本发明属于水利工程领域，具体涉及一种可分别测量渗透水量和坡面水量的非称重式蒸渗仪。
背景技术
现有的研究显示，生态系统的水资源供给能力既会受到植物群落结构、物种组成、植物功能特征和表层土壤特性等生态学因素的影响，也会受到气候、地形、土壤类型等物理因素的影响。近年来，人类活动和气候变化等，一方面通过对蒸发、蒸腾、入渗等特征的直接影响，改变了生态系统的供水能力；另外一方面也通过对植物群落结构、物种组成和植物功能特征的改变，间接改变生态系统的供水能力。因此，在气候变化加剧、人类活动加剧的背景下，精确评估高寒草地生态系统的供水能力及变化，成为高寒草地生态系统适应性管理的前提条件。
水资源供应能力主要包括对下游地段的供水总量和调蓄能力两个方面。其中，供水总量即为土壤潜流和地表径流之和，可以用产水量(wateryield，简称r)来表示，反映生态系统接收大气降水(precipitation，简称p)后，经过系统(冠层、枯落物、土壤等)截留(interception，简称i)、植物蒸腾(transpiration，简称t)和地表蒸发(evaporation，简称e)后向系统外排出水分的量或比例。而调蓄能力既包括系统截留大气降水的总量(i)，也包括截留水量的释放方式和速率。调蓄能力的强弱还与地表水土流失的控制有密切关系。根据这些定义，生态系统的水量变化可以用水量平衡方程表示为：p＝i+e+t+r。
所以，要全面衡量生态系统供水能力，就必须从供水总量和调蓄能力两个方面来分别评估：①对外界的供水总量，根据产水总量进行评估，产水总量越大，则说明供水能力越强；②调蓄能力，根据降水停止后生态系统中(包括土壤，地上植被和地被物)水分截蓄量及释放方式和时间进行评估，截蓄量越大，转化为产水的量越高，且截蓄量随着时间降低的幅度越慢，则说明调蓄能力越强。
目前衡量生态系统供水能力的技术主要包括大尺度的小流域对比、称重式蒸渗器。但是前者存在精度低，分辨率低的问题；后者存在成本高、占地空间大、推广难等问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种非称重式蒸渗仪。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种蒸渗仪，包括蒸渗桶，所述蒸渗桶分为三部分，从上到下依次分为裸露段、土柱段、过滤段；
所述裸露段全部伸出地面，高度为3～7cm；
所述土柱段高度为蒸渗桶总高度的60％～75％，且比当地95％以上植物根系在土壤中分布深度高至少10cm；所述土柱段中填满当地土壤；
所述过滤段内部还设置有与过滤段等高、与蒸渗桶底部密封连接的内环；
所述内环内部、过滤段与内环之间均填满同种可过滤泥沙的填充物；
所述过滤段与内环之间的底部最低处设置有外环排水口；所述内环底部最低处设有内环排水口；
所述外环排水口、内环排水口分别通过自流水管与外部储水罐和内部储水罐连接。
优选的，所述蒸渗桶由防水防腐蚀材质制备，所述内环与蒸渗桶同材质。
优选的，当所述蒸渗桶倾斜设置时，所述外环排水口设置于蒸渗桶底部、过滤段外部、靠近蒸渗桶边缘的最低处；所述内环排水口设置于蒸渗桶底部、过滤段内部、靠近内环边缘的最低处。
优选的，所述内环直径与所述过滤段与内环间距间的关系为：
设内环直径为d，内环和过滤段间距为s，土柱段总高度为h，坡面角α；d的值为s＞h·tanα且s＞5cm时可以达到的最大值。
优选的，所述土柱段中的土壤是：将所述蒸渗仪埋入地下，在土柱段等高位置截取直径与蒸渗桶相当、高度与土柱段相当的柱状土壤，对所述土壤修整填补使其刚好填满土柱段，即得。
优选的，所述内环内部、过滤段与内环之间的填充物，从下到上依次为：纱布、选自当地的洗净且经8mm过筛的砂石、纱布。
优选的，所述外环排水口和内环排水口的直径均为1～2cm。
相应的，一种利用所述蒸渗仪测定渗透水量和坡面流量的方法：设所述内环的面积为s内，所述蒸渗桶总面积为s总，外部储水罐的接水量为y外，内部储水罐的接水量为y内；
所述渗透水量y渗＝s总/s内×y内；所述坡面流量y径＝y外-[(s总-s内)/s内×y内]。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的蒸渗仪可分别对径流量(由坡面流决定)、渗透量及渗透时间(一次降雨后持续渗透的时间)进行测定，测定时只需称取蒸渗仪的部分结构(储水罐中的水量)，再结合公式即可得到较精确的数据，无需将整个蒸渗仪取出称重，操作非常简便。
2、本发明提供的蒸渗仪分辨率和准确度高，结构简单、成本低廉且便于维护。为生态系统供水能力的评估提供了一种定量计算方法；为评估温度、氮等环境因素的变化对草地生态系统的水资源供给的影响提供了一种新思路。
附图说明
图1为蒸渗桶结构示意图；
图2为蒸渗桶工作示意图；
图3为蒸渗桶俯视图；
图4为蒸渗仪工作原理示意图。
具体实施方式
如图1所示的，本发明的蒸渗仪包括蒸渗桶1，所述蒸渗桶1为防水、防酸碱腐蚀金属材质，如不锈钢等。
所述蒸渗桶1从上到下依次分为地表裸露段11、土柱段12、过滤段13。所述裸露段11高度为3～7cm，具体高度可根据当地实际降雨量和坡面流流量进行调整，太高会造成不必要的材料浪费，太低无法有效阻隔蒸渗仪外部坡面流进入蒸渗仪内，从而影响最终测量结果。
所述土柱段12的高度占蒸渗桶1总高度的60％～75％，且比当地95％以上植物根系在土壤中分布深度高至少10cm。所述高至少10cm并非指土柱段高于植物根系所处位置至少10cm，而是指土柱段的整体高度与植物根系的分布深度相比较，整体高度比分布深度还要长10cm以上。本发明适用于所有草地生态系统，优选应用场所是高寒草地，因为高寒草地95％以上的植物根系分布于距离地表30cm的土壤中，则土柱段12的高度以40cm为佳，以保证选择的这部分土柱在生态系统中会尽可能将根系全部覆盖且不浪费材料。优选的方式是，土柱段12中的土柱与蒸渗桶1的桶壁间略有缝隙，以保证水流(坡面流)能顺利留下；如果土柱与蒸渗桶1的器壁贴合太紧，可能会阻碍坡面流的流出，导致计算的渗透水量高于实际值。
所述过滤段13的高度占蒸渗桶1总高度的20％～35％，过滤段13过高会浪费材料且减少水的通过率，导致测定结果偏低；过滤段13过低则会导致水过滤不完全，泥土砂质等进入最终待测量的水中，测定结果偏高。
为将土壤渗透水和坡面流区分开，所述蒸渗桶1的过滤段13内部还设置有与过滤段13等高、材质与蒸渗桶1相同的内环2，所述内环2底部与蒸渗桶1底部密封不渗水连接。为了减少边缘效应，让内环2所接到的水全是土壤渗透水，更具有代表性，需要将内环2的面积尽可能扩大，同时给坡面流留下足够的空间。如图2所示，具体实现方式如下：
设土柱段12总高度为h，内环2的直径为d，蒸渗桶1的直径为d。因为存在坡面角α，d需要设计得大于h；且坡面角α越大，则d越大；优选d＝h+2tanα。
为了进一步确定内环2的直径d，设内环2和过滤段13间的距离为s。从图2可以看出，当内环2的边缘与垂直辅助线相切时，s＝h·tanα。此时内环2和过滤段13间距达到理论最小值，因此，s≥h·tanα。同时，经反复试验验证，s需要大于5cm才能保证排除边缘效应。所以，在满足s＞h·tanα且s＞5cm的情况下，d的最大值即为最优选值。
经上述计算机反复试验，在高寒草地的坡地情况下，所述内环2直径d为蒸渗桶1直径d的70％～90％时，内环2内部接到的水可基本保证全是土壤渗透水。
所述内环2将过滤段13分为内、外两个部分，该两部分均被填充物填满且填充物完全相同，从下到上依次均为：1mm孔径纱布、洗净且经8mm过筛的当地砂石、1mm孔径纱布。
所述蒸渗桶1底部、过滤段13外部、靠近蒸渗桶1边缘处设置有外环排水口31，所述外环排水口31直径1～2cm；所述蒸渗桶1底部、过滤段13内部、靠近内环2边缘处位置有内环排水口32，所述内环排水口32直径1～2cm。所述外环排水口31、内环排水口32的直径过大，过滤用的砂石可能会漏进水管阻塞管道；直径过小，水流量过小，容易造成水在蒸渗桶1中淤积，水管管口也容易被泥沙阻塞；均会影响测定结果。内环排水口31和外环排水口32设置在蒸渗桶1的同一侧，安装时使蒸渗桶1沿坡面向内环排水口31和外环排水口32的方向倾斜，使外环排水口31、内环排水口32分别位于蒸渗桶1和内环2的最低点，以保证渗透水和坡面流能够全部流出。
所述外环排水口31、内环排水口32分别通过自流水管与外部储水罐41和内部储水罐42连接。所述自流水管指在不施加外力的情况下，水流可以自动流入外部储水罐41和内部储水罐42中。例如：所述水管设置与地面水平或与坡面水平均可，以免影响水的流向和流速；所述外部储水罐41和内部储水罐42的进水口均低于蒸渗桶1的最低点。
本发明的实现方式为：
1、在设置有内环2的蒸渗桶1中从下到上依次填装纱布、砂石(选自当地、洗净并经8mm过筛)和纱布，直至过滤段13被完全填满。
2、在将蒸渗桶1埋入地面后与土柱段12等高处，截取直径与蒸渗桶1相当、高度与土柱段12相当的土柱，放于被填满的过滤段13上，对土柱进行修整填补，使其刚好填满土柱段12，且蒸渗桶1器壁与土柱边缘之间稍有缝隙，以便于水流能沿着器壁内侧顺利流下。
3、安装连接好外环排水口31、内环排水口32对应的水管，并放置好外部储水罐41和内部储水罐42。
4、将蒸渗桶1小心埋入地下，只留裸露段11露于地面，以避免蒸渗仪外部的坡面流进入。
5、设内环2的面积为s内，蒸渗桶1总面积为s总，外部储水罐41的接水量为y外，内部储水罐42的接水量为y内。
则蒸渗仪测定的渗透水产水量y渗＝s总/s内×y内；蒸渗仪测定的坡面流产水量y径＝y外-[(s总-s内)/s内×y内]。
6、监测渗透时间：在一次降水之后，根据实际情况定期(如每天、每半天、每数个小时等)监测外部储水罐41和内部储水罐42中水量的增加情况；直到内部储水罐42的水量增加值连续一天为零时，视为一次渗透结束。从开始储水至渗透结束的时间再减去1天即为一次渗透时间。另外，为了方便监测，外部储水罐41和内部储水罐42可以直接放在坑中，坑内不填土，只在坑上盖一个传热能力弱的盖板即可；当然，也可以选择其它既方便监测又方便储水的安装方式。
需要说明的是，本发明全文使用的名字：蒸渗桶1，及附图中体现的蒸渗桶的形状：桶状，均是为了方便示意，并非意为将蒸渗桶1限定为只能使用桶状。因为本发明应用的场合大部分为坡地，蒸渗桶1安装后与水平面自然有一个坡度，蒸渗桶1工作时接到的水会在重力作用下自动流向目标位置；为了节省制作成本，这种情况优选为桶状。但实际上本发明也可应用于平地或坡度较小的场所，此时可根据场所的实际情况，将蒸渗桶1设置为便于安装、便于接到的水流向目标位置的形状，例如坡形、梯形等。