一种潜水蒸发自动测定系统及方法与流程

本发明涉及一种生态环境监测技术领域，尤其涉及潜水蒸发测定的自动系统及方法。

背景技术：

地下水是土壤物理、水文地质、农田水利、地表水文及水资源等学科关注的对象，多年来这些领域的学者对其进行了大量的研究，“潜水蒸发”的机理与规律，是其研究重心之一。

潜水蒸发是指浅层地下水的蒸发，地下水借土壤毛管的作用，一部分以土壤蒸发的方式进入大气；另一部分通过植物蒸腾的方式进入大气。

影响潜水蒸发的因素主要有气候因素、土壤、埋深和植被情况等。当气温高、风速大和湿度小时，易于形成蒸发条件，故潜水蒸发大；反之则小。在土质粘重的地区，由于土壤透水能力差，潜水蒸发小；在沙性土地区，土壤透水能力较强，潜水蒸发较大。潜水蒸发随地下水埋深的增加而减小，在埋深较浅处，毛管水可以到达地面，蒸发迅速，潜水蒸发大； 埋深增大到一定的深度，地下水停止蒸发。停止蒸发的最小埋深称为极限埋深，其值的大小主要受土质和植被影响。不同作物其根系吸水能力和需水量不同，潜水蒸发也因之不同。裸露地面，无作物生长，潜水蒸发小；作物覆盖地面的密度较大，潜水蒸发也大。潜水蒸发还随着作物的生长期而变化。此外，耕翻土地可以切断毛管，使潜水蒸发降低，在经过一段时间之后，土地渐趋密实，毛管作用恢复，潜水蒸发加大。

1958年，Gardner对潜水稳定蒸发条件下的蒸发过程进行了理论分析，根据土壤水动力学基本原理，推导出潜水极限蒸发强度Emax为地下水埋深H的负幂函数。1977年，河海大学叶水庭等在进行地下水资源评价时，利用实测资料提出了潜水蒸发指数型公式。1979年，沈立昌利用地下水长期观测资料分析提出了潜水蒸发双曲线型经验公式。1984清华大学雷志栋等也提出类似的潜水蒸发经验公式。1984年，张潮新在分析各地潜水蒸发实测资料的基础上也提出了另外的双曲线经验公式。

器测法是潜水蒸发研究的基本试验方法，利用蒸渗仪（地中渗透仪）可以测定不同水位埋深、不同土壤、不同作物在不同时期的潜水蒸发量，观测数据本身质量很好，主要用于定位控制试验研究；如果蒸渗仪中的水位为定水位，此时包气带内的土壤水分布比较固定，不能完全代表实际情况下地下水位变化时的蒸发情况，也就说是测得的值存在一定的误差。潜水蒸发量也可用蒸发条件下区域潜水位下降的变幅乘以该地区的给水度获得，主要用于区域尺度水循环过程研究。在利用区域地下水动态资料计算时，如果地下水位的下降受到水平排泄或附近抽水影响，也会使结果不准确。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的种种不足，提供一种潜水蒸发自动测定系统及其实施方法，能够解决蒸渗仪（地中渗透仪）观测中无法考虑周围地下水位变化的问题，同时避免水平排泄或附近抽水对潜水蒸发的影响，实现对不同作物在不同时段内潜水蒸发量的高效自动测定。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种潜水蒸发自动测定系统，其结构中包括设置在测坑上方的支架和吊装在此支架上的称重传感器，称重传感器下方吊拉连接有一组悬空设置在所述测坑内部的土柱，此土柱由不透水材料包裹原生土壤构成，土柱下部浸泡在测坑底部的地下水当中，在测坑内部底端和土柱内部底端分别设置有水位传感器，在土柱侧壁上设置有一只连通土柱内外的电磁阀。

作为本发明的一种优选技术方案，所述土柱上部的包气带内设置有至少一组土壤水分传感器。

作为本发明的一种优选技术方案，其结构中还设置有一组数据记录仪，此数据记录仪分别与所述称重传感器、土壤水分传感器、水位传感器连接接收三者的电信号并记录。

作为本发明的一种优选技术方案，所述称重传感器为S型拉式传感器，其供电为DC12v并根据所称重量的大小输出一个0-24mv的电压信号用于测定土柱的重量变化；所述土壤水分传感器为电压型传感器，其供电为DC12v并根据土壤湿度的大小输出一个0-5v的电压信号，用于测定土柱内包气带不同高度处的土壤湿度变化；所述水位传感器为电压型传感器，其供电为DC12v并根据地下水位的大小输出一个0-5v的电压信号，用于测定周围环境和土柱内的水位变化；所述数据记录仪采用DC24v供电的万能记录仪。

作为本发明的一种优选技术方案，所述测坑底部开挖至浅层地下水位以下，测坑周边由硬质材料支承定型并留有减压孔，测坑内外的地下水保持连通。

作为本发明的一种优选技术方案，所述电磁阀安装在所述土柱的侧壁下方并保持在地下水位以下。

作为本发明的一种优选技术方案，所述电磁阀上设置有一组定时开关控制器，此定时开关控制器上至少设置有1路继电器输出通道与所述电磁阀连接。

作为本发明的一种优选技术方案，其结构中还设置有一组太阳能供电装置为系统设备供给电源，此太阳能供电装置由太阳能板、太阳能充电控制器、蓄电模块及直流稳压电源模块，直流稳压电源模块的规格为：功率10w、in9-18v，out12v。

一种潜水蒸发自动测定方法，首先由定时开关控制器驱动电磁阀打开一段时间以平衡土柱内外的水位高差并保证土柱内的地下水与周围区域地下水存在水力联系，然后依据如下公式计算潜水蒸发量：

E=ΔG+ΔF=（G_初-G_末）+（F_初-F_末）；

其中，E为潜水蒸发量，ΔG为称重传感器所测的重量变化，ΔF为土柱所受浮力变化，由测坑内水位传感器记载的水位变化数据求得。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明设备系统及其实施方法具有自动化水平高、结构简单、使用方便、价格便宜的特点，能够解决传统蒸渗仪（地中渗透仪）观测过程中无法考虑周围地下水位变化的问题，同时也可以避免水平排泄或附近抽水对潜水蒸发的影响，实现对不同作物、不同时段内的潜水蒸发量的自动测定。

附图说明

图1是本发明一个具体实施方式的结构示意图。

图2是本发明的控制原理图。

图中：支架（1）、称重传感器（2）、土柱（3）、测坑（4）、土壤水分传感器（5）、水位传感器（6）、电磁阀（7）、定时开关控制器（8）、数据记录仪（9）、太阳能供电装置（10）。

具体实施方式

以下实施例详细说明了本发明。本发明所使用的各种原料及各项设备均为常规市售产品，均能够通过市场购买直接获得。

（一）区域地下水位埋深经测定为1.5米，此时挖设的测坑4直径100厘米，深2.0米，四周用砖垒砌，并留有减压孔。

（二）土柱3采用铁皮加工而成，直径为80厘米，深1.8米，通过地面上的三个支架1将土柱吊起，其顶部与地面齐平，下部有30厘米在地下水中。

（三）称重传感器2为S型拉式称重传感器，位于支架1与土柱3之间，共三只，供电均为DC12v，单只量程为500kg，根据重量的大小，输出为0-24mv，用于测定土柱的重量变化，输出电压变化1mv代表20.83kg。

（四）土壤水分传感器5为电压型，供电为DC12v，根据土壤湿度的大小，输出为0-5v，分别用于测定土柱3内包气带土壤湿度的变化。

（五）水位传感器6分别位于测坑4内和土柱3内，均为电压型，供电为DC12v，量程为2.0米，根据地下水位的大小，输出为0-5v，分别用于测定周围环境和土柱3内的水位变化。

（六）电磁阀7为防水型常闭式电磁阀，安装在土柱3侧壁的下方，并保持在地下水位以下，供电为DC12V，用于平衡土柱3内、外水位高低。

（七）数据记录仪9为八通道万能记录仪，供电为DC24v，用于接收3只称重传感器、3只土壤水分传感器、2只水位传感器的电信号；

（八）定时开关控制器8为1路继电器输出通道的时间智能程序控制器，供电DC12v，通过按键可以完成所需要的开启时间与关闭时间。

（九）太阳能供电装置10由50W的太阳能板、10A的太阳能充电控制器、48AH的蓄电模块及IN9-18V、OUT12V的直流稳压电源模块构成。

（十）本发明的工作原理为定时开关控制器8在DC12v电源的作用下，根据预先设定的程序，驱动安装在土柱3侧壁下方上的电磁阀7定期打开一段时间（比如每天晚上20：00打开5min，然后关闭），用于平衡土柱3内、外的水位高差，从而保证土柱3内的地下水与周围区域地下水存在水力联系；潜水蒸发量（E）等于土柱的重量变化，也就是称重传感器所测的土柱的重量变化（ΔG）与土柱所受浮力变化（ΔF）之和，其中土柱所受浮力变化可以根据测坑内的水位传感器所得的数据求得。即E=ΔG+ΔF=（G_初-G_末）+（F_初-F_末）。

上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。