CN1209613C - 三筒补偿式蒸渗仪测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用三筒补偿式蒸渗仪对浅水区植物蒸散发量和下垫面下渗量测量的方法，属于植物生理生态监测和水文监测领域。其特征是把三个钢通筒直接压入水生植物生长环境中，三筒的状态分别为：上部开口筒内为原生植物，上部开口筒内有处理植物杆茎的自由水面，上部密封筒内为常压的自由水面。利用超声波传感器测量水位变化，根据三筒之间相互补偿的关系对植物蒸散发、水面蒸发、下垫面下渗进行直接测量，不破坏植物生长状态。利用连通水管调节各筒的内部水位与自然水体一致。对其中两个钢筒内的植物作处理，截掉上部枝叶但保留杆茎，使三个筒筒内的净水面面积相同。整个系统自动通电采集并处理数据。具有造价底、易维护、精度高等特点。
Description
技术领域
本发明属于植物生理、生态监测及湿地气象水文量测技术领域。涉及到对湿地环境下水生植物的蒸散发、自由水面的蒸发、湿地环境中的下渗进行自动观测。特别涉及到植物蒸散发、水面蒸发、湿地下渗的对比观测的方法。
背景技术
目前，国内外对于植物蒸散发、水面蒸发、下渗的测量方法主要分为四类：
第一类，蒸渗仪方法，利用质量平衡方法确定各种植物的蒸散发量及下渗量，例如，刘士平等的《新型蒸渗仪及其在农田水文过程研究中的应用》中使用过蒸渗仪。蒸渗仪方法，一般需要大量的人力物力投入和长期维护过程，而且测量时要对植物进行采样、二次培养，只能近似模拟原生植物的生长状态。
第二类，测渗计，通过对陆生植物下层土壤含水量的确定推求它们的蒸散发量。只能对下层土壤状态为不饱和的植物进行测量，对于下垫面处于饱和状态的水生植物蒸散发的测量没有意义。同时存在埋设测渗计对原状植物的扰动问题。
第三类，气孔表。例如SALVADOR SANCHEZ-CARRILLO在《A simple methodfor estimating water loss by transpiration in wetlands.HydrologicalSciences-Journal，2001.46(4).》(一种估算湿地中蒸腾水损失的简易方法)中使用过美国的LICOR型LI-1600气孔表。通过物理探测方法直接对植物单片叶面的蒸腾速率进行测量，以国外进口产品为主，昂贵的价格使这种方法难以普及。虽然可以精确确定单片植物的蒸腾速度，但是推广至整株植物及确定单位面积植物蒸散发量的误差较大。
第四类，植物茎流系统，利用热平衡原理测量单位时间通过植物茎干的水量，为了对影响水平衡的水面蒸发量、下渗量作出测量，还需配备多种的专门传感器。主要为国外进口产品，价格昂贵，难以普及。
迄今为止，国内外主要利用波文比方法、紊流扩散方法建立专门蒸散发监测站，通过对各种气象参数的观测利用各种公式间接推求蒸散发量，投入巨大，缺乏不扰动植物生长状态而直接进行测量的简易经济的方法。中国湿地研究刚刚开始起步，缺乏湿地环境下植物蒸散发观测的系统资料。考虑到湿地特殊的潮湿环境，为了减少投入，发明高精度的、定时自动采集蒸渗仪成为湿地水循环研究及湿地工程应用的关键技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种在湿地环境中，不破坏水生植物生长状态的前提下连续自动的采集湿地水生植物的蒸散发量、自由水面的蒸发量和下垫面下渗量等数据的方法；此方法可解决湿地环境中水面蒸发和植物蒸散发量及下垫面下渗量的确定问题。
本发明的技术方案，在不破坏测点土壤和植被结构的条件下把三个相同规格的下端开口且开口边缘打磨锋利的不锈钢圆筒压入水生植物的生长环境中，下部进入相对不透水层80-90cm；操作时筒内水面距筒口30-40cm。三筒的状态分别为(1)内含原生植物筒口开放，(2)内含自由水面筒口开放，(3)内含自由水面，筒口带密封圈，加盖密封。利用筒壁的隔绝作用使筒内水体与筒外水体只有竖向的水量交换，利用安装在每个圆筒中的高精度超声波传感器测量筒内的水位变化，通过在三个筒中分别得出的水位变化量之间的补偿关系分别得出水面蒸发量、植物散发量和下垫面下渗量的数据。
内含原生植物筒口开放状态筒的筒内水量平衡表达式：
△1＝R+I-E-S，其中R-降雨量，I-灌溉量，E-植物蒸腾及水面蒸发量，S-下渗量。
内含自由水面筒口开放状态筒的筒内水量平衡表达式：
△2＝R+I-E1-S，其中R-降雨量，I-灌溉量，E1-水面蒸发量，S-下渗量。
内含自由水面，筒口加盖密封状态筒的筒内水量平衡表达式：
△3＝S，其中S-下渗量。
△i-各筒中超声波传感器的实测值。
同一地点的降雨量、灌溉量、下渗量视为相同，对状态为内含自由水面筒口开放的和上部密封筒内为常压自由水面的二筒筒内植物作处理，截掉上部枝叶但保留水面以上10cm杆茎部分，使二筒内的净水面面积与状态为内含原生植物筒口开放的筒内净水面面积相同，在每个测量阶段的起始时间利用筒壁上的连通水管调节各筒的内部水位与自然水体一致。通过三筒彼此之间的补偿关系分别得出植物蒸腾量，水面蒸发量及水的下渗量。
利用超声波传感器测量水位变化；利用单片机记录及储存能力，实现定点通电采集，数据自动采集设定间隔为1-24小时，单次自动采集时间0-35日；利用密封蓄电池解决现场24伏直流电源供应问题，根据现场潮湿高温的特殊性，将控制器、采集器、存储器封闭在仪器箱中。
本发明的效果和益处是，直接对原生状态的水生植物进行测量，不扰动植物的生长状态；水位测量传感器精度高，能够满足蒸散发测量的要求；现场采用密封铅酸蓄电池供电，操作维护简单。采集器被密封在仪器箱中，适合潮湿的野外环境；本发明解决了下垫面饱和的水生植物蒸散发的测定问题，同时可对影响水平衡的水面蒸发及下渗进行精确测定。整套系统操作维护简单、占地面积小且对比其他功能相同的仪器性价比较高。可广泛用于芦苇、莎草等水生植物及水稻等农作物领域。
附图说明
附图1是三筒补偿式蒸渗仪剖面图。
图中：1传感器探头；2传感器探头固定座；3固定探头座的角钢；4竖向调位螺栓；5竖向调节标尺；6钢筒扶手；7湿地自由水面；8水下淤泥层；9水生植物；10筒壁预留孔；11连通水管。
附图2是三筒补偿式蒸渗仪剖面图。
图中：12处理后的水生植物杆茎。
附图3是三筒补偿式蒸渗仪剖面图。
图中：13密封筒盖；14筒盖提手；15通气孔；16筒盖密封圈。
附图4是三筒补偿式蒸渗仪俯视图。
具体实施方式
以下结合附图，详细说明本发明的具体实施方式和最佳实施例。
实施例
利用三筒补偿式蒸渗仪测量扎龙湿地芦苇蒸散发量过程的方法和具体实施步骤如下：
步骤1
把三不锈钢圆筒(规格均为壁厚1.5-2mm，高120cm，筒口面积3000cm2，直径61.8cm，等同于标准的E-601蒸发皿面积和直径)按圆心间隔90厘米、圆心位于一直线上的布局安装在芦苇生长区域。安装时将圆筒套在芦苇9之上，不干扰其生长环境均匀加力旋转钢筒扶手6压入下层淤泥中，压入深度80-90cm，此时筒内自由水面7距离筒口30-40cm。
步骤2
将图1、2所示的筒中的芦苇9在自由水面7以上10cm切割，保留处理后的水生植物杆茎12，维持水面与芦苇的面积比，分别在三个筒中放入传感器探头固定座2和固定探头座的角钢3并旋紧固定螺栓，通过筒壁预留孔10穿入传感器探头1并旋紧探头上的螺栓使之固定到传感器探头固定座2上。参照竖向调节标尺5调整三个竖向调位螺栓4使传感器探头固定座2的平面保持水平，超声波传感器探头1垂直自由水面7，传感器探头1的表面至自由水面7距离保持在10厘米左右，旋紧固定螺栓使支架平稳固定。三个探头安装完毕后在图3所示的筒上加密封筒盖13，通过筒盖密封圈16密封该筒，再利用通气孔15保持筒内外的压力一致。通气孔设在筒口以下10cm处，外侧加防风罩，通气孔直径为5-10mm。分别松开卡在三个筒中固定探头座的角钢3上的连通水管11的胶皮软管，使三筒内水位与自然水体一致。
步骤3
把三个传感器探头的连接线接到控制器接口上，将系统调至实时采集状态。检查接线，包括与计算机通讯线的连接，检查之后打开电源开关(此时采样开关断开)，对仪器供电。检查计算机与采集板之间的通讯状态，确认采集器模块工作正常。
步骤4
由计算机对采集板复位，清除以前的采集记录，并在1-24小时之间设置采样间隔时间。切断电源。断开与计算机的连接，将采样开关插头插上，再给主控板供电。此时进入自动采集状态。
步骤5
关闭密封盒，开始自动采集数据。
步骤6
自动采集数据一段时间后，将计算机连接到采集器上，提取监测数据。如采样间隔为1小时，最多可提取35天数据。
Claims (1)
1、一种三筒补偿式测量浅水区植物蒸散发及下渗量的方法，利用三个布置在同一地点、高度相同、下端开口、边缘锋利的不锈钢筒，三个筒的状态分别为上部开口筒内为原生植物、上部开口筒内为自然水面、上部封闭筒内为自然水面；三个筒内部安装同类型超声波传感器精确测量水位变化；测量它们内部水位的变化量得出该处的水面蒸发量、植物散发量和下渗量；三筒补偿式蒸渗量测量方法的特征是：
1)通过三个同规格钢筒测量结果之间的补偿关系确定同一地点的水面蒸发量、植物散发量和下垫面下渗量；三筒的状态分别为：上部开口筒内为原生植物，上部开口筒内有处理植物杆茎的自由水面，上部密封筒内为常压的自由水面；
内含原生植物筒口开放状态筒的筒内水量平衡表达式：
Δ1＝R+I-E-S，其中R-降雨量，I-灌溉量，E-植物蒸腾及水面蒸发量，S-下渗量，内含自由水面筒口开放状态筒的筒内水量平衡表达式：
Δ2＝R+I-E1-S，其中R-降雨量，I-灌溉量，E1-水面蒸发量，S-下渗量，
内含自由水面，筒口加盖密封状态筒的筒内水量平衡表达式：
Δ3＝S，其中S-下渗量，
Δi-各筒中超声波传感器的实测值；
2)筒壁使筒内水面与周围自然水体隔绝，各筒内安装超声波传感器，测量水位变化；在每个测量阶段的起始时间利用连通水管调节各筒的内部水位与自然水体一致；
3)将三个测量筒置于相同条件的自然浅水植被环境内，无扰动条件下压入泥土中，下部进入相对不透水层80-90cm；操作时筒内水面距筒口30-40cm；
4)对其中两个钢筒内的植物作处理，截掉上部枝叶但保留水面以上10cm杆茎部分，使三个筒筒内的净水面面积相同；
5)数据采集器、控制器采用间歇式自动供电；采集器电源为直流24伏盐酸铅蓄电池；数据自动采集设定间隔为1-24小时，单次自动采集时间0-35日。
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