王富慶，許雅欣，高士佩，王同順

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210024)

0 引 言

蒸發(fā)蒸騰量是水循環(huán)過(guò)程中重要環(huán)節(jié)之一[1]，也是地球系統(tǒng)水分消耗的主要方式[2]，控制著陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣之間的物質(zhì)和能量交換[3]，影響農(nóng)業(yè)用水[4,5]、生態(tài)模型[6]、區(qū)域干濕狀況[7]等，因此精確估算蒸發(fā)蒸騰量對(duì)于制定合理的灌溉制度和排水標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)可靠的灌區(qū)水資源配給方案、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)具有重要的意義。然而由于陸地、植被與大氣之間的相互作用復(fù)雜多樣，因而蒸發(fā)蒸騰量成為水循環(huán)組成中最難估算項(xiàng)[8]。

截止目前，陸面蒸發(fā)蒸騰量的實(shí)測(cè)方法主要有渦動(dòng)相關(guān)法、波文比法、閃爍儀、液流法、蒸滲儀法等。其中渦動(dòng)相關(guān)法的應(yīng)用易受地形和氣象條件限制[9]，夜間易導(dǎo)致平流，進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)蒸騰量低估[10]，此外渦動(dòng)相關(guān)法觀測(cè)范圍較大，難以實(shí)現(xiàn)小尺度水分脅迫處理?xiàng)l件下作物蒸發(fā)蒸騰監(jiān)測(cè)；而波文比法需要較多氣象數(shù)據(jù)，在小尺度作物水分脅迫試驗(yàn)中，其氣象數(shù)據(jù)差異可能較小，對(duì)于小尺度水分脅迫處理?xiàng)l件下作物蒸發(fā)蒸騰同樣很難監(jiān)測(cè)；閃爍儀多用于監(jiān)測(cè)大尺度蒸發(fā)蒸騰量，其傳感器之間的距離為5 km，對(duì)于小尺度作物蒸發(fā)蒸騰量仍然難以使用；液流法主要用于單株尺度蒸騰速率的監(jiān)測(cè)，對(duì)于農(nóng)田尺度蒸發(fā)蒸騰監(jiān)測(cè)有一定難度，需要選取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行尺度提升[11]；蒸滲儀法觀測(cè)范圍較小，其觀測(cè)值代表性較差，但由于觀測(cè)范圍較小，可以用于小尺度不同水分脅迫條件下作物蒸發(fā)蒸騰的監(jiān)測(cè)。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的是能夠測(cè)定短時(shí)段內(nèi)作物蒸發(fā)蒸騰量的稱重式蒸滲儀，按照儀器構(gòu)造尺寸可分為大型稱重式蒸滲儀和小型稱重式蒸滲儀。大型稱重式蒸滲儀精度高，代表性好， 1996年美國(guó)亞利桑那州大學(xué)設(shè)計(jì)的兩臺(tái)大型稱重式蒸滲儀[12]，測(cè)量精度可達(dá)0.04 mm；印度Karnal也有兩臺(tái)重達(dá)14 t的電子稱重式蒸滲儀[13]；武漢大學(xué)2006年研制的智能化稱重式蒸滲儀系統(tǒng)[14]，測(cè)量精度達(dá)0.05 mm。但上述蒸滲儀系統(tǒng)普遍存在基礎(chǔ)質(zhì)量大、不可移動(dòng)、設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高昂的缺點(diǎn)，在應(yīng)用上受到一定限制。小型稱重式蒸滲儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低，同時(shí)能夠滿足一定的精度要求，因此在作物棵間蒸發(fā)測(cè)量中廣泛使用。美國(guó)許多城市現(xiàn)已采用小型稱重式蒸滲儀估計(jì)草地用水消耗與回流水量[15]；巴西2013年研制的測(cè)量煙草需水量的小型半封閉箱體結(jié)構(gòu)稱重式蒸滲儀[16]，測(cè)量精度達(dá)0.06 mm；我國(guó)康躍虎[17]等人發(fā)明的“田間農(nóng)作物吊掛式稱重電測(cè)蒸滲儀”應(yīng)用吊掛式稱重傳感器進(jìn)行測(cè)量，精確度也很高。但上述小型稱重式蒸滲儀的稱重設(shè)施均建于地上，稱重期間大風(fēng)、大雨等天氣因素會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生較大影響，同時(shí)人工作業(yè)對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境有一定干擾，易造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差，導(dǎo)致觀測(cè)精度的降低。另外，現(xiàn)有的小型稱重式蒸滲儀要求每臺(tái)蒸滲儀配備一套固定的稱重設(shè)備，不利于節(jié)約成本，且難以滿足不同處理和重復(fù)試驗(yàn)對(duì)測(cè)筒數(shù)量的需要。因此，急需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不易受天氣狀況影響、對(duì)作物生長(zhǎng)干擾小、節(jié)約成本的稱重式蒸滲儀。在充分吸取國(guó)內(nèi)外有關(guān)稱重式蒸滲儀特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)研制了高精度自動(dòng)地下軌道稱重式蒸滲儀測(cè)控系統(tǒng)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

自動(dòng)地下軌道稱重式蒸滲儀包括用于種植作物的測(cè)筒和位于測(cè)筒下方的地下室結(jié)構(gòu)(圖1)，其中測(cè)筒主要由回填土體及土體中埋設(shè)的土壤溫濕傳感器組成，地下室結(jié)構(gòu)包括地下軌道、設(shè)于地下軌道上的移動(dòng)稱重裝置、數(shù)據(jù)采集器和控制系統(tǒng)。移動(dòng)稱重裝置包括設(shè)于地下軌道上可以移動(dòng)的軌道小車、設(shè)于軌道小車上可伸縮的升降機(jī)、小車頂板、以及設(shè)于小車頂板上對(duì)測(cè)筒進(jìn)行稱重的可移動(dòng)電子秤。軌道小車通過(guò)底部設(shè)置的滑輪可沿著地下軌道上的滑輪導(dǎo)軌滑動(dòng)。為了降低設(shè)備總造價(jià)，只采用單臺(tái)電子秤，通過(guò)其底部設(shè)置的滑輪可沿著小車頂板上沿每列測(cè)筒方向設(shè)置的滑輪導(dǎo)軌滑動(dòng)。紅外定位器設(shè)于每一個(gè)測(cè)筒中心正下方、小車頂板上測(cè)點(diǎn)處和電子秤底部中心，測(cè)筒、軌道小車以及電子秤之間通過(guò)紅外定位器準(zhǔn)確定位。數(shù)據(jù)采集器與電子秤相連，控制系統(tǒng)控制軌道小車的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、升降機(jī)的升降、以及數(shù)據(jù)采集器所采集的數(shù)據(jù)處理和顯示。

圖1 地下軌道稱重式蒸滲儀整體結(jié)構(gòu)1-測(cè)筒；2-地下室；3-地下軌道；4-控制系統(tǒng)；5-可移動(dòng)軌道小車；6-升降機(jī)；7-小車頂板；8-可移動(dòng)電子秤；9-紅外線定位器

2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)主要由軌道小車、升降機(jī)、電子秤、工控機(jī)、PLC、通訊模塊和數(shù)據(jù)采集分析軟件組成。數(shù)據(jù)采集全部為智能化采集，數(shù)據(jù)采集器所采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)通訊模塊傳輸?shù)焦た貦C(jī)中，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并按照設(shè)定的格式和周期保存。

2.1 稱重系統(tǒng)

稱重裝置包括設(shè)于地下軌道上可以移動(dòng)的軌道小車、設(shè)于軌道小車上可伸縮的升降機(jī)、小車頂板、以及設(shè)于小車頂板上對(duì)測(cè)筒進(jìn)行稱重的可移動(dòng)電子秤。稱重系統(tǒng)主要由軌道、小車、升降機(jī)、小車頂板以及電子秤等組成。蒸滲儀設(shè)計(jì)為圓形柱狀體，高為1.2 m，內(nèi)徑為0.68 m，截面面積約為0.363 m2，滿足灌溉試驗(yàn)規(guī)范[18](SL 13-2015)中關(guān)于小型蒸滲儀截面面積不小于0.36 m2的要求。蒸滲儀、土體、土壤溫濕傳感器和數(shù)采設(shè)備，在滿載時(shí)總重量達(dá)數(shù)噸。稱重系統(tǒng)的分辨率為10 g，采用高精度的電子秤進(jìn)行測(cè)量。由于蒸滲儀截面面積為0.363 m2，其觀測(cè)精度相當(dāng)于0.028 mm水層深度，滿足灌溉試驗(yàn)規(guī)范(SL 13-2015)中逐日作物蒸發(fā)蒸騰量觀測(cè)誤差不大于1 mm的要求。

2.2 全自動(dòng)稱重流程

軌道小車裝有光電開(kāi)關(guān)、傾角傳感器、起點(diǎn)限位開(kāi)關(guān)、終點(diǎn)限位開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)定時(shí)、定次對(duì)測(cè)筒進(jìn)行稱重。

在全自動(dòng)稱重過(guò)程中，設(shè)定好全自動(dòng)軟件的工作時(shí)間，小車通過(guò)底部設(shè)置的滑輪沿地下軌道滑動(dòng)至首排測(cè)筒正下方停止，通過(guò)紅外定位器與首排測(cè)筒準(zhǔn)確定位，PLC控制蝸輪螺桿升降機(jī)啟動(dòng)，使升降平臺(tái)升起并頂起測(cè)筒，稱重系統(tǒng)采集到電子秤所測(cè)測(cè)筒重量的數(shù)據(jù)，通過(guò)WLAN無(wú)線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)，工控機(jī)上的采集軟件自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理。PLC再次控制蝸輪螺桿升降機(jī)啟動(dòng)，使升降平臺(tái)降下，電子秤通過(guò)底部設(shè)置的滑輪沿小車頂板上設(shè)置的滑輪軌道滑動(dòng)，通過(guò)紅外定位器與同排下一個(gè)測(cè)筒準(zhǔn)確定位，重復(fù)上次稱重過(guò)程直至同排所有測(cè)筒稱重完畢，小車恢復(fù)向前滑動(dòng)至下一排測(cè)筒進(jìn)行稱重，直至所有排測(cè)筒稱重完畢(圖2)。如遇緊急情況，可點(diǎn)擊工控機(jī)自主開(kāi)發(fā)軟件主界面 “緊急停車”按鈕，停止所有操作。再按一次“緊急復(fù)位”按鈕，可恢復(fù)正常。

2.3 土壤剖面溫度和含水率

土壤剖面溫度、含水率測(cè)量選用科瑞特力fds120傳感器，含水率(體積水)測(cè)量范圍為0～100%，精度2%，溫度測(cè)量范圍為-40～+50 ℃，精度±1 ℃，埋設(shè)深度為10、30、50和90 cm(圖3)。

圖2 稱重系統(tǒng)工作流程圖

圖3 測(cè)筒土壤剖面?zhèn)鞲衅鞑荚O(shè)圖

通過(guò)預(yù)設(shè)時(shí)間間隔，土壤溫度和含水率傳感器自動(dòng)測(cè)定電壓信號(hào)，由巡檢儀進(jìn)行收集，以WLAN無(wú)線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)，工控機(jī)上的采集軟件自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理(圖4)。

圖4 測(cè)筒土壤溫度和含水率系統(tǒng)工作流程圖

2.4 軟 件

上位機(jī)軟件基于組態(tài)王、Qt、C/C++進(jìn)行開(kāi)發(fā)，操作系統(tǒng)為Windows XP。其中軌道小車稱重系統(tǒng)的上位機(jī)軟件基于組態(tài)王開(kāi)發(fā)，用于控制小車和升降機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)測(cè)筒重量的測(cè)量，同時(shí)記錄稱重系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)；測(cè)筒數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機(jī)軟件以Qt為開(kāi)發(fā)環(huán)境用C/C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，主要功能是定時(shí)對(duì)測(cè)筒傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。在這兩個(gè)系統(tǒng)中，為了使數(shù)據(jù)易于分析和整理，采用了access數(shù)據(jù)庫(kù)。

上位機(jī)軟件模塊組成如圖5所示，其主要功能包括參數(shù)設(shè)定、手動(dòng)調(diào)試控制、傳感器配置、溫度/含水率測(cè)量、測(cè)筒重量測(cè)量及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等。數(shù)據(jù)采集間隔可根據(jù)試驗(yàn)要求自行設(shè)定。

圖5 上位機(jī)軟件模塊組成

3 自動(dòng)地下軌道稱重式蒸滲儀測(cè)控系統(tǒng)精度檢驗(yàn)

3.1 計(jì)算公式

自動(dòng)地下軌道稱重式蒸滲儀測(cè)控系統(tǒng)精度的檢驗(yàn)通過(guò)對(duì)比分析稱重系統(tǒng)與含水率計(jì)算所得到的蒸發(fā)蒸騰量來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中通過(guò)稱重系統(tǒng)計(jì)算的蒸發(fā)蒸騰量采用灌溉試驗(yàn)規(guī)范(SL 13-2015)推薦的公式：

(1)

式中：ET1-2為階段蒸發(fā)蒸騰量，mm；G1為時(shí)段開(kāi)始時(shí)的蒸滲儀總質(zhì)量，kg；G2為時(shí)段末時(shí)的蒸滲儀總質(zhì)量，kg；Gm為時(shí)段內(nèi)向蒸滲儀的灌水量，kg；Gp為時(shí)段內(nèi)落入蒸滲儀內(nèi)的降水量，kg；Gc時(shí)段內(nèi)蒸滲儀中的土表及底層排水量之和，kg；S蒸滲儀內(nèi)的水平截面積，m2。

利用測(cè)定土壤含水率來(lái)計(jì)算作物蒸發(fā)蒸騰量時(shí)，采用灌溉試驗(yàn)規(guī)范(SL 13-2015)推薦的公式：

(2)

式中：ET1-2為階段蒸發(fā)蒸騰量，mm；i為土壤層次號(hào)數(shù)；n為土壤層次總數(shù)目；Hi為第i層土壤的厚度，cm；Wi1為第i層土壤在時(shí)段始的體積含水率；Wi2為第i層土壤在時(shí)段末的體積含水率；M為時(shí)段內(nèi)的灌水量，mm；P為時(shí)段內(nèi)的降水量，mm；K為時(shí)段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量，mm；C為時(shí)段內(nèi)的排水量(地表排水與下層排水之和)，mm。

試驗(yàn)中采用防雨棚排除了降雨因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，且蒸滲儀無(wú)地下水向上補(bǔ)給量，因此，K=0，P=0，由含水率傳感器的埋設(shè)深度，時(shí)段內(nèi)的灌水量、排水量，即可求出時(shí)段內(nèi)的ET1-2。

3.2 含水率計(jì)算值與蒸滲儀測(cè)定值對(duì)比分析

圖6為2016年7月24日-2016年10月18日，由稱重系統(tǒng)和含水率分別計(jì)算的棉花花鈴期每日蒸發(fā)蒸騰量(ET)。在棉花花鈴期，蒸滲儀計(jì)算ET序列與土壤含水率計(jì)算ET序列日變化趨勢(shì)基本一致。每次灌水后，ET值均出現(xiàn)明顯的向上升方向的趨勢(shì)性變化，且ET峰值出現(xiàn)在灌水后的1～3 d內(nèi)，并在灌水后的4～5 d內(nèi)逐漸恢復(fù)至灌水前的平均值，符合一次灌水對(duì)作物蒸發(fā)蒸騰量的影響規(guī)律。

圖6 棉花花鈴期含水率計(jì)算值與蒸滲儀計(jì)算值的變化曲線與結(jié)果對(duì)比

相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)二者具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系(圖7)，回歸系數(shù)為0.895 2，通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)，回歸直線斜率為0.920 8，說(shuō)明土壤含水率計(jì)算ET較蒸滲儀計(jì)算ET偏小，偏小約7.9%。這一方面可能是由于土壤含水率傳感器埋設(shè)數(shù)量較少，未能全面反映測(cè)筒剖面含水率沿深度的變化情況所致；另一方面，考慮到測(cè)筒土壤為回填土，土壤與測(cè)筒壁之間貼合不密實(shí)將導(dǎo)致灌水后水分主要聚集在測(cè)筒邊緣或沿筒壁下滲，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)筒內(nèi)水分分布不均，含水率傳感器實(shí)測(cè)值偏小。

圖7 棉花花鈴期含水率計(jì)算值與蒸滲儀計(jì)算值的相關(guān)性分析

綜上，稱重系統(tǒng)計(jì)算的ET與含水率計(jì)算的ET變化趨勢(shì)一致，線性相關(guān)系數(shù)較高，說(shuō)明通過(guò)自動(dòng)地下軌道稱重式蒸滲儀測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可用于不同水分脅迫條件下作物機(jī)理響應(yīng)規(guī)律研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

在吸取國(guó)內(nèi)外有關(guān)蒸滲儀優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)研制了高精度自動(dòng)地下軌道稱重式蒸滲儀測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在地下室中進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量，可排除大風(fēng)、大雨等天氣對(duì)蒸滲儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響。地下室結(jié)構(gòu)包括地下軌道、移動(dòng)稱重裝置、數(shù)據(jù)采集器和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用上位機(jī)軟件全自動(dòng)智能控制各設(shè)備工作，移動(dòng)稱重裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)測(cè)筒的獨(dú)立準(zhǔn)確測(cè)量，能夠滿足不同處理和重復(fù)試驗(yàn)對(duì)測(cè)筒數(shù)量的要求，且大幅度降低了成本，上位工控機(jī)與數(shù)據(jù)采集器之間通過(guò)WLAN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守測(cè)量。檢測(cè)分析表明，稱重系統(tǒng)對(duì)蒸發(fā)蒸騰量(ET)的觀測(cè)精度達(dá)0.028 mm，稱重系統(tǒng)計(jì)算的ET與含水率計(jì)算的ET變化趨勢(shì)一致，回歸系數(shù)為0.895 2，回歸直線斜率為0.920 8，說(shuō)明該稱重系統(tǒng)精度較高，且所測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可用于研究不同灌溉方式下作物需水規(guī)律，不同水分脅迫作物響應(yīng)機(jī)理，化肥、農(nóng)藥對(duì)土壤水的作用和影響及土壤水量平衡等。

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