn)要求確定）。排水控制器可以一次性排出蒸滲測(cè)坑多余水，加快排水速度，不再像現(xiàn)有裝置那樣，為了計(jì)量排水量需要頻繁打開和關(guān)閉相關(guān)電磁閥。漏斗可定制加工，成品安裝方便。

與現(xiàn)有裝置相比改進(jìn)后裝置為水力自動(dòng)控制，由進(jìn)水控制器和排水控制器共同完成現(xiàn)有裝置供排水柱中的水位保持器控制水位的功能，省去了大部分電器元件，結(jié)構(gòu)形式更簡(jiǎn)單，安裝、維修方便，減少前期投資。

2.3 用流量計(jì)代替固定容積計(jì)量供排水量

現(xiàn)有裝置計(jì)算供排水量時(shí)，按單次供排水量固定，只統(tǒng)計(jì)供排水電磁閥的動(dòng)作次數(shù)，電磁閥動(dòng)作次數(shù)乘以單次供排水量，即可得到累積供排水量。單次供排水量按水柱內(nèi)截面積乘以水位變幅（E1～E3或E2～E4之間的距離）求得，其前提是假定裝配在一起整個(gè)水柱的內(nèi)截面積相等，但對(duì)有機(jī)玻璃材料來說是很難做到的，同時(shí)，不同地下水位對(duì)應(yīng)水柱中的水深不同，管道給水柱供水時(shí)引起水面波動(dòng)情況是不一樣的，始終按一個(gè)水位變幅來計(jì)算水量是不準(zhǔn)確的。

改進(jìn)后的裝置直接用管道流量計(jì)來計(jì)量供排水量，不需要用平水箱的尺寸去求供排水量，也不需要記錄進(jìn)水控制器或排水控制器的動(dòng)作次數(shù)，避免了外界干擾導(dǎo)致進(jìn)水控制器單次進(jìn)水量不一致帶來的誤差，目前市面上有技術(shù)比較成熟的管道式流量計(jì)，且大部分產(chǎn)品都通過計(jì)量認(rèn)證，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。如市面上有一種遠(yuǎn)傳水表，始動(dòng)流量小到2 L/h，基本達(dá)到滴水不漏。

3 供水量計(jì)量精度對(duì)比

改進(jìn)后的裝置是將原來的電力自動(dòng)控制改為水力自動(dòng)控制方式，供排水的計(jì)量直接采用安裝在平水箱中進(jìn)水口前面和出水口后面的流量計(jì)計(jì)量，不再用單次水量固定采用計(jì)數(shù)的方法來計(jì)算總的供排水量。為了比較這兩種裝置的水量計(jì)量精度，我們做了一個(gè)對(duì)比試實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

因?qū)嶋H蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)用時(shí)較長(zhǎng)，且蒸發(fā)量不能精確計(jì)量，無法用蒸發(fā)量來檢驗(yàn)供排水裝置計(jì)量的精度，所以采用模擬蒸發(fā)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。假定蒸滲測(cè)坑每天（24 h）蒸發(fā)量相同，按2 m×2 m 的蒸滲測(cè)坑計(jì)算，如每蒸發(fā)1 mm 就消耗4 L 水（2 m×2 m×0.001 m=0.004 m3）。實(shí)驗(yàn)時(shí)用天平計(jì)量從供排水柱或平水箱流向蒸滲測(cè)坑的管道中的水量，每累積放出4 kg（水的密度按1 g/cm3計(jì)算）水就相當(dāng)于2 m×2 m的蒸滲測(cè)坑一天蒸發(fā)1 mm 的水量，按每天觀測(cè)一次計(jì)算，即從通向蒸滲測(cè)坑的管道中放出4 kg 水就分別記錄一次兩種裝置計(jì)量的水量，然后分別與模擬蒸發(fā)量值進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)時(shí)間（次數(shù)）長(zhǎng)短根據(jù)模擬日蒸發(fā)量大小確定，當(dāng)過程線明顯出現(xiàn)與前面的重復(fù)時(shí)即可停止。然后按照該方法再做模擬日蒸發(fā)量為1.5、2.0 和2.5 mm的情況。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用現(xiàn)有的供排水裝置和改進(jìn)后的供排水裝置分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)選擇在同一條件下進(jìn)行，平水箱的內(nèi)徑與現(xiàn)有裝置的供排水柱內(nèi)徑相等，地下水位選擇在現(xiàn)有裝置供排水柱在供水時(shí)水流對(duì)水柱水面無影響（水箱向水柱供水時(shí)水面無明顯波動(dòng)）的區(qū)域，水箱向供排水柱或平水箱采用間歇式供水，供排水水柱或平水箱向蒸滲測(cè)坑采用連續(xù)式供水，當(dāng)供排水柱或平水箱進(jìn)水時(shí)，向蒸滲測(cè)坑供水的閥門關(guān)閉，供排水柱或平水箱進(jìn)水結(jié)束向蒸滲測(cè)坑供水的閥門打開，現(xiàn)有裝置供排水柱的單次供排水量和改進(jìn)后供排水裝置的流量計(jì)經(jīng)過率定。

模擬日蒸發(fā)量的水從通往蒸滲測(cè)坑的管道中接出，出口裝一個(gè)球閥，放出的水裝入水桶（或其他容器）中，用天平稱量水桶中水的凈重，桶中每次累積放入4 kg（或6、8 和10 kg）水關(guān)閉球閥一次，記錄現(xiàn)有（或改進(jìn)）裝置計(jì)算的水量，再重新打開球閥放水，這一過程需重復(fù)多次，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

利用圖1 和圖2 兩種供排水裝置分別進(jìn)行日蒸發(fā)量為1.0、1.5、2.0 和2.5 mm（相應(yīng)供給蒸滲測(cè)坑的水量為4、6、8 和10 L）共4組模擬實(shí)驗(yàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過程線見圖5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)情況見表1。

圖5 兩種裝置模擬日蒸發(fā)量過程線

表1 兩種裝置模擬蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從圖5 和表1 可以看出：①無論是現(xiàn)有裝置還是改進(jìn)裝置，實(shí)際供水過程線都不可能與理論供水線重合，而只能在其上下波動(dòng)。其原因是為了提高供水精度兩種裝置都采用了間歇式供水方式，出現(xiàn)了計(jì)量超前而實(shí)際用水滯后的情況。②現(xiàn)有裝置規(guī)律性明顯要好于改進(jìn)裝置，是因?yàn)樵谟?jì)量向蒸滲測(cè)坑供水量時(shí)，為了確保進(jìn)水供排水柱里的水能準(zhǔn)確地計(jì)量，在供排水水柱與蒸滲測(cè)坑之間的管道上安裝了一個(gè)閘閥，當(dāng)水箱向供排水柱供水時(shí)關(guān)閉，供水結(jié)束隨即打開?，F(xiàn)有裝置采用電動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)所有閘閥同步，而改進(jìn)裝置的進(jìn)水控制器只起到保持平水箱中水位的作用，且在向平水箱供水時(shí)，進(jìn)入平水箱的流量遠(yuǎn)大于從平水箱進(jìn)入到蒸滲測(cè)坑的流量，是否設(shè)這道閘閥幾乎不影響平水箱水位上升的速度，在實(shí)際使用時(shí)不需要。但在模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，采用了進(jìn)、出平水箱的流量大致相等的情形，為了使平水箱中的水位盡快上升到最高位，本次實(shí)驗(yàn)用加裝的一個(gè)手動(dòng)球閥調(diào)節(jié)平水箱的出流量，平水箱進(jìn)水時(shí)球閥關(guān)閉，進(jìn)水結(jié)束球閥打開，人工操作存在誤差，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)人工誤差會(huì)消除。③改進(jìn)裝置綜合統(tǒng)計(jì)值要好于現(xiàn)有裝置，說明改進(jìn)裝置可行。④從本次做的4種模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，后兩種基本上在重復(fù)前面的，而最大絕對(duì)誤差始終是小于單次供水量的，蒸發(fā)量越大，相對(duì)誤差就越小，所以本次實(shí)驗(yàn)沒有再做模擬日蒸發(fā)量大于2.5 mm的情形。

4 結(jié) 語

農(nóng)田灌溉試驗(yàn)站是廣大科技工作者開展農(nóng)業(yè)灌溉基礎(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與采集、科學(xué)灌溉試驗(yàn)、示范推廣節(jié)水灌溉新技術(shù)及指導(dǎo)服務(wù)灌溉實(shí)踐等的重要場(chǎng)所。目前每個(gè)省有一個(gè)灌溉試驗(yàn)中心站和一個(gè)重點(diǎn)站，加上大專院校、科研院所建的試驗(yàn)站，總數(shù)有上百所，而蒸滲測(cè)坑是試驗(yàn)站的重要組成部分，其中地下自動(dòng)供排水裝置絕大部分采用圖1 的形式，前期投入和維修管理費(fèi)用較高，自動(dòng)控制的電器元件不適合地下室空氣濕度比較的工作環(huán)境，也不符合現(xiàn)階段國(guó)家推行的節(jié)能降耗、低碳環(huán)保的要求，需要進(jìn)行改進(jìn)。

本文所述的簡(jiǎn)易蒸滲測(cè)坑自動(dòng)供排水裝置，采用水力自動(dòng)控制為主，具有使用方便、電器元件少、便于維護(hù)、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，不僅具備現(xiàn)有試驗(yàn)裝置的功能，還解決了現(xiàn)有地下供排水裝置存在的問題。通過對(duì)2 m×2 m的蒸滲測(cè)坑日蒸發(fā)量分別為1.0、1.5、2.0 和2.5 mm 模擬實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有裝置和改進(jìn)裝置供水量平均值比較接近，最大偏差分別為19%和15%、8%和10%、9%和3%、5%和5%，說明改進(jìn)后的裝置供水量的測(cè)量精度接近或優(yōu)于現(xiàn)有裝置，初步估算前期投入可節(jié)省投資20%～30%。