蒸渗仪是应用水量平衡原理,推求平衡因素中某些难以直接测定的或需研究的某些因素的变化过程。

蒸渗仪的基本工作原理:被测土柱水量平衡方程:△S = P+I+Q-△R–ET 。

上式中:△S为土壤储存水量的变化,P为降水量,I为灌溉量,Q为渗漏水量,△R为净地表径流量,ET为蒸腾蒸发量。其中降水量(P)和灌溉量(I)可以由雨量计和水表直接测得,渗漏水量和地表径流量也可用专用设备测量得到。但土壤储存水量的变化量(△S)代表降水或灌溉后水分的增加,或测量蒸腾蒸发作用导致水分的损失,这些较难测量,所以研发了高精度的称重式蒸渗仪系统来测量△S。

多参数自动称重式蒸渗仪是一种自动测试、记录、存储、输出试体重量,可精确量化土壤水分变化,准确测定土壤蒸散发量和土壤水势、土壤含水量、温度、电导率等剖面变化的设备。为水文循环中的土壤水下渗、地表径流、地下径流等过程和研究农田蒸腾蒸发和地下水~土壤水转化关系,提供更系统、更准确数据的测量工具。

1、多参数直接称重式蒸渗仪的工作原理

直称固定型自动电子称重式蒸渗仪是把压力传感器固定在钢结构底座上,被称土壤测筒平置于称重底座的传感器之上,直接称量土壤测筒中水分的变化。直接称重系统消除了杠杆式称重测量的转换误差及悬臂式测量系统受风和形变带来的误差,称重分辨率可达100克。

2、多参数直接称重式蒸渗仪具备以下主要功能

(1)测量具有地下水毛管上升补给条件下的农田实际蒸散发量和潜水蒸发量,进而分析和研究地下水对农田蒸散发的作用和贡献。

(2)研究不同土壤类型、不同地下水埋深对农田蒸发和土壤入渗的影响

(3)研究作物耗水量、棵间蒸发量和合理的农田灌溉制度

(4)建立SPAC系统分析模型,优选和确定各类参数

(5)研究与水分运动有关的土壤养分、化学元素和污染物质在土壤中运移和转化的规律。总之,该套设备是开展四水转换研究的重要手段,同时还可用于研究农田其他物质流和能量传输规律和机理,根据设计和制作要求,与国内外已有地中蒸渗仪比较,具有规模大、测量精度高和功能多样化的特点。

3、多参数直接称重式蒸渗仪有如下的特点

(1)仪器是只读和存贮式的、它通过电路的特殊调试将重量值(kg)转换成蒸渗量。

⑵仪器具有定时贮存、显示、打印功能,可人工和计算机观测和控制。即当到设置的时间仪器自动贮存、显示当前的重量,两次数值的差值为蒸渗量。

(3)地下室是保护四周土壤不接触到盛土容器的作用,蒸滲仪内筒的土壤条件和植物生长与大田基本一致,其测量结果能代表大田的实际情况。

(4)本仪器对指导农作物、牧草和林业的合理用水,对于研究土壤一植物一大气系统中水分的运动规律,制定合理科学的灌溉制度、节约用水、促进农作物生长都将产生积极的作用。

4、多参数直接称重式蒸渗仪的结构及组成

多参数直接称重式蒸渗仪由地下室、称重底盘、压力传感器、盛土容器(土筒)、渗漏水计量装置、地表径流计量装置和其它设备(土壤水分测量仪、张力计、土壤溶液取样、地温、电导率测量等)及数据采集系统组成,主要用于定点测定根系较深的作物蒸散量和渗漏量。

⑴蒸渗仪防护地下室

蒸渗仪防护地下室是保护四周土壤不接触到盛土容器(内筒),减少了对大田土壤的扰动,虽造价较高,但对土壤测筒的安装、维护提供极大方便,蒸渗仪地下室外的土壤条件和植物生长与大田基本一致。地下室的建造综合考虑冬季土壤低温冻胀、土体深度以及便于定位称重等因素,根据地下水位埋深及土壤结构的具体情况,本文选用钢钢筋混凝土结构,而且加装保温防冻措施,使蒸渗仪在外界-40℃的低温环境下能正常工作。

地下室形状为长方形形,室内面积为4.5×2.8米。侧壁为25cm厚的钢筋混凝土,底板为30cm厚的钢筋混凝土,地下室深度为2.2m, 地下室上部开有直径1.3米园孔,用于安装土壤测筒。土壤测筒上沿5厘米处安装向下扩展的不锈钢防风防雨圈。

地下观测室平面布置示意图见图1所示:地下观测室和测量设备立体结构示意图见图2

图1:地下观测室平面布置示意图

图2地下观测室和测量设备立体结构示意图

⑶称重底座和压力传感器

在称重方式上,选用了固定直接称重的电子称重蒸渗仪。固定直称式电子称重式蒸渗仪通过3个量程为2200kg的C6级压力传感器把士壤测筒重量(kg)转化为电信号,由数据采集系统存储并转化为蒸渗量(mm),精度高,操作简单。

称重传感器是自动称重式蒸渗仪的技术核心,设计采用3支重量传感器安装在夹角120°的钢制伞形“人” 字称重底盘下端,选用多个压力传感器的目的是为了提高测量精度。

称重底盘座落在直径140厘米的钢筋混凝土基座上与测简直接接触,物体重心与称重系统的重心保持在一条垂线上,使传感器受力均匀。该系统称量范围最大为6.6t, 称量鉴别力达到200g, 按照灌溉试验中准确反应0.1mm蒸散量变化要求, 完全能够满足该领域的实验要求。

称重传感器的性能、技术参数

最大称量:2.2T

准确度等级  C6

安全极限载荷150%R.C

激励电压5-15V DC

绝缘电阻≥5000 MΩ

灵敏度 1.9407 mv/V;

零点输出<1% R.C

输入阻抗 384±10Ω

输出阻抗 350±2Ω

最小检定分度值200g

⑷蒸渗仪盛土容器(土筒)

本设计根据用户要求蒸渗仪盛土容器(土筒)形状为圆形,圆形测筒可消除了方形测筒直角对土壤的应力不均匀,干扰土壤剖面水势梯度,圆形筒盛土后四周受力均匀,一般外壁不需要加固圈。

蒸渗仪盛土容器〔土筒)为圆柱形,内径为1.13m,土体表面积是 1平方米,土壤测筒高为2.0m,侧壁为4mm厚不锈钢板、底为6mm厚的不锈钢板,内外双面焊接而成。设计使用的蒸渗仪 (圆形),装土深度为1.6米,土筒底部有30厘米厚度的反滤层,在反滤层内布有连通管,连通管管道壁上打有密集的小孔,在管道外还包有不锈钢纱布,土壤中的水分可进出连通管同时也隔离了固体物质。