新型地中蒸渗仪在室内模拟蒸发降水入渗试验中应用研究

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(安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

1 研究背景

地中蒸渗仪是观测潜水蒸发、入渗参数的必要设备。传统的地中蒸渗仪有大型称重式地中蒸渗仪、特殊地区虹吸式地中蒸渗仪、马氏瓶恒水位蒸渗仪等[1-2]。据不完全统计，目前我国已建有至少23个潜水均衡试验场所，其中地中蒸渗仪采用的供水系统都是马里奥特瓶-接渗瓶均衡系统[3]。我国著名的五道沟水文实验站的大型地中蒸渗仪，一般采用人工读数，具有较高的人力成本，且易产生数据误差[4-6]；新疆地区适用的虹吸式地中蒸渗仪仅对部分干旱地区地下水位埋深较大的地区实用，其使用范围不广[3]。基于此类局限性，本文介绍了一种新型的地中蒸渗仪，该系统融合智能元件，利用自动化取代人工操作，从而可以快捷获取高精度数据。

2 新型地中蒸渗仪结构与功能

本文所采用的新型地中蒸渗仪主要有三大系统，分别为结构系统、数据采集系统、控制显示系统，如图1为本装置的结构示意。

2.1 结构系统与功能

结构系统主要由马里奥特瓶、接渗瓶、平衡瓶、入渗(蒸发)桶、径流瓶等组成。入渗(蒸发)桶与大地没有水力联系，其上界面直接与大气相通，使地中蒸渗仪内的水分通过蒸发桶直接且仅与大气交换。通过模拟光照条件下(即自然条件下的潜水蒸发期)，桶内的潜水一方面通过土壤蒸(散)发而消耗，另一方面又通过马里奥特瓶进行补充，从而达到动态平衡，保持固定潜水埋深不变，马里奥特瓶中减少的水量即为系统监测到的潜水蒸(散)发量。在模拟大气降雨条件下(即自然条件下的降雨入渗补给期)，入渗柱内的潜水源源不断地接收到降雨入渗补给，这些水分通过马里奥特瓶的溢流管储存到接渗瓶中，依然维持动态平衡，保持固定潜水埋深不变，而接渗瓶存储的水量即为地中蒸渗仪监测的降水入渗量。

2.2 数据采集系统

数据采集系统主要由超声波传感器与单片机组成，本装置的超声波测距仪安装在马里奥特瓶及接渗瓶上，用于测定瓶中水位，然后将水位值反馈给单片机处理计算。

图1 新型地中蒸渗仪整体示意图

2.3 控制显示系统

本装置中的继电器相当于一个有隔离功能的自动开关元件，具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系，表现为：它一方面受电脑软件的控制，一方面又控制装置中电磁阀的启闭及模拟光源、模拟降雨的起止，且两方面之间密切相关。继电器本质上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”，在整个装置中起着自动调节、安全保护和转换电路的作用。主控系统是实现装置智能化和自动化的核心部分，由电脑和控制软件组成，可直接控制单片机、继电器等元器件，进而按软件的设定要求控制整个试验的运行。主控系统不仅可将单片机获得的水位值在电脑上显示输出，还可对一段时间内蒸发或入渗情况下的水位变化进行绘制，并按时段计算出土壤蒸发量或入渗量。

3 实验过程

3.1 蒸发实验

首先打开砂柱下方的阀门，然后启动模拟光源开关为试验提供光照，静待数小时，砂柱中水分逐渐蒸发，散失的水分由平衡瓶进行补充，而马利奥特瓶再将水分源源不断地补给到平衡瓶中。因此，马利奥特瓶中减少的水量即为砂柱中的水分蒸发量，再由单片机读取马利奥特瓶中的水位值，由主控系统进行计算并显示输出，该值即为此试验的潜水蒸发量。

对于粗砂的蒸发实验，首先记录马利奥特瓶中的原始水位H2, 打开模拟光源12，T小时后，再次记录马利奥特瓶中的水位H3,已知马利奥特瓶的横截面积S2,入渗(蒸发)柱的横截面积S3，则由体积公式得出,砂柱中水分蒸发量体积V3为：

V3=(H3-H2)S2

由此得蒸发量β=V3/(S3T)；

同理，对于细砂、中砂采取同样的计算方法，可得出对应的入渗系数与蒸发量。

进行其它介质的蒸发入渗试验时，首先关闭已完成试验砂柱下方的阀门，再将对应砂柱下方的阀门打开，其余步骤与上述一致。

3.2 入渗实验

首先打开砂柱下方的阀门，然后启动模拟降雨器开关为试验提供降雨，水分均匀连续地喷洒在砂柱上，砂柱因持续接受降水补给而产生的水量不断排到平衡瓶中，平衡瓶再把接收到的水分排入接渗瓶中。因此，接渗瓶中的水量即为砂柱接受降水补给的入渗量，再由单片机读取接渗瓶中的水位值，由主控系统进行计算并显示输出，该值即为此试验的潜水入渗量。

对于样砂的入渗实验，首先记录接渗瓶中的原始水位H0,打开模拟降雨器，一段时间后，再次读取接渗瓶中的水位H1,已知接渗瓶的横截面积S1，则由体积公式得出，外界水分补给入渗水量体积V1为：

V1=(H1-H0)S1

此时读取LCD1602显示屏显示的结果，即潜水入渗量V2；

由此得降水入渗系数a=V1/V2。

表1 两种渗透性砂层入渗试验结果对比

表2 两种渗透性砂层蒸发试验结果对比

4 结果分析

利用本新型地中蒸渗仪模拟了不同样渗透性砂层的降水入渗以及蒸发试验，试验过程中，所取样砂为安徽淮南地区淮河流域普通石英砂。尽管影响降水入渗系数以及蒸发量的因素较多，其中包括时段初期包气带含水量、土壤性质、地下水位的埋深以及研究区的降水量和降水强度等，但本文主要探究新型地中蒸渗仪实验过程，不考虑上述影响因素，获得实验数据如表1和表2。

实验数据表明，本新型地中蒸渗仪运行良好，可运用于实验室教学。自动化操作系统可结合传统的大型地中蒸仪，减少误差，提高效率。

图2 两种砂层降水量-入渗水位关系

图3 两种砂层蒸发量-时间变化关系

5 结语

地中蒸渗仪是一种用于测定农田蒸发与降水入渗的标准仪器，用于农田水利研究已有数十年年的历史。本装置将传统蒸渗仪与自动化采集控制系统结合使用，使观测试的验运行和数据的采集更加快速便捷和准确，具有良好的推广实用性和广阔的应用前景。具体体现为：(1)能为精确评价水资源量提供重要参数；(2)小型化设计和便捷的操作系统，为开展校内实验教学及科学实验提供了良好的工作平台；(3)为农业水利的传统实验站改造提供借鉴。

[1]张人权，梁杏，靳孟贵，等.水文地质学基础 地中蒸渗仪分析.北京出版社.2011.101-111.

[2]葛帆，王钊 蒸渗仪及其应用现状.节水灌溉.2004(2)：30-32.

[3]王文忠，李丛林，李大康.虹吸式地中蒸渗仪.中国农村水利水电.1990(6)：9-10.

[4]李金柱.地中蒸渗计与自然潜水水分运移机理差异及误差分析.山西水利科技.2003(1)：54-56.

[5]李金柱，孙明，王永义.地中蒸渗计降雨入渗资料的处理.水文.2003.23(6)：24-27.

[6]谭炳卿，金光炎.水文模型与参数识别[M].北京:科学技术出版社.1998.